魏岗集油站GSM远传监控系统硬件设计.doc

西安石油大学石油安全工程课程设计1 课程设计介绍1.1 课程设计简介我国石油和化工自动化经过50年的发展，通过技术引进，消化吸收和不断创新，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，从低级的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；测量和控制装置不断更新升级，正在运行的数千套 DCS、PLC(可编程控制器)和IPC(工业个人计算机)系统已成为大中型石油和化工企业及小型骨干化工企业的主要控制手段。常规仪表性能大大提高，已 成为石油和化工企业生产过程的主要检测手段，电子仪表、数字仪表、智能变送器与执行器的使用量逐渐增加。现场总线控制系统的试用取得进展，近年来已成为石 油和化工自动化领域发展的热点之一。对于石化行业来说，底层控制的自动化是实现信息化的基础。油田，油井，计量站大部分都分布在偏远地区，对其工艺过程的工作状况，运行参数的监控与控制，一直是油田的一项重要且困难的工作。油田的生产，开采过程中有大量的数据需要工作人员及时的采集和记录，以供管理部门及时的作出决策，管理生产。如果这些数据都要人工采集，记录的话，必然给工作人员带来巨大的工作量，而且效率低，误差大，而且影响了数据的实时性。随着自动化的发展，对油田生产的各个环节的监测，检测正朝着监控自动化的方向发展。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与故障监控，检测，实施智能化监控与管理1.2 设计的主要内容本设计主要运用可编程控制器PLC和各种智能仪表实现计算机自动监控。硬件部分首先要通过各种智能仪表监控联合站中各环节的温度，压力，液位，然后运用PLC进行控制调节，同时把各种信号传递到监控工作室的计算机上。本设计的目的在于采用PLC和各种智能仪表实现对油田联合站中各设备，设施实施监控。一旦出现异常情况，相对应的智能仪表就会把信息送到可编程控制器PLC和监控工作室的计算机上，PLC根据编好的程序进行调节控制，从而达到了对所监控对象的实时监控的目的2.联合站概述与方案选择2.1 联合站简介随着油田开发进入高含水后期，联合站工艺过程更加复杂，采用人工监控和常规仪表监控已很难满足生产要求。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、等生产工艺环节。联合站输油脱水工艺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。目前，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。人工监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的要求。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了广泛的应用。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应用中面临的重要课题。 油田联合站一般都处在偏远地区，地理位置和地质条件都很差。联合站中一般有两个四相分离器，两个污水泵，两个外输泵，两个稠油泵，两个外输水泵，两个过滤泵，一个储水罐，一个脱水器，一个事故罐，一个除油罐，两个换热器。其平面图如图1.1所示。2.2 联合站监控系统方案选择方案：上位机加PLC。可以按以下几个步骤进行：1) 选择特定厂家的PLC。可根据总线要求，传输距离，可靠性，售后服务，价格等综合因素选定某一家的PLC，可选择该PLC支持的一种现场总线。2) 根据系统的精度要求，I/O的类型和数量以及通信等要求选择相应的PLC I/O模块。3) 选择主机。在主机的配置上，以留有余地，满足需要为原则，不一定要选择最高档的配置。4) 选择操作系统，数据库和组态软件，PLC编程软件。5) 确定控制算法参数，显示画面，报表格式。图1.1 联合站平面图3. 联合站监控系统的设计方案3.1 监控系统的总体要求联合站工艺流程图如下图3.1所示.从各个油井或计量站来的油水混合液先进入两个四相分离器，进行油、水、气、沙四相分离，分离出来的水经掺水泵送到各个计量站掺水或对地下注水；分离出来的原油进入脱水器再次脱水，经稠油泵送往200m的大灌储存销售；还有一部分油水混合液经外输泵在进行热交换（加热）后往其他集油站外输。分离出来的污水经污水泵送去经过处理储存在储水罐里，然后经过喂水泵送到各个计量站注入地层。根据联合站工艺流程图和各个设备的工作原理，整个监控系统需要处理：1） 控制两个四相分离器上油室、水室的液位恒定。2） 监测两个四相分离器上油室、水室的液位、温度、压力及报警。3） 监测两个掺水泵、两个外输泵、两个稠油泵、两个过滤泵、两个喂水泵各自前后的压力，控制各个泵的起、停，显示其运行状况及报警。4） 监测两个换热器各自前后混合液的温度和报警。5） 监测脱水器、事故灌的温度及液位和报警。6） 监测储水罐的液位及报警。7） 监测除油罐的液位、温度、压力及报警。图 3.1联合站工艺流程图3.2 监控系统初步分析液位、温度、压力、气体浓度监测以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器后都会转换为与现场最大、最小相应的4-20mA电流信号，都是模拟量输入信号。 各个泵运行状况很明显是对应数字量输入信号。 控制两个四相分离器上油室、水室的液位恒定和各个泵的起、停。其中： 控制分离器上油室、水室的液位恒定可以采用PID仪表来控制。控制原理是：油室、水室的当前液位信号接入PID控制表，与表内的人工给定值比较，通过PID运算，输出4-20mA的控制信号到变频器，变频器对50HZ交流电进行变频，输出对应的4-20mA的0-50HZ交流电对泵上的驱动电机进行交频调速，通过调节泵的转速（流量）来控制油室、水室的液位恒定。同理：除油罐中的液位高度通过调节泵的转速（流量）来控制。 控制各个泵的起、停比较简单，很明显是四对应数字量输出信号。3.3 系统I/O点数统计 系统I/O点数可以通过列表的形式来列举：如表3.1表3.1联合站监控系统I/O变量表序号设备名称总点数控制要求AIAODIDO11一个储水罐1储水罐的液位1合计684441010在表3.3 数字量I/O点参数表前面分析可知，监控系统可采用一台工控机，一台可编程控制器，下面连接PID控制表和研华ADAM4000或ADAM5000系列模块来构成。1） 两台四相分离器油室、水室的液位恒定控制总共有4路PID控制，可选择4路单路PID表，也可选择SWP-LCD-SSR48段PID自整定控制仪，该表具有4路4-20mA模拟量输入，4路PID控制输出。因此我们选用一台昌辉公司的SWP-LCD-SSR48段PID自整定控制仪完成PID控制，选择RS-485接口型。2） 由于所有液位、温度、压力信号比较重要，必须要再现场控制柜显示，所有要选用控制柜上的显示仪。这些显示可以选择单路显示仪，也可以选用昌辉公司的SWP-LCD-M型多通道巡检控制仪，该仪表可以轮流显示十六路模拟数据，选择RS-485接口型。液位、压力、温度信号共有36路，所有可以选用3台，由3*16-36=12路冗余。3块SWP-LCD-M型多路仪表必须选择RS-485接口型。3） 剩余10路DI信号和20路DO信号，可以选用研华模块来完成。由于数字量输出去控制泵的起停，所以输出模块最好选用继电器输出型，可以省去后接的驱动继电器。所以可以一个ADAM-5051S（带LED显示的16路隔离数字量输入模块）和三块ADAM-4068(8路继电器输出模块)。有6路DI冗余和4路DO冗余。各个模块必须选择RS-485接口型。4） 系统还需要选用工控机、打印机、UPS等设备5） 系统还需要操作软件和组态编程软件。表3.4 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计算机部分工控机主机研华IPC610PIV1.8G/512MDRAM/40G/50X1台22寸彩显研华FPM-319022寸工业平板显示器1台UPS电源山特3KVA3KVA 0.5小时1台彩色打印机惠普彩色激光打印机1台2软件部分操作软件Windows vistaMicosoft windows vista1套组态软件Kingview 6.51北京亚控“组态王6.51”1套3 控制器及仪表部分可编程控制器PLCSIMATIC S7-200数字量输入模块-EM221, 数字量输出模块-EM222, 数字量输入/输出模块-EM223, 模拟量输入模块-EM231, 模拟量输出模块-EM232,模拟量输入/输出模块-EM2351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：-1999-9999字，8路输入，4路输出1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max3块DI模块研华ADAM-5051S带LED显示的16路隔离数字量输入模块1块DO 模块研华ADAM-40688路继电器输出模块3块4控制台仪表盘柜KG-221仪表控制柜，2100900600（高宽深），配套接线端子，端子排，绘线槽及内部接线1台小型操作台西仪横河西仪横河计算机专用操作平台1台 21 研华ADAM 研华ADAM SWP-LCD-SSR48段 SWP-LCD-M 16路多通 5051S 4068 PID自整定控制仪 道巡检控制仪 如图3.3 监控系统硬件示意图 3.5系统监控方案设计监控系统采用一台研华工控主机，一块可编程控制器，配22寸工业平板显示器，带有UPS电源的A4幅面彩色激光打印机。系统选用4路PID控制仪完成对四相分离器油室、水室的液位恒定控制，2路PID控制仪完成对储水罐和除油罐的液位恒定控制。 现场所有模拟输入量都先接入昌辉公司16路巡检仪，然后计算机通过RS-485总线与巡检仪及PID控制仪通信，将现场数据采集先进PLC控制，器然后进计算机。现场所有数字量都通过研华公司ADAM4000 和ADAM5000系列仪表采集和输出，通过RS485总线，计算机通过研华ADAM-5051S模块读入现场泵的运行状态，再通过研华ADAM-4068模块输出现场泵的启停指令。监控系统硬件示意图如图3.3及监控系统输入输出原理图如图3.2参考文献1) 何小阳.计算机监控原理及技术M.重庆:重庆大学出版社,2002:181-204.2) 刘乐善.微型机算计接口及应用.