（检测技术与自动化装置专业论文）联合站监控系统技术研究与应用.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 联合站监控系统技术研究与应用 检测技术与自动化装置 郝佳( 签名) 张乃禄( 签名) 摘要 随着我国石油勘探开发的重点西移，作为主战场的陕北油气田已进入快速发展期， 大规模的油田地面建设对集输联合站与监控系统技术提出新的需求。 联合站监控系统技术研究依托延长油田股份有限公司定边采油厂五星庄联合站监控 技术与系统科研项目。本文分析了五星庄联合站工艺流程和设备特点，提出联合站监控 系统的监控内容和监控要求，讨论了监控系统设计原则、设计步骤、双机冗余热备份技 术及现场总线技术。重点分析净化油罐液位控制系统的内容，利用模糊变参数自整定p i d 控制算法设计了净化油罐液位模糊变参数自整定p i d 控制器，实现了净化油罐液位的优 化控制。联合站监控系统总体结构上，采用i p c 工控机、s 7 3 0 0 p l c 和p r o f i b u s 总线， 构成基于i p c + p l c + p r o f i b u s 的双机冗余监控系统。系统硬件设计采用检测仪表、p l c 和 现场总线，完成联合站现场数据采集、处理和控制。系统软件设计以组态王为开发平台， 设计开发了上位监控和人机接口界面，实现双机系统的冗余与热备份及监控数据显示、 报警、报表打印、数据库查询等功能，采用s t e p 7 v 5 3 软件开发了联合站实时控制程序。 该系统已在五星庄联合站投入运行，系统具有较高的可靠性和稳定性，友好的人机 界面，实现了联合站全过程控制，取得了良好的应用效果，在陕北油田具有典型的应用 示范作用。 关键词：联合站监控系统液位控制双机冗余现场总线 论文类型：应用研究型 i i 一一 茎茎塑墨 一一 - 一一一 s u b j e c t ： as t u d yo nm o n i t o r i n gs y s t e mt e c h n o l o g yo fc o m b i n e d 。s t a t i o n s p e c i a l i t y ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i ce q u i p m e n t n a m e ：h a o j i a ( i n s t r u c t o r ：z h a n g n a b s l 。r a c r i w h i l et h ef o c u so fo u rc o u n t r y so i le x p l o r a t i o nm o v e sw e s t w a r d ，t h eo i la n dg a sf i e l d si n n o r t h e ms h 出埘1 ) 【ia st h em a i nb a t t l e f i e l dh a se n t e r e dap h a s eo fr a p i dd e v e l o p m e n t n e w r e q u i r e m e n t sa r ep u tf o r w a r d t om o n i t o r i n gs y s t e mt e c h n o l o g ya n dg a t h e r i n gc o m b i n e ds t a t i o n b yl a r g e s c a l eo i lf i e l dc o n s t r u c t i o n n er e s e a r c ho fc o i i 】【b i n e ds t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mr e l i e so nw u x i n g z h u a n gc o m b i n e d s t a t i o nm o i l i t o r i n gt e c h n o l o g ya n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c to fd i n g b i a no i lp r o d u c t i o np l a n t i n m c b l 狃go i l f i e l dl i m i t e dc o m p a n y t h i sp a p e ra n a l y z e st e c h n o l o g i c a l p r o c e s sa n d e q u i p m e 鹏c h a r a c t e r i s t i co fw u x i n g z h u a n gc o m b i n e ds t a t i o n ，p u t sf o r w a r dt h em o n i t o m g c o n t e n t s 孤dr e q u i r e m e n t so fc o m b i n e d s t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，d i s c u s s e st h ed e s i g n p r i n c i p l e s ，d e s i g ns t e p s ，d u a lr e d u n d a n tt h e r m a lb a c k u pt e c h n o l o g ya n d f i e l db u st e c h n o l o g y o ft h em o n i t o r i n gs y s t e m f o c u so nt h ea n a l y s i so ft h el i q u i dl e v e lm o n i t o r i n gs y s t e mo f p u r i f i c a t i o no i l c a i l ，u s i n gs e l f - t u n i n gp i dc o n t r o la l g o r i t h mo ff u z z yv a r i a b l ep a r a m e t e r s t o d e s i g np u r i f i c a t i o no i l c a n sl i q u i dl e v e lf u z z yv a r i a b l ep a r a m e t e r sp i d c o n t r o l l e r , r e a l i z i n gt h e o p t i m a lc o n 仃o lo fp u r i f i c a t i o no i l c a nl i q u i dl e v e l o nt h eg e n e r a ls t r u c t u r e ，p l c ，s 7 - 3 0 0 p l c a n dp r o f i b u sc o n s t i t u t ec o m b i n e ds t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mo fi p c + p l c + p r o f i b u s i n m eh a r d w a r e ，t h ei n s m 】m e n t a t i o n s ，p l ca n d p r o f i b u sa r eu s e dt oc o m p l e t et h ed a t ac o l l e c t i o n , p r o c e s s i n ga n dc o n t r o lo ft h ec o m b i n e ds t a t i o n i nt h es o f t w a r e ，k i n g v i e w i su s e da st h e d e v e l o p i n gs t a g et ot h ed e s i g na n dd e v e l o p u p p e rs u p e r v i s i o na n dm a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，t o a c l l i e v er e d u n d a n c y ，t h e r m a lb a c k u p ，m o n i t o r i n gd a t ad i s p l a y , a l a r m ，r e p o r tp r i n t i n g ，d a t a b a s e q u e r ya l l do t h e rf u n c t i o n s ，s t e p 7 v 5 3i su s e dt od e v e l o pr e a l - t i m ec o n t r o lp r o c e d u r e so f c o m b i n e ds t a t i o n t h es v s t e mi sa l r e a d yr u ni nw u x i n g z h u a n gc o m b i n e ds t a t i o n ，w h i c hh a sh i g hr e l i a b i l i t y , s t a k l i t 、ra n df i i e n d l ym a l l m a c h i n ei n t e r f a c e ，r e a l i z i n g t h ew h o l ep r o c e s s i n gc o n t r o lo f c o m b i n e ds t a t i o n s ，g e t t i n gg o o di m p l i c a t i o ne f f e c ta n ds e t t i n gag o o de x a m p l ei n s h a n b e io i l f i e l d k e yw o r d s ：c o m b i n e d s t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m l i q u i dl e v e lc o n t r o l d u a lr e d u n d a n c y f i e l db u s t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：盘堡日期：21 12 ：! z 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：日期：垫2 = 互：1 7 导师签名：二勰 日期： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 第一章绪论 石油作为不可再生资源，对国民经济的发展具有举足轻重的作用。随着我国石油勘 探开发的重点西移，作为主战场的陕北油气田已进入快速发展期，大规模的油田地面建 设对集输联合站与监控系统技术提出新的需求。 油田联合站是集原油计量、油水分离、污水处理、原油及天燃气集输等多个工艺流 程为一体综合性生产过程，主要包括输油脱水、污水处理、注水以及天燃气集输等工艺 环节。油田联合站分离过程是进行油、气、水三相分离重要生产过程，是油田集输的中 心环节，它的自动化水平直接关乎到成品油质量。油田联合站作为原油开采出来后最初 的一个重要的处理环节，提升这个处理环节的自动化水平显得尤为重要。因此，研究联 合站监控系统技术，从而提高联合站的自动化水平是非常有意义的【l 】- 【引。 1 2 题目的来源 本课题来源于延长油田股份有限公司定边采油厂五星庄联合站监控技术与系统科研 项目，在已有的国内外技术基础上，针对五星庄联合站，研制和开发出自动化水平高而 且安全可靠的新型联合站计算机监控系统，提高了联合站控制自动化和生产管理水平， 消除了生产事故隐患，确保了油田集输系统的平稳、安全、高效运行。 1 3 联合站监控系统的发展历程与应用现状 1 3 1 国外的发展历程和应用现状 1 9 5 4 年1 0 月，美国海湾石油公司建成世界上第一套自动监控输送系统( l e d g e a u t o m a t i cc o n t r o lt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，简称l a c t ) 装置，解决了原油的自动收集、处 理、计量和输送问题。 从2 0 世纪6 0 年代末期以后，随着常规模拟仪表被大量用于联合站中，联合站监控 系统进入了简单常规仪表控制时期。利用常规模拟仪表组成的控制系统，虽然具有成本 低等优点，但是随着生产规模的日益大型化，复杂化，它的局限性越来越明显，主要表 现在：不易实现复杂控制规律等方面。 为了克服模拟控制仪表的上述缺点，进入2 0 世纪9 0 年代，集散控制系统( d c s ) 开始应用于联合站中代替常规仪表。这其中，最具有代表意义的是h o n e y w e l l 公 司的t d c 3 0 0 0 、f i s h e r r o s e m o u n t 公司的p r o v o x 系统等数十个厂商的d c s 都 在油田联合站中有所应用。计算机监控系统利用软件自动地监测、控制生产系统的 西安石油大学硕士学位论文 操作，当工况改变时，只需对软件参数进行适当调整，同时还可用来执行数据计算、 分析与存储，比常规监控系统具有更高的适应性和灵活性。用计算机管理生产过程， 被视为“是石油及天然气生产中采用旋转钻井以来最了不起的事件”。 同时，随着通信技术的发展，s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 即监控与数据采集系统越来越多地应用于油田生产控制与管理中。s c a d a 系统与在 油气开采中的处理设备上的检测仪表和控制设备直接相连接，这样连接能够实时和不 断地获取检测仪表所检测到的运行信息。s c a d a 系统主要是面向操作人员的需要而 设计的，它可以提供操作、计算、管理和经营等功能。国外有些油田s c a d a 系统实 现了注气、注水的优化控制运行。s c a d a 能够把远程独立的单个油田作业变成一个 具有许多紧密相关功能的综合加工过程，s c a d a 己具有为相互联系的处理作业提供 定时获得操作信息的能力。 2 1 世纪以来，现场总线技术( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 逐渐成熟起来， 在短短的十年左右的时间里，现场总线在各个行业( 如：冶金、石化、电力等) 的 自动控制领域内已经取得了很大的成果，这也是就充分的说明了f c s 系统比集散型 控制系统( d i s t r i b u t i o nc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 更加优越。实际上，f c s 是d c s 与p l c 的总和，它涵盖了d c s 与p l c 的所有功能。但是作为具有优越性的f c s 系统，它的 核心部分开放的现场总线通讯协议部分还有待完善，因为它的种类没有统一起 来，在实际应用中具有一定的局限性。另外在某些场合中，f c s 还无法提供d c s 己 有的控制功能；加上软硬件水平的限制，其功能模块的性能还不是很强，品种也不 够齐全，因此在油田生产领域中，现场总线的应用技术还有待提高【l 】【引。 1 3 2 国内的发展历程和应用现状 2 0 世纪8 0 年代初期，我国的联合站监控系统最先采用的是d d z i i 型仪表，在实际 应用中取得了一定的经济效益。但这些由常规仪表组成的控制系统具有一些局限性，与 国外存在着5 1 0 年的差距，急需进一步改进。 2 0 世纪9 0 年代初期，随着计算机的普及，石油工业中大量引进了计算机控制系统， 使油田生产过程的自动监控和管理水平显著提高，这一特点在西部塔里木、吐哈、准噶 尔三大盆地油田的开发建设中业已凸显。 1 9 9 5 年5 月，西部新建的鄯善油田采用美国a c t i o n 公司c i m - p a c 9 0 0 0s c a d a 系统， 使3 0 8 1 2 1 油水井、1 9 座计配站全部实现了自动化。之后，东河塘、彩南、温吉桑、轮库输 油管线的建设，使我国油气田自动化实现了由单井、单个装置、单站自动化向全油田、 全线自动化的转变。 2 1 世纪以来，集散控制系统( d c s ) 技术发展迅速。集散控制系统吸收了模拟仪 表和计算机控制的优点，将参数显示操作部分高度集中，使系统不仅具备极高的可靠 2 第一章绪论 性，而且能够完成复杂的控制运算。近年来，油田集输监控系统已陆续使用了一些 国外厂家生产的d c s 系统，但大多数用户仅将它用作p i d 控制，还没有进一步结合生 产实际j 对生产关键部位，也没有采用d c s 系统中先进的控制方法，这样使得d c s 系统的优越性没有充分发挥。因此，如何应用先进的控制方法去解决集输系统在控 制上面临的问题，成为当今用好d c s 系统的关键。 综上所述，联合站监控系统技术还存在着很多不足，为了使联合站安全、平稳、 高效的生产，在现有的基础上，对联合站监控系统技术进行更深层次的研究和探讨 是很有必要的【1 - 【bj 。 1 4 论文的主要内容及结构 本课题以五星庄联合站为对象，进行联合站监控系统技术研究，结合五星庄联合站 工艺流程和设备组成，根据实际要求，提出了联合站的监控内容和控制要求。讨论了监 控系统的设计原则和设计步骤，并针对五星庄联合站岗位较多，仪表点位分散的特点， 设计了五星庄联合站监控系统的总体结构。硬件系统设计采用i p c 工控机、s 7 3 0 0 p l c 和p r o f i b u s 总线，p l c 完成联合站现场数据的采集和处理，通过p r o f i b u s 总线实现了数 据的传输和信息的集成。软件设计以工业组态软件k i n g v i e w 6 5 3 开发平台，设计开发了 上位监控和人机界面接口，实现双机系统的冗余与热备份及监控数据显示、报警、报表 打印、数据库查询等功能，采用s t e p 7 v 5 3 软件开发了联合站实时控制程序。 第一章为论文的绪论。首先阐述了本课题的背景、研究意义和来源，然后介绍了国 内外联合站监控系统的发展历程与应用现状，最后提出了本课题的主要内容。 第二章是首先介绍了五星庄联合站生产工艺流程，然后着重分析了原油集输和污水 工艺流程。最后在此基础上，提出了联合站监控系统的监控内容和控制要求，为监控系 统的设计与实现提供了现实依据。 第三章是联合站监控系统的结构设计与硬件实现。依据联合站监控系统的设计步骤 和过程，设计出双机热备联合站监控系统的总体和硬件实现方案，系统以上位计算机为 人机交互界面，以p l c 作为控制器，采用现场总线作为上位机和下位机通讯方式。 第四章是针对净化油罐液位控制策略分析与研究。本章首先对联合站内3 个净化油 罐的控制内容进行了分析，提出了模糊变参数自整定p i d 的控制策略。然后介绍了p i d 控制、p i d 各参数的意义以及参数整定原则，同时详细介绍了模糊控制的原理和组成。 最后重点介绍了液位模糊变参数自整定p i d 控制器的结构和原理、输入量的模糊化、模 糊控制规则的确定和模糊推理以及去模糊化。 第五章是联合站监控系统软件设计。首先介绍组态王监控软件的组成和其建立应用 步骤，然后介绍了监控系统软件的结构组成，同时以此为基础分别对联合站监控系统人 机界面和p l c 程序实现作了简要说明：以组态王为软件开发平台设计出人机界面，对人 西安石油大学硕士学位论文 机交互画面之间的关联结构和各画面的功能进行了详细的分析和介绍；以s t e p 7 v 5 3 p l c 编程软件为平台，采用模块化编程的方法实现联合站控制程序设计。 第六章，分别从软、硬件的实验室初步调试和软硬件现场联动调试两个步骤介绍了 系统调试的过程。 第七章是结论。对五星庄联合站监控系统项目和论文进行了总结，并提出了系统的 不足和改进建议。 4 第二章五星庄联合站工艺流程及监控要求 2 1 概述 第二章五星庄联合站工艺流程及监控要求 延长油田股份公司定边采油厂五星庄联合站地处陕西定边县南部山区，地理位置偏 僻，周边环境比较恶劣。五星庄联合站是多个采油区块的集输中心站，集卸油、计量、 分离、脱水、装车、原油破乳沉降、原油储存、污水处理为一体，是一个生产过程复杂 和高危险的系统。下面就对五星庄联合站工艺过程加以介绍。 2 2 五星庄联合站的工艺流程 五星庄联合站的功能是对单井来油和汽车拉油进行油、气、水三相分离的处理， 并对从原油中脱出的污水进行处理，处理完成后把清水再注入地层当中，以便保持 地层的压力。站内的工艺流程分为原油集输和污水处理二大部分。 1 原油集输 原油集输过程中的设备一般由翻斗计量分离器、管道、阀门、三相分离器、换 热器、沉降罐、净化油罐等组成。从各个单井或是汽车输送过来的油( 液) 首先进 入联合站的油气水三相分离器，在这里实现气体和液体的分离，油( 液) 从分离器 一端进入，然后天然气从另一端上部流出进入除油器进行天然气外输，而油水混合 的液体从下部流出进入换热器；从换热器出来的油水混合液体输入沉降罐，沉降罐 分离出大部分的原油，而将水输到污水区，进行污水处理。经过沉降罐的二次油水 分离后，原油已经几乎不含水了。在这之后基本上不含水的原油进入净化油罐，等 待外输。进入净化油罐的原油，由装车泵加温加压后，由汽车外运。 五星庄联合站原油集输工艺流程示意图如图2 - l 所示。 图2 - 1 五星庄联合站原油集输工艺流程示意图 2 污水处理 油田污水主要指含油污水，油田污水经处理后回注地层，此时要对水中的悬浮 固体、分散油及浮油、胶体和乳化油的含量等多项指标进行严格监控，防止其对地 西安石油大学硕士学位论文 层产生破坏。联合站通常采用把物理除油、混凝除油和过滤这3 种方法，分别除去 悬浮固体、乳化油和胶体、分散油及浮油。在我国一些干旱地区，水资源严重缺乏， 把经过污水处理后的水重新注入地层，这样就能够合理有效利用净化水，对水资源 紧缺干旱地区具有很好的缓解作用。 五星庄联合站污水处理工艺流程示意图如图2 2 所示。 图2 2 五星庄联合站污水工艺处理流程示意图 2 3 五星庄联合站监控系统的监控内容 通过对联合站工艺流程的分析，联合站生产工艺流程分为原油集输、污水处理二大 部分。联合站对这二大部分的控制要求为【1 6 1 1 7 】： 1 原油集输 ( 1 ) 装车总管含水率检测；由于在汽车外运的原油中都含有一定的水分。在外运 之前，必须对其含水率进行检测，这样就便于分析经过联合站处理后的原油油品质量。 如果含水超过规定值，说明这批原油含水率过多，还需进行再处理。 ， ( 2 ) 翻斗计量分离器液位检测、控制；为了进行翻斗计量，控制进入三相分离器 的原油量，必须对其液位进行检测控制。 ( 3 ) 三相分离器气相出口压力检测；从三相分离器上部放出天燃气要进入燃气管 道进行外输，为了避免压力过大对管道造成伤害，必须对气相出口压力进行监视。 ( 4 ) 换热器原油出口温度检测；利用换热器对三相分离器来油进行加热，掌握了 换热器的加热温度，就能避免原油凝结在管线中，造成大面积停产的情况。 ( 5 ) 三个净化油罐的液位检测、控制；三个净化油罐里面分别存放的是从沉降罐 里过来的已经净化好的原油，以便经过装车泵加温加压后外输。为了合理利用净化油罐 体积和控制装车泵速率，必须对净化油罐液位进行检测控制。 ( 6 ) 卸、装车流量瞬时检测，控制室中显示累计流量；防止汽车卸油或拉油过程 中流量过大而发生溢出，用于联合站进液或出液计量。 ( 7 ) 原油罐区、三相分离器操作间、三相分离器区、换热器区、零位罐区、卸车 泵房可燃气体浓度检测：对于联合站来说，可燃气体浓度是一个非常重要状态参数，因 为它关乎到联合站生产的安全。一旦可燃气体浓度超过规定上限位，只要在这个区域内 有一点点火源，就会发生爆炸或引起火灾。因此，从生产安全性角度考虑，必须对可燃 6 第二章五星庄联合站工艺流程及监控要求 气体浓度进行检测。 2 污水处理 ( 1 ) 清水罐液位检测；清水罐中存放着可以稀释含油污水的清水，它进入储油罐 的质量决定着对含油污水稀释的程度，所以必须对其液位进行检测。 ( 2 ) 储油罐液位检测；储油罐中存放着要处理含油污水，为了对含油污水的处理 取得较好效果，必须严格控制储油罐中含油污水的质量，所以必须对其液位进行检测。 ( 3 ) 斜板沉降罐液位检测；由于斜板沉降罐采用的是物理除油方法，它的分离效 率与液位的高度成反比，所以必须对其液位进行检测。 ( 4 ) 缓冲罐液位检测；由于在污水处理过程中给缓冲罐添加了凝聚剂和絮聚剂， 也就是说在缓冲罐中存在有化学反应。这个化学反应要得以顺利进行，就必须对缓冲罐 液位进行检测。 ( 5 ) 注水罐液位检测；注水罐中存放着要注回地层清水质量，所以必须其液位进 行检测。 综上所述，为了有效控制污水处理的质量，必须严格控制污水处理工艺过程中各个 容器的液位。 通过上述对监控内容分析，可以得到五星庄联合站1 0 统计表如表2 1 所示。 表2 - 1 五星庄1 0 点数统计表 序号设备名称数量工艺参数 监控内容 朋a 0d id 0 l净化油罐3液位 显示控制报警 3 3 2 清水罐l 液位显示报警1 3注水罐2液位显示报警 2 4 缓冲罐l 液位显示报警l 5 除油罐l液位显示报警 l 6沉降罐 l 液位显示报警 l 7 污水池 2 液位显示报警2 8 翻斗计量分离器 l液位显示报警1 9 软水箱 l 液位 显示报警 l 1 0 三相分离器 2 气相出口压力 显示报警2 l l换热器 l 原油出口温度 显示报警1 1 2 装、卸车 2 流量 显示报警 2 1 3 装车总管 l 含水浓度 显示报警l 油罐区、三相分离器 1 4 操作问，装车泵房、 6可燃气体浓度显示报警l l 换热器区三相分离器 区、零位罐区 计萤升天、报警确 1 5 认按钮 2 2 泉i l 、撤警刘、报 翻斗计量分离器超限启停泵工艺参数报警3 1 6 警器 3 合计3 0323 7 西安石油大学硕士学位论文 通过上表可以看到，系统中需要监控i o 点数总和为3 8 个，其中a i 点数为3 0 个， a o 点数为3 个，d i 点数为2 个，d o 点数3 个。 2 4 五星庄联合站监控系统的控制内容 根据对五星庄联合站的工艺控制流程图以及监控内容的分析，可以得出五星庄联合 站监控系统的控制内容为： 三个净化油罐液位控制，使其维持在最优值( 设定值可变) 。五星庄联合站中最重要 的是净化油罐液位的控制，也是论文的一个重点内容。 净化油罐的液位系统控制内容分析：虽然净化油罐中需要控制的变量只有液位，但 是影响其液位的扰动变量有压力、进油量、出油量。液位和这些变量之间相互制约：液 位、压力都受进油量的影响，进油量大则液位升高，压力增大，液位和压力两者之间又 相互影响；出油量也与液位和压力相互影响，出油量大，则液位降低，压力减小。液位 的最优控制是保证原油安全生产的决定性因素。如果液位的高度控制的不合理：控制值 高于最优值，液位容易溢出，导致生产不安全。若液位的高度控制低于最优值时，又导 致不能够合理的利用净化油罐的体积。所以，必须以最优方式的控制液位。在液位经过 控制达到最优值以后，还必须在各种干扰的情况下，将液位稳定控制在工艺允许的误差 范围内。 2 5 本章小结 本章首先介绍了五星庄联合站工艺流程，主要分析了原油集输和污水工艺流程。在 此基础上，提出了联合站监控系统的监控内容和控制内容，为监控系统的设计与实现提 供了现实依据。 第三章五星庄联合站监控系统方案设计与硬件实现 第三章五星庄联合站监控系统方案设计与硬件实现 基于前面章节对五星庄联合站监控系统的监控内容和控制内容的分析，根据联合站 监控系统设计步骤和原则，着重讨论五星庄联合站监控系统的总体方案设计和硬件实现。 系统以现场检测仪表为现场信号采集设备，p l c 为控制器，以上位监控计算机为人机交 互界面，通过现场总线将上位监控计算机和p l c 连接起来构成油田联合站计算机监控网 络。 3 1 联合站监控系统介绍 3 1 1 监控系统组成原理 一般来说，监控系统由硬件系统和软件系统组成，监控系统的组成原理如图3 - 1 所 示。硬件主要由监控计算机，输入、输出装置，检测变送装置和执行机构三大部分组成。 软件主要分为系统软件、组态软件数据库和应用软件三大部分。 监控计算机f o 接口检测执行 应用软件 l 输入 i l 检测变送 l 被 组态软件数据库 监 控 操作系统 对 一 i 输出 i i 功放变送 i 象 硬件 r 图3 - 1 监控系统组成原理图 监控系统中的第一部分是对监控对象的检测，它包括对输入信号的检测变送和对输 出信号的功放变送。检测变送器是监控系统中要求最高的环节，是监控系统设计中的难 点。检测变送器种类繁多，要根据被测参数性质的不同来进行相应的选择。 监控系统的第二个部分是信号的i o 接口。它完成检测变送器输出电量再次进行电 量到电量的变换或放大功能。它的任务是把被控对象的模拟量信号( 如温度、压力、液 位、流量等) 转换成计算机可以接收到的数字量信号。模拟量输入通道一般有多路模拟 开关、前置放大器、采样保持器、模数转换器、接口和控制电路等组成。其核心是模 数转换器，简称a d 或a d c ( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ) ，通常也把模拟量输入通道 简称为j 佃通道。 监控系统的第三个部分是在计算机中处理被监控对象的数据。可以利用应用软件分 析数据，绘制与数据相应的图表，从而更直观地获得数据分析结果。也可以利用组态软 件的人机界面进行监控，及时判断系统中监控对象数据是否正确9 。 9 西安石油大学硕士学位论文 3 1 2 联合站监控系统设计原则 根据监控系统的一般设计原则，并结合联合站自身的特点，本课题中按下列原则对 联合站监控系统进行了总体设计： 1 可靠性原则 为了确保联合站监控系统的高可靠性，可以采取以下措施： ( 1 ) 采用高质量的元部件。一般来说，p l ci 0 模块的可靠性比p c 总线i 0 板卡的可 靠性高，如果成本和空间允许，应尽可能采用p l ci 0 模块。 ( 2 ) 采取各种抗干扰措施。采取各种抗干抚措施，包括滤波、屏蔽、隔离和避免模 拟信号的长线传输等。 ( 3 ) 采用冗余热备份技术工作方式。可以采用多种冗余方式，例如，冷备份和热备 份。其中，冷备份方式是指一台设备处于工作状态，而另一台设备处于待机状态。一旦 发生故障，专用的切换装置就会将原来工作的设备切除，并将备份的设备投入运行。 2 使用方便原则 一个好的联合站监控系统应该人机界面友好，方便操作、运行，易于维护。设计时 真正做到以人为本，尽可能地为使用者考虑。 3 开放性原则 开放性是联合站监控系统的一个非常重要的特性，监控系统在结构上具有一定的柔 性。 4 经济性原则 在满足联合站监控系统的性能指标( 如可靠性、实时性、精度、开放性) 的前提下， 尽可能地降低成本，保证性能价格比最高，以保证为用户带来更大的经济效益【1 9 】。 3 1 3 联合站监控系统的设计步骤 任何一个检测与控制系统的设计与开发基本上是由六个阶段组成的，即可行性研究、 初步设计、详细设计、系统实旌、系统测试( 调试) 和系统运行。当然，这六个阶段的 发展并不是完全按照直线顺序进行的。在任何一个阶段出现了新问题后，都可能要返回 到前面的阶段进行修改。所以对于联合站监控系统来说，也是由这六个阶段组成。 1 联合站监控系统设计的可行性研究阶段：开发者要根据联合站内被控对象的具体 情况，按照企业的经济能力，未来系统楚行后可能产生的经济效益，企业的管理要求， 人员的素质，系统运行的成本等多种要素进行分析。可行性分析的结果最终是要确定： 使用计算机监控技术能否给企业带来一定经济效益和社会效益。 2 联合站监控系统总体设计阶段：联合站监控系统的总体设计是进入实质性设计阶 段的第一步，也是最重要和最为关键的一步。总体方案的好坏会直接影响整个监控系统 的成本、性能、设计和开发周期等。在这个阶段，首先要进行比较深入的工艺调研，对 1 0 第三章五星庄联合站监控系统方案设计与硬件实现 联合站内被控对象的工艺流程有一个基本的了解，包括要监控的工艺参数的大致数目和 监控要求、监控的地理范围的大小、操作的基本要求等。然后初步确定未来监控系统要 完成的任务，写出设计任务说明书，提出系统的控制方案，画出系统组成的原理框图， 以作为进一步设计的基本依据。 3 联合站监控系统详细设计阶段：首先要进行详尽的工艺调研，然后选择相应的传 感器、变送器、执圈行器、i o 通道装置以及进行计算机系统的硬件和软件的设计。， 硬件的设计包括电气原理图的绘制、元器件的选择、控制柜的制作；软件的设计则包括 工艺流程图的绘制、程序流程图的绘制等。 4 联合站监控系统实施阶段：要完成各个元器件的制作、购买、安装，进行软件的 安装和组态以及各个子系统之间的连接等工作。 5 联合站监控系统的调试( 测试) 阶段：主要是检查各个元部件安装是否正确，并 对其特性进行检查或测试。调试包括硬件调试和软件调试。从时间上来说，系统的调试 又分为离线调试、在线调试，以及开环调试、闭环调试。 6 联合站监控系统运行阶段：此阶段占据了系统生命周期的大部分时间，系统的价 值也是在这一阶段中得到体现的。在这一阶段应该由高素质的使用人员严格按照章程进 行操作，以尽可能地减少故障的发生【1 9 】。 3 2 联合站监控中的现场总线技术 3 2 1 现场总线选用准则 现场总线类型众多，使用场合各有千秋，在面对一个实际工程应用，希望采用现场 总线技术构成一个现场总线控制系统时，选用现场总线的主要准则如下。 1 功能的需要：根据所需的功能选用现场总线。例如，对于位级的离散信号传输， 可选用执行器传感器现场总线。 2 为了减少备件，应选用与原有现场总线相同类型的现场总线。 3 现场设备是否分散：这是选用现场总线技术主要考虑的问题。现场总线技术适合 于分散的、具有通信接口的现场受控设备的系统。现场总线技术的优势是节省大量现场 布线成本，使系统故障易于诊断与维护。因此，对单机控制系统，现场总线技术没有明 显优势。 4 底层设备是否有信息集成要求：现场总线技术适合对数据集成有较高要求的系统。 例如，需建立车间监控系统、建立全厂c i m s 系统。在底层使用现场总线技术，可将大 量丰富的设备及生产数据集成到管理层，为实现全厂信息系统提供重要底层数据。 5 设备的类型和可应用的通信协议：选用现场总线时应考虑所使用的设备和可用通 信协议。设备类型众多，需传输的信号类型也不同，可用的通信协议也不同，因此，应 西安石油大学硕士学位论文 根据所用设备、传输信号的类型和可用通信协议等考虑选用合适的现场总线。 6 所需传输的距离：当传输距离长时，应考虑采用能够用光缆传输的现场总线，传 输距离较近时，可选用同轴电缆或双绞线。 7 实时性：实时性指现场设备之间，系统在最坏情况下完成一次数据交换所能保证 的最小时间，即现场设备通信数据的更新速度。 8 工作场所的考虑：是否需要本质安全功能，如果需要就需选用具有本安功能的现 场总线等。 。 9 网络拓扑结构：不同的网络拓扑，获得的系统性能不同。 1 0 网段上挂接的设备数：最大挂接的设备数与现场总线的类型有关。 l1 诊断和组态工具：是否需要组态和诊断的工具，所选现场总线是否能够提供诊 断和组态的工具等。 1 2 测试组织的支持：一致性、适应性和互操作性的测试。 1 3 经济性：现场总线选用应重点考虑总投资成本和维护费用【2 1 】【2 2 】。 3 2 2p r o f i b u s d p 现场总线 p r o f i b u s 是联邦德国于九十年代初制定的国家工业现场总线协议标准。 p r o f i b u s 提供一个从传感器直至管理层的透明网络，正因为如此p r o f i b u s 可以在许 多方面从汽车工业、机器制造业、食品工业、运输业直到环保工程等，获得应用。 近年来，p r o f i b u s 在众多的现场总线中占扩首位，并以其约占4 0 的市场份额居欧洲 之冠。作为开放式通信系统工业标准，p r o f i b u s 现场总线公布了网终各层协议的所有 规范。按照这些规范设计设备网络接口，不同的设备可以实现网络互联。这给控制设备 的生产厂家、系统设计安装调试单位印用户带来了极大的方便。用户可根据需要选择不 同的设备，构成相应的系统，以减少设备的冗余度，降低成本，也为以后系统的扩充提 供了方便。p r o f i b u s 为多主多从结构，可方便地构成集中式、集散式和分布式控制系 统。网络协议以i s o o s i 参考模型为基础，对第三层到第六层进行了简化。下面对 p r o f i b u s d p 现场总线的性能进行分析。 1 传输技术 双绞线、双线电缆或光缆；波特率范围：9 6 k b p s 1 2 m b p s 。 2 总线存取 各主站间令牌传送程序，主站与从站间为主一从传送程序；支持单主站或多主站系 统；在一条总线上最多站点( 主、从设备) 数为1 2 6 。 3 过程现场总线的现场设备类型 第一类分散外围设备d p 主站( d p m i ) 指中央控制器。例如，可编程序控制器p l c 、 数字控制设备c n c 、机器人控制器r c 等。它在预定周期内和从站交换信息；第二类分 第三章五星庄联合站监控系统方案设计与硬件实现 散外围设备d p 主设备( d p m 2 ) 指操作站、编程器、组态设备或操作面板。d p 系统组 态操作时用它对系统进行编程、组态或诊断。d p m 2 不必永久地连接在总线系统中。d p m 2 也有主动的总线存取权；分散外围设备d p 从站指传感器、执行器之类的数据输入输出 设备或二进制数字设备。它们是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备，例如模拟 量输入、输出设备、状态量输人设备、计数器、驱动器、h m i 、阀门等。 4 通信 点对点( 用户数据传送) 或广播( 控制指令) ；主一从用户间数据的循环传输。 5 同步和锁定模式 控制指令能使输入和输出同步；同步模式( s y n cm o d e ) ：输出同步；锁定模式( f r e e z e m o d e ) ：输入同步2 3 1 1 2 4 。 根据上述现场总线选用原则和p r o f i b u s d p 现场总线性能，本设计采用 p r o f i b u s d p 现场总线。 3 2 3p r o f i b u s d p 现场总线的系统配置 p r o f i b u 汕p 允许构成单主站或多主站系统。这为系统配置提供高度的灵活性。 系统配置的描述包括：站数、站地址和输入输出地址的分配、输入输出数据格式，诊 断信息的格式及所使用的总线参数。输入输出的信息量取决于设备形式，目前允许输入 输出信息不超过2 4 6 字节。 1 单主站系统：在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。可编程序控制器为中 央控制单元，分散的d p 从站通过总线连接到可编程序控制器上。单主站系统可实现最 短总线循环时间，它可由一个d p m i 主站( 或1 个d p m 2 主站) 和1 1 2 5 个d p 从站组 成。在五星庄联合站监控系统中采用，采用单主站系统方式。 2 多主站系统：总线上连有多个主站。这些主站与各自从站构成相互哿立的子系统， 也可以是附加的组态或诊断设备。每个子系统有一个d p m i 、指定的若干从站及可能的 d p m 2 设备。任何一个主站均可读取d p 从站的输入输出映像，但只有一个d p 主站( 在 系统组态时设置的d p m i ) 允许对d p 从站写入输出数据。多主站系统总线循环时间要比 单主站系统长。 3 3 联合站监控中的双机冗余技术 随着计算机、通信技术和自动控制技术的不断发展，现代工业对数据采集与监控 ( s c a d a ) 系统的控制越来越高度集中，同时，人们对监控系统的安全性和容错性也提 出了越来越高的要求：希望能对监控系统中各个设备的工作状况进行不间断的监控。这 就需要在监控层设置两个或多个人机监控站，对监控层进行双重或者多重冗余从而来保 西安石油大学硕士学位论文 证监控系统的安全性、稳定性和不间断性。监控系统的冗余包括控制层的控制设备冗余、 监控层的冗余、控制网络冗余和管理网络冗余等多种冗余模式。在实际应用中，监控层 的人机监控站冗余( t g 称双机冗余技术) 是应用较广的一种解决方案。所以决定对联合 站监控系统采用双机冗余技术【37 1 。 3 3 1 双机冗余监控系统网络拓扑图 在联合站监控系统中，双机冗余是指监控层的人机监控站冗余，即一台人机监控站 作为主站点，另一台作为从站点。一般来说，由于联合站控制规模的较小，可以配置两 台的人机监控站来保证操作人员监控、操作的需要。联合站双机冗余监控系统配置如图 3 2 所示。 联合站监控系统现场过程级控制单元和一般监控系统一样，也是由现场i o 设备和 它们对