计算机控制技术课程设计.doc

西安石油大学课 程 设 计电子工程学院 自动化专业 自1005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五（采用板卡、仪表方案）学 生 杨幸幸 指导老师 徐 竟 天 二一四年十二月课程设计任务书题 目联合站计算机监控系统硬件设计五（采用板卡、仪表方案）学生姓名杨幸幸学号201005081017专业班级自1005设计内容与要求课程设计主要完成某联合站计算机监控系统硬件设计。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，完成计算机监控系统硬件方案、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1 绪论.1 1.1联合站概述.1 1.2 国内油田集输联合站安全监控的研究现状.1 1.3联合站生产工艺过程中的控制方法.2 1.4 计算机监控系统.2 1.5 原油联合站及其工艺流程简介.32 计算机监控系统概述及初步方案.73 系统监控硬件介绍与选型.9 3.1板卡.9 3.2主机部分12 3.3仪表13 3.4其他设备154 监控系统实现及监控系统方案设计175 总结19参考文献181、 绪 论 21世纪的今天，科学技术日新月异，不断发展，特别是工业控制技术的飞速发展，我们已经开始步入一个崭新的自动化控制新时代。计算机自动监控系统已经广泛的应用于离散过程、连续过程等各种工业自动化领域以及电力、化工、食品、建筑等各个行业。联合站是油气运输过程中的一个重要环节，它直接关系到外输原油的质量，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的提高生产率、减少事故、降低工人的劳动强度。针对联合站发油、卸油等工艺过程介绍了其计算机监控系统硬件以及软件的设计。1.1 联合站概述 联合站是油气集中处理联合作业站的简称。主要包括油气集中处理、油田注水、污水处理、供变电和辅助生产设施等部分。联合站是油田原油集输和处理的中枢。联合站设有输油，脱水，污水处理，注水，化验，变电，锅炉等生产装置，主要作用是通过对原油的处理，达到三脱、三回收，进而生产出天然气，净化油，净化污水，轻烃等合格产品以及进行商品原油的外输。联合站是高温，高压，易燃，易爆的场所，是油田一级要害场所。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。对于在油田联合站生产过程中，如何合理的设计出安全、经济、可靠和便于维护的计算机监控系统，确保生产过程能平稳运行和优化控制，并且实现节能降耗和安全生产，提高生产管理水平，这是目前在油田生产中自动化应用技术要完成的重要任务。1.2 国内油田集输联合站安全监控的研究现状国内油田联合站的自动化建设起步较晚，初期发展较为缓慢。发展大致分为以下几个阶段。第一阶段 ：在1972年世界能源危机以前，对原油集输系统的运行控制大多是注意安全性、可靠性及原油脱水的精度，用大冗余处理各种干扰因素，控制方案简单。但在原油含水率增大、产液量波动大的情况下不能保证控制效果。第二阶段:二十世纪八十年代，对原油集输控制系统采用的是 DD-Z II.型仪表来承担的，并且取得了一定的经济效益。但这些常规仪表组成的控制系统有一定的局限性。第三阶段：二十世纪九十年代中后期以来，随着计算机价格的不断降低，性能价格比和可靠性的提高，各行业己纷纷将计算机用于工业过程控制。石油工业中，也大量引进了计算机控制，1.3 联合站生产工艺过程中的控制方法 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。1.4 计算机监控系统1.4.1 计算机监控系统的主要内容计算机监控技术时一门综合性的技术。他是计算机及技术（包括软件技术，接口技术，通信技术，网络技术，显示技术）、自动控制技术、自动检测技术和传感技术的综合应用。任何一个计算机监控系统的设计与开发基本上由六阶段组成的。所谓计算机监控就是利用传感器装置将被监控对象中的物理参量（如温度、压力、流量、液位、速度）转换为电量，并且在计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而时操作人员能够直观而迅速的了解被监控对象的变化过程。通过应用计算机监控技术，可以稳定和优化生产工艺，提高产品质量，降低能源和原材料的消耗，降低生产成本 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。图1-1就是一个典型的计算机测控系统组成原理图。应用程序组态软件操作系统硬件计算机输入输入输出I/O接口检测/执行检测变送检测变送检测变送被监控对象图1-1 计算机监控系统结构图 1.4.2 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，系统软件、应用软件丰富，特别是组态软件更为用户提供了方便。1.5 原油联合站及其工艺流程简介1.5.1 原油联合站的简介联合站，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。联合站工作流程图如下图1-2和图1-3所示，联合站完整工作示意图如下图1-4:来油 分离器污水缓冲罐 一次沉降二次沉降 加药泵污水外输泵 脱水泵污水外输 过滤罐 加热炉 脱水器原油外输 外输泵净化油罐 图1-2 外销轻烃回收稳定石油气矿产原油库或首站外输原油脱水外排多项混输气体分离回注油田注水站污水处理原油稳定液体外销轻烃产品外销输气首站干气轻烃回放净化气体油井产物物 图1-4 图1-3 联合站工艺流程1.5.2 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） 控制三相分离器上油室、水室的液位恒定。（2） 监测三相分离器上油室、水室的液位、温度、压力及报警、（3） 监测俩个沉降罐的油室、水室的液位、温度、压力及报警。（4） 监测脱水泵、脱水器、加药泵、污水外输泵、外输泵各自前后的压力，控制各个泵的起、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、加热炉的温度及液位及报警。（6） 监测遍布整个战区的气体浓度及报警。 2、 计算机监控系统的初步分析 根据此油库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。 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。 根据油库的流程图，先要列出统计出系统的I/O点数，系统的I/O点数如表1所示. 系统I/O点数通过列表的形式列举如下表。2.1 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计量罐的液位1计量罐的液位控制12三相分离器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在详细统计完I/O点数后，还要列写每个点的参数表，参数表中每一个值都必须与现场完全对应，在此仅模拟两个：表2-2 模拟量I/O点参数表I/O位号变量名称变量说明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偏差报警正常值1-1QYG汽油罐液位AI mmA10 0 9 1 1 5 1-2QYGK汽油罐液位控制信号AO mA 100 0 80 30 10 50 表2-3 数字量I/O点参数表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2-1LYB来油泵启动DO 1V24 0 正 2-2LYBK来油泵运行情况DI 1V 24 0 正 3、 系统监控硬件选型与介绍3.1 板卡的类型与功能： 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-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的运用。 主要功能与技术指标： 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，高速和远程传输 支持模式匹配和状态改变检测中断功能 通用8通道数字量仪表的选型和参数3.1.1 SWP-ND105-010-23-N PID自整定控制仪其相关参数：I） 主要特点：1、 PID参数自整定 2、 可分别带有一路PID控制输出及一路变送输出，可使用各种测量控制场合。3、 手/自动无扰动切换，手自状态下可修改参数。4、 具有各种调节输出方式（PWM输出、可控规触发输出、固态继电器输出及电压/电流输出）。II） 变送输出方式:选型代码023458输出方式无输出420mA010mA15V05VIII） 报警输出方式:选型代码NHLGAD输出方式无报警(可省略)上限报警下限报警偏差内报警偏差外报警IV） 控制输出方式：选型代码012345678输出方式无输出继电器420mA010mA15V05VSCR输出SSR输出V) 特殊技术参数：控制输出方式PWM输出，可控硅触发输出，固态继电器输出，电压/电流输出设定/显示精度+0.5% FS+1位数max。设定值与显示值匹配，无相对误差比例范围0.0%-100.0%(单位：0.1%)积分(复位)时间0-9,999s(单位：1s)微分(比率)时间0-9,999s(单位：1s)控制周期1-250s(单位：1s)采样周期0.5sVI） 输入类型：代码输入类型测 量 范 围代码输入类型测 量 范 围代码输入类型测 量 范 围01B400180009Pt100.1-99.9199.91730350-199999999 d02S0 1600 10Cu50-50.0150.018特 殊 规 格用 户 特 定03K0 1300 11Cu100-50.0150.019420 mA开方-199999999 d04E0 1000 12420 mA-199999999 d20010mA开方-199999999 d05T-20040013010 mA-199999999 d211 5 V开方-199999999 d06J0 1200 1415 V-199999999 d2205 V开方-199999999 d07Wre0 2300 1505 V-199999999 d23可切换输入详见下表08Pt100-20065016020 mA-199999999 d3.1.2 SWP-RMD808多通道巡检控制仪:I） 仪表特点：1、 用户依照仪表LCD显示屏中文菜单提示，通过面板按键可完成输入信号类型与分度号的自由切换，实现万能输入。2、 可选择同一报警输出，分别报警输出或者分别变送输出。3、 可带串行通信输出，可与各种输入/输出的设备双向通信，组成分级控制系统。II） 控制作用：选型代码0607 08 09 14控制作用八路巡检测量显示八路巡检统一控制/报警输出八路巡检分别控制/报警输出十六路巡检测量显示十六路巡检统一控制/报警输出III） 输出方式：选型代码012345输出方式无输出继电器420mA010mA15V05VIV） 报警方式:选型代码NHL报警方式无位式控制或报警（可省略）位式上限控制或上限报警位式下限控制或下限报警V） 通讯方式：选型代码02489通讯方式无通讯RS-232RS-422RS-485特殊规格VI） 输出类型：代码输入类型测 量 范 围代码输入类型测 量 范 围代码输入类型测 量 范 围01B4001800 09Pt100.1-99.9199.91730350-199999999 d02S0 1600 10Cu50-50.0150.0 18特 殊 规 格用 户 特 定03K0 1300 11Cu100-50.0150.0 19420 mA开方-199999999 d04E0 1000 12420 mA-199999999 d20010mA开方-199999999 d05T-200400 13010 mA-199999999 d211 5 V开方-199999999 d06J0 1200 1415 V-199999999 d2205 V开方-199999999 d07Wre0 2300 1505 V-199999999 d23全可切换输入08Pt100-200650 16020 mA-199999999 d3.2 主机部分 在工业生产现场，腐蚀性气体多，且需要计算机24小时连续不断地运行，因此对生产现场的设备较其他行业要求更高。所以针对主机，我们选择由我国台湾省研华公司生产的IPC-610H型工控机，该机适合于对数据的收集，处理有极高专业要求的行业，能给各行业提供高性能、高可靠性的工业级计算机平台。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,机架安装和VESA悬臂安装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接口显示器选用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,机架安装和VESA悬臂安装某油田联合站监控系统设备清单3.3 仪表由于所有气体浓度、液位、温度和压力信号比较重要，必须要在现场控制柜显示，所以要选用控制柜上的显示仪，这里我们选择昌晖公司的SWP-LCD-M型多通道巡检控制仪，该表可以轮流显示十六路模拟数据，选择RS-485接口型。气体浓度、压力和温度信号共45路，所以可选用3台，有3*16-45=3路冗余。仪表都选用RS-485接口。3.3.1 SWP-LCD-M概述SWP-LCD-M多路仪表适合于需要同时对多组过程参量（16）进行集中监测，超限报警，变送输出及远传的场合。SWP-LCD-M多路仪表在设计上吸纳了当今电脑结构思路：硬件上采用内带快闪存储器的新型微处理器，扩充了大容量的数据存储区，显示器采用大屏幕液晶图形显示板，软件上引入中文Windows的框架思路，并采用了数据压缩技术。准电脑化的结构，高度地体现了微处理器化仪表的灵活性，成功地解决了多路仪表的分度号可自由设定，测量值集中显示等难题。SWP-LCD-M多路仪表在人机操作与观察界面上都对传统的二次仪表做了挑战性的改革，以中文菜单引导组态操作, 以集中的数据画面显示多路测量结果，以明确的文字信息标识画面内容的涵义，简洁直观地给人以“智能”的感受。SWP-LCD-M多路仪表可接 16 路被测信号，根据用户设定要求完成从信号采集，显示，变送到远传的全过程。SWP-LCD-M多路仪表的打印接口可直接与带有 RS232 串行口的打印机连接，完成定时打印，即时打印或报警打印。SWP-LCD-M多路仪表的串行通讯接口可与上位机进行数据传输，实现记录数据的集中管理。3.3.2 SWP-LCD-M技术指标输入信号 模拟量输入：电压 0 5V 1 5V电流 0 10mA 4 20mA输出信号 模拟量输出：电流 0 10mA （负载750）4 20mA （负载500）电压 0 5V （负载250K）1 5V （负载250K）开关量输出：继电器触点容量：AC 220V/3A ，DC 24V/5A（阻性负载）SCR 输出 400V/0.5A SSR 输出 69V/0.05A馈 电 输 出： DC 24V/30m精 度 0.5%FS1 字 或 0.2%FS1 字采样周期 1秒/通道输入回路 8路或16路测量范围 -1999-9999 字显示方式 背光式大屏幕液晶（LCD）图形显示板显示内容由汉字、西文、数字、工程单位等组成通过面板按键可完成画面翻页，LCD 背光时间长短等操作控制方式 可选择带回差的 ON/OFF 控制通讯输出 RS232/485，波特率 1200pbs 28.8kpbs (可设置)参数设定 中文菜单提示， 面板按键设定或上位机通过通讯口设定， 设定参数密码锁定保护方式 设定参数永久保存，记录数据断电保存，内置Watchdog电路功 耗 5W 使用环境 环境温050 相对湿度85%RH 避免强腐蚀性气体电源电压 AC 220V+10-15% 50 60HzAC 90V 260V（开关电源） DC 24V2V（开关电源）3.3.3 SWP-LCD-M工作原理本仪表原理如图3-1所示，仪表以单片微处理器为基础，通过输入电路把模拟信号经A/D转换器转换成数字信号，微处理器根据采样的结果与设定内容进行计算，比较后显示结果及输出控制信号。图3-1 SWP-LCD-M工作原理3.4 其他设备系统还需要选用打印机、电源及显示器等其他设备，这里我们选用惠普彩色喷墨打印机、山特3KVA型UPS电源（不间断电源）。某油田联合站监控系统设备清单序号类别名称型号技术要求数量1计算机部分工控主机研华IPC610PIV1.8/521MDRAM/40G/1.4M/50X1台19寸彩显19寸LCD19寸工业平板显示器1台UPS电源山特3KVA3KVA 0.5小时1台彩色打印机惠普A3,彩色喷墨打印机1台2控制器板卡部分和仪表部分AI板卡研华PCI-171332个模拟量输入通道一块AO板卡研华PCI-17214个模拟量输出通道一块多通道巡检控制仪昌辉SWP-LCD-M16路多通道巡检控制仪,控制输出方式：电压/电流输出，设定/显示精度；+0.5%FS+1位数max两块智能多回路PID控制器昌辉SWP-SSR48段PID 自整定控制仪，测量精度：0.5%ES，测量范围：-19999999字，8路输入，4路输出一块信号转换器研华ADAM-4520R