集油站安全监控系统硬

1、西安石油大学本科课程设计1 绪 论 随着科学技术的不断进步，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、水处理等各个行业。现在国内外都将计算机监控系统对油田联合站的各个生产工艺过程进行实时监控、与数据采集等，计算机监控系统的发展为集油站的自动化监测注入了新的活力。因为集油站是油气集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

2、生产率、减少事故发生率、降低工人的劳动强度。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

3、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

4、时参数与故障监 控,检测,实施智能化监控与管理。综上所述，在集油生产过程中，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，保证集油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。1.1计算机监控系统的介绍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。还可

5、以降低劳动强度。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、变送机构。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。主要特点是实时性，可靠性，较强的输入输出能力，应用软件丰富。 图1-1就是一个典型的计算机测控系统组成原理图。图1-1计算机监控系统结构图1.2 计算机监控系统的主要特点与原则1.2.1 主要特点（1）实时性。对工业生产过程进行实时在线监测与控制，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。菊友在较恶劣的工作现场长期工作的能力，据有良好的故障诊断和维护性。（3）较强的输入/输出

6、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，目前打多少计算机监控系统以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，特别傻组件软件更为用户提供了方便。1.2.2 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。1.3集油站的简介 原油集油站的简介 该原油集油站将各个采油队输送过来的原油进行油气水分离、油水分离、原油存 储、原油加热及外输、污水处理等，实现对来油气、出油气的计算、盘库。该原油联 合站内主要分成原油处理和污水处理两大工艺流程，另外还包括消防、天然气密闭、 大罐抽气、阴极保护等小等小的工

7、艺流程。1.4 集油站的发展随着我国自动化水平的提高，油田生产实施自动化监控已经迫在眉睫。集油站是油田集输的重要组成部分，它直接关系到油田生产的正常运行，对整个油从开采到投产使用的整个流程的经济效益有极大的影响。随着油田开发进入高含水后期， 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。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，集油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

8、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。这种控制方式已在集油站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，在集油站中，如何合理选

9、择、设计安全可靠和便于维护的计算机监控系统，保证油田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。2系统方案总设计2.1集油站的工艺流程 工艺流程图如下：图2-1 集油站的工艺流程某集油站工艺流程如上图。从各个油井或计量站来得油水混合物先进入三个四相分离器，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，经稠油泵送到200立方米的大罐储存；分离出来的一部分油水混合物经过外输泵在进行热交换加热后往其他集油站外输。整个集油站的工艺流框图如下：图2-2集油站的工艺图2

10、.2集油站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集油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、 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

11、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 将原油输送出集油站。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。根据集油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

12、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。根据集油站的流程图，先要列出统计出系统的I/O点数，系统的I/O点数如表所示：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

13、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

14、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硬件系统设备选型3.1集油站安全监控系统PLC选型 在PLC选型中，工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的、按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型。所选用PLC应是在相关工

15、业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程控制器、功能表图及有关的编程语言，有利于编程时间，因此，过程设计选型时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求。然后根据控制要求，估算输入输出点数，所需存储器容量、确定PLC功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系数。综上所述，我考虑使用Siemens的S7-300PLC。S7-300 CPU特点(1)模块化微型PLC 系统，满足中、小规模的性能要求(2)各种性能的模块可以非常好地满足和适应自动化控制任务(3)简单实用的分布式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵

16、活(4)方便用户和简易的无风扇设计(5)当控制任务增加时，可自由扩展(6)大量的集成功能使它功能非常强劲3.2 S7-300PLC的DO模块选型根据设计要求，这里选择8点数字量输出的西门子322-1BF01-0AA0型号。 322-1BF01-0AA0电气参数 表3-1 322-1BF01-0AA0的电气参数从背板总路线消耗电流40mA功耗6.8W数字量输出点数38电缆长度（屏蔽）1，000m（非屏蔽）600m输出短路保护有，电子式导致电路中断的电压极限L+(-53V)最大灯负载10W输出电压：“1”信号最小L+(-0.8V)输出电流：“1”信号4A输出总电流（每组）4A通道与背板总线之间有，

17、光电耦合每组通道之间有阻性负载，最大100Hz感性负载，最大0.5Hz灯负载，最大10Hz状态显示每个通道有绿色LED前连接器20针尺寸（长X宽X高）40×125×120净重190g3.3 S7-300PLC的DI模块选型根据设计要求，这里选择16点数字量输出的西门子322-1BH01-0AA0型号。322-1BH01-0AA0电气参数 表3-2 322-1BH01-0AA0的电气参数从背板总路线消耗电流80mA功耗4.9W数字量输入点数16电缆长度（屏蔽）1，000m（非屏蔽）600m输出短路保护有，电子式导致电路中断的电压极限L+(-53V)最大灯负载5W输出电压：“1

18、”信号最小L+(-0.8V)输出电流：“1”信号0.5A输出总电流（每组）4A通道与背板总线之间有，光电耦合每组通道之间有阻性负载，最大100Hz感性负载，最大0.5Hz灯负载，最大10Hz状态显示每个通道有绿色LED前连接器20针尺寸（长X宽X高）40×125×120净重190g3.4 S7-300PLC的AO模块选型根据设计要求，这里选择8通道模拟量输出的西门子322-5HF00-0AB0型号。322-5HF00-0AB0电气参数表3-3 322-5HF00-0AB0的电气参数 技术参数电流损耗从背板总路线消耗电流100mA从负载电压L+消耗电流（空载）340

19、mA功耗6W模拟量输出通道8负载电压L+额定值24V屏蔽电缆长度，最大200m电压输出，短路电流保护可以电压输出，最大短路电流25mA电流输出，最大开路电压18V负载阻抗电压输出时，最小1K电流输出时，最大500输出量程：电压±10V，010V，15V电流±20mA，020 mA，420 mAD/A转换精度12位转换时间（每个通道）最大0.8ms建立时间阻性负载0.1ms感性负载3.3ms容性负载0.5ms输出间的串扰40dB运行极限（整个温度范围）电压输出±0.5%电流输出±0.6%组错误显示红色指示灯隔离通道与背板之间有通道和负载电压L+之间有前连接

20、器40针尺寸（长*宽*高）40 x 125 x 120净重272g3.5 S7-300PLC的AI模块选型根据设计要求，这里选择8通道模拟量输入的西门子331-7KF02-0AB0型号。331-7KF02-0AB0电气参数表3-4 331-7KF02-0AB0的电气参数额定值24V DC总路线消耗电流100mAL+消耗电流25mA总功耗1W供电电流每通道最大60mA短路保护有模拟量输入通道8电缆长度（屏蔽）200m；80mV时最长50m电压±80mV,±250mV，±500mV，±1V,±2.5V,±5V，15V，±10V四

21、线电流±3.2mA，±10mA，±20mA，420mA，二线电流420mA，电阻600，300，150热电耦K,J,N,E,L热电阻Pt100,Ni100A/D转换精度16位每通道0.5ms/12.5ms/25ms/100ms干扰抑制频率400/50/60/10Hz电压±0.6%电流 ±0.6%电阻 ±0.6%温度 ±1诊断中断有，每组可设置参数极限值中断有，可设置参数通道之间无通道与背板总线之间有前连接器20针尺寸（长X宽X高）40×125×120 4监控系统详细设计4.1 监控系统设计 监控系统采用一台普通联系主机，配21寸联想彩显，带有USB电源的A3幅面彩色喷墨打印机。现场所有数字量和模拟量的输入输出，都通过西门子S7-300PLC的模块采集处理并传回PC机，