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摘 要：介绍埕海1-1人工岛污水处理一体机自动化控制系统的构成和特点，并结合一体机的运行、设备的控制、仪表的监测，浅谈一些运行中存在的问题和经验。
关键词：自控系统;PLC;PROFIBUS-DP网;污水处理一体机
一、 概述
埕海1-1人工岛位于渤海滩涂，面积约为140×140平方米，是集钻、采、注、输为一体的综合型生产单位。具备油气分离、集输、污水处理回注、消防电力配套等功能。
污水处理一体机是污水处理工序的关键设备，油井采出水经加药、沉淀等工序处理后由污水处理一体机进行处理，然后回注。人工岛配置2台污水处理一体机，其自控系统包括一套S7-300 PLC系统和一个触摸屏。自控系统的稳定运行是一体机正常运行，提高注水水质，保障油井稳产高产的关键。
二、自控系统体系结构
埕海1-1人工岛污水处理机自控系统包括一套西门子S7-300 PLC和一个触摸屏，系统结构如图1所示。
PLC控制一体机各个设备的运行。触摸屏是一体机的人机接口，安装于控制柜门上，进行一体机的状态显示和参数设置。触屏与S7-300 PLC通过485协议MODBUS网络进行通信。
1、 S7-300 PLC系统组成
一体机PLC控制系统包括一台主站、三台远程站，主站和远程站之间通过FROFIBUS-DP网相连。硬件配置如图2所示。
PLC主站包括1个电源模块、1个CPU模块和1个485通讯模块。电源模块提供24V直流电源。CPU模块运行用户程序，执行控制功能。485通讯模块采用CP341-RS422/485（6ES7 341-1CH01-0AE0），是带有RS422/485接口的通讯处理器，通过CP341-RS422/485模块PLC主站作为MODBUS从站与作为触摸屏进行通讯。
PLC主站通过CPU模块的DP口连接PROFIBUS-DP网络与三个远程站进行通讯。三个远程站的DP网地址分别为3、4、5，远程站包括电源模块、IM153-1模块、IO模块，电源模块为远程站提供24V直流电源，远程站通过IM153-1模块连接FROFIBUS-DP网络作为DP从站与PLC主站进行通讯。IO模块包括开关量输入模块DI32*DC24V、开关量输出模块DO16*Rel.AC120/230V、模擬量输入模块AI8*12Bit。
输入模块DI32*DC24V包含32路开关量DC24V输入。用于标准开关、按钮、两线制阀位开关。
开关量输出模块DO16*Rel.AC120/230V包括16路继电器输出。用于连接电磁阀、接触器、指示灯、继电器等。负荷电压直流120V，交流电压230VAC。
模拟量输入模块AI8*12Bit包括8路模拟量输入，在本系统中连接4-20mA两线制压力变送器。
三、污水处理一体机的组成
埕海1-1人工岛包括两台污水处理一体机，由一套PLC系统统一控制。每台污水处理一体机包括侧向流分离室1套，3台核桃壳过滤器并联运行，3台纤维球过滤器并联运行。每个过滤器包括1个搅拌器和5个气动阀，分别为过滤进口阀、过滤出口阀、反冲进口阀、反冲出口阀、排油阀。核桃壳过滤器和纤维球过滤器可单独进行反冲洗。此外，为两台污水处理一体机配2台反冲泵，一用一备;每台一体机配1台总排油阀和1台总排泥阀。
四、工艺流程
污水处理一体机的主要工艺路线如下图3所示。
含油污水经斜板室分离，上浮的油经自动排油阀定时排入污油回收系统，沉淀物经自动排泥阀定时排入污泥回收系统。
经斜板分离室处理后的水进入核桃壳过滤器，利用核桃壳滤料的拦截及吸附作用，去除水中的油及悬浮物。经核桃壳过滤器处理后的水进入纤维球过滤进一步处理，保证出水水质稳定。
五、系统控制方式和控制逻辑
在一体机运行过程中，过滤室逐室反洗，各个过滤器在过滤方式和反冲洗方式交替循环运行。在过滤方式下，过滤进口阀和过滤出口阀打开，对进入过滤器的污水进行过滤;在反冲洗方式下，反冲进口阀和反冲出口阀打开，搅拌器运行，反冲泵运行，对过滤器进行反冲洗。
一体机有自动和手动两种控制方式，在手动方式下，通过控制柜面板上的按钮和选择开关可单独操作各个设备的启停，手动方式仅用于设备调试和维护。在自动方式下，PLC按照设定的反洗周期和反洗持续时间控制各个过滤室自动进行过滤和逐室反洗。并进行自动排油。反洗周期为8小时，反洗持续时间为20分钟。每个过滤室过滤开始120分钟后，进行该过滤室的排油;排油20分钟。
六、常见故障及运行维护经验
1、问题一：反冲洗泵就地可以启动、停止，远程能启动、不能停止。
原因分析：反冲洗泵主回路由配电室的MCC柜控制，主回路的控制回路原理图如图4所示。
在图4中是反冲洗泵主回路接触器的控制回路，具有自保持功能。L和N分别代表220VAC控制电压的零线和火线。KM1表示反冲洗泵主回路的接触器，KA1和KA2分别表示MCC柜内的启动和停止继电器触点。当继电器KA1得电时，常开触点闭合，接触器KM1得电反冲洗泵运行，并通过继电器的辅助触点自保持。当继电器KA2得电时，常闭触点断开，接触器KM1失电反冲洗泵停止。
查看PLC及就地操作的反冲洗泵启动、停止输出信号接线原理图如图5所示。
在以上图5中，KA1和KA2表示MCC柜内的启动和停止继电器线圈，KA8和KA9表示PLC控制柜内的反冲洗泵启动、停止继电器。在就地操作盘上，选择开关选到就地位时1与2接通，就地操作盘上的自复位选择开关选到启动位一次，5与6接通一次，KA1线圈得电触点闭合一次，通过图4自保持电路使反冲洗泵启动;自复位选择开关选到停止位一次，7与8接通一次，KA2线圈得电触点闭合一次，通过图4电路使反冲洗泵停止。在就地操作盘上，选择开关选到远方位时3与4接通，此时，PLC输出反冲洗泵启动信号，继电器KA8得电，9和10接通，KA1线圈得电触点闭合，通过图4自保持电路使反冲洗泵启动;PLC输出反冲洗泵停止信号时，继电器KA9得电11和12接通，KA2线圈得电触点闭合，通过图4电路使反冲洗泵停止。 通过STEP7软件查看PLC程序，发现反冲洗泵的停止控制逻辑如图6所示。
从图6所示的PLC程序可知，PLC反冲洗泵启动指令消失后停止指令输出3秒，之间无启停联锁条件。
故障现象是：反冲洗泵就地可以启动、停止，远程能启动、不能停止。从以上分析可得出故障原因是PLC控制柜内的反冲洗泵停止繼电器故障，更换后恢复正常。
2、问题二：PLC的所有输出模块都没输出
故障分析：主站CPU的DP灯闪、SF灯亮，从站153接口模块的DP灯亮。通过STEP7软件监控PLC程序运行状态，运行正常。用软件监控硬件状态，发现主站与三个从站的通讯都不通。通过以上现象分析得知，故障原因有以下几种可能：
主站与3号从站之间的DP网线故障
主站或3号从站上的DP网插头故障
主站上的CPU故障
更换主站与3号从站之间的DP网线后故障仍存在;更换主站和3号从站上的DP网插头后故障仍未消失。将DP网线和DP插头恢复原状后，更换CPU模块后系统恢复正常。
3、问题三：PLC的CPU模块故障与所有从站的通讯中断后，所有输出模块都没输出，现场所有气动阀关闭，突然不能过滤也不能反洗;而此时由于图4电路的自锁功能反冲泵不停，导致憋泵。
4、问题四：一体机不自动反洗。
原因：反洗周期参数丢失，回零。
处理措施：临时将周期参数在程序内写死。更换CPU模块后问题解决。
5、运行维护体会
埕海1-1人工岛配置两台污水处理一体机，在工艺上一用一备。当某一台一体机检修时，另一体投运，保证生产的正常运行。但是，在设计上两台一体机配了一套PLC控制系统，当PLC系统瘫痪时，两台一体机都无法运行，还会导致反冲洗泵憋泵。
应对措施：
加强对PLC系统的维护，保证PLC系统的正常运行。
对PLC系统的CPU模块进行离线备份，下装好程序，万一CPU模块故障导致PLC系统瘫痪时立刻换上，缩短故障处理时间。
将PLC的故障报警信号引到中控室的DCS系统。PLC故障时，中控室可及时知道。
过滤进口阀和过滤出口阀选气关阀;反冲进口阀和反冲出口阀选气开阀;将PLC的故障信号与反冲洗泵的停止信号并起。当PLC系统瘫痪或失电时，过滤进口阀和过滤出口阀自动打开进行过滤，反冲进口阀和反冲出口阀自动关闭，反冲洗泵自动停止，暂时不冲洗，降低PLC故障对生产的影响。
7 结束语
现在各油田都进行油井采出水回注，污水处理一体机是油田生产的重要设备，加强维护保证稳定其运行可提高注水质量，对提高油田产量具有非常重要的意义。通过加强维护和采取改进措施，大大降低了一体机的故障率;即使偶尔发生故障也能及时发现，快速处理;同时通过采取进一步措施使故障状态对生产的影响降到最低。下一步将通过优化调整核桃壳过滤器和纤维球过滤器的反洗持续时间和反洗周期来延长过滤材料的寿命，提升一体机的处理能力，降到运行成本，为企业创造效益。
参考文献：
[1]陈康 廖柯熹，胜利油田某污水处理站工艺改造研究，《 当代化工》第44卷第9期，2015年9月.
[2]郑少奇，油田污水处理系统现状及改造思路.《中国化工贸易.上旬刊》，2017年第02期.
[3]周鹏.汪卿，油气田钻采污水处理撬装设备自动化.《仪器仪表用户》，第23卷 第12期 2016年12月.
[4]张程 翁惠辉 汤国强，油田联合站污水处理自动控制系统设计.《石油化工自动化》，2007.1.31
[5]陈艳云，污水处理自动化控制系统研究.《科学与技术》.2014年第04期.
作者简介：
张旭明， 男，1981年生，工程师，大港油田滩海开发公司第三采油作业区，毕来于石油大学（华东）石油工程专业，现任滩海开发公司第三采油作业区工程师。
关键词：自控系统;PLC;PROFIBUS-DP网;污水处理一体机
一、 概述
埕海1-1人工岛位于渤海滩涂，面积约为140×140平方米，是集钻、采、注、输为一体的综合型生产单位。具备油气分离、集输、污水处理回注、消防电力配套等功能。
污水处理一体机是污水处理工序的关键设备，油井采出水经加药、沉淀等工序处理后由污水处理一体机进行处理，然后回注。人工岛配置2台污水处理一体机，其自控系统包括一套S7-300 PLC系统和一个触摸屏。自控系统的稳定运行是一体机正常运行，提高注水水质，保障油井稳产高产的关键。
二、自控系统体系结构
埕海1-1人工岛污水处理机自控系统包括一套西门子S7-300 PLC和一个触摸屏，系统结构如图1所示。
PLC控制一体机各个设备的运行。触摸屏是一体机的人机接口，安装于控制柜门上，进行一体机的状态显示和参数设置。触屏与S7-300 PLC通过485协议MODBUS网络进行通信。
1、 S7-300 PLC系统组成
一体机PLC控制系统包括一台主站、三台远程站，主站和远程站之间通过FROFIBUS-DP网相连。硬件配置如图2所示。
PLC主站包括1个电源模块、1个CPU模块和1个485通讯模块。电源模块提供24V直流电源。CPU模块运行用户程序，执行控制功能。485通讯模块采用CP341-RS422/485（6ES7 341-1CH01-0AE0），是带有RS422/485接口的通讯处理器，通过CP341-RS422/485模块PLC主站作为MODBUS从站与作为触摸屏进行通讯。
PLC主站通过CPU模块的DP口连接PROFIBUS-DP网络与三个远程站进行通讯。三个远程站的DP网地址分别为3、4、5，远程站包括电源模块、IM153-1模块、IO模块，电源模块为远程站提供24V直流电源，远程站通过IM153-1模块连接FROFIBUS-DP网络作为DP从站与PLC主站进行通讯。IO模块包括开关量输入模块DI32*DC24V、开关量输出模块DO16*Rel.AC120/230V、模擬量输入模块AI8*12Bit。
输入模块DI32*DC24V包含32路开关量DC24V输入。用于标准开关、按钮、两线制阀位开关。
开关量输出模块DO16*Rel.AC120/230V包括16路继电器输出。用于连接电磁阀、接触器、指示灯、继电器等。负荷电压直流120V，交流电压230VAC。
模拟量输入模块AI8*12Bit包括8路模拟量输入，在本系统中连接4-20mA两线制压力变送器。
三、污水处理一体机的组成
埕海1-1人工岛包括两台污水处理一体机，由一套PLC系统统一控制。每台污水处理一体机包括侧向流分离室1套，3台核桃壳过滤器并联运行，3台纤维球过滤器并联运行。每个过滤器包括1个搅拌器和5个气动阀，分别为过滤进口阀、过滤出口阀、反冲进口阀、反冲出口阀、排油阀。核桃壳过滤器和纤维球过滤器可单独进行反冲洗。此外，为两台污水处理一体机配2台反冲泵，一用一备;每台一体机配1台总排油阀和1台总排泥阀。
四、工艺流程
污水处理一体机的主要工艺路线如下图3所示。
含油污水经斜板室分离，上浮的油经自动排油阀定时排入污油回收系统，沉淀物经自动排泥阀定时排入污泥回收系统。
经斜板分离室处理后的水进入核桃壳过滤器，利用核桃壳滤料的拦截及吸附作用，去除水中的油及悬浮物。经核桃壳过滤器处理后的水进入纤维球过滤进一步处理，保证出水水质稳定。
五、系统控制方式和控制逻辑
在一体机运行过程中，过滤室逐室反洗，各个过滤器在过滤方式和反冲洗方式交替循环运行。在过滤方式下，过滤进口阀和过滤出口阀打开，对进入过滤器的污水进行过滤;在反冲洗方式下，反冲进口阀和反冲出口阀打开，搅拌器运行，反冲泵运行，对过滤器进行反冲洗。
一体机有自动和手动两种控制方式，在手动方式下，通过控制柜面板上的按钮和选择开关可单独操作各个设备的启停，手动方式仅用于设备调试和维护。在自动方式下，PLC按照设定的反洗周期和反洗持续时间控制各个过滤室自动进行过滤和逐室反洗。并进行自动排油。反洗周期为8小时，反洗持续时间为20分钟。每个过滤室过滤开始120分钟后，进行该过滤室的排油;排油20分钟。
六、常见故障及运行维护经验
1、问题一：反冲洗泵就地可以启动、停止，远程能启动、不能停止。
原因分析：反冲洗泵主回路由配电室的MCC柜控制，主回路的控制回路原理图如图4所示。
在图4中是反冲洗泵主回路接触器的控制回路，具有自保持功能。L和N分别代表220VAC控制电压的零线和火线。KM1表示反冲洗泵主回路的接触器，KA1和KA2分别表示MCC柜内的启动和停止继电器触点。当继电器KA1得电时，常开触点闭合，接触器KM1得电反冲洗泵运行，并通过继电器的辅助触点自保持。当继电器KA2得电时，常闭触点断开，接触器KM1失电反冲洗泵停止。
查看PLC及就地操作的反冲洗泵启动、停止输出信号接线原理图如图5所示。
在以上图5中，KA1和KA2表示MCC柜内的启动和停止继电器线圈，KA8和KA9表示PLC控制柜内的反冲洗泵启动、停止继电器。在就地操作盘上，选择开关选到就地位时1与2接通，就地操作盘上的自复位选择开关选到启动位一次，5与6接通一次，KA1线圈得电触点闭合一次，通过图4自保持电路使反冲洗泵启动;自复位选择开关选到停止位一次，7与8接通一次，KA2线圈得电触点闭合一次，通过图4电路使反冲洗泵停止。在就地操作盘上，选择开关选到远方位时3与4接通，此时，PLC输出反冲洗泵启动信号，继电器KA8得电，9和10接通，KA1线圈得电触点闭合，通过图4自保持电路使反冲洗泵启动;PLC输出反冲洗泵停止信号时，继电器KA9得电11和12接通，KA2线圈得电触点闭合，通过图4电路使反冲洗泵停止。 通过STEP7软件查看PLC程序，发现反冲洗泵的停止控制逻辑如图6所示。
从图6所示的PLC程序可知，PLC反冲洗泵启动指令消失后停止指令输出3秒，之间无启停联锁条件。
故障现象是：反冲洗泵就地可以启动、停止，远程能启动、不能停止。从以上分析可得出故障原因是PLC控制柜内的反冲洗泵停止繼电器故障，更换后恢复正常。
2、问题二：PLC的所有输出模块都没输出
故障分析：主站CPU的DP灯闪、SF灯亮，从站153接口模块的DP灯亮。通过STEP7软件监控PLC程序运行状态，运行正常。用软件监控硬件状态，发现主站与三个从站的通讯都不通。通过以上现象分析得知，故障原因有以下几种可能：
主站与3号从站之间的DP网线故障
主站或3号从站上的DP网插头故障
主站上的CPU故障
更换主站与3号从站之间的DP网线后故障仍存在;更换主站和3号从站上的DP网插头后故障仍未消失。将DP网线和DP插头恢复原状后，更换CPU模块后系统恢复正常。
3、问题三：PLC的CPU模块故障与所有从站的通讯中断后，所有输出模块都没输出，现场所有气动阀关闭，突然不能过滤也不能反洗;而此时由于图4电路的自锁功能反冲泵不停，导致憋泵。
4、问题四：一体机不自动反洗。
原因：反洗周期参数丢失，回零。
处理措施：临时将周期参数在程序内写死。更换CPU模块后问题解决。
5、运行维护体会
埕海1-1人工岛配置两台污水处理一体机，在工艺上一用一备。当某一台一体机检修时，另一体投运，保证生产的正常运行。但是，在设计上两台一体机配了一套PLC控制系统，当PLC系统瘫痪时，两台一体机都无法运行，还会导致反冲洗泵憋泵。
应对措施：
加强对PLC系统的维护，保证PLC系统的正常运行。
对PLC系统的CPU模块进行离线备份，下装好程序，万一CPU模块故障导致PLC系统瘫痪时立刻换上，缩短故障处理时间。
将PLC的故障报警信号引到中控室的DCS系统。PLC故障时，中控室可及时知道。
过滤进口阀和过滤出口阀选气关阀;反冲进口阀和反冲出口阀选气开阀;将PLC的故障信号与反冲洗泵的停止信号并起。当PLC系统瘫痪或失电时，过滤进口阀和过滤出口阀自动打开进行过滤，反冲进口阀和反冲出口阀自动关闭，反冲洗泵自动停止，暂时不冲洗，降低PLC故障对生产的影响。
7 结束语
现在各油田都进行油井采出水回注，污水处理一体机是油田生产的重要设备，加强维护保证稳定其运行可提高注水质量，对提高油田产量具有非常重要的意义。通过加强维护和采取改进措施，大大降低了一体机的故障率;即使偶尔发生故障也能及时发现，快速处理;同时通过采取进一步措施使故障状态对生产的影响降到最低。下一步将通过优化调整核桃壳过滤器和纤维球过滤器的反洗持续时间和反洗周期来延长过滤材料的寿命，提升一体机的处理能力，降到运行成本，为企业创造效益。
参考文献：
[1]陈康 廖柯熹，胜利油田某污水处理站工艺改造研究，《 当代化工》第44卷第9期，2015年9月.
[2]郑少奇，油田污水处理系统现状及改造思路.《中国化工贸易.上旬刊》，2017年第02期.
[3]周鹏.汪卿，油气田钻采污水处理撬装设备自动化.《仪器仪表用户》，第23卷 第12期 2016年12月.
[4]张程 翁惠辉 汤国强，油田联合站污水处理自动控制系统设计.《石油化工自动化》，2007.1.31
[5]陈艳云，污水处理自动化控制系统研究.《科学与技术》.2014年第04期.
作者简介：
张旭明， 男，1981年生，工程师，大港油田滩海开发公司第三采油作业区，毕来于石油大学（华东）石油工程专业，现任滩海开发公司第三采油作业区工程师。