集油站安全监控系统硬件设计二(采用智能仪表方案).doc

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1、课程设计任务书题 目集油站安全监控系统硬件设计二（采用智能仪表方案）学生姓名学号专业班级设计内容与要求课程设计主要完成某集油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.熟悉集油站工艺流程、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

2、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18日 至 2013年12月24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 日西安石油大学课程设计目 录1 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.1.1 课题研究的目的11.1.2 课题研究的意义11.2 计算机控制控制系统的介绍21.3 计算机控制系统的主要特点与原则31.3.1 主要特点31.3.2 设计原则31.4 集油站41.4.1

3、集油站简介41.4.2 集油站的发展42 系统总方案设计52.1 集油站工艺流程图52.2 监控的目标和要求52.3 初步分析52.4 集油站的监控目标及要求63 系统控制仪表的选型73.1 仪表的选型和参数73.1.1 PID自整定控制仪其相关参数73.1.2 SWP-RMD808多通道巡检控制仪94 监控系统详细设计114.1 监控系统设计114.2 集油站监控系统I/O变量表134.3 集油站监控系统设备清单145 总结15参考文献16I1 绪论1.1 课题研究的目的和意义1.1.1 课题研究的目的 联合站是油田生产中地面工程最关键的一环，是集油气分离、原油脱水、原油计量、稳定外输、油田

4、注水、污水处理、消防及热力系统等为一体的综合生产过程。原油计量是油田开发生产中的一个重要环节。随着国内大部分油田开发进入到后期产能递减，产液量增加，原有综合含水率上升，油井计量站规模增大。同时，联合站外来进液量波动增大，给原油准确计量和稳定外输带来很大的影响。目前我国大多数油田联合站的自动化水平还很低，还停留在人工手动状态，对物位、液量、压力和温度等过程参数都需要靠人工检测，人为误差大，严重影响生产效率及产品质量。针对联合站的实际情况以满足联合站原油外输计量生产要求，开发这一套原油外输计量监控系统，它能对生产现场实现原油计量高精度的远程集中化科学管理和实时的线控制：实现流程操作权自动化，保证生

5、产的顺利进行。 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生产率、减少事故发生

6、率、降低工人的劳动强度，本文主要针对集油站的工艺流程介绍了其计算机控制系统硬件设计（智能仪表方面）。1.1.2 课题研究的意义 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

7、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

8、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。

9、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 计算机控制控制系统的介绍 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。既：可行性研究、初步设计、详细设计、系统设施、系统测试和系统运行。当然，这六个阶段并不是完全按照直线顺序进行的。在任何一个阶段出现了问题都可以返回到前面的阶段进行修改。 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

10、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。还可以降低劳动这的强度，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以在各个领域都有所发展。 计算机监控系统可以由以下几个部分组成：计算机、输入输出装置，监测、变送机构。图11 计算机控制系统组成原理图1.3 计算机控制系统的主要特点与原则1.3.1 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

11、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，可提供良好的人机界面，特别是组态软件更为用户提供了方便。1.3.2 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。1.4 集油站1.4.1 集油站简介水下采集系统由水下采油井口装置、井内测试设备、井口监控系统、浮式或平台集油站、油气处理装置等组成。集油站能遥控操作，接受井口流出的油气，

12、进行处理，测试各井油气生产参数，必要时向井内注入化学药剂以保证正常生产。 集油站将开采的原油集中进行管线运输，进行油罐存储，完成对来油、输油及有关储油量得计算、存盘管理。在此过程中，对含水的原油要进行脱水工艺处理，这样形成了原油集输的若干个工艺处理过程。集油站是油田原油集输生产过程中最重要的生产工艺过程。它是集发油、卸又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。1.4.2 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

13、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

14、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

15、题。2 系统总方案设计2.1 集油站工艺流程图图11 油田集油站工艺流程图 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。2.2 监控的目标和要求 （1）监控三个四相分离器上油室，水室的的液位，温度，压力及报警。 （2）监测三个掺水泵，三个外输泵，三个稠油泵各自前后的压力，控制各个泵的启停,显示其运行状况，三个电磁阀启停及其状态显示及报警。 （3

16、）监测两个换热器各自前后的混合液的温度及报警。 （4）监测脱水器，事故罐的温度及液位及报警。 （5）遍布整个站区二十四个气体浓度监测及报警。 （6）监测读取全站四个流量计数据。（数字量）2.3 初步分析液位、温度、压力、气体浓度监测以及各个泵运行状态显示。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、最小值对应的4-20mA电流信号都是模拟量输入信号。各个泵运行状态情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PI

17、D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，输出对应于4-20mA的0-50Hz交流弄点对泵上的驱动电机进行变频调速，通过调节泵的转速（流量）来控制油室。水室、的液位恒定。控制各个泵的起停比较简单，很明显是对应数字量输出信号。2.4 集油站的监控目标及要求 本课程设计研究目的是针对集油站发油、装油、卸油等工艺过程的分析，进行监控系统的硬件设计，同时对系统的适应性进行研究，建立一套具有实际应用能力的监控系统。本次设计应达到以下目标和要求: 1）能及时地，正确地对运行设备的运行参数和运行状况做出全监测，预防和消除事故隐患。

18、2）对设备和运行状况进行必要的指导，提高设备运行的安全性、可靠性和有效性，把运行设备发生事故的概率降低到最低水平，将事故造成的损失减低到最低程度。 3）通过对运行设备进行监测、隐患分析和性能评估等，为设备的结构修改、设计优化和安全运行提供数据和信息。 总的来说，进行集油站安全监控的目的就是确保设备的安全运行，预防和消除事故隐患，避免事故发生。3 系统控制仪表的选型由前面分析可知，监控系统可以采用一台工控机，下面链接PID控制表和研华ADAM4000或者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-ND10

19、5-010-23-N PID自整定控制仪，可对温度、压力、液位、速度等测量信号进行数字量显示控制(高亮度LED数码显示)及相对模拟量显示(光柱显示)，使测量值的显示更为清晰直观，并可选择双光柱显示。可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。2）由于所有气体浓度监测和液位、温度、压力信号比较重要，必须要在现场控制柜显示，所以要选择用控制柜上的显示仪。这些显示仪可以选择单路显示仪，也可以选择昌晖公司的SWPLCDM型SWP-RMD808多通道巡检控制仪，该仪表可以轮流显示十六路模拟数据。3）剩余6路DI信号和12路DO信号，可以选择研华模块来完成。由于数字量输出去控制泵的启停，所以输出模块最好选

20、用继电器输出型，可以省去后接的驱动继电器。所以我们选用一个ADAM4052模块和两快ADAM-4068模块。4)如果仪表接口选择RS232C接口型，则每个串口只能接一块仪表，所以上面仪表和模块都选用了RS485接口型，这样子某一仪表就可以接同一个串口上。一般工控机都是有两个串口，我们可以把所有昌晖公司的仪表接在一个串口，把所有研华公司的ADAM4000系列的模块接在一个串口，计算机通过模块以及仪表内地址区分不同设备。但是计算机是RS232C接口，而仪表是RS485接口，所以还如要两个ADAM4520模块。5）系统还需要选用工控机、打印机、UPS等其他设备。6）系统还需要操作系统软件和组态编程软

21、件。3.1 仪表的选型和参数3.1.1 PID自整定控制仪其相关参数 图31 SWP-ND105-010-23-N （1）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）。 （2）变送输出方式:选型代码023458输出方式无输出420mA010mA15V05V （3）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 （4）控制输出方式：选型代码012

22、345678输出方式无输出继电器420mA010mA15V05VSCR输出SSR输出 （5）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0.5s (6）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01B400180009Pt100.1-99.9199.917

23、30350-199999999 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0

24、8Pt100-20065016020 mA-199999999 d3.1.2 SWP-RMD808多通道巡检控制仪图32 SWPRMD808 （1）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。（2）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 （3）输出方式：选型代码

25、012345输出方式无输出继电器420mA010mA15V05V （4）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 （5）通讯方式：选型代码02489通讯方式无通讯RS-232RS-422RS-485特殊规格 （6）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.

26、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 d、4 监控系统详细设计4.1 监控系统设计 监控系统采用一台研华工控机，21寸LCD和工业平板显示器，带

27、有UPS电源的A3幅面彩印喷墨打印机。系统采用仪表监控系统。 对现场各个泵及分离器的运行状态进行控制如图所示。监控系统输入输出原理图及监控系统方案硬件示意图如下：ups 21寸彩显 打印机 研华工控机 昌晖系列 昌晖系列 昌晖系列 昌晖系列 仪表温度 仪表压力 仪表液位 仪表PID监控仪 监控仪 监控仪 监控仪图41 系统硬件示意图21寸工业平板彩色显示器打印机 UPS研华工控机 RS-232ADAM4520 RS-485昌晖SWP-ND105-010-23-N PID自整定控制仪昌晖SWP-RMD808温度检测仪昌晖SWP-RMD808液位检测仪昌晖SWP-RMD808压力检测仪 图42 监

28、控系统输入输出原理图4.2 集油站监控系统I/O变量表表41 集油站监控系统I/O变量表序号设备名称总点数控制要求AIAODIDO1两个分离器16水室液位，温度，压力2*3=6油室液位，温度，压力2*3=6油室，水室液位恒定控制2*2=42两个掺水泵10泵的前后压力2*2=4控制泵的启停2*1=2泵运行情况显示2*1=23两个外输泵10泵的前后压力2*2=6控制泵的启停2*1=3泵运行情况显示2*1=24两个稠油泵10泵的前后压力2*2=4控制泵的启停2*1=2泵运行情况显示2*1=25两个换热器4换热器前后混合液的温度2*2=46一个脱水器2脱水器液位和温度27一个事故罐2事故罐的液位和温度

29、28站区16气体浓度监测16合计7046664.3 集油站监控系统设备清单表42 集油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21寸彩显21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控制器及仪表部分多通道巡检控制仪昌晖SWP-RMD80816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块智能多回路PID控制器昌晖SWP-ND105-010-23-N48段PID 自整定

30、控制仪，测量精度：0.5%ES，测量范围：-19999999字，8路输入，4路输出1块信号转换器研华ADAM4520RS-232到RS-485转换器1块3软件部分操作系统Windows2000NTMicrosoft Windows2000NT1套组态软件Kingview6.51北京亚控“组态王6.51”1套4控制柜仪表盘柜KG-221型仪表控制柜，2100900600（高宽深），配套接线端子，端子排，汇线槽及内部接线 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5 总结 在这次课程设计中，要求设计中采用智能仪表，在现场端，我们以智能仪表作为主控制系统，对油库监控系统进行控制，由模块和监

31、控仪表向计算机发送数据，计算机处理数据后根据具体情况向模块和监控仪表发出相应的指令，控制模块和监控仪表的运行，出现问题及时发出报警，从而对油库的现场设备进行实时监控。 通过这次课程设计我熟悉并掌握了组态的基本操作与使用，并在此基础上 完成了集油站系统监控硬件中的工艺流程模块、曲线图模块、报表模块、实时参数模块以及报表模块等各模块的设计。同时进一步熟悉了相关计算机监控系统的 硬件组成与方案，学会了计算机监控系统软件设计的步骤和方法。在设计过程中，采用仪表方案进行系统设计，实现了对监控对象的自动监测与报警。此种方案其可靠性高，设计方便灵活，性价比优越。采用此种方案控制精度大幅提高完全可以满足工业控

32、制系统的要求。对集油站关键监控点进行正确设置，确保集油站现场事前安全监测与预警、事后科学决策与救援。集成多参数与视频监测、数据处理与传输及执行功能于一体的智能安全监测预警技术的成功应用，确保系统的监测预警与多媒体信息联动功能。系统利用计算机多级网络系统的管理和监控，采用局部集中、整体分布的监控策略，使监控主机的网络压力降至最低。同时，系统具有故障分析功能，在系统运行稳定的时候数据逐级上传，若某节点发生故障， 系统会迅速发现故障并指挥其他终端寻找新的路径继续工作，不会因为该节点的故障而使整个系统瘫痪，而当该节点工作恢复正常后，系统会自动恢复到正常工作状态，确保系统性能稳定性和可靠性。系统可提高集

33、油站安全生产和管理的自动化程度，预防重特大事故的发生，减少事故的危害程度及范围；同时，在发生事故时，可更快、更好地进行应急救援，协助查清事故责任及原因。 总体来说，受益匪浅，在学习系统设计的同时，有学到了一种新的制图方法，和制图工具组态软件。同时也发现自己的诸多不足，仍需刻苦努力，为将来工作提供基础经验。参考文献1. 汪跃龙，薛朝妹，石油安全工程 ，西安石油大学，2006.102徐竟天，汪跃龙.石油安全工程课程设计指导书，西安石油大学3程远平，李增华.消防工程学M. 中国矿业大学出版社，2002.97-1014何小阳，计算机监控原理及技术，重庆大学出版社，2003.15黎洪生,周登科1基于Web的油田远程监控系统J 武汉理工大学学报12004,26(1)6杨新泉1联合站自控系统设计与应用J 机电一体化,2005,11(5)忽略此处. 16