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1、西安石油大学课 程 设 计电子工程学院 自动化专业 班题 目 计算机控制技术课程设计 集油站计算机监控系统硬件设计一（采用板卡方案） 学 生 指导教师 徐 竟 天 二一三年十二月计算机控制技术课程设计任务书题 目集油站计算机监控系统硬件设计十一（采用板卡方案）学生姓名学号专业班级设计内容及要求课程设计主要完成某集油站安全监控系统硬件设计。要求运用已学过各类传感器、输入输出模块、工控计算机、现场总线等知识，完成安全监控系统硬件方案、设备选型、总体设计等各功能设计。要求熟悉相关计算机安全监控系统硬件组成及设计方案，学会计算机监控系统硬件设计步骤与方法，具有初步设计小型计算机安全监控系统硬件方案能力
2、。课程设计内容及基本要求如下：1.熟悉集油站工艺流程、监控目标及监控要求。2.学会常用监控系统I/O硬件（各类板卡、智能仪表、智能模块、PLC等）参数及使用，了解其工作原理。3.学会不同自动化设备厂家各类板卡、智能仪表、智能模块、PLC等选型，能用所选厂家硬件搭建符合工艺流程与监控目标硬件系统。4.完成监控系统硬件方案设计，画出原理图。 5.课程设计时间一周，完成课程设计报告。 起止时间2013年12月30日 至 2014年1月5日指导教师签名年 月 日系（教研室）主任签名年 月 日学生签名年 月 日目 录一 绪论4 1.1 计算机监控系统介绍.5 1.2 计算机监控系统主要特点及原则.51.
3、2 .1 主要特点.51.2.2 设计原则.6 1.3 集油站简介.6 1.4集油站发展.6二系统总体方案设计.72.1 集油站工艺流程图.72.2 集油站工艺流程及主要技术指标.8三硬件系统设备选型.123.1 常用板卡.12四监控系统详细设计.134.1 监控系统设计.134.2 初步分析.16五总结.17参考文献.18一、绪 论 随着科学技术不断进步，特别是工业控制技术飞速发展，我们已经开始步入一个崭新自动化控制新时代。计算机自动监控系统已经广泛应用于离散过程、连续过程等各种工业自动化领域以及电力、化工、食品、水处理等各个行业。现在国内外都将计算机监控系统对油田联合站各个生产工艺过程进行
4、实时监控、及数据采集等，计算机监控系统发展为集油站自动化监测注入了新活力。因为集油站是油气集输过程中一个重要环节，它直接关系到外输原油质量，其工艺特点是系统关联紧密、操作规程严格、系统运行状况复杂多变且系统过程中流程多变。所以采用计算机监控系统对其工艺过程进行实时监控可以有效提高生产率、减少事故发生率、降低工人劳动强度。自动化经过 50 年发展,通过技术引进,消化吸收与不断创新, 自动化水平取得了长足进步.现场从手工操作发展到自动控制,从低级单回路控制 发展到高级复杂系统控制,直到管控一体化.此外,在自动化装备,技术,功能,规模等方面都有了很大提高;测量与控制装置不断更新升级,正在运行数千套
5、DCS, PLC(可编程控制器)与 IPC(工业个人计算机)系统已成为大中型石油与化工企业及小 型骨干化工企业主要控制手段.常规仪表性能大大提高,已 成为石油与化工企业 生产过程主要检测手段,电子仪表,数字仪表,智能变送器及执行器使用量逐渐 增加.现场总线控制系统试用取得进展,近年来已成为石 油与化工自动化领域发 展热点之一.对于石化行业来说,底层控制自动化是实现信息化基础. 油田,油井,计量站大部分都分布在偏远地区,对其工艺过程工作状况,运行 参数监控及控制,一直是油田一项重要且困难工作.油田生产,开采过程中 有大量数据需要工作人员及时采集与记录,以供管理部门及时作出决策,管理 生产.如果这
6、些数据都要人工采集,记录话,必然给工作人员带来巨大工作量, 而且效率低,误差大,而且影响了数据实时性. 随着自动化发展,对油田生产各个环节监测,检测正朝着监控自动化方 向发展.目前油田已经采用自动监控系统,对其各个生产环节进行实时参数及故障监 控,检测,实施智能化监控及管理。综上所述，在集油生产过程中，如何合理选择、设计安全可靠与便于维护计算机监控系统，保证集油生产平稳运行与优化控制，实现节能降耗与安全生产，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重要课题。1.1计算机监控系统介绍所谓计算机监控就是利用传感器装置将被监控对象中物理参量（如温度、压力、流量、液位、速度）转换为电量，
7、并且在计算机显示装置中以数字、图形或曲线方式显示出来，从而时操作人员能够直观而迅速了解被监控对象变化过程。通过应用计算机监控技术，可以稳定与优化生产工艺，提高产品质量，降低能源与原材料消耗，降低生产成本。还可以降低劳动强度。计算机监控系统可以由一下几个部分组成：计算机（含可视话人机界面）、输入输出装置（板卡），监测、变送机构。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。主要特点是实时性，可靠性，较强输入输出能力，应用软件丰富。 图1-1就是一个典型计算机测控系统组成原理图。图1-1计算机监控系统结构图1.2 计算机监控系统主要特点及原则1.21 主要特点（1）实
8、时性。对工业生产过程进行实时在线监测及控制，按优先级进行采集与输出调节，保证被控系统正常运行。（2）可靠性。菊友在较恶劣工作现场长期工作能力，据有良好故障诊断与维护性。（3）较强输入/输出能力。可及工业现场检测仪表与控制装置相连接，完成各种测量控制任务。（4）应用软件丰富，目前打多少计算机监控系统以WINDOWS 做工作平台，系统软件、应用软件丰富，可提供良好人机界面，特别傻组件软件更为用户提供了方便。1.2.2 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。1.3 集油站简介 原油集油站简介 该原油集油站将各个采油队输送过来原油进行油气水分离、油水分离、原油存 储
9、、原油加热及外输、污水处理等，实现对来油气、出油气计算、盘库。该原油联 合站内主要分成原油处理与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、阴极保护等小等小工艺流程。1.4 集油站发展随着我国自动化水平提高，油田生产实施自动化监控已经迫在眉睫。集油站是油田集输重要组成部分，它直接关系到油田生产正常运行，对整个油从开采到投产使用整个流程经济效益有极大影响。随着油田开发进入高含水后期， 工艺过程更加复杂，采用人工监控与常规仪表监控已很难满足生产要求。上世纪九十年代，计算机控制开始应用于联合站生产过程，并取得了一定应用效果。但由于在方案选型、设计与管理维护等方面存在一些问题，总来讲
10、，应用效果不够理想。目前，集油站生产工艺过程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。人工监测控制是由岗位操作人员根据检测仪表反映工艺参数变化情况，凭经验对生产过程进行人工控制，其工作效率与安全系数都很低，已不能满足较高工业过程控制要求。常规仪表控制采用各种检测与控制仪表实现对现场各种工艺参数采集处理、显示、报警与调节控制，保证生产过程高效、安全与平稳运行。这种控制方式已在集油站中得到了广泛应用。计算机监测控制是从上世纪七十年代迅速发展起来一种功能强大现代工业过程控制方法。它采用计算机技术及自动化仪表相结合，对工业生产过程中各种工艺参数进行处理、运算、显示与控制。
11、相对于常规仪表控制，它可以提供更为复杂控制算法，通过对各种相关参数进行综合分析，实现协调管理与优化控制。综上所述，在集油站中，如何合理选择、设计安全可靠与便于维护计算机监控系统，保证油田生产平稳运行与优化控制，实现节能降耗与安全生产，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重要课题。二、系统方案总设计 2.1 集油站工艺流程图工艺流程图如下：某集油站工艺流程如上图。从各个油井或计量站来得油水混合物先进入三个四相分离器，进行油，水，气，沙四相分离，分离出来水经掺水泵送到个计量站掺水或对地下注水；分离出来原油进入脱水器再次脱水，经稠油泵送到200立方米大罐储存；分离出来一部分油水混合
12、物经过外输泵在进行热交换加热后往其他集油站外输。整个联合站工艺流框图如下：2.2集油站工艺流程及主要技术指标 （1）分离器流程。从各个采油队输送过来原油首先通过计量器计量后又进入集油站油气水三相分离器，在这里实现气体与液体分离。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， 而油水混合液体从下部流出进入一 次沉降罐。(2)油罐区流程。油罐区储罐主要任务是进行油水分离，由一次沉降罐、 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 过一次沉降罐原油流入二次沉降罐继续进行油水分
13、离， 这之后原油已经含水很少了， 然后原油进入加热炉加热与脱水器脱水。 经过加热与脱水后原油进入净化油罐，等待外输。 （3）加热炉流程。从油罐区二次沉降罐输送过来原油在这里经过加热，以利于 原油输送，然后送到脱水器脱水。 （4）原油外输流程。经过加热与脱水处理原油含水已经很少，通过原油外输泵 将原油输送出集油站。污水处理工艺流程。在这一流程里，从一次沉降罐过来污水 首先进入缓冲罐，将含有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，最后将经过处理污水输出。根据集油站工艺流程与各个设备工作原理，整个监控系统需要处理： （1）控制三相分离器上油室、水室液位恒定。（2）监测三相分
14、离器上油室、水室液位、温度、压力及报警。（3）监测俩个沉降罐油室、水室液位、温度、压力及报警。 （4） 监测脱水泵、脱水器、加药泵、污水外输泵、外输泵各自前后压力，控制各个泵起、停，显示其运行状况及报警。 （5）监测净化油罐、污水缓冲罐，过滤罐、加热炉温度及液位及报警。 （6）监测遍布整个战区气体浓度及报警。根据集油站流程图，先要列出统计出系统I/O点数，系统I/O点数如表所示：表3.1系统I/O点数列表序号设备名称总点数控制要求AIAODIDO1计量罐2计量罐液位1计量罐液位控制12三相分离器8上油室液位、温度、压力3水室液位、温度、压力3油室、水室液位恒定控制23脱水泵5泵前后压力2泵起停
15、控制2泵运行状态14加药泵5泵前后压力2泵起停控制2泵运行状态15污水外输泵5泵前后压力2泵起停控制2泵运行状态16外输泵5泵前后压力2泵起停控制2泵起停控制17脱水器2脱水器液位、温度28净化油罐2净化油罐液位、温度29污水缓冲罐2污水缓冲罐液位、温度210过滤罐2过滤罐液位、温度211加热炉2加热炉液位、温度212四个沉降罐12沉降罐温度、压力、液位2*4=8沉降罐液位恒定控制 1*4=413两个净化罐4净化罐温度、压力2*2=414站区10气体浓度检测10合计6647748由于点数太多，仅列出部分I/O点数参数表，其他基本类同表3.2 模拟量I/O点数参数表I/O位号变量说明I/O类型工
16、程单位信号类型量程上限量程下限报警上限报警下限报警偏差正常值1-1分离器液位AIMmA10091151-2分离器液位控制型号AOMmA1009115表3.3数字量I/O点数参数表I/O位号变量名称变量说明I/O类型正常状态信号类型信号上限信号下限逻辑极性2-1C1QD脱水泵启动DO1V240正2-2C1ZK脱水泵运行状况DI1V240正三、 系统监控设备选型及介绍 3.1 常用板卡板卡类型及功能：板卡PCI-1721 PCI-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位双缓冲DAC.此输出卡具有许多强大独特功能,比如最大更新速率为10MHz 波形输出功能,自
17、动校准功能与板卡ID等。PCI-1721是要求连续高速模拟量输出或 实时波形输出应用理想选择。 主要功能及技术指标： 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/外部触发实时波形输出功能 同步输出功能 灵活输入类型与范围设定 板卡PCI-1713 PCI-1713是一款PCI总线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支流隔离保护。 主要功能及技术指标： 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
18、转换分辨率 A/D转换器采样速率可达100KS/S 给个输入端增益可编程 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-1755 PCI-1755是高速32通道数字量输入输出板卡，在计算 机监控系统中有广泛运用。 主要功能及技术指标： 总线控制DMA数据传输，支持satter/gather技术 32/16/8位模式I/O处理，带启/停触发功能， 2个模式握手I/O中断处理能力 板载主动终端电阻，高速与远程传输 支持模式匹配与状态改变检测中断功能 通用8通道数字量四监控系统详细设计4.1 监控系统设计 监控系统采用一台研华工控机，21寸LCD与工业平板显示器，带有U
19、PS电源A3幅面彩印喷墨打印机。系统采用仪表监控系统。 对现场各个泵及分离器运行状态进行控制如图所示。监控系统输入输出原理图及监控系统方案硬件示意图如下ups 21寸彩显打印机 研华工控机PCI-1721 PCI-1713 PCI-1755 图41 系统硬件示意图 图42 监控系统输入输出原理图 根据此油库工艺流程可知系统需要监控各个泵、分离器加热炉液位、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变送器后都会转换为及现场最大、最小值对应 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。 控制分离器上油室、水室液位
20、恒定可以采用板卡来控制。各个泵运行状况及启停显示都是数字量输入信号。可以采用西门子数字量输入模块。当前液位信号接入PCI-1713总线隔离高速模拟量输入卡，及人工设置定值相比较，通过分析，调节泵转速来控制油室、水室液位恒定。根据油库流程图，系统I/O点数通过列表形式列举如下表示：表3.4 集油站安全监控系统设备清单序号类别名称型号技术要求数量1计算机部分工控机主机研华IPC610PIV1.8G/512MDRAM/40G/502X1台21寸彩显21寸液晶21寸飞利浦液晶显示屏1台UPS电源山特3KVA3KVA 0.5小时1台打印机惠普A3，彩色喷墨打印机1台2软件部分操作系统WindowsXpM
21、icrosoft windows XP1套组态软件Kingview6.51北京亚控组态王6.511套3板卡部分模拟量输入板卡PCI-171216位,64路模拟量输入卡1块模拟量输出板卡PCI-172316位,8路模拟量输出卡1块数字量输入/输出板卡PCI-17558路隔离数字量输入通道8路继电器输出通道1块4控制柜小型操作台西仪横河西仪横河计算机专用操作平台1台根据集油站 各个工艺流程，可以看到现场测量类型主要有压力、温度、液位、 界位、电量等，所以需要相应测量仪表进行数据采集，以及利用控制阀进行远程控制。4.2 初步分析：液位、温度、压力、气体浓度监测及各个泵运行状况显示。其中液位、温度、压
22、 力、气体浓度等信号经过相应变送气后都会转换为及现场最大、最小值对应 4 20MA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。 控制分离器上油室、水室液位恒定可以采用板卡、PLC 仪表来控制。五总结油库安全监控系统是油库管理中很重要一部分。随着油田开发进入高含水后期，油库工艺过程更加复杂，采用人工监控与常规仪表监控已很难满足生产要求。随着计算机监控系统出现应用，可以满足相应技术要求。它采用计算机技术及自动化仪表相结合，对工业生产过程中各种工艺参数进行处理、运算、显示与控制。一般由一下几个部分组成：计算机（含可视话人机界面）、输入输出装置（板卡），监测装置、变送机构等。本次课
23、程设计主要是对油库进行计算机监控系统硬件设计，其中工艺流程中分离器流程实现气液分离，油罐区加热炉等流程则实现油水分离，进而完成对原油储存，保证油料高品质外输。在进行硬件设计时，本次设计中采用监控仪表，在现场端，我们以监控仪表作为主控制系统，对油库监控系统实时控制，同时向计算机发送数据，计算机按一定控制规律处理数据后发出相应指令，进而通过执行机构实现油库现场设备实时监控。 通过此次课程设计，我受益匪浅。不仅学会相应仪表规格特点及实际应用，还对其及计算机链接有一定了解，再者对一些传感器、输入输出模块、工控计算机、现场总线等知识也进一步加深了理解，融合了相关课程知识。熟悉油库工艺流程、监控目标及要求。尤其认识到在实际应用中通过建立实时监控系统来监测设备、预防事故重要性与优越性。为以后工作奠定了一定基础。 参考文献石油安全工程课程设计指导书.西安石油大学 徐竟天、汪跃龙计算机监控系统.西安石油大学第 - 15 - 页