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杨彦文设计号
攀枝花学院本科毕业设计（论文）
PLC在含油污水过滤流程控制的应用
学生姓名：
杨彦文
学生学号：
200810503077
院（系）：
电气信息工程学院
年级专业：
2008级自动化
指导教师：
陶文英职称副教授
助理指导教师
二〇一二年六月
摘要
油田污水是石油开采过程中的一种伴生产物。
油田污水在经过加药后沉降、过滤能实现污水的无害化，使油田污水得到妥善处理，减少了石油开采对环境的污染。
随着科学技术的发展，自动化程度要求越来越高，原有的污水处理装置远远不能满足当前高度自动化的需要。
减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染,提高产品的质量及经济效益是企业生产所必须面临的重大问题。
然而PLC是集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。
本论文是利用Controllogix系统的PLC来控制沉降罐、过滤罐的过滤流程，利用传感器来检测罐内压力，并结合图形来叙述，简单易懂，而且检测装置也很方便，从而保证了过滤过程的精确控制，从而提高污水处理效率，也取得了很好的经济效益。
关键词ControllogixPLC，沉降，过滤
ABSTRACT
Oilfieldwastewaterisanassociatedproductoftheoilextractionprocess.Oilfieldwastewaterinthesettlementafterdosing,filteringwastewaterharmless,andproperhandlingoftheoilfieldwastewater,reducingpollutionofoilexploitationontheenvironment.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,degreeofautomationisbecomingmoredemanding,thetransportdeviceisfarfrombeingabletomeetthecurrentneedsofthehighlyautomated.Reducelaborintensityandprotectthereliabilityofproduction,safety,andreduceproductioncosts,reduceenvironmentalpollution,andimproveproductqualityandeconomicefficiencyisthemajorissuesfacingtheproductionmustbe.However,PLCisintegratedautomaticcontroltechnology,measurementtechnology,newsensortechnology,computertechnologyinoneofthemechanicalandelectricalintegrationproducts;takefulladvantageofcomputertechnologyforcentralizedmonitoring,control,managementanddistributedcontroloftheproductionprocess;fullyabsorbedthedistributedcontrolsystemandtheadvantagesofcentralizedcontrolsystems,useofstandardized,modular,systematicdesign,flexibleconfiguration,convenientconfiguration.
ThispaperisPLCuseControllogixsystemtocontrolthesettlingtank,filtertankfiltrationprocesscontrol,usingsensorstodetectpressureinthetank,combinedwiththegraphicstodescribeeasytounderstand,andthedetectiondeviceisalsoveryconvenient,inordertoensurethefiltrationprocessprecisecontrol,therebyimprovingtheefficiencyofsewagetreatment,andalsoachievedgoodeconomicbenefits.
KeywordsControllogixPLC,sedimentation,filtration
1绪论
1.1序言
油田污水主要包括原油脱出水（又名油田采出水）、钻井污水及站内其它类型的含油污水。
油田污水的处理依据油田生产、环境等因素可以有多种方式。
以注水为主要开发方式的油田，从注水井注人油层的水，其中大部分通过采油井随原油一起回到地面，这部分水在原油外运和外输前必须加以脱除，脱出的污水中含有原油，因此被称为油田采出水。
随着油田开采年代增长，采水液的含水率不断上升，有的区块已达到90％以上，这些含油污水成为油田的主要注水水源。
随着油田外围低渗透油田和表外储层的连续开发，对油田注水水质要求更加严格。
油田污水主要包括原油脱出水（又名油田采出水）、钻井污水及站内其它类型的含油污水。
油田污水的处理依据油田生产、环境等因素可以有多种方式。
可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
本设计把PLC运用于油田污水处理是为了实现污水处理的自动化，实现处理现场无人看守，从而减少劳动力成本提高工作效率。
油田污水在经过加药后沉降、过滤能实现污水的无害化，使油田污水得到妥善处理，减少了石油开采对环境的污染。
ControllogixPLC即是由罗克韦尔公司自主研发的可编程控制器（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
罗克韦尔PLC因为有其广泛的兼容性，在工业控制领域中已经得到了广泛应用，由于PLC在顺序控制中有着其自身的优点，同时加快了实现工业生产中自动化控制的进程。
1.2油田污水处理的发展历程
在现实生产过程中，很多油田污水在排放时都要经过无害化处理。
目前国内外油田污水处理普遍使用的技术有：
物理法、化学法、物理化学法、生物法。
我国许多油田水处理站的自动化程度不高，手动操作多，工人劳动强度大，而且一般比较笨重，不易操作管理，生产效益低。
从我国各主要油田污水处理回注站所采用的净水工艺可以看出，我国油田污水处理回注的整体技术、工艺、管理水平不是太高，这也是我国大部分油田污水处理回注站处理效率低、水质无法达标的
主要原因之一。
随着全球范围水资源短缺的加剧，以及人们对环境污染认识的加深，油田污水处理后回用已经越来越受到重视。
近期的研究有如下趋势：
新型水处理药剂的研制和开发、先进设备的研制和新技术的应用、生物处理技术、膜分离技术的研究及推广、开发工艺更为先进的复合反应器，提高处理效率，减少占地面积。
从人工值守，手动运行污水处理系统到全程PLC自动控制、无人看守。
从粗略处理到准确高效的污水处理系统形成。
体现出PLC在油田污水处理中使得污水处理更加自动化和智能化，在整个沉降和过滤过程中，更加的精确，使得污水处理效率大大提高，减小了石油开采对环境的污染，保证了生产安全。
也大力减少了人力资源。
2工艺流程及设备控制要求
2.1沉降罐、过滤罐流程简介
本设计是利用主要是利用PLC对沉降罐和过滤罐的各个器件进行控制。
沉降和过滤过程是在含油污水进过加药处理过程后，在污水中形成许多絮状物，加药后的污水进入沉降罐中，污水中得杂质在沉降罐中沉淀后，上层清液由沉降罐顶部流出，经过加压泵后，进入精细过滤器过滤，经过过滤器过滤后就可以达到要求的技术指标。
在设定的循环周期中，四个排污阀依次打开，将沉降罐底部的污泥排出。
精细过滤器内部填充有多层虑聊的承压罐，一般采用8个过滤器并联运行。
过滤器从开始进水过滤开始，到反冲洗完成接收算做一个周期[1]。
具体过滤工艺流程图（见图2.1）
反冲洗出水
图2.1过滤工艺流程图
2.1.1沉降罐排污工艺流程
①沉降
沉降过程在沉降罐中进行，首先来水进入沉降罐，在罐中将会有大部分杂质沉
淀到罐底，上层清液由顶部的出水口流出，由管道进入下一道处理工序。
②排污
沉降过程运行一定的时间后，需要将底部的4个排污阀依次打开，四个排污阀
由上至下打开，以保证沉降罐的污泥不会由出水管口随着出水的排出而排出，最后将罐底的污泥排出。
2.1.2过滤罐过滤工艺流程
①过滤
经过沉降处理的污水进入过滤罐中。
此时将过滤进水阀和出水阀门都打
开，污水经过加压泵加压后，由过滤进水阀进入过滤罐，再经过滤层过滤，
再经过滤出水阀流出，进入清水罐储存起来。
②排水
当过滤罐运行一段时间后，需要反冲洗，首先需要将过滤罐中的水排出。
排水时，过滤进、出水阀关闭，然后排水和排气阀打开，将过滤罐中的污水排
出。
③反冲洗
当过滤罐中的水排出后，将排气和排水阀关闭，将反冲洗泵打开，并将过滤罐
的反冲洗进水和出水阀打开，开始返程冲洗过程。
2.2设备控制要求
2.2.1沉降罐控制
沉降罐的控制分为自动和手动控制两种控制方式。
这两种方式，都是由PLC按程序设定好的操作顺序依次控制沉降罐阀门的开启和关闭，不需要操作人员在现场手动启闭阀门。
①自动控制方式
当沉降罐的控制方式选择为自动控制方式时，则沉降罐处于自动运行状态，各阀门按系统设定的时间定时依次开启和关闭，不需要操作人员的手动操作。
②手动控制方式
当沉降罐的控制方式选择为手动控制方式时，则沉降罐需要认为的控制各个阀门的开闭，而不会按照定时器设定的时间依次动作。
操作人员可以操作控制仪表盘上的按钮来手动执行排污过程。
2.2.2过滤罐控制
过滤罐的控制则分为手动控制、自动控制和差压控制三种控制方式。
这些控制方式都不需要人工值守控制的，而是通过PLC按PLC控制程序设定的顺序依次开闭过滤罐各阀门。
①自动控制方式
当过滤罐处于自动控制状态时，则过滤罐处于自动运行状态，各阀门按系统设定的时间定时依次开启和关闭，不需要操作人员的手动操作。
②手动控制方式
当过滤罐的控制方式选择为手动控制方式时，则过滤罐需要认为的控制各个阀门的开闭，而不会按照定时器设定的时间依次动作。
操作人员可以操作控制仪表盘上的按钮来手动执行排污过程。
③差压控制方式
差压控制方式是一种过压保护控制方式，无论过滤罐处于自动控制还是手动控制方式。
当过滤罐压力高于设定值时，差压控制开关动作，差压报警指示灯变亮，反冲洗流程自动启动。
这时自动控制和手动控制自动停止，等反冲洗过程结束后这两种控制方式才能起作用。
差压控制是为了防止系统运行压力过大导致人身伤害和危及设备安全，压力上限值一般设为0.20MPA。
3含油污水处理系统PLC的选型
3.1主要执行和检测元件的选择
①接触器
在控制系统中，所有设备是根据控制面板上的按钮情况或者根据定时器的反馈值进行动作的，因此需要PLC根据当前的工作情况，以及按钮的情况来控制所有设备的启停，在此会用到了接触器：
反冲洗泵接触器，为此该系统选用施耐德LC1-D0901M5C交流接触器，其额定电压220V,额定电流9A。
其特点有：
高标准：
符合IEC60947-4-1和GB14048.4标准。
长寿命：
机械寿命高达2000万次；电寿命高达200万次。
强适应性：
“TH”防护处理，可以在湿热的环境中使用。
宽电压：
线圈控制电压在70%-120%Uc之间波动，不影响产品正常工作。
强通用性：
具有50Hz-60Hz通用线圈，可以全世界通用。
模块化：
产品本体上可以附加辅助触头，通电/断电延时触头，机械闭锁等模块。
也可以很方便地组合成可逆接触器、星-三角起动器。
②电磁阀
电磁阀是通过线圈驱动来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。
工作原理：
通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。
控制阀门采用气动蝶阀，控制电磁阀采用两位五通单控电磁阀。
③加压泵一般的泵产品，就驱动方式言，可分为交流泵和直流泵。
如果要改变管道流量的话，通过改变电磁阀开度或者改变泵的转速，都可以实现。
泵是输送液体或者使液体增压的机械。
它将原动机的机械能或者其他外部能量传送给液体，使液体能量增加。
泵主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。
在过滤过程中使用普通型的增压泵即可满足控制要求。
根据上述分析，选择18WG-18即可满足要求。
④压力传感器
压力传感器是工业过程控制中最为常用的一种传感器，其广泛用于军工、石化、油田、电力、船舶、机床、管道传输等众多行业。
压力传感器种类较多，较为常用的有、应变片压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器等[4]。
扩散硅压力传感器的基本工作原理是：
被测介质的压力直接作用于传感器的膜片，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，传感器的电阻值因此发生变化，利用电子线路检测这一变化，并将这一变化转化为一个标准的输出信号。
污水处理系统中，系统的压力会随着过滤流量和运行时间变化而变化。
为了保证系统正常运行，运行压力必须在规定范围内。
系统运行压力上限为0.2MPa,控制精度+1%。
越多：
当系统工作压力大于0.2MPa时,控制器将及时进行反冲洗过程，同时给出报警信号。
结合上述控制要求本设计选用进口高性能隔离式扩散硅传感器（DX-800扩散硅变送器），采用20世纪90年代先进制造工艺，具有同类进口变送器的坚固性和可靠性，适用于各种工业领域中腐蚀性介质的标压、绝压和负压的检测。
⑤监测点的统计
由于本监测点的都是数字量，所以只用到数字量输入\输出。
输入点统计见表3.1。
表3.1监测点统计
数字输入
数字输出
1
反冲洗差压开关
1
冲洗过滤
14
反冲洗罐出水阀沉
2
小于等于选择
2
启动反冲洗泵
15
反冲洗罐反洗进水阀
3
大于等于选择
3
沉降罐定时器
16
反冲洗罐反洗出水阀
4
启动过滤罐
4
沉降罐排1号污阀
17
反冲洗罐排水阀
5
启动沉降罐
5
沉降罐排2号污阀
18
反冲洗罐排气阀
6
停止过滤罐
6
沉降罐排3号污阀
19
反冲洗罐定时器
7
启动沉降罐
7
沉降罐排4号污阀
20
离线排水
8
过滤罐手动/自动选择开关
8
工作指示灯
9
沉降罐手动、自动选择开关
9
排污指示灯
10
冲洗次数选择开关
10
反冲洗罐显示
11
冲洗次数选择开关
11
差压报警显示
12
过滤罐定时器1输出
12
沉降罐显示
13
过滤罐定时器2输出
13
反冲洗罐进水阀
3.2PLC的选型
由于设计的污水处理控制系统是应用在小规模的污水处理，PLC可以用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。
由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分的发挥其作用。
PLC在下列领域已经得到了广泛的应用：
机床电气、食品工业、化学工业、陶瓷工业、电力自动化设备、实验室设备、电梯、中央空调、真空装置、恒压供水和化工系统中各种泵和电磁阀的控制等。
ControlLogixPLC在污水处理控制系统中的应用，属于在该系列PLC的典型应用[12]。
含有污水过滤控制系统的核心是PLC，哪些信号需要输入至PLC，PLC需要驱动哪些负载,以及采用何种编程方式，都是需要认真考虑的问题，都会影响到其内部I/O点数的分配。
因此，I/O点数的确定是设计含油污水过滤自动控制系统首先需要解决的问题,决定着系统硬件部分的设计，也是系统软件编写的前提。
由于工艺流程比较固定、环境条件比较好，所以选用模块式的PLC机型，即ControlLogixPLC。
3.3ControlLogixPLC的特点
ControlLogix控制系统看起来像一个可编程序控制器，但它不只限于此。
ControlLogix结构体系是一个技术先进的控制平台，它集成了多个控制功能：
顺序控制、运动控制、传动及过程控制等。
与传统可编程控制器不同的是，ControlLogix系统在任意尺寸上都是模块化的。
可以根据具体应用来选择合适的内存量、控制器个数和网络类型，这种柔性结构允许在同一机架内使用多个控制器、网络及I/O模块。
与此同时，ControlLogix系统具有优良的性能品质，主要特点如下：
①无缝连接
易于和其他网络上的程序控制器透明地收发信息，兼容性好。
②快速
ControlLogix结构在背板上提供了高速数据传输总线，Logix5550控制器提供了高速传输的控制平台。
③可组态
可根据工业生产的需要增减控制器和通信模板的个数，可在一个机架内使用多个控制器。
④工业化
ControlLogix提供了高强度平台，可耐受振动、高温及各种工业环境下的电气干扰。
⑤集成化
建立了一个集中多个技术的平台，包括顺序控制、运动控制、传动和过程应用控制。
⑥结构紧凑
适用于控制高度分散而配电盘空间有限的应用场合。
除此之外，可无需控制器而在网络间实现桥接；多个控制器、I/O模板及通信模扳可任意组合。
此外，可带电拔插一个模块而无需断开系统的其他模块，并提供可拆卸接线端子排，使用方便，易于维护。
ControlLogix系统采用RSLogix5000编程软件，它能运行于WindowsNT32b的操作系统下，其性能优越，并提供了可靠的通信功能及诊断特性，具有通用的用户界面和特性设置，配有灵活、易操作的编辑器，可点击进行I/O组态。
该系统采用RSView32中文监控软件，中文显示，修改方便，易于操作。
3.4PLC的基本组成
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。
根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。
本设计使用的是模块式结构PLC。
模块式（又称组合式）结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源和通信端口等分别做成相应的模块、应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线互相联系。
其中PLC的CPU和存储器设计在一个模块上，有时把电源也放在这一模块上，该模块在总线上的安装位置一般是固定的，模块式的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认。
模块式的特点是系统构成的灵活性高。
可以构成不同控制规模和功能的PLC，但同时价格也比较高[5]。
基本结构如图3.1所示。
图3.1结构式模块
3.5ControlLogixPLC选型
3.5.1CPU选型
根据沉降和过滤系统控制要求和I\O控制点的点数，本系统选用Logix5550控制器。
ControlLogix系统的核心是Logix5550控制器，其处理速度为0.08ms/K指令，标准内存配置为160kB，可选增加扩展内存512KB、1MB、2MB，一个Logix5550控制器支持12800个离散的或4000个模拟的I/O点，符合IEC1131-1的操作系统提供多任务环境，最多可支持32个任务，其中31个时间片可由用户设定，支持长文件、变量名。
Logix5550以微处理器为核心，采用了先进的过程控制技术、通讯技术、计算机技术，负责对生产过程进行检测和控制，是数据采集、过程控制部分。
通过组态和编程，具有丰富的运动控制功能、顺序控制功能、传动及过程控制功能、运算功能，可直接采集来自现场的各类工艺过程数据，经处理、运算后，将检测信号送至操作站进行监视，将控制信号送至现场。
具有可靠性高，扫描处理速率高等特点，并具有自诊断功能[8]。
其特性见表3.2。
表3.2控制器1756-L1的特性
用户存储器
160K字节
背板电流
+5Vdc0.65A
+24Vdc0.02A
电力耗散
10.2BUT/小时
热耗散
3.0W
工作温度
0°~60℃
存储温度
-40°~85℃
相对湿度
5%~95%
电池
1756-BA10.59g锂电池
由于Logix5550处理器模块的功能强大，I/O点数多，用户还可以根据需求扩展内存、添加I/O及通讯接口。
含油污水过滤流程控制控制虽比较复杂，但所需内存也不算大，1756-L1处理器完全能够很好的控制沉降罐和过滤罐的各个流程。
所以本设计选择1756-L1处理器。
3.5.2电源模块选型
ControlLogix电源可直接为机架背板提供提供1.2V、2.4V、3.3V、5V和24V的直流电源。
用户需将电源模块安装在框架左端，它可直接插在背板上。
由于我们日常生活中交流电的使用比较方便，所以本设计选择1756-PA72电源
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24VDC的工作电源。
该电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），，其额定输入电压为120AC或220AC。
其特性见表3.3。
表3.3电源1756-PA72的特性
正常输入电压
120ac或220ac
输入电压范围
85-132ac或170-265ac
最大输入功率
95W
最大视在功率
240VA
最大输出功率
A系列电源70W@40℃55W@60℃
B系列电源75W@60℃
最大背板输出电流
1.5A@1.2Vdc4A@3.3Vdc
10A@5Vdc2.8A@24Vdc
3.5.3机架的选型
ControlLogix系统是一种模块化系统，它要求使用1756I/O框架来安装不同的模块。
框架有以下几种规格：
4槽、7槽、10槽、13槽、17槽。
结合含油污水过滤流程控制控制要求来考虑，本设计选择1756-A77槽的ControlLogix机架。
3.5.4PLC输入/输出模块及设备的选择
选择合适的PLC要根据I/O点数、控制要求等来进行PLC的选择。
选择包括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块和智能模块等
①输入/输出模块原理介绍
由于ControlLogix不仅是顺序控制、逻辑控制领域中的佼佼者，而且在运动控制、过程控制领域也占有重要的地位，因此ControlLogix既可以非常出色的完成常规的继电逻辑控制，又可以实现多种特殊的控制功能，入模拟量控制、温度控制、位置控制和速度控制等。
输入/输出模块分为数字量输入/输出模块和模拟
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