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西安石油大学本科课程设计西安石油大学课 程 设 计电子工程学院 自动化专业 自0801班题 目 计算机控制技术课程设计 联合站安全监控系统硬件设计一（采用板卡方案） 学 生 任 峰 指导老师 徐 竟 天 二一一年十二月课程设计任务书题 目联合站安全监控系统硬件 设计一（采用板卡方案）学生姓名任峰学号200805080703专业班级自0801设计内容与要求课程设计主要完成某联合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、现场总线等的知识，完成安全监控系统硬件方案、设备选型、总体设计等各功能的设计。要求熟悉相关计算机安全监控系统的硬件组成与设计方案，学会计算机监控系统硬件设计的步骤和方法，具有初步设计小型计算机安全监控系统硬件方案的能力。课程设计内容及基本要求如下：1.熟悉联合站工艺流程、监控目标及监控要求。2.学会常用的监控系统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等的选型，能用所选厂家硬件搭建符合工艺流程和监控目标的硬件系统。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2011年12月19日 至 2011年12月25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11.1.联合站概述11.2 联合站生产工艺过程控制方法21.3 计算机监控系统介绍2二、原油联合站及其工艺流程简介52.1 原油联合站的简介52.2 联合站的工艺流程与主要技术指标6三、原油联合站硬件设计73.1.初步分析73.2.系统I/O点数统计73.3 系统监控仪表选型93.4.系统监控方案设计11四、.总结13参考文献13西安石油大学本科课程设计一、 绪 论1.1.联合站概述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。联合站是油田油气集输过程中的重要生产环节，是集油气分离、原油脱水、原油计量、稳定外输、油田注水、污水处理、消防即热力系统等为一体的综合生产过程。功能是：将分散在油田各处的油井产物加以收集；分离成原油、伴生天然气和采出水；进行必要的净化、加工处理、使之成为油田商品、以及这些商品的储存和外输。同时油气集输系统还为油藏工程提供油藏动态的基础信息，如：各油井汽水产量、汽油比、气液比、井油压和回压、井流温度等参数及随生产延续各种参数的变化情况等，使油藏工作者能加深对油藏的认识，适时调整油田开发设计和各油井的生产制度。因而气油集输系统不但将油井生产的原料集中、加工成油田产品，而且还为不断加深对油藏的认识、适时调整油藏开发设计方案、正确经济地开发油藏提供科学依据。联合站输油脱水岗是进行原油沉降脱水、实现油水分离和净化油外输的生产过程，是联合站生产的中心环节，工艺要求较高，其生产过程的管理水平，直接关系到成品原油的产品质量和整个联合站生产的安全和高效平稳运行。特别是随着油田开发进入高含水后期，工艺过程更加复杂，对工艺过程提出了更高的要求，采用人工监测控制和常规仪表控制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，并取得了一定的应用效果。但由于在方案选型、设计和管理维护等方面存在一些问题，总的来讲，应用效果不够理想。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。1.2 联合站生产工艺过程控制方法 目前，油田联合站生产工艺过程的控制主要有人工检测控制，常规仪表自动检测控制，计算机检测控制等三种方法。 人工检测控制是由岗位操作人员根据检测仪表反映的工艺参数变化情况，凭经验对生产过程进行人工控制，其工作效率和安全系数都很低，已不能满足较高的工业过程控制要求。 常规仪表控制采用各种检测和控制仪表实现对现场各种工艺参数的采集处理，显示，报警和调节控制，保证生产过程的高效，安全和平稳运行。这种控制方式已在联合站生产中得到广泛的应用。 计算机检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合分析，实现协调管理和优化控制。 综上所述，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中面临的重要课题。1.3 计算机监控系统介绍 目前的计算机监控技术是一门综合性技术，他是计算机技术、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数（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的原理图。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。 图1-1 计算机测控系统组成原理图1.3.1 计算机监控系统的组成 计算机（含可视化的人工界面）、输入输出装置（模块），监测、变送机构。设计原理有可靠性原则、使用方便原则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。1.3.2计算机监控系统的主要特点 实时性。对工业生产过程进行实时在线监测与测控，按优先级进行采集和输出调节，保证被控系统的正常运行。 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。 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。 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。二、原油联合站及其工艺流程简介2.1 原油联合站的简介联合站设计是油气集输工艺设计的重要组成部分，为了使其最大限度地满足油田开发和油气开采的要求，设计时应该做到技术先进，经济合理，生产安全可靠，保证为国家生产符合质量要求的合格油田产品。联合站，即集中处理站，是油田地面集输系统中重要组成部分。就油田的生产全局来说，油气集输是继油藏勘探、油田开发、采油工程之后的很重要的生产阶段。如果说油藏勘探是寻找原油，油田开发和采油工程是提供原料，那么油气集输则是把分散的原料集中处理，使之成为油田产品的过程。联合站一般建在集输系统压力允许的范围内，为了不影响开发井网以及油田中后期加密井网的布置与调整，应尽量建在油田构造的边部。联合站将来自井口的原油、伴生天然气和其他产品进行集中、运输和必要的处理、初加工，将合格的原油送往长距离输油管线首站外输，或者送往矿场油库经其他运输方式送到炼油厂或转运码头，合格的天然气则集中到输气管线首站。联合站一般包括如下的生产功能：油气水分离、原油脱水、原油稳定、天然气脱水、轻油回收、原油储存及向矿场油库输送、污水处理、净化污水回注地层、接收计量输来的油气混合物、变配电、供热及消防等。联合站完整工作示意图如下：图2-1联合站工作流程图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三、原油联合站硬件设计 联合站工艺流程图如下图3-1 联合站工艺流程图3.1.初步分析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。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） 检测计量罐的温度、压力（2）控制三相分离器上油室、水室的液位恒定。监测三相分离器上油室、水室的液位、温度、压力及报警、（3） 监测脱水泵、脱水器、加药泵、污水外输泵、外输泵各自前后的压力，控制各个泵的起、停，显示其运行状况及报警。（4）监测净化油罐、污水缓冲罐，过滤罐、加热炉的温度及液位及报警。（5）监测四个个沉降罐和净化罐的温度、压力、液位，并控制其液位恒定。（6）遍布整个联合站的10处气体浓度监测及其报警。3.2.系统I/O点数统计表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计量罐的温度、压力22三相分离器8上油室的液位、温度、压力3水室的液位、温度、压力3油室、水室液位恒定控制23脱水泵5泵前后的压力2泵的起停控制2泵的运行状态14加药泵5泵前后的压力2泵的起停控制2泵的运行状态15污水外输泵5泵前后的压力2泵的起停控制2泵的运行状态16外输泵5泵前后的压力2泵的起停控制2泵的起停控制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过滤罐的液位、温度211加热炉2加热炉的液位、温度212四个沉降罐12沉降罐的温度、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净化罐的温度、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3.3 系统监控仪表选型 由分析可知，监控系统可采用一台工控主机，下面连接研华工控板卡来构成。（1） 液位、温度、压力、以及现场气体浓度等型号经检测转换为420mA的电信号，是模拟量，泵的运行状态时数子量。（2） 液位的控制信号是模拟量，泵的起停状态控制是数字量输出。根据以上分析，进行板卡选型由于共需检测模拟量输入点共47个，因此采用PCI1747U总线模拟量输入卡，该板卡共有64路输入，采样频率可达256KS/s。数字量输入点共有4点，数字量输出点共有8个，因此我们采用PCI1760板卡，该系列板卡包含8路继电器输出和8路隔离数字量输入通道，能够满足要求。模拟量输出点共有7个，因此我们采用PCI1723板卡，该板卡带有16位8路非隔离模拟量输出通道。系统还需要工控机、显示器、打印机、UPS等其他设备。下面对选型的板卡的详细资料PCI-1747Ul 256KS/s,16位,64路模拟量输入卡l 16位高分辨率250KS/s采样速率l 自动校准功能l 64路单端或32路差分模拟量输入,或组合输入方式单极/双极输入范围 l 用于AI的1K采样FIFO 通用PCI总线 总线主控DMA数据传输 BoardID开关PCI-1760/1760Ul 8路隔离数字量输入通道 l 8路继电器输出通道 l 2个光隔离脉冲宽度调制输出 l 显示继电器工作状态的LED指示灯l 产品特点：可跳线选择输入信号的干湿接点输入类型 l 用于加事件计数器的数字量输入 l 用于可编程滤波器功能的数字量输入 l 用于模式比配功能的数字量输入 l 用于状态改变中段功能的数字量输入PCI-1723l PCI-1723 16位,8路模拟量输出卡l 自动校准功能l 每个模拟量输出通道带一个16位DACl 同步输出功能l 系统重启后保持输出设置和输出值l 2端口（16路）用户定义数字量输入/输出l BoarlD开关系统设备清单如下：表3.4 联合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