油田联合站安全监控系统研究.doc

西安石油大学本科毕业设计（论文） 1 1 绪论绪论 在现代工业企业的生产和管理中，大量的物理量、工艺数据、特性参数需要进 行实时检测、监督管理和自动控制，这是现代化工业生产必不可少的基本手段，在 石油行业也不例外。从单台计算机的直接监控到多级计算机监控系统，以及分布式、 网络化、智能化的系统，在各种工业企业中都得到了普遍的应用。随着计算机软硬 件技术的迅速发展，监控系统的应用已经发展到相当高的水平。各种类型的商品化 硬软件模块和系统，从简单的 I/O 模块到复杂的集散控制系统，在市场上已有供应， 在工业生产中也有较多的应用，计算机监控技术所带来的经济效益是毋须置疑的。 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。更为重要的是通过应用计算机监控技术还可以降低 劳动者的劳动强度，并且提高管理水平，从而带来极大的社会效益。正因为如此， 计算机监控技术得到了迅速的发展。计算机监控技术已经广泛地应用于工业、农业、 交通、环保、军事、楼宇、医疗等领域1。 油田联合站是原油生产的一个关键环节，它的主要作用是接收各转油站来油， 对油气水进行分离、净化、加热，将处理后合格的原油、净化污水、净化天然气向 下一级油库输送。其中实现油水分离的系统称之为集输系统，它是联合站原油生产 的重要过程，直接关系到成品原油的质量和污水回注的质量，关系到联合站的节能 消耗，也决定着联合站生产过程的安全平稳运行及原油生产的经济效益。对联合站 集输系统实现良好的计算机监控，有利于联合站生产的平稳运行，保证原油质量， 降低成本，减轻工人的劳动强度2。 1.1 选题背景选题背景 目前，各大油田联合站生产工艺过程的控制主要有人工监控、常规仪表自动监 控、计算机监控等三种方法3。 人工监控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，凭借经验 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。 常规仪表监控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。这种监控方式已 在油田联合站生产过程中得到了广泛的应用。 计算机监控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及 I/O 模块相结合，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。相对于常规仪表监控，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 西安石油大学本科毕业设计（论文） 2 制。 联合站是进行原油沉降脱水、实现油水分离和净化油外输的关键环节，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，采用人工监控和常规仪表监控已很难满足生产要求。 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。 本论文根据计算机监控系统的发展现状，结合生产实际情况，主要介绍了张天 渠联合站计算机监控系统的硬件选型，系统的软硬件设计及系统的功能。 1.2 联合站计算机监控的国内外现状联合站计算机监控的国内外现状 1.2.1 国内现状国内现状 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。在 1972 年世界能 源危机以前，对原油集输系统的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。在我国，原油集输控制系统最先采用 的是 DDZ-II 型仪表，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 有一些明显的局限性，例如难以实现复杂的控制规律、控制方案改变较困难、投资 大、精度低等。 至 20 世纪 90 年代初，随着计算机使用的普及和价格的不断降低，各行业已纷 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，尤其是西部 塔里木、吐哈、准噶尔三大盆地的开发与建设，油田生产过程的自动监控和管理得 到了明显、迅速的发展，比如：1992 年 5 月，西部新建的鄯善油田采用美国 Action 公司 CIM-PAC9000 SCADA 系统，使 308 口油水井、19 座计配站全部实现了自动化， 成为我国第一个整装油田的自动化系统。随之，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并、单个装置、单站自动化向全油田、 全线自动化的转变。 近年来，我国规模较大的油田还相继进行了“数字油田”规划，其中比较典型 的有： 大庆油田：于 2003 年批准了“大庆数字油田”建设的技术模型和规划。 胜利油田：于 2003 年初确定了“数字胜利油田”规划。 塔里木油田：作为国家级的数字油田建设工程项目，已经进入具体实施阶段。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 3 塔里木油田被列为国家数字油田建设的示范单位和国家“十五”科技攻关重点项目， 其工程分示范系统、业务数据标准化、全面应用开发等阶段展开，2005 年完成。该 项目已完成勘探开发图形管理信息系统，实现了勘探开发的可视化。 然而，许多的核心技术还掌握在外国人手中，我国的开发水平还很低，自行设 计和研制的大型计算机监控系统仍然很少，主要靠从国外引进。在引进的系统中， 部分尚不能正常工作。如何对系统进行总体设计、引进时如何对系统选型，怎样估 计价格性能比，按什么指标验收引进或研制的控制系统等问题，在大多数单位仍未 解决。特别是大型工程的管理和决策者没有系统的参考原则和依据，决策往往具有 盲目性。 1.2.2 国外现状国外现状 美国海湾石油公司于 1954 年 10 月，建成世界上第一套自动监控输送系统 （Ledge Automatic Control Transmission System，简称 LACT）装置，解决了原油的 自动收集、处理、计量和输送问题。到 1967 年底，美国陆地石油公司已有 75%的原 油采用 LACT 装置。在 LACT 应用的同时，一些原油处理站出现了以闭环控制为特 点的就地自动化控制系统。 自 20 世纪 60 年代末期以后，计算机及 PLC 技术已开始应用于油田联合站内的 部分生产系统中，如 Arco 油气公司的 Iatan East Howard 油田将 PLC 用于注水控制， 并很快发展到报警、泵控、橇装试井装置等其它领域。但此时，联合站集输系统还 是处于简单常规仪表控制时期。 随着集输工艺上计量站的形成和中心处理站（简称联合站）的产生，集散控制 系统（Distribute Control System，简称 DCS）开始应用于联合站集输系统中代替常 规仪表。进入 20 世纪 90 年代，DCS 的功能越来越强，工作也越来越可靠。如 HONEYWELL 公司的 TDC3000 系统、FISHER-ROSEMOUNT 公司的 PROVOX 系 统等数十个厂商的 DCS 都在油气处理站有所应用。 随着通信技术的发展，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition)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。SCADA 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，它可使操作人员从一个或多个控制中心对 遥远的设施(如井组、远方泵站、转油站和联合站集输系统)进行监视、控制和数据 采集。美国阿拉斯加州北部的普鲁德霍油田系统，本系统除了具有高水平的自动控 制调度管理系统外，还有地震监测系统，该系统在强烈地震时能使管道安全停输， 地震后又能恢复正常运行。现在美国油田自动化的发展已出现这样的趋势：油田的 开发，管网的输配，油港的运营三者已被联系起来，统一平衡与协调管理，已经形 成由计算机和通信网络组成的大系统4。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 4 1.3 本课题的基本内容和研究目的本课题的基本内容和研究目的 1.3.1 基本内容基本内容 本课题根据张天渠联合站生产的特点，主要研究了计算机监控系统的方案选择、 计算机硬件和软件的选型及设计、I/O 模块及检测仪表选型等，具体内容如下： (1) 熟悉张天渠联合站的现场工艺流程图，根据图纸统计出现场需要进行 监控的物理量、工艺参数、特性参数等，初步确定 I/O 的数目和类型以此来进行硬 件选型。这里我们主要选取台湾研华公司的 ADAM5000E 系列输入输出模块。 (2) 根据统计出来的点数，利用组态王 6.5编写监控软件、绘制监控画面， 包括工况图、工艺流程图、实时参数画面、实时曲线、历史数据画面、历史曲线、 报警参数与报警图、记录打印画面。 (3) 进行软件的仿真调试。 1.3.2 研究目的研究目的 本课题的研究目的就是应用基于组态王 6.5的计算机监控技术，实现张天 渠联合站集输系统的上位监控，达到如下目的: 实现对联合站工艺流程进行监测，当设备运行出现故障、参数越限时，系统 产生报警。 实现对联合站的设备运行状况、压力、流量、温度、液位，以及站区的可燃 气体浓度的监测。 1.4 课题的研究意义课题的研究意义 油田联合站是原油生产过程中的一个重要环节，直接关系到外输原油的质量和 联合站的节能消耗，也决定着联合站生产过程的安全平稳运行及原油生产的经济效 益。 利用“组态王 6.5”能开发出监控系统的良好人机界面，包括工艺流程画面、 历史报警画面、实时报警画面、历史趋势曲线画面、实时趋势曲线画面、历史报表 和实时报表画面。能实现数据采集与处理、系统事故报警、显示现场生产过程或实 时状态等功能。现场的流程画面、过程数据、趋势曲线、生产报表(支持报表打印和 数据下载)、操作记录和报警等均可轻松浏览。从而能完成对联合站集输系统工艺流 程的实时监控。 本系统能逼真地再现现场画面，在任何时间任何地点均可实时掌控企业每一个 生产细节，有利于联合站生产的平稳运行，保证原油质量，降低成本，减轻工人的 劳动强度。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 5 2 计算机监控系统的原理及组成计算机监控系统的原理及组成 计算机监控技术是一门综合性的技术。它是计算机技术（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、自动检测和传感技术的综 合应用。 2.1 计算机监控系统的原理计算机监控系统的原理 所谓计算机监控，就是利用传感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）转为电量（如电压、电流） ，再将这些代表实际物理参量的 电量送入输入装置中转换为计算机可识别的数字量，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，从而使得操作人员能够直观而迅速地了解被监 控对象的变化过程。除此之外，计算机还可以将采集到的数据存储起来，随时进行 分析、统计和显示并制作各种报表。如果还需要对被监控对象进行控制，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所要求该物 理量的设定值进行判断；然后在输出装置中输出相应的电信号，并且推动执行装置 （如调节阀、电动机）动作从而完成相应的控制任务5。 2.2 计算机监控系统的功能计算机监控系统的功能 计算机监控系统是以计算机为主机，加上检测变送装置、I/O装置、执行机构， 和监控对象共同构成的整体。在这个系统中，计算机直接参与生产过程的检测 (monitor),监督(supervise)和控制(control)，或者说系统应具有下述三方面的功 能: (1) 采集与处理功能 主要是对生产过程的参数进行检测、采样和必要的预处理，并以一定的形式输 出(如打印制表和CRT屏幕显示)、为生产人员提供详实的数据，以便于他们分析、了 解生产情况，监视生产过程的进行。 (2) 监督功能 将检测到的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归纳、整理、计算等 二次加工，并制成实时和历史数据库加以存储。根据实际生产过程的需求及生产进 西安石油大学本科毕业设计（论文） 6 程的情况，进行工况分析、故障诊断、险情预测，并以图形、文字、声音等多种形 式及时作出报道，以进行操作指导、事故报警。 (3) 控制功能 在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接 作用于生产过程。完整的计算机监控系统是上述三种功能的综合集成，它利用计算 机高速度、大容量和智能化的特点，可以把一个复杂的生产过程组织管理成为一个 综合、完整、高效的自动化整体。在实际应用中，可以根据实际对象的需求情况， 系统只具有上述一项或两项功能;或是以某一项为主，而辅以其它的功能。这样能更 针对实际应用的需要，以降低成本，减少复杂性，增强可维护性5。 2.3 计算机监控系统的特点计算机监控系统的特点 (1) 实时性 实时性是计算机监控系统区别于普通（通用）计算机系统的关键特点，也是衡 量计算机监控系统性能的一个重要指标。实时性有下述几层涵义： 实时性是系统对外界激励(事件)及时作出响应的能力，即系统能在多长时间 内响应外部事件。 系统在所要求的时间内完成规定的任务的能力。 实时是与分时相对应的。 (2) 可靠性 可靠性是指计算机监控系统的无故障运行的能力。工业生产在连续运行，计算 机监控系统也必须同步连续运行，对过程进行监测和控制。即使系统由于其他原因 出现故障错误，计算机系统仍能作出实时响应并记录完整的数据。可靠性常用“平 均无故障运行时间” ，即平均的故障间隔时间 MTBF （mean time between failures） 来定量地衡量。 (3) 可维护性 可维护性是指进行维护工作时的方便快捷程度。计算机监控系统的故障会影响 工业生产过程的正常操作，有时会大面积地影响生产过程的进行，甚至使整个生产 瘫痪。因此，快速维护计算机监控系统的正常运行，在最短时间内排除它的故障成 为计算机监控系统的重要特点。 (4) 过程量采集及输出 监控系统的一个突出特点是具有强大的 I/O 功能，即大量的现场信息要直接从 工业现场采集并送入计算机中。从当前已有的应用来看，有两大类信息： 数据信息：主要有三种类型的数据输入信号，模拟量输入（AI） 、开关量输入 （SI） 、脉冲量输入（PI） 。模拟量输入通道接受现场连续变化的信息(如电压、电流、 电阻等)，其输入要经过放大、隔离、模/数转换等处理后，变成数字量才能进入计 西安石油大学本科毕业设计（论文） 7 算机。开关量输入通道接受现场“通/断”两个状态信息(如表示阀门开关、设备启 停、刀闸分合等状态的无触点开关或继电器开关)。脉冲量输入不是开关状态，也不 是连续变化的模拟量，而是脉冲序列。脉冲量输入通道通常具有计数功能以接受脉 冲序列信息，这种信息有时直接代表某些物理量(如传递)，有时是它的累计值表示 某些物理量(如电量)。 对应于三种类型的数据输入信号，有三种类型的数据输出信号，模拟量输出 （AO） 、开关量输出（SO） 、脉冲量输出（PO） 。它们用来控制执行机构，或送到有 关的显示、报警、记录设备中。 图像信息：由于多媒体技术和信息处理技术的进步，近年来，图像信息也进 入到工业监控领域，而且起着数据信息不能替代的作用。最常用的获取图像信息的 设备是工业摄像机，它摄取的视频图像通过视频处理卡后可直接进入计算机。在常 规的使用中，视频图像是直接输出到屏幕上进行显示的。在最近的技术发展中，视 频图像经图像处理后再进行显示或与数据信息进行融合作为控制信号使用。 (5) 人机交互功能 在计算机监控系统中，人机交互的方式比较丰富。特别是复杂、大型、综合、 连续的生产过程中，操作人员要在短时间内接受多个信息，进行分析判断，完成有 关操作，因此要求监控系统具有多种而不是单一的人机交互方式。除常规的键盘、 鼠标、CRT 显示器外，通常还有触摸屏、专用键盘、大屏幕显示、语音等。 (6) 通信功能 主要是指在监控系统中，计算机同计算机之间、相同类型或不同类型总线之间 以及计算机网络之间的信息传输。在实际应用中，往往有多种类型的多台监控计算 机在一起联合工作，这时就需要在计算机之间进行实时、可靠的信息传递。特别在 分级计算机监控系统、分布式计算机监控系统中，通信是一个非常重要的特点。 (7) 信息处理和控制算法 在设计计算机监控系统时，信息处理和控制算法的设计、开发、调试是最为核 心的内容，也是最花费时间的工作，它占据了开发调试的大部分工作量。信息处理 和控制算法主要是软件工作，这些软件的开发编制除了与所采用的操作系统、软件 开发工具有关外，还和硬件（特别是接口部件）以及生产工艺要求有密切的关系。 正因如此，监控系统的软件开发往往难度更大，它要求开发设计人员具有更全面和 广泛的知识。 2.4 计算机监控系统的组成计算机监控系统的组成 计算机监控系统的组成可以有多种划分方法。最简单地可以划分为硬件和软件 两个部分。一般地，一个计算机监控系统可以由以下几个部分组成：计算机（含可 视化的人机界面） 、输入输出装置（模块） 、检测变送机构、执行机构。图 2-1 给出 西安石油大学本科毕业设计（论文） 8 了一个计算机监控系统的组成原理简图5。 输输入入 输输入入 输输出出 检检测测变变送送 检检测测变变送送 功功放放执执行行 被被 监监 控控 对对 象象 计计算算机机 应应用用程程序序 组组态态软软件件/数数据据库库 操操作作系系统统 硬硬件件 I/O接接口口检检测测/执执行行 图图 2-1 计算机监控系统组成原理图计算机监控系统组成原理图 下面从软件和硬件的角度来介绍计算机监控系统的组成。硬件主要由计算机、 输入输出装置、检测变送装置和执行机构 4 大部分组成。更进一步的划分如下所示： 主主机机 显显示示器器 键键盘盘 打打印印机机 硬硬件件 控控制制模模块块 输输入入输输出出模模块块 逻逻辑辑控控制制模模块块 通通信信 报报警警处处理理 显显示示处处理理 报报表表打打印印 应应用用软软件件 操操作作系系统统 组组态态软软件件 数数据据库库 软软件件 计计算算机机 步步进进电电机机脉脉冲冲输输出出 移移相相触触发发脉脉冲冲输输出出 PWM脉脉冲冲输输出出 脉脉冲冲输输出出 模模拟拟量量输输出出 开开关关量量输输出出 模模拟拟量量输输入入 开开关关量量输输入入 计计数数脉脉冲冲输输入入 输输入入 输输出出 输输入入输输出出装装置置 西安石油大学本科毕业设计（论文） 9 热热电电偶偶、热热电电阻阻 温温度度变变送送器器 压压力力变变送送器器 液液位位变变送送器器 流流量量变变送送器器 浓浓度度检检测测、厚厚度度监监测测、位位移移监监测测、PH值值监监测测 电电压压监监测测、电电流流监监测测、频频率率监监测测、功功率率监监测测 监监测测变变送送装装置置 调调节节阀阀 电电磁磁阀阀 功功率率放放大大及及交交流流电电机机 功功率率放放大大及及直直流流电电机机 功功率率放放大大及及步步进进电电机机 继继电电器器、接接触触器器 指指示示灯灯 执执行行机机构构 软件主要分为系统软件、开发软件和应用软件 3 大部分。系统软件一般为一个 操作系统，对于比较简单的计算机监控系统，则为一个监控程序。开发软件包括高 级语言、组态软件和数据库等。应用软件往往可以有输入输出处理模块、控制算法 模块、逻辑控制模块、通信模块、报警处理模块、数据处理模块或数据库、显示模 块、打印模块等。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 10 3 联合站计算机监控系统的设计概述及步骤联合站计算机监控系统的设计概述及步骤 3.1 系统的设计过程系统的设计过程 联合站计算机监控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、系统实施、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。 在可行性研究阶段，开发者要根据被监控对象的具体情况，按照企业的经济能 力、未来系统运行后可能带来的经济效益、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。可行性分析的结果是要确定使用计算机监控系统是 否能给企业带来一定的经济效益和社会效益。 初步设计也可以称为总体设计。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计算机监控系 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，对被监控对象的有一个基本的了解，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，作为进一步设计的基本依据。 在详细设计阶段，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、执行器、I/O 通道装置以及进行计算机监控系统的硬软件的设计。对于不同类型 的设计任务，则要完成不同类型的工作。 在系统的实施阶段，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。 系统的调试（测试）主要是检查各个元器件的安装是否正确，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 线调试和在线调试以及开环调试和闭环调试。 系统运行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。在这一阶段应该有高素质的使用人员，并且严格按照章程进行操作， 尽可能地减少故障的发生。 3.2 系统的设计原则系统的设计原则 联合站计算机监控系统的设计是为了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。但由于联合站的生产环境一般较为 恶劣，其安全状况关系重大，一旦发生事故，将会造成严重的生命财产损失，因此 西安石油大学本科毕业设计（论文） 11 联合站计算机监控系统必须具有安全可靠、使用方便等特点。系统的设计必须遵循 以下原则。 (1) 可靠性原则 为了确保计算机监控系统的高可靠性，可以采取以下措施： 采用高质量的元器件：计算机尽可能采用工业控制计算机或工作站，而不是 采用普通的商用计算机。所采用的各种硬件和软件，尽可能不要自行开发。要采用 高质量的电源。一般来说 PLC 的 I/O 模块的可靠性比 PC 总线 I/O 板卡的可靠性高， 如果成本和空间允许，应尽可能采用 PLC 的 I/O 模块。 采用各种抗干扰措施：采用各种抗干扰措施，包括滤波、屏蔽、隔离和避免 模拟信号的长线传输等。 采用冗余工作方式：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。 其他措施：对于一些智能设备采用故障预测、故障报警等措施。出现故障时 将执行机构的输出置于安全位置，或将自动运行状态转为手动状态。 (2) 使用方便原则 一个好的计算机监控系统应该是人机界面好，方便操作、运行，易于维护。设 计时要真正做到以人为本，尽可能地为使用者考虑。 对于人机界面可以采用 CRT、LCD 或者是触摸屏，使得操作人员可以对现场的 各种情况一目了然。 各种部件尽可能地按模块化设计，并能够带电插拔，使得其易于更换；在面板 上可以使用发光二极管作为故障显示，使得维修人员易于查找故障。 在软件和硬件的设计时都要考虑到操作人员会有各种误操作的可能，并尽量使 这种误操作无法实现。 (3) 开放性原则 开放性是计算机监控系统的一个非常重要的特性。各联合站的生产规模不会是 一成不变的。这也就要求计算机监控系统在结构上具有一定的柔性。计算机监控系 统与上层管理信息系统之间的数据交换也是现代化管理需要的。在控制现场往往会 有一些特殊的第三方设备。 为了使系统具有一定的开放性，可以采取以下措施： 尽可能采用通用的软件和硬件：例如操作系统可以采用 UNIX、LINUX、Windows；数据库可以采用 SQLSEVER、ORACLE、INFORMIX、SYBASE；所采用的组态软件应该提供相应 的数据库接口和通信接口。各种硬件尽可能采用通用的模块，并支持流行的总线标 准。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 12 尽可能要求产品的供货商提供其产品的接口协议以及其他的相关资料。 在系统的结构设计上，尽可能地采用总线形式或其他易于扩充的形式。 尽可能地为其他系统留出接口。 (4) 经济性原则 在满足计算机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，保证性价比最高，以保证为用户带来更大的经济效益。 有几个因素对系统的成本影响比较大。例如，监控点的数目、计算机监控系统 所覆盖的地域、是否采用冗余技术、计算机监控系统的类型等。 (5) 开发周期短原则 在设计时，应尽可能地使用成熟的技术，对于关键的元器件或软件，不是万不 得已就不要自行开发。现在，采用上位机加 I/O 板卡加组态软件，或是上位机加 PLC 加组态软件开发一个监控点数目 100 点左右的计算机监控系统所需的时间（包 括工艺调研）往往不会超过一个月，因此，购买现成的软件和硬件进行组装与调试 应该成为首选。 3.3 系统的设计步骤系统的设计步骤 在完成了可行性研究并且确定系统开发可行后，即可进入系统设计阶段。设计 的结果是要提供一系列的技术文件。这些技术文件包括文字、图和表格。技术文件 主要是为将来的系统实施、运行和维护提供技术依据。设计总是采用结构化的设计 方法，即从顶层到底层、从抽象到具体、从总体到局部、从初步到详细。 3.3.1 系统的总体方案设计系统的总体方案设计 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计算机监控系统的成本、性能、设计和开发周 期等。整个总体设计过程如图 3-1 所示。 工工艺艺调调研研 方方案案讨讨论论 初初步步方方案案 调调研研报报告告 方方案案修修改改 总总体体方方案案 图图 3-1 总体设计基本步骤总体设计基本步骤 (1) 工艺调研 西安石油大学本科毕业设计（论文） 13 总体设计的第一步是进行深入的工艺调研和现场环境调研。经过调研要完成以 下几个任务： 弄清系统的规模：要明确控制的范围是一台设备、一个工段、一个车间，还 是整个企业。 熟悉工艺流程，并用图形和文字的方式对其进行描述。 初步明确控制任务：要了解生产工艺对控制的基本要求。要弄清楚控制的任 务是要保持工艺过程的稳定，还是要实现工艺过程的优化。要弄清楚被监控的参量 之间是否关联比较紧密，是否需要建立被监控对象的数学模型，是否存在诸如大滞 后、严重非线性或比较大的随机干扰等复杂现象。 初步确定 I/O 的数目和类型：通过调研弄清楚哪些参量需要检测、哪些参量 需要控制以及这些参量的类型。 弄清现场的电源情况（是否经常波动、是否经常停电、是否含有较多谐波） 和其他情况。 (2) 形成调研报告和初步方案 在完成了调研后，可以着手撰写调研报告，并在调研报告的基础上草拟出初步 方案。如果系统不是特别复杂，也可以将调研报告和初步方案合二为一。 (3) 方案讨论 在对初步方案进行讨论时，往往会发现一些新问题或是不清楚之处，此时，需 要再次调研，然后对原有方案进行修改。 (4) 形成总体方案 在经过多次的调研和讨论后，可以形成总体设计方案。总体方案以总体报告的 方式给出，并包含以下内容： 工艺流程的描述：可以用文字和图形的方式来描述。如果是流程型的被监控 对象，可以在确定了控制算法后画出带监控点的工艺流程图。 功能描述：描述未来计算机监控系统应具有的功能，并在一定程度上进行分 析，然后设计相应的子系统。在此过程中，可能要对硬件和软件的功能进行分配和 协调。对于一些特殊的功能，可能要采用专用的设备来实现。 结构描述：描述未来计算机监控系统的结构。是采用单机控制，还是采用分 布式控制。如果采用分布式控制，则对于网络的层次结构的描述，可以详细到每一 台主机、控制节点、通信节点和 I/O 设备。可以用结构图的方式对系统的结构进行 描述，用箭头来表示信息的流向。 控制算法的确定 I/O 变量总体描述 3.3.2 系统的详细设计系统的详细设计 在进行详细设计之前，仍然要进行一次调研。此次调研的任务首先是收集各个 西安石油大学本科毕业设计（论文） 14 I/O 点的具体情况。 3.3.2.1 传感器、变送器和执行机构的选择 传感器和变送器均属于检测装置。传感器是将被检测到的物理量转换为电量的 装置；变送器是将被检测到的物理量或传感器输出的微弱电量转换为可以远距离传 送且标准的信号（一般为 010mA、420mA 或 010V） 。选择时主要根据被监控参 量的种类、量程、精度来确定传感器和变送器的型号。 随着现场总线技术的发展，智能仪表的使用逐渐增多。如果在总体设计时，已 经考虑了使用某种现场总线标准，可以考虑采用支持该标准的仪表。当然，现在智 能仪表的价格还相对比较高，设计者可以根据用户的经济能力和现场的实际情况来 处理。一般来说，如果用户的经济能力允许，或是智能仪表的价格不超过常规仪表 的 20%，都可以考虑采用智能仪表。 执行机构的作用是接受计算机发出的控制信号，并将其转换为执行机构的输出， 使生产过程按工艺所要求的运行。 常用的执行机构有：电动机、电机启动器、变频器、调节阀、电磁阀、可控硅 整流器或者继电器线圈。与检测仪表一样，执行机构也有常规执行机构（接受 010mA、420mA 或 010V 电信号）与智能执行机构之分。 对于同一物理量的控制，往往可以有多种选择。例如，以前流量的连续控制主 要是利用调节阀来实现，现在也可以使用变频器驱动交流电动机，然后再由电动机 驱动水泵来实现。采用变频器的方案，价格比较高，但调节范围宽、线性度好，而 且节约能源。 3.3.2.2 监控装置的详细设计 监控装置是指 I/O 子系统和计算机系统（包括网络）两部分。对于不同类型的 设计任务，在详细设计阶段所要做的工作是不一样的。这里只考虑系统的硬件和软 件都采用现成的产品的情况。 (1) 小型系统 对于小型系统，稳定性要求较低、运算费用较少，一般采用上位机加 I/O 板卡 的方案，该方案可以按以下几个步骤进行： 选择系统总线：由于 STD 总线已经比较陈旧，可以不考虑，PC 总线也建议 不必考虑。然后根据性能需要和费用在 ISA 总线与 PCI 总线之间进行选择。 选择主机：如果控制现场环境比较好，对可靠性的要求又不是特别高，也可 以选择普通的商用计算机；否则还是选择工控机为宜。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。 根据系统的精度要求、I/O 的类型和数量选择相应的 I/O 板卡：现有的模拟量 输入 I/O 板卡，一般都有单端输入和双端输入两种选择。如果费用允许，还是采用 双端输入为好，以提高抗干扰能力。除此之外，还应采取多种隔离和滤波措施。例 西安石油大学本科毕业设计（论文） 15 如，使用专门的信号调理板卡或与隔离端子同时使用。 选择操作系统、数据库和组态软件：操作系统可以选择 Windows2000/XP。 数据库一般采用小型数据库，软件则选择小点数并满足需要的组态软件即可，必要 时再购买一些特殊组件。 确定控制算法参数、显示画面、报表格式。 (2) 中大型系统 对于稳定性要求一般、费用预算一般的中大型系统，一般采用上位机加 485 总 线加 I/O 模块和工业仪表的方案，该方案可以按以下几个步骤进行： 选择局域工业网络：如果传输距离不是特别远（1km 以内） ，数据传输速率不 是特别高，首先可以考虑 485 总线。如果 485 总线不合适，可以选择一种现场总线， 如 CAN、LON、ProfiBus、FF 或以太网。 选择主机：如果控制现场环境比较好，对可靠性的要求又不是特别高，也可 以选择普通的商用计算机；否则，还是选择工控机为宜。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。 根据系统的精度要求、I/O 的类型和数量选择相应的 I/O 模块：I/O 模块的选 择当然首先是要支持所选的总线，然后根据系统的分散性来考虑。如果系统不是特 别分散，可以选择小点数的 I/O 模块；如果是 485 总线，还可以考虑使用牛顿模块。 另外还可以选用各种工业显示控制仪表。 选择操作系统、数据库和组态软件：操作系统可以选择 Windows2000/XP。 数据库一般采用小型数据库，软件则选择小点数并满足需要的组态软件即可，必要 时再购买一些特殊组件。 确定控制算法参数、显示画面、报表格式。 (3) 稳定性要求很高、预算费用较高、具有控制要求的的系统 对于这一类系统，一般采用上位机加 PLC 的方案，该方案可以按以下几个步骤 进行： 选择特定厂家的 PLC：可以根据总线要求、传输距离、可靠性、售后服务、 价格等综合因素选定某一厂家的 PLC，另外可以选择该 PLC 支持的一种现场总线， 如 CAN、LON、ProfiBus、FF 或以太网等。 根据系统的精度、I/O 的类型和数量以及通信等要求选择相应的 PLC。 选择主机：如果控制现场环境比较好，对可靠性的要求又不是特别高，也可 以选择普通的商用计算机；否则，还是选择工控机为宜。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。 选择操作系统、数据库和组态软件及 PLC 编程软件：各个厂家的 PLC 编程 软件都不相同，同一厂家的相同型号 PLC 的编程软件也可能不同。 确定控制算法参数、显示画面、报表格式。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 16 4 张天渠联合站计算机监控系统硬件设计张天渠联合站计算机监控系统硬件设计 4.1 张天渠联合站工艺流程简介与监控内容张天渠联合站工艺流程简介与监控内容 4.1.1 工艺流程简介工艺流程简介 张天渠联合站位于陕北定边县，隶属于定边钻采公司东仁沟采油队，该联合站 的油气水集输、分脱和污水处理回注系统，从设计到建设均达到了国内油田行业标 准，部分设备在国内处于领先水平。其输油脱水工艺被分为两大部分，其中一部分 式井和增压点来油经过油汽水分离、污水处理、沉降和净化后被输往东仁沟站或者 进行装车外输，另一部分原油则经过处理后被输往韩渠联合站。张天渠联合站的主 要设备有沉降罐、净化罐、收球筒、油分离器、缓冲罐、污油箱、换热器、过滤器、 以及不同型号的输油泵。张天渠联合站的两幅工艺流程图分别参见图 4-1 和图 4-2。 从各个油井和增压点的来油首先进入双容积量油分离器，进行来油计量，计量后的 原油经过进一步的沉降净化后往其他集油站外输或者进行装车外输。 图图 4-1 张天渠联合站工艺流程图张天渠联合站工艺流程图 1 西安石油大学本科毕业设计（论文） 17 图图 4-2 张天渠联合站工艺流程图张天渠联合站工艺流程图 2 站内的流程说明如下所示： (1) 原油生产流程 增增压压点点来来油油 式式井井来来油油收收球球筒筒 双双容容积积单单量量 加加药药 套套管管换换热热缓缓冲冲罐罐 沉沉降降罐罐净净化化油油罐罐外外输输泵泵 外外输输流流量量计计东东仁仁沟沟输输油油首首站站 在此流程中，来油的计量是通过双容积量油分离器来完成的。该设备主要由上 下两个容器组成，上面的容器起到来油缓冲的作用，下面的容器则是一个容积已知 的容器，它的主要作用就是进行来油计量。当下面的计量容器中的原油达到上限时， 原油从计量容器中输出；输出完毕时，原油再从缓冲容器输入到计量容器。双容积 量油分离器就是通过这种循环的方式来完成原油的计量。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 18 (2) 站内吹扫流程 罐罐区区吹吹扫扫总总机机关关外外输输泵泵旁旁通通外外输输流流量量计计旁旁通通站站内内循循环环管管线线 净净化化油油罐罐 总总机机关关吹吹扫扫头头收收球球筒筒旁旁通通换换热热器器旁旁通通缓缓冲冲罐罐旁旁通通 罐罐区区吹吹扫扫总总机机关关净净化化油油罐罐 (3) 站内循环流程 油油罐罐外外输输泵泵站站内内循循环环管管线线油油罐罐 (4) 站外吹扫流程 单单井井吹吹扫扫吹吹扫扫管管线线净净化化油油罐罐 4.1.2 监控内容及功能监控内容及功能 (1) 内容： 监测站区共 16 点气体浓度。 监测分离缓冲罐压力、两个装车泵及四个外输泵的前后压力。 监测三个收球筒的温度、两个 TR60-2.5 型和一个 TR25-2.5 型换热器的进出 口 温度、两个净化罐和三个沉降罐的温度、两处外输油的温度。 监测分离缓冲罐及两个净化罐的液位高低报警。 监测三个双容积量油分离器液位高低报警。 监测三个齿轮卸油泵的开关状态。 控制三个双容积量油分离器的液位高低。 控制三个齿轮卸油泵的开关。 (2) 功能： 信号采集：信号采集包括对现场仪表及模块信号的采集和转换处理。 监控操作：实现对现场各个设备参数及状态的检测。 动态显示：动态流程画面显示；实时及历史报警显示；实时及历史趋势曲线 显 示。 操作画面：通过操作画面查询和管理工艺过程；打印实时或历史报表、趋势 曲 线和报警画面。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 19 4.2 系统详细设计系统详细设计 如前所述，联合站计算机监控系统的设计方案有三种：上位机加 I/O 板卡的方 案、上位机加 485 总线加 I/O 模块和工业仪表的方案以及上位机加 PLC 的方案。由 于本次设计对稳定性的要求一般、费用预算要求不高，所以本次设计选择上位机加 485 总线加 I/O 模块和工业仪表的方案。 4.2.1 初步分析初步分析 监测三个收球筒的温度、两个 TR60-2.5 型和一个 TR25-2.5 型换热器的进出口 温度、两个净化罐和三个沉降罐的温度、两处外输油的温度、分离缓冲罐压力和两 个装车泵及四个外输泵的进出口压力、站区共 16 点气体浓度共 45 路信号经过相应 的变送器后都会转换为与现场最大、最小值对应的 4-20mA 电流信号，都是模拟量 输入信号。 监测分离缓冲罐及两个净化罐的液位高低报警、三个双容积量油分离器的液位 高低报警、三个齿轮卸油泵的开关状态共 15 路信号明显是对应数字量输入信号。 控制三个双容积量油分离器的液位高低、三个齿轮卸油泵的开关共 9 路是数字 量输出信号。 4.2.2 系统系统 I/O 点数统计点数统计 表表 4-1 监控系统监控系统 I/O 变量表变量表 序号监控对象 总点 数 控制要求AIDIDO 1站区16 16 点气体 浓度监测 16*1=16 2三个收球筒3温度监测3*1=3 3 两个 TR60- 2.5 型换热 器 4 换热器进出口 温度监测 2*2=4 4 一个 TR25- 2.5 型换热 器 2 换热器进出口 温度监测 1*2=2 5 两个净化罐 和三个沉降 罐的温度 5温度监测5*1=5 6两处外输油2温度监测2*1=2 7分离缓冲罐1压力监测1*1=1 8两个装车泵12泵进出口压力6*2=12 西安石油大学本科毕业设计（论文） 20 及四个外输 泵 监测 9 分离缓冲罐 及两个净化 罐 6液位高低报警6*1=6 10 三个双容积 量油分离器 6液位高低报警6*1=6 11 三个齿轮卸 油泵 3 泵开关状态监 测 3*1=3 12 三个双容积 量油分离器 6液位高低控制3*2=6 13 三个齿轮卸 油泵 3开关控制3*1=3 合计6945159 4.2.3 硬件选型硬件选型 4.2.3.1 主机部分 在联合站工业生产现场，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。 (1) IPC-610H 具有以下特点： 超强的环境适应能力：IPC-610H 采用高强度钢壳体、坚固耐用，具有卓越的 抗电磁干扰能力，最大限度的保障了系统的可靠性。另外它还具有很宽的温度、湿 度范围，可满足各种工作现场的特殊要求。IPC-610H 采用大功率风扇，有效的对机 箱内部进行散热，通过苛刻的环境测试设计，具有耐高温，防震动，抗冲击的能力。 优秀的系统扩展能力：宽敞的机箱空间，前瞻性的系统设计，在满足用户对 功能要求的同时，保证了充足的扩充空间和技术支持。IPC-610H 的数据处理能力和 存储空间随着存储技术的发展而不断地提高，能从容应对数据流量的不断增大。 强劲的数据处理能力：拥有一颗超强、稳定的心脏中央处理器，优异的 兼容性，支持奔腾处理器，保证系统快速、稳定地工作。采用高可靠性的 Intel 芯片 组，使得系统的数据处理能力更加强劲。针对客户不同的应用需要，给客户提供不 同的配置，以满足客户的需求。 (2) IPC-610H 具有以下配置： 西安石油大学本科毕业设计（论文） 21 机箱： 高度 4U 槽数 支持 14 个 ISA/PCI 插槽 冷却系统 2 个 85CFM 风扇 接口 前置 USBPS/2 接口 磁盘驱动器 前置 3 个 5.25 和 1 个 3 .5 电源 300WATXPFC PS/2 电源 无源底板 PCA-6113P7X（2PICMG/4ISA/槽底无源底板） 图图 4-3 研华工控机研华工控机 IPC-610H 处理系统：CPU Intel Pentium4 最高速度 3.06GHz（选 2.4GHz） 二级缓存 512/256KB 芯片组 Intel845GV BIOS Award 4Mb FWH 总线： 前端总线 400/533MHz PCI 32-bit/33MHz ISA HISA（ISA high driver） 内存： 规格 DDR200/266/333 SDRAM 最大容量 2G（选 512MB） 插槽 2 个 184-pin DIMM 插槽 图形卡： 控制器 芯片组集成 VGA 控制器 显存 动态分