一种基于PLC控制的储油罐油样采集系统论文和设计-王保民

全文摘要

本实用新型公开了一种基于PLC控制的储油罐油样采集系统，其包括电气单元、机械单元、气路单元和油路单元；电气单元包括PLC控制器，与PLC控制器通讯的伺服驱动器；机械单元包括与伺服驱动器通讯的伺服电机，与伺服电机连接的滚筒，与滚筒连接的采样泵，采样泵连接储油罐；气路单元包括空压机，与空压机连接的第一电磁阀，与第一电磁阀连接的采样泵和回油泵；油路单元包括与采样泵连接的第二电磁阀，与第二电磁阀其中一出口通过第一油管连接的采样池；第一油管上设有流量传感器，流量传感器输出的电流信号输入PLC控制器，第二电磁阀另一出油口通过第二油管连接一残油池，残油池通过一回油泵连接储油罐。

主设计要求

1.一种基于PLC控制的储油罐油样采集系统，其特征在于：包括电气单元、机械单元、气路单元和油路单元；所述电气单元包括PLC控制器(1)，与所述PLC控制器(1)通讯的伺服驱动器(2)；所述PLC控制器(1)控制各单元工作的接触器、继电器，所述机械单元包括与所述伺服驱动器(2)通讯的伺服电机(3)，与所述伺服电机(3)连接的辊筒导绳器(4)，与所述滚筒连接的采样泵(5)，所述采样泵(5)连接储油罐(6)；所述气路单元包括空压机(7)，与所述空压机(7)连接的第一电磁阀(8)，与所述第一电磁阀(8)连接的采样泵(5)；所述油路单元包括与所述采样泵(5)连接的第二电磁阀(9)，与所述第二电磁阀(9)其中一出口通过第一油管连接的采样池(10)；所述第一油管上设有流量传感器(11)，所述流量传感器(11)输出的电流信号输入所述PLC控制器(1)，所述第二电磁阀(9)另一出油口通过第二油管连接一残油池(12)，所述残油池(12)通过一回油泵(13)连接所述储油罐(6)；所述回油泵(13)电性连接所述第一电磁阀(8)。

设计方案

2.如权利要求1所述的基于PLC控制的储油罐油样采集系统，其特征在于：所述电气单元还包括用以向PLC控制器(1)输入采样信息的触摸屏(14)和按钮开关；所述触摸屏(14)通过以太网与所述PLC控制器(1)通讯；所述按钮开关通过数字量形式与所述PLC控制器(1)通讯。

3.如权利要求1所述的基于PLC控制的储油罐油样采集系统，其特征在于：所述伺服电机(3)的输出端连接一减速机(15)，所述减速机(15)连接所述滚筒。

4.如权利要求3所述的基于PLC控制的储油罐油样采集系统，其特征在于：所述减速机(15)通过传送带连接所述滚筒，所述滚筒包括辊筒件(16)和辊筒导绳器(4)，所述辊筒件(16)的输出端连接一辊筒导绳器(4)，所述辊筒导绳器(4)连接所述采样泵(5)。

5.如权利要求1所述的基于PLC控制的储油罐油样采集系统，其特征在于：所述流量传感器(11)通过信号线连接所述PLC控制器(1)；所述信号线采用屏蔽线。

6.如权利要求1所述的基于PLC控制的储油罐油样采集系统，其特征在于：所述采样泵(5)为气动隔膜泵。

7.如权利要求1所述的基于PLC控制的储油罐油样采集系统，其特征在于：所述第一电磁阀(8)为两位三通气阀。

8.如权利要求1所述的基于PLC控制的储油罐油样采集系统，其特征在于：所述第二电磁阀(9)为两位三通油阀。

9.如权利要求6所述的基于PLC控制的储油罐油样采集系统，其特征在于：所述气动隔膜泵由排出管(17)、球阀(18)、球阀座(19)、联接杆(20)、配气阀(21)、隔膜(22)和进料管(23)，所述球阀(18)和所述球阀座(19)均为四个，两个所述球阀(18)的出口相通连接，并构成排出管(17)，另外两个所述球阀(18)的进口相通连接，并构成进料管(23)，所述隔膜(22)为两张，两张所述隔膜(22)之间通过所述联接杆(20)连接，两张所述隔膜(22)分别连接在一个球阀(18)的进口和一个球阀(18)的出口之间，两张所述隔膜(22)之间设置所述配气阀(21)。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及属于油田储油罐油样采集领域，尤其涉及一种基于PLC控制的储油罐油样采集系统。

背景技术

油田所采原油中含有水分。如果油液中含水量超过规定，会造成经济损失和安全事故。故需对原油进行脱水处理。为了监控储油罐对原油脱水的处理效果，保证储油罐正常运行，正常情况下，当班员工必须定时对储油罐原油进行溢流口采样、探油水界面、探乳化层厚度以及探测油温操作。目前上述工序均由人工上罐操作完成。但是，人工上罐采样过程存在以下缺陷和风险：量油孔打开后，罐口及整个罐顶区域弥漫着原油挥发出的油气，成分主要包含静电火花等诱因甲烷、硫化氢、一氧化碳以及其他混合烃类，对操作员工的身体健康影响较大，浓度含量大时易造成人员中毒事故；人工登罐采样劳动强度大，上、下罐携带物品多，员工采样上下罐过程有高空坠落的风险，且大风、雨雪等恶劣天气无法上罐采样；采样器下尺读数目前采用的都是用采样绳一米一打结的粗糙计数方法，在读数方面全是估读，误差大，不精确。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于PLC控制的储油罐油样采集系统。旨在解决现今人工登罐采样时因量油孔打开后挥发油气引起的人员中毒；采样工人从罐顶坠落；采样工作受天气局限大；人工测量、读数存在较大不准确性，油样代表性差的问题。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

本实用新型包括电气单元、机械单元、气路单元和油路单元；所述电气单元包括PLC控制器，与所述PLC控制器通讯的伺服驱动器；所述PLC控制器(1)控制各单元工作的接触器、继电器，所述机械单元包括与所述伺服驱动器通讯的伺服电机，与所述伺服电机连接的滚筒，与所述滚筒连接的采样泵，所述采样泵连接储油罐；所述气路单元包括空压机，与所述空压机连接的第一电磁阀，与所述第一电磁阀连接的采样泵和回油泵；所述油路单元包括与所述采样泵连接的第二电磁阀，与所述第二电磁阀其中一出口通过第一油管连接的采样池；所述第一油管上设有流量传感器，所述流量传感器输出的电流信号输入所述PLC控制器，所述第二电磁阀另一出油口通过第二油管连接一残油池，所述残油池通过一回油泵连接所述储油罐。

优选的，所述控制电路还包括用以向PLC控制器输入采样信息的触摸屏和按钮开关；所述PLC控制器通过各接触器、继电器实现对各单元的控制；所述触摸屏通过以太网与所述PLC控制器通讯；所述按钮开关通过数字量形式与所述PLC控制器通讯。

优选的，所述伺服电机的输出端连接一减速机，所述减速机连接所述滚筒。

优选的，所述减速机通过传送带连接所述滚筒，所述滚筒包括辊筒件和辊筒导绳器，所述辊筒件的输出端连接一辊筒导绳器，所述辊筒导绳器连接所述采样泵。

优选的，所述流量传感器通过信号线连接所述PLC控制器；所述信号线采用屏蔽线。

优选的，所述采样泵为气动隔膜泵。

优选的，所述第一电磁阀为两位三通气阀。

优选的，第二电磁阀为两位三通油阀。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型是一种基于PLC控制的储油罐油样采集系统，与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

1、本系统通过PLC控制器与各元件的通讯，实现储油罐油样采集过程的自动化，避免了人工上罐操作中存在的一系列不安全与采样不准确因素，提高了储油罐样本采集的实时性与可靠性。

2、本系统的操作具有方便良好的人机界面，用户可以预先设定电机转速、要采集油样的位置高度和需采集油液体积。整套系统具有操作简便、可靠性好，成本低、自动化程度高等优点，可以节省大量的人力、物力和财力，获得了很好的经济效益。

3、该系统通过手动或自动方式控制采样泵达到指定的位置采集指定的油液体积，而且不需开启储油罐顶部的取样口，罐内油液的伴生气体不会排放到大气。

附图说明

图1是基于PLC控制器控制的储油罐油样采集系统总体设计框图；

图2是本实用新型的所述电气单元的主电路的原理框图；

图3是本实用新型的所述电气单元的主电路的电路示意图；

图4是本实用新型电气单元的控制电路的原理图；

图5是本实用新型电气单元的自动控制的电路示意图；

图6是本实用新型手动控制的电路图；

图7是本实用新型的机械单元的传动的示意图；

图8是本实用新型的机械单元的传动的另一角度的示意图；

图9是本实用新型的气路单元简图；

图10是油路单元的结构框图；

图11是本系统的采样泵部分工作原理图；

图12是本实用新型气动隔膜泵的结构示意图。

图中：1-PLC控制器；2-伺服驱动器；3-伺服电机；4-辊筒导绳器；5-采样泵；6-储油罐；7-空压机；8-第一电磁阀；9-第二电磁阀；10-采样池；11-流量传感器；12-残油池；13-回油泵；14-触摸屏；15-减速机；16-辊筒件；17-排出管、18-球阀、19-球阀座、20-联接杆、21-配气阀、22-隔膜、23-进料管。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如附图1所示，本实用新型实施例中基于PLC控制的储油罐油样采集系统，包括电气单元、机械单元、气路单元和油路单元；所述电气单元包括PLC控制器1；与所述PLC控制器1通讯的伺服驱动器2；所述机械单元包括与所述伺服驱动器2通讯的伺服电机3；与所述伺服电机3连接的滚筒；与所述滚筒连接的采样泵5；所述采样泵5连接储油罐6；所述气路单元包括空压机7；与所述空压机7连接的第一电磁阀8；与所述第一电磁阀8连接的采样泵5和回油泵13；所述油路单元包括与所述采样泵5连接的第二电磁阀9；与所述第二电磁阀9其中一出口通过第一油管连接的采样池10；所述第一油管上设有流量传感器11，所述流量传感器11输出的电流信号输入所述PLC控制器1，所述第二电磁阀9另一出油口通过第二油管连接一残油池12，所述残油池12通过一回油泵13连接所述储油罐6。

该系统采用所述PLC控制器1作为控制核心。开始采样时，PLC控制器1向所述伺服驱动器2发出控制正转脉冲，驱动所述伺服电机3动作，进而带动所述滚筒4转动，带动所述采样泵5在所述储油罐6中上下运动，到达设定采样位置后，PLC控制器1控制所述伺服电机3停止转动。所述PLC控制器1控制所述空气压缩机7启动，产生压缩空气，PLC控制器1控制所述第一电磁阀8向所述采样泵5输送压缩空气的工作位打开，压缩空气作为动力源进入所述采样泵5，所述采样泵5工作，所述储油罐6中的油液被吸入采样泵5中；所述PLC控制器1控制所述第二电磁阀9向所述采样池10输送油液的工作位打开，油液进入采样池10中。通过所述流量传感器11实现对已采集油量多少的监控，并以模拟量的形式反馈于所述PLC控制器1；待达到欲采集油液体积后，PLC控制器1关闭所述第二电磁阀9向所述采样池10输送油液的工作位，油液不再进入采样池；PLC控制器1向所述伺服驱动器2发出电机反转控制脉冲，电机带动采样泵5返回储油罐顶部，采样停止。所述空压机7继续为所述采样泵5提供空气动力，采样泵5继续工作，PLC控制器1控制打开所述第二电磁阀9向所述残油池12输送管内剩余油液的工作位，待排空管内剩余残油后，关闭所述第二电磁阀9，关闭所述第一电磁阀8向所述采样泵5输送压缩空气的工作位，采样泵停止工作；若所述残油池12内油液过多，PLC控制器1控制所述第一电磁阀8向所述回油泵13输送压缩空气的工作位打开，压缩空气作为动力源进入所述回油泵13，所述回油泵13工作，将所述残油池12内的油液抽回说书储油罐6。

如图2至图4所示，所述电气单元包括主电路和控制电路，所述主电路主要是给空压机7、伺服电机3、第一电磁阀8以及电动执行元件供电。

在图3中，M1是空压机7电机，KH1是第一热保护继电器；KH2是第二热保护继电器；YA1是第一电磁阀；YA2是第二电磁阀；QF1是第一断路器；QF2是第二断路器。U5是电源滤波器，作为电磁兼容EMC用，保护电机及其他设备；U3是伺服驱动器；SM是伺服电机3；U4是编码器。

如图4至图6所示，所述控制电路上设有所述PLC控制器1，所述PLC控制器1用以控制和反馈采样泵5的位置信息、控制采集量、反馈已采样量信息、反馈所述残油池12油量信息、控制所述回油泵13开关以及所述第一电磁阀8和所述第二电磁阀9的通断。

所述伺服驱动器2接收来自PLC控制器1的输出脉冲，控制所述伺服电机3的正反转速度及时间。

在图4中，U2是PLC控制器；U1是触摸屏；U7是触摸屏电源；U6是流量传感器。所述控制电路还包括用以向PLC控制器1输入采样信息的触摸屏和按钮开关。所述触摸屏通过以太网与所述PLC控制器1通讯，以实现人机界面的自动控制。所述触摸屏作为自动控制时的系统输入，在所述触摸屏与PLC控制器1实现通讯后，预先在触摸屏上写入采样位置与采样量，即可由系统自动完成采样工作。

所述控制电路包括主要控制元件PLC可编程控制器1、用以向PLC控制器输入自动采样信息的触摸屏14以及输入手动控制采样信息的各按钮开关、流量传感器11向PLC反馈输入已采集油样体积、可编程控制器PLC通过顺序控制各继电器、接触器的通断，进而控制后续各电动执行元件得电与否。

如图5和图6所示，所述按钮开关为SB1-SB11。所述按钮开关通过数字量形式与所述PLC控制器1通讯。所述按钮开关可作为手动控制时的系统输入，人工操作按钮开关的通断来控制各元件的工作情况从而实现采样过程的手动控制。

如图7和图8所示，图7为所述机械单元传动简图；图8是本实用新型的机械单元的传动的另一角度的示意图。为了获得较大的转矩，所述伺服电机3的输出端连接一减速机15，所述减速机15连接所述滚筒。所述伺服电机3将运动和力传递至减速机15，所述减速机15将电机的转速降低到所要的转速，并获得较大转矩。

所述减速机15优选采用行星减速机，行星减速机相比于其他类型减速机，减速比可更为精确。

所述减速机15通过传送带连接所述滚筒，所述滚筒包括辊筒件16和辊筒导绳器4，所述辊筒件16的输出端连接一辊筒导绳器4，所述辊筒导绳器4连接所述采样泵5。所述滚筒由伺服电机3带动旋转，所述辊筒件16与所述辊筒导绳器4共同完成收线和放线，从而带动采样泵5上升和下降。

为了保证收放线速度一致，所述辊筒件16螺纹螺距与所述辊筒导绳器4螺纹螺距相同。

所述机械单元的所述采样泵5为气动隔膜泵。所述气动隔膜泵可用于抽送具有高粘度、易燃、有剧毒的液体，而且防火防爆，故选作为气动执行元件，用以实现吸排油目的。

如图9所示，图9为气路单元简图。所述气路单元的第一电磁阀8为两位三通气阀。通过控制两位三通气阀两端线圈得电与失电，控制气阀左右两个工作位的导通与否。与采样泵5相通的工作位导通，空压机向采样泵输送作为原动力的压缩空气，采样泵工作；与回油泵13相通的工作位导通，空压机向回油泵输送压缩空气，回油泵工作。

所述空压机7作为气路单元的气源装置，利用两位三通气阀作为气动控制元件，两位三通气阀是借助电磁铁控制先导气路，产生先导压力，然后先导压力推动主阀阀芯移动，使阀门开启或关闭，从而使气流换向。空气经空压机7压缩、干燥和过滤后成为压缩空气，通过控制两位三通气阀两端的线圈得电与失电，从而控制所述回油泵13工作还是所述采样泵5工作。

如图10所示，图10为油液单元简图。所述流量传感器11通过信号线连接所述PLC控制器1，所述流量传感器11输出的电流信号作为模拟量建立与PLC控制器1之间的通讯。所述流量传感器11感知已采集油液体积，并以模拟量形式反馈于PLC控制器，当开始采样时，通过流量传感器11得知已采集油液体积，采集完成之后，关闭所述第二电磁阀9，采样停止。当所述残油池12油液过多时，开启所述回油泵13，将油液抽回所述储油罐6。

所述油路单元的所述第二电磁阀9为两位三通油阀，所述两位三通油阀线圈的得电与失电由所述PLC控制器1实现控制，采样开始或结束时，需先将油管中的残油排至所述残油池12中，通过控制所述两位三通油阀不同阀口的开启与关闭，从而控制油液进入所述残油池12或是所述采样池10。

所述残油池12通过所述回油泵13与所述储油罐6相接，当所述残油池12中油量达一定量时，所述回油泵13开启，将剩余油液抽回所述储油罐6中。

本系统可进行手动控制和自动控制，具体地，如下所述：手动控制时，由按钮开关完成具体操作。初始化过程是对伺服电机3运行高度、转速和模拟量输入数据所在地址进行预处理，而且使伺服驱动器2进行初始化。所述触摸屏14上写入伺服电机3的转速后，可以选择使用按钮或所述触摸屏14控制。当使用按钮控制后，按下SB8和SB9使采样泵上升和下降，所述采样泵5所在储油罐6中的高度可以在所述触摸屏14上显示出来。之后按下SB4使空压机7开启，压缩空气压力逐步提升。按下SB10，所述第一电磁阀8与所述采样泵5之间的气路通道打开，压缩空气进入采样泵5，储油罐6中油液被吸入采样泵中；同时，与采样泵5相连，向采样池输送油液的第二电磁阀9的油路通道被打开，油样进入采样池10。通过流量传感器11可以得知已采集油液体积，显示在所述触摸屏14上。当达到采样要求体积后，按SB11，向采样池输送油液的第二电磁阀9的油路通道关闭，向所述残油池12输送管内残油的第二电磁阀9的另一油路通道打开，管内残油进入残油池12。采样泵5延时后停止，采样过程结束。当残油池12内油液较多时，按下SB6，所述空压机7开启，经由所述第一电磁阀8的另一气路为所述回油泵13提供压缩空气，回油泵13开启，将所述残油池12内残油抽回所述储油罐6。按SB7，空压机7向回油泵13提供压缩空气的气路关闭，回油泵13停止。最后按下SB5使所述空压机7停机。

自动控制时，在触摸屏14上完成操作。所述触摸屏14通过以太网与所述PLC控制器1通讯。在所示触摸屏14上设有采样泵上升、采样泵下降、采样泵开启、采样泵关闭、空压机开启、空压机关闭、回油泵开启、回油泵关闭功能图标，在该实施例中分别对应的PLC控制器1中标志存储器地址为M0.5、M0.6、M1.1、M1.2、M0.7、M1.0、M1.3、M1.4。所述触摸屏14作为自动控制时的系统输入，在所述触摸屏14与PLC控制器1实现通讯后，预先在所述触摸屏14上写入采样位置与采样量，通过观察在所述触摸屏14上显示的所述采样泵5所处高度和已采集油液量等反馈信息，按下所述触摸屏14上的相关功能图标，即可完成自动控制。

如出现故障，按下SB2急停按钮，系统失电，各个电器停止工作。待排除故障后可以使急停按钮复位，系统继续工作。

此外，为保证油样采集系统运行的安全性与稳定性，还需考虑相关的保护系统；在该油样采集系统中，因外界大气雷电活动、内部操作诸如合闸和拉闸，都将会引起电力系统的状态发生突然变化，这常常会损坏电气设备，引起事故，故考虑添加了过电压与过电流保护；PLC控制器1组成的控制系统既连接强电设备，也连接弱电设备，因此，考虑添加了抗干扰措施。

具体的，为防止过电压过电流对设备的侵害，可以装置避雷针和避雷线。所有的避雷装置都需装有可靠的接地装置；选择使用灭弧能力强的断路器；在进行断路动作的时候注意提升动作的周期性；在断路器的端口进行并联电阻的加装；在避雷器的选择上要选择性能更加优良；具体的，抗干扰措施为所述流量传感器11与所述PLC控制器1之间连接的信号线采用屏蔽线，这样就可以抵抗外来的干扰信号，也可在避免干扰信号进入内层导体干扰的同时降低传输信号的损耗；在用到三相电源的设备中，紧跟着空气断路器就装有噪声滤波器，要求滤波器的输入线愈短愈好；电源及传递大电流的导线应紧贴电气箱的底部，并沿着边角布线；开关电源应加装隔离罩以防电磁干扰，滤波器选用π型或T型可抑制宽波段电磁噪声，陶铁磁体材质可抑制射频噪声；电源线和信号线两者之间要求隔离或分开配线。

如图10所示：当采样泵下降到储油罐中设定采样位置时，采样开始。PLC控制器控制接触器KM1线圈得电，接触器常开触点闭合，空压机电机得电，为空压机输送动力，空压机启动，产生压缩空气，作为气动隔膜泵的动力源。

PLC控制器控制两位三通气阀前的继电器KA4线圈得电，继电器常开触点闭合，进而两位三通气阀线圈得电，得电工作位打开。压缩空气经由气阀得电工作位进入采样泵中，采样泵启动，将储油罐中的油液吸入自身工作腔中；油液经由两位三通油阀失电工作位(常态位)进入油样池。流量传感器感知已采集油样体积，将产生的电流信号反馈至PLC控制器，并将已采集油样量显示于触摸屏上。

若达到预先设定采样体积，PLC控制器控制机械装置将采样泵提升至储油罐顶部，油液不再进入采样泵中。采样过程结束，采样泵继续工作；同时，PLC控制器控制两位三通油阀前的继电器KA2线圈得电，继电器常开触点闭合，两位三通油阀线圈得电，油阀得电工作位打开，采样泵及管路中剩余的油液进入残油池中。

若残油池中剩余油液过多，PLC控制器控制继电器KA4线圈失电，两位三通气阀线圈失电，失电工作位(常态位)打开。压缩空气经由气阀失电工作位进入回油泵中，回油泵启动，将残油池中的油液吸回储油罐中。

最后，PLC控制器控制接触器KM1线圈失电，空压机电机停转，空压机停机，采样系统工作结束。

如图12所示：所述气动隔膜泵由排出管17、球阀18、球阀座19、联接杆20、配气阀21、隔膜22和进料管23，所述球阀18和所述球阀座19均为四个，两个所述球阀18的的出口相通连接，并构成排出管17，另外两个所述球阀18的进口相通连接，并构成进料管23，所述隔膜22为两张，两张所述隔膜22之间通过所述连接杆20连接，两张所述隔膜22分别连接在一个球阀18的进口和一个球阀18的出口之间，两张所述隔膜22之间设置所述配气阀21。

气动隔膜泵以压缩空气为动力，依靠隔膜片的来回鼓动改变工作室容积从而吸入和排出液体。

在隔膜泵的两个对称工作腔中各装有一块有弹性的隔膜，由中心联杆将其连结成一体。压缩空气从泵的进气口进入配气阀，通过配气机构将压缩空气引入其中一腔，推动腔内隔膜运动，而另一腔中气体排出。一旦到达行程终点，配气机构自动将压缩空气引入另一工作腔，推动隔膜朝相反方向运动，从而使两个隔膜连续同步地往复运动，实现工作介质的连续吸入和吐出。在图示中压缩空气进入配气阀，使膜片向左运动，则B室的吸力使介质由入口流入，推动球阀进入室，B腔侧球阀则因吸力而闭锁；A室中的介质被挤压后，会推开上方球阀由出口流出，同时下方球阀继续闭锁，防液体倒流，就这样循环往复使介质不断从入口处吸入，从出口处排出。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

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