新型远程无线控制器在油田加热炉燃烧器上的应用

董宇迪（大庆油田自动化仪表有限公司）

新型远程无线控制器在油田加热炉燃烧器上的应用

董宇迪（大庆油田自动化仪表有限公司）

远程无线控制器可用于野外低温、环境复杂、布线困难的（小于1000 m）全自动燃烧器上。其特征在于：由主、从两个工业处理器组成双单片机冗余控制电路，其中，主处理器的控制信号输入端与无线收发模块相连接，从处理器独立冗余检测信号，并在异常时从外部关断供气回路。该种控制器能够通过无线收发模块在远程中央控制器的控制下工作，实现了对燃烧器的远程无线控制，且可直接安装于燃烧器现场，大大节约了电缆布线成本，提高了使用单位的经济效益。

无线远程控制 双处理器 燃烧器 经济效益 安全控制

加热炉是油田原油集输过程中不可缺少的设备之一，与加热炉配套使用的加热炉燃烧器则是为原油加热提温的主要设备。随着自控技术在油田各领域的应用，加热炉燃烧器也由传统的手动点火棒点火、手动提温逐步更新为自动点火、自动调节温度、熄火保护等功能的全自动燃烧器。目前，全自动燃烧器的控制系统核心大多数由小型PLC及输入/输出模块构成，该系统具有智能化高、可靠性高、体积小、功耗小等优点。但在油田加热炉燃烧器上使用，也发现一些不尽人意之处，主要体现在温控偏差大、控制距离短、系统布线较为繁琐、投入成本偏高。针对PLC系统在加热炉燃烧器上应用出现的缺陷，公司组织设计、研发了具备PLC系统功能且完善PLC系统缺陷的新型远程无线控制器。

1 概述

PLC实现的全自动燃烧器控制器:因系统为多摸拟量的输入输出接口,要求小型机以上PLC组合才能实现其功能。同时因PLC使用专用通信总线，其信号传输距离较短，工作温度范围较小，无法满足北方油田近-40℃的现场需求。因此必须将现场控制信号远程接入值班室进行控制，造成现场布线成本与PLC组合配件成本都非常高。PLC自带PID算法为通用算法，应用于阀控调温环境较困难且温度调节偏差较大。

2 设计目的

针对目前油田在用燃烧器的特点，在PLC控制的功能基础上用运行速度更快更可靠的新型工业微处理器实现现场信号检测与控制。除实现PLC的全部功能外，针对其缺点，增加如下特点：

1）用新型低成本高性能工业型处理器取代PLC进行控制，使控制更灵活，总成本更低，性能更强。

2）系统核心控制部分支持低温（-40℃）野外环境要求，以实现控制部分现场化。

3）用户交互无线化，可靠性由核心控制部分保证。控制室到现场只需布一根电源线，省去现场信号线的布线成本与难度。

4）用户界面支持主流通用操作屏，实现与PC一样同步科技发展进行灵活产品升级，从而得到最优性价比。

5）独立研发新型低成本高可靠性电流环电路，定量满足加热炉实际控制精度、低温漂、高抗干扰的要求。

6）设备控制与系统参数提供高安全性要求，所有参数分三类保存于处理器EEPROM内。指令的修改除需要密码验证外同时需要对应主控板截开关通过硬件方式解除锁定。

3 设计的内容

1）采用高性能工业型组合微处理器进行控制，并使用双CPU互检冗余处理。其可靠性得到极大提升。其微处理器为最新型16位处理器+D SP双核架构，极方便实现现场复杂信号处理。主工业处理器的两个控制信号输出端分别经电阻接至安全阀开关的驱动二极管的基极上和点火电极开关的驱动二极管的基极上；从工业处理器的两个控制信号输出端分别经电阻接至安全阀开关的关断二极管的基极上和点火电极开关的关断二极管的基极上。主处理器负责全部设备的检测与控制，从处理器独立冗余检测信号，并在异常时从外部关断供气回路。从而实现双处理器冗余安全控制。主处理器进行正常控制操作，副处理器监听主处理器上传数据并比对实际检测输入信号，当主处理器一段时间无数据发出或发出的数据内容与实际输入信号相冲突，副单片机将强制切断现场供气并使主处理器复位，从而达到增强现场控制可靠性的要求。

2）主控制电路专门针对低温、野外环境，内外电源供电完全独立且不共地，所有输入输出信号全部实现光电隔离，所有器件选用-40℃工业级型号。主控电路通过-40℃实际环境连续运转，支持现场复杂电器设备抗干扰及抗10K V ESD环境要求。

3）现场的主控制电路与值班室的用户触摸屏实际距离有50~400m远，且远距离动力线与信号线混合布线本身存在较大交叉干扰，故采用可自由使用的业余无线电频段进行无线通信，用于现场数据上传与用户指令下达。所有的安全与可靠性控制均由主控电路实现，无线通信仅仅上传现场检测数据与当前工作状态，并接受用户端下达的控制指令。所有可接受的指令只含有启/停机等常规设置，主控板将会对所接收的数据进行分析与校验，确定指令的正确性。数据出错与无线通信中断时完全不影响现场控制的安全性。短时通信中断或出错时不影响系统的正常运行，当发生通信设备故障等长时中断，系统自动退回到最小燃烧状态并报警。

4）用户端采用大尺寸TFT触摸屏提升用户使用性，同时系统使用当前主流的智能操作系统W i n d o w s CE平台进行用户界面开发。当需要进行用户端硬件升级时只需类似PC升级那样将原目标程序通过U盘等复制到新屏对应目录下就可以。同时因为应用软件基于w i n d o w s操作系统开发，其软件升级的开发难度与开发周期将大大减小。本系统的应用可移植性也得到增强。

5）主控系统安装于现场并适应现场环境的要求。所有传感器与控制单元的布线均在现场完成，故所有传感器与控制单元的走线不仅方便，而且布线距离也最短。最短距离的布线使引入干扰降到最低，同时省掉的屏闭电缆线的成本也非常可观。远程值班室内的用户端只含有无线接收单元与触摸屏及配套电路，故用户端尺寸可做到非常小，其接线只需引入220V供电即可。这样用户端的安装将不受值班室内空间与电缆线槽的位置限制，也不会影响整体美观。因省去现场与值班室之间的信号电缆及电缆铺设，加之控制部分的总成本降低，使本系统综合成本与同档次PLC系统相比节省30%~50%。

6）针对现场实际情况采用改进优化的增量型PID算法，使温度控制响应速度与精确性得到很大提升。现场设备为温度反馈风、气阀开度控制模式，PLC集成的通用位置型PID算法并不适合现场的实际控制。采用优化的增量型PID算法在实际应用中其控制精度可做到第一个过冲与设定值小于4℃，稳态时控制偏差小于1.5℃，以上控制完全能满足现场控制需求。

4 系统性能

4.1 系统性能参数

系统性能参数见上表1。

4.2 实际环境测试

低温测试：主控系统在实验温箱内-40℃连续运转120h无异常。

无线通信测试：主控系统安装于现场，用户端在400m外值班室内，安装于动力系统电柜底部。实测通信，其中穿墙2道、电柜阻挡（非屏蔽）2层，现场加热炉阻挡一道。连续运转48h无数据中断现象。

4.3 干扰测试

400m现场通信，在主控系统周边连续用15k V火花放电启停各1 s，同步启停5 k W电动机一台、手持电钻一台。连续测试4 h无故障，无通信中断现象。

4.4 性能对比

显示屏为7i nTFT真彩屏，比同等PLC配套5.7i n单色屏具有显示更大，功能更多，使用更直观的优点。整套系统现场安装方便，成本低。改进型PID控制性能比PLC自带控制稳定性与反应速度更优。PLC只能支持-20℃工作环境，本系统主控部分可支持-40℃连续工作环境。现场安装与无线控制器使成本更低，与PLC系统对比，总成本只需PLC系统的一半左右。

5 现场实施

本产品已成功应用于大庆油田采油六厂喇460注水站、喇560联合站；大庆油田采油二厂南2-3转油站、南2-13转油站、等站队共计40余套。以喇560联合站为例，加热炉距值班室约270m，值班室邻室内有11台功率大于30k W的动力电动机运转。用户端安装于尽量靠近电动机的控制柜中，加热炉附近有连续运转的抽油机一台，左边安装有PLC控制器的加热炉一台。工艺流程见图1。

表1 系统性能参数

冷机启动时设定温度80℃，炉内水温40℃。炉体介质温度自身扰动曲线及实际控制曲线见图2。

经一周调试与产品修正后，连续运转一个月实际结果如下：

◇安全故障：无

◇系统异常复位：无

◇通信中断报警：1次，重启后恢复

◇其他异常故障：无

6 系统工作图及其简单说明

本系统分主控系统部分与用户端两部分，两部分的通信使用免费的业余频段进行通信。其中主控系统安装于现场为整套系统的核心部分，用于现场信号的检测与输出单元的控制，所有控制与安全部分全部由主控系统实现。用户端只用于现场数据的显示及用户使用指令的下达。其系统工作框图见图3。

7 成本节约效果

以大庆油田采油六厂喇560联合站现场安装使用为例。本系统使用普通2芯动力线一根（可就近从其他控制柜接出，因考虑到为实验设置故单独布线至值班室）长度270m约4500元，现场布线成本约为2000元。控制器统采用自主设计主控制电路，用户端使用7寸TFT真彩触摸屏。

邻近PLC型加热炉使用四芯屏蔽线7根，分别为风阀控制线，气阀控制线，电磁阀控制线，火焰检测线，出口温度检测线，供电动力线，检漏检测线。使用电缆长度为1890m，按电缆市价最低值为11元/m，约2.08万元，现场布线的土建与材料成本约为2500元。控制器采用S7-200系统的CPU 224（主控CPU）+EM 232（模拟量模块）+EM 235（模拟量模块）+TP177A（5.7寸单色触摸屏）。综合成本见表2。

表2 综合成本对照单位：元

◇系统硬件节约1700元

◇电缆布线节约16300元

◇土建及材料节约500元

◇每套成本对比PLC系统节约18500元

8 总结

针对PLC系统在加热炉燃烧器上使用暴露出的问题，新型远程无线控制器通过在实验室的性能测试、现场燃烧器上的连续使用考核，充分证明本产品在功能上、性能上完全可以取代PLC系统，且完善了PLC系统在加热炉燃烧器上使用的一些缺陷。在投入成本上对比PLC系统有很大的降低，综合成本每套对比PLC系统节约资金40%~50%，经济效益十分显著。

10.3969/j.i ssn.2095-1493.2012.011.009

董宇迪，工程师，2001年毕业于佳木斯大学，从事工业自动化研究与应用工作，E-mail：dydddd@163.com，地址：黑龙江省大庆市大庆油田自动化仪表有限公司，163453。

2012-08-07）