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1、精选优质文档-倾情为你奉上1 绪 论联合站是油田原油集输生产中最重要的生产工艺过程，它是集油水分离、污水处理、原油及天然气集输等多个工艺系统为一体的综合性生产过程，主要包括输油脱水、污水浅处理、污水深处理、注水、锅炉和配电等生产岗位或工艺环节。目前，各大油田联合站生产工艺过程的控制主要有人工监测控制、常规仪表自动监测控制、计算机监测控制等三种方法。计算机监测控制是从上世纪七十年代迅速发展起来的一种功能强大的现代工业过程控制方法。它采用计算机技术与自动化仪表相结合，对工业生产过程中的各种工艺参数进行处理、运算、显示和控制。相对于常规仪表控制，它可以提供更为复杂的控制算法，通过对各种相关参数进行综
2、合分析，实现协调管理和优化控制。在油田联合站生产过程中，如何合理选择、设计安全可靠和便于维护的计算机监控系统，保证联合站生产的平稳运行和优化控制，实现节能降耗和安全生产，提高生产管理水平，是目前自动化技术在油田生产应用中面临的重要课题。1.1 计算机监控系统的介绍目前的计算机监控技术是一门综合性技术。它是计算机技术、通信技术、网络技术和自动化技术的综合应用。所谓计算机监控系统，就是采用计算机取代常规的显示和调节仪表作为工业数据采集和控制过程的处理核心，利用传感器或变送器将被监控对象中的物理参量（如温度、压力、流量、液位等）转换为电信号，再将这些电信号经输入装置转换为计算机可识别的数字量，并且在
3、显示装置中以数字、曲线或图形的方式显示出来，从而使操作人员能够直观、迅速地了解被监控对象的变化过程。同时计算机还可以将采集的数据存储起来，随时进行分析、统计和显示并生成各种报表。如果需要对被监控的对象进行控制，则由计算机中的应用软件根据采集到的物理参量的大小和变化情况以及按照工艺要求的设定值进行判断，然后根据一定的控制算法在输出装置中输出相应的电信号，并推动执行装置动作从而完成相应的控制任务。图1-1就是一个典型的计算机测控系统组成原理图。由于近年来计算机软件的迅速发展，各种可视化应用软件已广泛应用于工业计算机系统，能够为操作者提供更加直观完善的操作界面，大大丰富了现场监视功能。计算机监控系统
4、可以由一下几个部分组成：计算机（含可视话的人机界面）、输入输出装置（板卡），监测、变松机构。设计原则有可靠性原则、使用方便原则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。下图就是一个典型的计算机测控系统组成原理图： 1.2 计算机监控系统的主要特点（1）实时性。对工业生产过程进行实时在线检测与控制，按优先级进行采集和输出调节，保证被控系统的正常运行。（2）可靠性。具有在较为恶劣的工业现场长期工作的能力，并具有良好的故障诊断和维护性。（3）较强的输入/输出能力。可与工业现场的检测仪表和控制装置相连接，完成各种测量控制任务。（4）应用软件丰富。目前大多数计算机监控系统以WINDOWS做工作平台，系统
5、软件、应用软件丰富，可提供良好的人机界面，特别是组态软件更为用户提供设计原则可靠性原则、使用方便原则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。了方便。2 原油联合站及其工艺流程简介2.1 原油联合站的简介该原油联合站将各个采油队输送过来的原油进行油气水分离、油水分离、原油存储、原油加热及外输、污水处理等，实现对来油气、出油气的计算、盘库。该原油联合站内主要分成原油处理和污水处理两大工艺流程，另外还包括消防、天然气密闭、大罐抽气、阴极保护等小的工艺流程。整个联合站的工艺流框图如下： 2.2 联合站的工艺流程与主要技术指标1、分离器流程。从各个采油队输送过来的原油首先通过计量器计量后又进入联合站的
6、油气水三相分离器，在这里实现气体和液体的分离。原油从分离器一端进入，然后天然气从另一端上部流出进行天然气外输，而油水混合的液体从下部流出进入一次沉降罐。2、油罐区流程。油罐区的储罐主要的任务是进行油水分离，由一次沉降罐、二次沉降罐、净化油罐组成，分离器将油水混合液体输入一次沉降罐，一次沉降罐分离出大部分的原油，并把部分天然气再行收集，而将水输到污水区，进行污水处理。经过一次沉降罐的原油流入二次沉降罐继续进行油水分离，这之后的原油已经含水很少了，然后原油进入加热炉加热和脱水器脱水。经过加热和脱水后的原油进入净化油罐，等待外输。3、加热炉流程。从油罐区二次沉降罐输送过来的原油在这里经过加热，以利于
7、原油的输送，然后送到脱水器脱水。4、原油外输流程。经过加热和脱水处理的原油含水已经很少，通过原油外输泵将原油输送出联合站。污水处理工艺流程。在这一流程里，从一次沉降罐过来的污水首先进入缓冲罐，将含有的残留天然气进行收集，然后经过加药泵进行加药处理，再进入过滤罐过滤，最后将经过处理的污水输出根据联合站的工艺流程和各个设备的工作原理，整个监控系统需要处理：1) 控制计量罐的液位。2) 监测油气分离器的温度、压力以及液位。3) 监测两个注水泵和外输泵各自前后的压力，控制各个泵的起、停、显示以及运行状况及其报警。4）监测四个沉降罐和净化罐的温度、压力及其报警。5）监测除油罐的温度、液位及其报警。6）监
8、测缓冲罐的液位、压力及其报警。7）遍布整个联合站的10处气体浓度监测及其报警。3 原油联合站硬件设计 3.1 联合站的初步分析图3-1 联合站工艺流程图根据此联合站的工艺流程可知系统需要监控各个泵、分离器加热炉的液位、温度、压力、气体浓度，以及监测及各个泵运行状况显示。其中液位、温度、压力、气体浓度等信号经过相应的变送气后都会转换为与现场最大、最小值对应的 420MA电流信号，都是模拟量输入信号。各个泵运行状况对应数字量输入信号。模拟量输入通道一般应包括几个组成部分：传感器、变送器、I/O模块等。如下图所示： 控制分离器上油室、水室的液位恒定可以采用板卡来控制。各个泵的运行状况及启停显示都是数
9、字量输入信号。可以采用西门子的数字量输入模块。当前液位的信号接入PCI-1713总线的隔离高速模拟量输入卡，与人工设置的定值相比较，通过分析，调节泵的转速来控制油室、水室的液位恒定。3.2 系统硬件选型与介绍板卡PCI-1721PCI-1721是一款高性能PCI总线模拟量输出卡,每个模拟量输出通道都带有一个12位的双缓冲DAC.此输出卡具有许多强大的独特功能,PCI-1721是要求连续高速模拟量输出或实时波形输出应用的理想选择主要功能与技术指标：4路增强模拟量输出卡5MHz最大数字更新速率PCI总线数据传输自动校准功能每个模拟量输出通道带一个12位DAC带内部/外部触发的实时波形输出功能同步输
10、出功能 灵活的输入类型和范围设定板卡PCI-1713 PCI-1713是一款PCI总线的隔离高速模拟量输入卡，它提供了32个模拟量输入通道，采样频率可达100KS/S，12位分辨率及2500YDC的支流隔离保护。主要功能与技术指标2500VDC隔离保护32路单端或16路差分模拟量输入，或组合输入方式12位A/D转换分辨率A/D转换器的采样速率可达100KS/S给个输入端的增益可编程卡上4K采样FIFO缓冲器支持软件、内部定时器触发或外部触发板卡PCI-171212位多功能数据采集卡功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡.它有1M转换速度的12位A/D转换器,卡上带有FIFO缓冲器(可存储1
11、KA/D采样值和32KD/A转换数据).PCI-1712提供16路单端或8路差分的模拟量输入(也可以单端差分混合使用,2路12位D/A模拟量输出通道,16路数字量输出通道,以及3个10MHz时钟的16位多功能计数器通道.主要功能与技术指标12位 A/D转换器, 采样速率可达 1 MHz 16 路单端或 8 路差分或组合输入方式 PCI总线数据传输 模拟量输入通道的数据采集触发模式可使用预触发、后触发、匹配触发和延时触发SM322数字量输出模块该模块是德国西门子公司生产的S7-300PLC系列数字量输出模块，为16通道的数字量输出模块。主要性能与指标可用于连接电磁阀，接触器，小功能电机、灯和电机
12、启动器数字量输出模块将S7-300的内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平16路增强数字量输出模块额定负载电压，输出范围为20.4-28.8V输出电流，信号为0是电流为0.5MA,信号为1时-60时的电流为0.5MASM323数字量输入/输出模块 主要性能与指标8通道的数字量输入/输出模块 可用于连接开关、2总线近开关，小功率电机等可将控制过程的外部数字量电平转化为S7-300的内部信号电平也可将S7-300的内部信号电平转化为控制过程的外部数字量电平RS-232C接口研华工控主机主要特征 IPC-610专为冲击、震动、高温等恶劣环境设计 支持14槽ISA/PCI底板 支持四个前端抽取磁
13、盘驱动器和一块内置3.5”硬盘 1个带防尘过滤网的86CFM风扇选配Inter PIV 2.4GM CPU西部数据80G硬盘Kingston 256M内存 工业键盘及光电鼠标RS-232C接口显示器带19寸LCD和VGA/Video/S-Video/DVI端口的工业平板显示器主要特征19寸SXGA TFT LCD分辨率达到1280*1024 输入信号自动识别 最高亮度可达250cd/m2 多扫描功能：支持SXGA，XGA，SVGA，VGA和文本模式 支持多信号输入:VGA,DVI,Video和S-Video 不锈钢机箱,符合NEMA4/IP65标准的防锈前面板 支持面板安装,壁挂式安装,机架安
14、装和VESA悬臂安装3.3 系统硬件组成图飞利浦21彩色显示器打印机UPS电源研华工控机IPC-610COM1 COM2西门子PLC研华总线多功能板卡S7-400312路AIS7-400212路AIS7-400112路AISWP-LCD-SSR 34路PIDPCI-1763UP 28路DOPCI-1760 18路DI 6路阀门 6路阀门 3路液位 10路气体 12路压力 6路温度信号状态显示 开关控制 PID控制 浓度监测 信号监测 监测6路液位信号监测图3-3 监控系统结构框图4 原油联合站软件设计4.1 组态王软件简介 “组态王6.51”是采用了多线程、COM组件等新技术的人机界面软件，实
15、现了实时多任务，软件运行稳定可靠。组态软件包括工程浏览器、工程管理器、画面运行系统三部分组成。在工程浏览器中可以查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库的构造、定义外部设备等工作；工程管理器内嵌画面管理系统，用于新工程的创建和已有工程的管理。画面的开发和运行由画面制作系统合工程运行系统来完成。4.2 组态王与下位机的通讯“组态王”把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，下图为组态软件架构。其他工控设备智能仪表模块PLC组态王COM组件动画显示画面数据采集线程历史记录线程其他线程PLC模块模块PLC设备驱动1模块PLC设备驱动2设备驱动3其他工控设备设备驱动4计算机 外部设备图4-1组态王软件架构
16、4.3 软件设计的总体方案设计中需要首先设计程序的界面，以便于操作，界面完成后，需要绘制各个画面。首先，必须要具有工况图，工况图能够反应出加油站的工艺流程，并且能够及时从图中了解到被监控对象的变化情况。然后需要绘制所监控对象的趋势曲线，趋势曲线是用来反应数据变量随时间的变化情况。趋势曲线有两种：实时趋势曲线和历史趋势曲线，实时趋势曲线随时间的变化自动卷动，以快速反应变量的新变化。历史趋势曲线可以完成历史数据的查看工作，但它不会自动卷动。在完成趋势曲线的绘制后，就应该设计历史报表，数据报表是反应生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式，它既能反应系统实时的生产情况，也能对长期的生
17、产过程进行统计、分析，使管理人员能够掌握和分析生产情况。具体的设计框图如图4-2所示。图4-2 联合站软件设计框图5 软件设计的具体方案5.1 创建新工程在用“组态王6.51”进行设计的开始，要创建一个新工程。这是程序设计的第一步，创建一个工程的具体步骤是：（1）首先，在安装完成，运行组态王后，会弹出一个“组态王工程管理器”的菜单，单击菜单栏的“文件”-“新建工程”，便可打开“新建工程向导”对话框，如图5-1所示。图5-1 新建工程向导对话框1（2）按照向导对话框的每一步提示，陆续填入工程名称，存放路径，工程描述等信息，单击确定就可以建立好一个新的工程了，本设计中，把工程的名称设为“联合站监控
18、系统”。如图5-2所示：图5-2 新建工程向导对话框2在建立好工程后，在“组态王工程管理器”中双击刚才建立的新工程就可以进入“工程浏览器”的界面下，如图5-3所示。图5-3 工程浏览器“工程浏览器”由菜单栏，工具栏，工程目录显示区，目录内容显示区，状态条组成。左边的那一栏即为工程目录显示区，右边的为目录内容显示区，工程目录显示区以树形结构图显示大纲项节点，用户可以扩展或收缩工程浏览器中所列的大纲项。5.2 画面设计工程浏览器由菜单栏、工具条、工程目录显示区、状态条组成。使用工程浏览器，绘制加油站流程图如图5-4所示：图5-4 联合站工艺流程图5.3 定义外部设备数据变量1.定义外部设备下位机采
19、用仪表和板卡，对于组态王来说也即是外部设备，它通过串行口与上位机进行数据交换；定义外部设备后，组态王才可以通过I/O变量使他们交换数据。在组态王工程浏览器的左侧选中COM1，在右侧单击“新建”，运行“设备配置导向”。如图5-5所示：图5-5 设备配置导向1图5-6 设备配置导向2为外部设备取名，输入“板卡1”,单击“下一步”：填写设备地址，填入9，单击“下一步”：注：在实际连接设备时，地址的设置要和在设备上配置的地址要一致。图5-7 设备配置导向3图5-8 设备配置导向4设备定义到此已经完成，在工程浏览器的右侧可以看见所定义的设备板卡PCL725，在打开数据词典时，把I/O变量连接到该设备上，
20、便可以与组态王交换数据。同样设仿真PLC连接在COM2口上，按上述步骤定义外部设备。图5-9 设备配置导向5图5-10 设备配置导向6图5-11 设备配置导向72. 定义数据变量数据库是“组态王”最核心的部分。数据库中变量的集合为“数据词典”，在数据词典中定义工艺过程中需要的变量。在工程浏览器左侧选择“数据字典”，在右侧双击“新建”，弹出“变量属性”对话框，对话框设置净化油罐液位参数如下所示，然后用类似方法建立其他变量的参数。 图5-12定义变量5.4 动画连接1. 动画连接“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。对已建立的“监控中心”，在画面上的变量的值的大小变化能够显示出来，
21、便可以真实的反映现场监控情况。2. 建立动画连接在画面上双击图形对应的“净化油罐”，弹出该对象的动画连接对话框。 图5-13动画连接单击“确定”按钮，完成净化油罐液位的动画连接。连接后，变量“原料油液位”的变化就通过设置颜色的填充范围表示出来，并且填充的高度随变量值的变化而变化，用同样的方法将余下的罐及泵做好设置。5.5 报警和事件1. 定义报警组运行报警和事件记录是监控软件必不可少的功能，“组态王”提供了强有力的支持和简单的控制运行报警和事件记录方法。在工程浏览器中选择“报警组”，然后进入报警组定义。图5-14报警组图示2. 设置变量的报警定义属性设置变量“计量罐”的报警属性。选择“数据词典
22、”，在右侧双击变量名“计量罐”，在“定义变量”对话框中单击“报警定义”配置页，弹出对话框如图5-15：图5-15“报警定义”配置页具体设置如下：低：0 高：40报警组名：联合站 优先级：1单击“确定”，关闭此对话框。采用同样的方法定义所有变量的报警属性。3. 建立报警和事件窗口1）建立一个新的画面作为报警画面。画面名称：“报警”2）绘制报警和事件窗口：在工具箱中选用报警窗口工具，绘制报警窗口如下图：图5-16绘制报警窗口双击报警窗口对象，弹出“报警窗口配置属性页”对话框，并进行设计。图5-17“通用属性配置页”设置单击“列属性”配置页，设置如下：图5-18“列属性”配置页设置单击“操作属性”配
23、置页，设置如下：显示工具条： 有效 允许报警确认：有效允许双击左键：有效单击“条件属性”配置页，设置如下：图5-19“条件属性”配置页设置完成各个报警属性设置后，运行报警和事件窗口如下：图5-20运行报警和事件窗口效果5.6 曲线模块趋势曲线用来反应数据变量随时间的变化情况。趋势曲线有两种：实时趋势曲线和历史趋势曲线。这两种曲线外形都类似于坐标纸，X轴代表时间，Y轴代表变量的量程百分比。不同的是，在画面运行程序时，实时趋势曲线随时间变化自动卷动，以快速反应变量的新变化，但不能时间轴“回卷”，不能查阅变量的历史数据；历史趋势曲线可以完成历史数据数据查看工作，但它不会自动卷动，而需要通过带有命令语
24、言的功能按钮来辅助实现查阅功能。1. 实时趋势曲线选中“实时趋势曲线”工具，然后在画面上绘制趋势曲线。双击此实时趋势曲线对象，弹出“实时趋势曲线”对话框，对话框设置如图5-21所示：单击“标识定义”配置页，对话框设置如下图5-22所示：可以对时间轴和数据轴进行任意设置。单击“确定，”关闭此对话框。保存后激活运行系统，画面运行效果如下图5-23所示：将画面切换到view中，单击“打开”，选中实时趋势曲线，系统运行得到实时趋势曲线曲线运行图5-21。图5-21“实时趋势曲线曲线定义”对话框图5-22“实时趋势曲线标识定义”对话框图5-23“实时趋势曲线”运行效果图图5-24实时趋势曲线运行图2.
25、历史趋势曲线在开发系统中新建画面，在工具箱中单击“插入通用空件”，弹出“插入控件”对话框，在列表中选择“历史趋势曲线”，单击“确定”，然后绘制一个矩形框，如下图所示：图5-25历史曲线控件单击右键，选择“控件属性”命令，弹出控件属性对话框，进行属性设置，按照要求设置数据，设置完成后单击“确定”，便可得到如下图所示：图5-26历史趋势曲线单击“文件”按钮，将画面切换到view画面，进行演示实验，选择“画面”，单击“历史趋势曲线”，点“确定”，便可得到历史趋势曲线演示图，如下图所示： 图5-27历史曲线控件运行效果图5.7 报表模块1. 数据报表的用途数据报表可以反应生产过程中的数据、状态等，并对
26、数据进行记录，是生产中不可缺少的一部分。它能反应系统实时的生产情况，也能对长期的生产过程进行统计、分析，使管理人员能够实时掌握和分析生产情况。在这里制作联合站的实时数据报表，以便随时分析、掌握。2. 制作实时数据报表在组态王工具箱内选择“报表窗口”工具，在报表画面上绘制报表。如图所示：图5-28绘制报表双击报表窗口的灰色部分，弹出“报表设计”对话框，对话框进行如下设计如下图：图5-29“报表设计”对话框对组态王报表画面进行设置，选中两个单元格区域，进行单元格合并，在报表工具箱里输入“实时数据报表”，单击“输入”。在单元格中设置报表时间，从“数据词典”中选择日期、时间（日期、时间前必须加“=”）
27、。在A4单元格中输入“沉降罐压力”文本值，再选中B4单元格，从“数据词典”中选择“沉降罐压力”，并再往前面加“=”，选择输入。如下图所示： 图5-30报表设置画面3. 保存报表在“文件”中选择“全部保存”，将画面切换到view画面，进行演示实验。则画面如图所示：图5-31报表画面运行效果4. 制作历史数据报表历史数据报表的设计方法与实时数据报表的制作方法一致，报表样式如图所示：图5-32历史数据报表设计运行组态王，打开历史数据报表，运行结果如下图所示：图5-33历史数据报表运行效果图6 总结通过这次课程设计我熟悉并掌握了组态王的基本操作与使用，并在此基础上完成了加油站系统监控软件中的工艺流程模
28、块、曲线图模块、报表模块、实时参数模块以及报表模块等各模块的设计。同时进一步熟悉了相关计算机监控系统的硬件组成与方案，学会了计算机监控系统软件设计的步骤和方法，使自己初步具备了设计小型计算机安全监控系统软件编程的能力。在设计过程中，采用PLC和板卡方案进行系统设计，实现了对监控对象的自动监测与报警。此种方案其可靠性高，设计方便灵活，性价比优越。采用此种方案控制精度大幅提高完全可以满足工业控制系统的要求。设计中利用了组态王中的时间变量和相应判断语句，实现了每秒钟监测危险信号的功能，并通过相应的按键的命令触发和停止自动报警功能。7 参考文献1徐竟天，汪跃龙.石油安全工程课程设计指导书. 西安石油大学，2006：66-74. 2何小阳计算机监控原理及技术重庆：重庆大学出版社，2007. 3陈露晨.计算机通信接口技术M.成都：电子科技大学出版社，1999.4李鹏.计算机通信技术及其程序设计M.西安：西安电子科技大学出版社，1998.5马国华.监控组态软件及其应用M.北京：清华大学出版社，2001.6于英民，莫玮，于佳.计算机接口技术M.北京：电子工业出版社.专心-专注-专业