1、引言

目前各種石油管線輸送的加藥系統中，多采用人工控制，工藝復雜，僅憑儲藥罐上的玻璃管液位計目測判斷用量，不能準確配制規定濃度的破乳劑溶液，不能根據液位的變化而按比例自動、精確地調整破乳劑的注入量，造成水、電及人力的浪費，增加了能耗。針對上述問題，開發了一種基于FPl型PLC的自動加水、定量加藥、定時攪拌以及自動倒罐的控制裝置。實際運行證明，該裝置不僅減輕了員工的勞動強度，提高了安全系數，實現了以人為本的原則，使油田工業自動化水平達到了新的起點，提高了現場管理水平，使生產和管理更趨規范化、科學化。

2、系統結構

2．1 加藥裝置的基本結構

加藥裝置包括儲藥罐、計量泵、攪拌器、液位開關、控制箱及附件等，在實際系統中可根據用戶要求調整配置，以適應不同的工藝要求。圖1給出加藥裝置的結構示意圖。控制系統包括：攪拌機兩臺，加水電機一臺，加藥電機一臺，加藥罐兩個，儲藥罐一個，電磁閥若干個，高液位報警器，低液位報警器及交流接觸器，熱繼電器，中間繼電器，控制按鈕，信號燈，斷路器，開關等一系列的低壓控制器件。

2．2 系統控制功能描述

自動加藥裝置是一種能根據設定加藥液的配比濃度，實現自動配藥、自動攪拌、自動定量輸出的自動控制系統。該裝置在設定狀態下無需人工值守，一鍵控制即可實現所需濃度藥液的自動配制與輸出，也可實現遠程控制，真正實現了配藥、攪拌和投藥自動化。考慮到現場操作的需求，配備了手動控制功能，任何情況下，手動控制優先。

（1）手動運行手動運行前，將運行方式轉至“手動”位置，接通10．2，調用“手動控制”子程序。按照控制面板的對應按鈕，即可接通對應的PLC輸入點，執行相應的動作。

以1號罐加水加藥攪拌為例，接通加水電機，即接通I0．5，輸出繼電器Q0．1接通并自鎖，外部交流繼電器得電，加水電機開始加水。斷開加水電機，即接通I0．6，Q0．1斷開，加水電機停（當加水電機發生故障時，接通12．7，其常閉觸點斷開，QO．1斷開，加水電機停止運行）。接通加藥電機，即接通10．7，輸出繼電器Q0．2接通并自鎖，外部交流繼電器得電，加藥電機開始運行。斷開加藥電機，即接通11．0，QO．2斷開，電機停止運行（當加藥電機發生故障時，接通13．O，其常閉觸點斷開，Q0．2斷開，加藥電機停止運行）。接通攪拌機，即接通I0.3，輸出繼電器QO．0接通并自鎖，外部交流繼電器得電，攪拌機開始運行。攪拌一定時間后，斷開攪拌機，即接通I0.4，QO．O斷開，攪拌機停止運行（當攪拌機發生故障時，接通12．6，其常閉點斷開，Q0．0斷開，攪拌機停止運行）。部分I／O端口分配如表1所示。

（2）自動運行 若首次運行（儲藥罐為空時），先將轉換開關轉至“手動”位置，接通IO．2，手動打開進水電磁閥，待藥罐中的液位達到最低液位之上時，停止手動控制，將轉換開關轉至“自動”位置，接通I0．1，調用“自動控制”子程序，開始自動循環。按下操作面板上的“自動運行“，接通I3.2，整個程序開始工作。

3、控制系統設計

3．1 S7—200可編程控制器簡介

S7—200系列產品是具有高性能的中央處理器，因其模塊化的靈活設計而具有廣泛的適用范圍，同時具有極高的性價比。S7—200無論單機運行，還是與其他設備組成網絡，都具有優異的表現。

S7—200主要特征：①快速的中央運算處理能力；②豐富的編程指令集；③響應快速數字量和模擬量輸入／輸出通道；④強大的通訊能力，豐富的擴展模塊；⑤操作便捷，易于掌握。

根據設備的運行特點和用戶的實際需要，基于S7—200型PLC控制，利用內部軟繼電器實現過程控制，使系統控制簡便，提高了系統的穩定性和可靠性，保證了產品質量，提高了生產效率。

3．2 硬件電路的設計

在1號罐、2號罐內，分別設置高液位，低液位控制器，控制器的數據信號通過導線連接至配電柜內的控制電路，實現PLC的控制。圖2給出系統接口電路圖。

3．2．1 攪拌機系統

攪拌軸包括傳動軸本身和隨軸轉動的漿葉，它是流體攪拌裝置中的一個子系統，攪拌軸是執行攪拌混合操作的主要部件。由于流體激振力作用，輸入轉速波動和攪拌軸偏心的影響，在攪拌軸上存在三種型式的振動：軸向振動、扭轉振動、彎曲振動。軸向振動是攪拌軸的伸長和縮短，軸向振動的自然頻率一般很高（大于3 ooo Hz），因而在攪拌器的設計中，攪拌軸的軸向振動一般不考慮。扭轉振動引起攪拌軸轉速的波動，實際操作中很難觀測到，它的自然頻率也較高。彎曲振動是軸的橫向擺動，它是最有害的一種振動形式，它的自然頻率較低，破壞性極強，與流體激振頻率和軸的轉速較接近，易引起共振。因而研究攪拌軸的彎曲振動，準確確定攪拌軸的臨界轉速，對于設計攪拌軸和預測軸的破壞有重要意義。該裝置設計的攪拌轉速為120 r／min，槳葉安裝在離軸端100 mm處，攪拌軸通過聯軸器與減速機的輸出軸連接在一起。螺旋漿葉一般為3葉，也可為2葉或4葉。其葉片直徑與攪拌槽內徑之比為0．2~0．5，通常取為0．33，螺距與葉片直徑的比值為1：2。圖3給出攪拌機結構示意圖。

3．2．2 計量加藥裝置

計量加藥裝置直接與氣力輸送系統相連，氣力輸送系統正常工作必須有恒定的壓力條件，如果系統壓力損失過大，會給風機增加負擔，甚至引起藥粉的堵塞而影響工作。為了盡量降低系統的壓力損失，裝置設計中的計量加藥裝置，采用變螺距螺旋輸送器作為壓送式氣力輸送裝置的供料器，該裝置越靠近氣力輸送管道處其螺距越小，使輸送的藥粉越壓越緊以斷絕氣體漏出的渠道，圖4給出螺旋加料裝置結構。在帶襯套的鑄鐵殼體3內有一段變螺距螺旋軸4，其右端通過彈性聯軸節與電機5相連，當螺旋在殼體內快速旋轉時，物料從上方的加料斗2經過閘門l經螺旋而被壓入下方的輸料管6，該輸料管又與壓送式氣力輸送裝置的輸料管道相連，物料由此被送入了氣力輸送系統。由于螺旋的螺距從左至右逐漸減少，使進入螺旋的物料被越壓越緊，可防止氣力輸送管道內的壓縮空氣通過螺旋漏出。當物料進入氣力輸送系統管道后，遇到壓縮空氣并將其吹散，使物料加速，形成壓縮空氣與物料的混合物均勻地進入氣力輸送系統的輸料管中，在高速氣流的帶動下輸送物料。

3．3 程序設計

系統程序大部分使用梯形圖編制，而在模擬量計算及輸出方面使用了功能塊和語句表。梯形圖直觀易懂，且較多的采用RS觸發器和時間繼電器，在程序編寫中，對每個被控（PLC輸出）只需分析找到所有置位、復位條件，即可順序編寫。這樣可使程序簡明，減少編程出錯機會。

啟動自動運行后，首先會自動判斷DF23的開關狀態（即1號罐管線打藥閥DF23是開還是關？若DF23關，說明2號罐往管線打藥，l號罐可以進水、加藥及攪拌；若DF23開，說明l號罐往管線打藥，2號罐可以進水、加藥及攪拌）。若DF23關，此時1號加藥罐中的液位不是最低液位，即操作面板的加藥罐最低液位顯示燈未亮，而且加藥罐中的液位也不是最高液位，則進水電磁閥打開，加水電機啟動，開始向加藥罐中進水，當加藥罐中的液位到達最高位時，傳感器發出信號，加水電機停車，進水電磁閥關閉，加水過程完成。之后加藥電機和攪拌機同時啟動。定時器KF3和KF4啟動，延時一定的時間后，加藥電機先停車，再攪拌一定的時間后攪拌機停車，加藥攪拌過程完成。1號罐的加水，加藥，攪拌過程完成，等待。

2號罐打藥過程中，最低液位報警時，發出信號要求，2號罐打藥閥DF24關閉，1號罐打藥閥DF23打開，l號罐往管線打藥，實現2號罐自動加水、定量加藥、定時攪拌。完成倒罐過程。圖5給出加藥裝置的程序流程，圖6給出控制系統梯形圖。

4、 結語

油田注水全自動裝置系統設計中，各環節工作信息傳送至PLC控制系統，使加藥系統全自動運行，藥液濃度恒定，投加準確，實現了加藥罐的全部自動化，大大提高了工作效率，減輕了工人的勞動強度，減少了藥劑對人體的危害。同時該裝置還具有結構緊湊、配置豐富、安裝簡單、可靠性高等優勢，是目前自動化程度較高的藥劑投加系統。通過論述旨在找到一種實用價值更高，應用前景更廣闊的產品，從而達到環境效益與經濟效益的統一。

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