1. 引言
随着海洋平台技术、海洋钻井技术以及海洋采油技术难点的不断攻破，海洋油气资源的开采工艺日益成熟，海上油田被认为是极具开发潜力的区域。传统的配液系统，许多操作步骤仍是手动控制，但海上平台远离陆地，通讯和运输稍显落后和不便，自动化程度低的设备操作困难，维修不便，不能满足海上平台驱油对混配系统的要求[1]。故在混配系统的核心环节对流量调节阀关联液位和压力采用PID自动调节控制；通过调节电机运行频率来实现输料量的大小控制，从而实现对混配系统中液位的控制。
2. 聚合物混配系统
聚合物驱油的原理是通过向水中加入水溶性高分子聚合物，能够使水稠化，从而降低了水的流度，减小了水油的流度比，能够使得地层渗透率降低，注入的聚合物溶液会流到含有残余油的部分，达到提高采油率的目的[2]。
聚合物驱混配系统就是在此原理的基础上，配制出符合海上平台驱油需求的浓度的聚合物溶液，本系统通过对生产来水水量以及聚合物上料量等工艺环节，实现自动化控制。
设计采用远程控制系统、可在线监测仪表、PLC控制器，实现自动配制聚合物溶液，混配系统采用3层网络结构，包括现场设备层、过程控制层、监控层，现场设备层包括压力传感器、电磁流量计、流量调节阀、液位传感器以及变频电机；过程控制层采用西门子1500系列PLC；监控层采用西门子组态软件WinCC [3]。
混配系统配置包括软件和硬件两部分，硬件部分有西门子1500系列PLC、模拟量和数字量处理模块、工控机以及交换机；软件部分有上位机WinCC组态软件和下位机编程软件TIA PortalV19 (用于PID控制功能开发)。
3. 聚合物混配系统自动控制过程
聚合物混配系统工艺图如图1所示。此过程中平台来的生产水经压力传感器、电磁流量计、流量调节阀流入配液罐中，聚合物(多为颗粒或粉尘状)经过变频电机带动的螺旋上料器输送至配液罐中，二者在配液罐中进行融合形成聚合物溶液。配液罐中装有液位计，实现对流量调节阀开度的自动控制以及对变频电机的自动控制，以此来控制配液罐中水量和聚合物量，达到配制出不同浓度的聚合物溶液和连续配制溶液的功能。
4. 聚合物混配系统的PLC控制设计
4.1. 聚合物混配系统的工作原理
聚合物混配系统由传感器检测、PLC控制器处理和执行器控制三个方面协调工作。聚合物混配系统
Figure 1. Polymer mixing and preparation system process diagram
图1. 聚合物混配系统工艺图
输送平台来生产水的管道分别安装有电磁流量计和压力传感器，用于检测管道水流量和水流压力值；在配液罐中安装有液位传感器，用于检测配液罐中的液位值。PLC控制器接收传感器传输的数据后，将其与设定值(包括液位值和压力值)进行比较。当液位值高于设定值时，PLC控制器会减小流量调节阀的开度，减小生产水的流量。
控制器通过实时监测配液罐的液位，将其与设定值进行比对，并基于偏差信号结合PID算法对变频电机进行闭环调节，从而精确控制电机运行频率[4]。在执行控制环节，PLC负责输出指令信号，一方面调节进水阀门的开度，另一方面给定变频器的频率设定值，协同实现对配液过程的自动化控制。执行元件(包括电机与阀门)依据控制器指令作出响应，动态调整系统状态。该控制策略不仅提升了配液系统的运行效率与稳定性，还能够灵活适配不同工况与用户需求，进一步优化使用体验，其控制流程图如图2所示。
4.2. 聚合物混配系统的PLC控制设计
4.2.1. 聚合物混配系统控制要求
根据上述的介绍，混配系统主要是通过阀门控制水流大小，通过变频电机控制上料快慢，进而控制配液罐的液位值的操作，此处控制要求有：
1) 为了使平台的生产水能够满足配液所需的水压，在生产水管道处安装压力传感器，并设定一定的阈值，此处阈值区间设定在0.3~0.5 MPa之间。当现场压力传感器检测到压力值大于0.5 MPa或小于0.3 MPa时，会产生报警。当系统产生该报警后，需要现场工作人员确认供水水压并将水压调整到阈值区间然后再执行后续操作。
2) 通过在配液罐安装液位传感器并且在输水管道处安装调节水阀，从而让调节水阀关联配液罐的液位控制[5]，此处配液罐的液位设定在距罐体底部3 m处。在自动控制模式下，调节水阀根据配液罐液位与设定值之间的偏差进行PID自动调节。具体表现为：当检测到液位高于设定值时，系统将逐步减小阀门开度，使液位平稳回落；反之，当液位低于设定值时，则逐步增大阀门开度，促使液位回升至目标范围。在手动模式下，操作人员可通过触摸屏或程序直接设定水阀的开度值，此时系统将bypass自动调节功能，按给定开度执行控制。
3) 通过调节电机运行的频率来实现输料量的大小[6]，此处同样将变频电机与配液罐的液位相关联进行PID自动调节控制，自动且变频器为远程控制的情况下：当配液罐的液位高于目标设定液位时，变频器应当逐渐减少输出频率直至将频率降至系统所设定的最低运行频率；当配液罐的液位低于目标设定液位时[7]，变频器应当逐渐增加输出频率。手动且变频器为远程控制情况下，可以在触摸屏或程序中任意给定变频器输出频率值，其控制原理框图见图3。
Figure 2. Control flow diagram
图2. 控制流程图
Figure 3. Functional block diagram of the polymer mixing and preparation control system
图3. 聚合物混配系统控制原理框图
4.2.2. 传感器选型说明
根据聚合物配液系统的PLC控制需求，传感器及执行器的选型如下：
压力检测选用高精度压力变送器S-20，量程0~1 MPa，供电DC 24 V，输出4~20 mA模拟量信号，精度0.5% FS见图4。
流量测量采用西门子MAG5100W电磁流量计，量程0~9 m/s，供电DC 220 V，输出4~20 mA信号，精度0.2% FS见图5。
液位监测选用超声波液位计MIK-MP，量程0~5 m，供电DC 24 V，输出4~20 mA信号，精度0.3% FS见图6。
流量调节采用VXF47水阀配套SBX61执行器，行程40 mm，供电AC 24 V，控制信号为0~10 V DC见图7。
Figure 4. Pressure sensor
图4. 压力传感器
Figure 5. Electromagnetic flow meter
图5. 电磁流量计
Figure 6. Level sensor
图6. 液位传感器
Figure 7. Control valve actuator
图7. 调节阀执行器
4.2.3. PLC模块选型
根据聚合物配液系统的PLC控制需求，核心控制器选用西门子S7-1500系列的CPU 1516-3 PN/DP。该处理器具备1 MB程序存储和5 MB数据存储容量，集成三个通信接口：第一接口为支持PROFINET IRT的双端口交换机，第二接口为工业以太网，第三接口为PROFIBUS DP主站。
I/O系统采用ET 200SP分布式IO站，主接口模块为IM 155-6 PN HF，支持PROFINET通信并集成双端交换机，最多可扩展64个I/O模块(含F型安全模块)。具体模块选型包括：AI模块选用4通道RTD/热电偶输入高性能模块(适用于BU类型基座)；AQ模块为4通道电压/电流输出标准型模块；DI模块为8点24VDC高性能输入模块；DQ模块为4点24VDC/2A标准型输出模块。
基座单元选用A0型直插式端子基础单元BU15-P16 + A0 + 2D (带电源)，并配置同类型的双重基础单元2BU15-P16 + A0 + 2B (不带电源)作为备件。
4.2.4. 聚合物混配系统的变量分配表
根据聚合物混配系统的PLC控制要求以及系统的输入和输出设备，确定该系统的变量分配表，如图8所示。
Figure 8. Variable allocation table
图8. 变量分配表
4.2.5. 聚合物混配系统的PLC程序设计
聚合物混配系统的PLC程序设计，结合上述聚合物混配系统的工作原理，通过PLC进行控制，需在OB1中设计螺旋电机启停控制程序如图9所示[8]，以及螺旋电机额定转速程序如图10所示[9]，阀门开度程序如图11所示[10]，其液位历史曲线如图12所示。
Figure 9. Spiral motor start-stop control
图9. 螺旋电机启停控制
Figure 10. Spiral motor rated speed
图10. 螺旋电机额定转速
Figure 11. Valve opening setting
图11. 阀门开度设置
Figure 12. Historical liquid level curve chart
图12. 液位历史曲线图
5. 系统测试及分析
在完成聚合物混配系统中各类设备的安装与布线后，依据预先定义的变量分配表，依次完成PLC电源回路、输入设备回路及输出设备回路的电气接线工作。随后使用西门子博途(TIA Portal)软件，编写混配系统的控制逻辑程序，并通过以太网连接将程序下载至PLC进行在线调试与运行。
同时，系统的人机界面(HMI)经组态后下载至触摸屏，实现与西门子PLC之间的以太网通信，确保双方可稳定进行数据交换与远程控制操作。在调试阶段，操作人员可直接在触摸屏上切换手动与自动控制模式，并可实时设定电机转速。系统根据转速设定值与实际检测值之间的偏差，通过PID算法动态调节水阀开度，从而实现精确、稳定的混配过程控制。
6. 结论
本系统通过新增部分控制器件，利用PLC可编程控制器，结合PID闭环控制技术，设计了一套海上平台聚合物混配系统。其能根据液位变化实际情况，自动控制变频电机运行频率以及阀门的开度，当配液罐的液位高于目标设定液位时，变频器应当逐渐减少输出频率降低聚合物的输料量，同时阀门开度降低，减小水流量；当配液罐的液位低于目标设定液位时，变频器应当逐渐增加输出频率，阀门开度增大。通过变频器多段速设计，以及阀门开度调节，控制配液罐的液位，聚合物混配系统操作简单，工作性能优越，自动化程度高，符合海上平台对配液系统的要求。