《計算機控制技術》課程設計--聯(lián)合站安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計七（采用板卡、plc方案）

1、<p><b>　　課 程 設 計</b></p><p>　　電子工程學院 自動化專業(yè) 自班</p><p>　　題 目 《計算機控制技術》課程設計 </p><p>　　聯(lián)合站安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計七（采用板卡、PLC方案）</p><p>　　學 生 </p&g

2、t;<p>　　指導老師 </p><p><b>　　二○一二年十二月</b></p><p><b>　　《計算機控制技術》</b></p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p><b>　　錄 目<

3、;/b></p><p>　　緒論........................................................4</p><p>　　1.1 國內外油田集輸聯(lián)合站安全監(jiān)控的研究現(xiàn)狀........................4</p><p>　　1.1.1國外油田集輸聯(lián)合站安全監(jiān)控的研究現(xiàn)狀..............

4、.........4</p><p>　　1.1.2國內油田集輸聯(lián)合站安全監(jiān)控的研究現(xiàn) 狀......................4</p><p>　　1.2 油田集輸聯(lián)合站安全監(jiān)控的意義..................................5</p><p>　　1.3 原油聯(lián)合站簡介..............................

5、..................5</p><p>　　1.3.1油氣集輸系統(tǒng)...............................................5</p><p>　　1.3.2污水處理系.................................................6</p><p>　　1.4 初步分析.....

6、.................................................7</p><p>　　1.5系統(tǒng)I/O點數(shù)統(tǒng)計..............................................7</p><p>　　第2章 系統(tǒng)總體方案設計 ............................................9</p&

7、gt;<p>　　2.1初步分析 .....................................................9 </p><p>　　2.2 聯(lián)合站的工藝流程與主要技術指標 ...............................9</p><p>　　第3章 系統(tǒng)監(jiān)控設備選型與介紹 ..........................

8、...........10</p><p>　　3.1 板卡的類型與功能 ............................................10 3.1.1板卡 PCI-1721 ................................................10</p><p>　　3.1.2 板卡 PCI-1713 .

9、...........................................11 </p><p>　　3.1.3 板卡 PCI-1755 ............................................11</p><p>　　第4章 監(jiān)控系統(tǒng)詳細設計 ...........................................11</p

10、><p>　　4.1 總體方案圖 .................................................11</p><p>　　4.2 完整系統(tǒng)說明 ...............................................12 </p><p>　　4.2.1 模擬量輸入/輸出模塊 ..................

11、.................. 12 </p><p>　　4.2.2 數(shù)字量輸入/輸出模塊 .....................................12 4.2.3某油田聯(lián)合站監(jiān)控系統(tǒng)硬件設備清單 ............................12</p><p>　　結論......................................

12、..................13</p><p>　　參考文獻 ..........................................................13</p><p>　　第1章 緒 論 </p><p>　　1.1 國內外油田集輸聯(lián)合站安全監(jiān)控的研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.1.1國

13、外油田集輸聯(lián)合站安全監(jiān)控的研究現(xiàn)狀</p><p>　　美國海灣石油公司于1954年 10月，建成世界上第一套自動監(jiān)控輸送系統(tǒng)（LedgeAutomatic Control Transmission System簡稱 LACT）裝置，解決了原油的自動收集、處理、計量和輸送問題。21 世 紀以 來， 隨著通 信 技術 的 發(fā) 展， SCADA （ Supervisory Control and DataAcquis

14、ition）即監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)越來越多的應用于油田生產(chǎn)控制與管理中。SCADA系統(tǒng)與在油氣開采中的處理設備上的檢測儀表和控制設備直接相連，這樣連接能夠實時和不斷的獲取檢測儀表所檢測到的運行信息。SCADA 系統(tǒng)主要是面向操作人員的需要，也可以為多用途，提供操作、計算、管理和運營等功能。國外有些油田 SCADA 系統(tǒng)實現(xiàn)了注氣、注水的優(yōu)化控制運行。SCADA 能夠把遠程獨立的單個油田作業(yè)變成一個具有許多緊密相關的功能的綜合加工過程，SC

15、ADA 已具有為相互聯(lián)系的處理作業(yè)的最優(yōu)化提供定時獲得操作信息的能力。 目前國外油田更是建立了從原油生產(chǎn)、儲存、銷售全面監(jiān)控的自動化系統(tǒng)，將自動化系統(tǒng)上升到了現(xiàn)代管理的高度。</p><p>　　1.1.2國內油田集輸聯(lián)合站安全監(jiān)控的研究現(xiàn)狀國內油田集輸聯(lián)合站安全監(jiān)控的研究現(xiàn)狀國內油田集輸聯(lián)合站安全監(jiān)控的研究現(xiàn)狀國內油田集輸聯(lián)合站安全監(jiān)控的研究現(xiàn)狀 國內油田聯(lián)合站的自動化建設起步較晚，初期發(fā)展較為緩慢。但在越來

16、越重視降低投資和解能的今天，人們開始關注原油集輸系統(tǒng)的最佳節(jié)能控制，即如何把脫出的污水中的含油量降至最少，原油處理精度最高，使操作更為簡單，運行更為安全可靠。自 1992 年以來，國內已有一些油田將計算機控制系統(tǒng)應用于油田聯(lián)合站集輸系統(tǒng)，但這些計算機控制系統(tǒng)沒有很好的解決油田聯(lián)合站集輸系統(tǒng)控制上的問題。其主要原因是：油田隨著開采時間的延長，采出油中的含水越來越高，而且近年來新井的投產(chǎn)較多，日產(chǎn)量不穩(wěn)，使各中轉站到聯(lián)合站的來液量波動很大，

17、造成脫水系統(tǒng)壓力經(jīng)常超出工藝允許范圍，原來的計算機控制系統(tǒng)大都采用的是單回路給定點的 PID 控制算法，這種算法適用于原油含水低、來液量少且波動小的情況。2000 年以后，針對延長油田定邊采油廠集輸聯(lián)合站工藝流程和安全生產(chǎn)要求，開發(fā)了基于智能網(wǎng)絡化的聯(lián)合站安全生產(chǎn)監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術，構成聯(lián)合站生產(chǎn)工藝參數(shù)與設</p><p>　　與此同時考慮到陜北油田的特點研制了聯(lián)合站原油計量監(jiān)控系

18、統(tǒng)，該系統(tǒng)由工控計算機、分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和 RS485 總線構成，實現(xiàn)聯(lián)合站原油準確計量，定量穩(wěn)定外輸，工藝過程與生產(chǎn)安全在線實時監(jiān)控。之后的研究中又結合延長油田靖邊采油廠聯(lián)合站工藝流程和安全要求，于 2007 年開發(fā)了基于雙機冗余的高可靠性聯(lián)合站監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用 IPC 工控機和 S7—300PLC，構成了 IPC4-PLC＋Profibus 的雙機冗余系統(tǒng)。系統(tǒng)既有雙機冗余熱機備份，又具有工程師站和操作員站功能，大大提高了

19、聯(lián)合站監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。 雖然全國各地聯(lián)合站已不同程度的進行了油氣生產(chǎn)自動監(jiān)控系統(tǒng)的試點工作，但水平參差不齊，也暴露出很多問題，主要表現(xiàn)在現(xiàn)場設備可靠性差，可維護性差，不能承受現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境（包括高溫、低溫、潮濕和沙塵）。因此在很多情況下，不能對數(shù)據(jù)進行局部細微的分析，難以讓工程師技術人員掌握第一手資料。 從國內油田監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展過程和今后的發(fā)展趨勢來看，自動化監(jiān)控技術將越來越多的應用到油田聯(lián)合站、油井的監(jiān)控系統(tǒng)中，而且必將

20、數(shù)字化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展。</p><p>　　1.2 油田集輸聯(lián)合站安全監(jiān)控的意義</p><p>　　油田集輸聯(lián)合站的主要作用是接收各轉油站來油，對油氣水進行收集、存儲、分離、凈化、加熱、脫水、計量，將處理后合格的原油、凈化污水、凈化天然氣向下一級礦場油庫或外輸站和壓氣站輸送，在此過程中，對含水的原油要進行脫水工藝處理，這樣就形成了原油集輸?shù)娜舾蓚€工藝處理過程。由于原油和天然氣是易燃易爆

21、危險物質，而且站內壓力容器密布、油氣管道縱橫、系統(tǒng)運行狀況復雜且過程中流程多變，所以有極大的潛在事故危險性。 隨著國家政府部門對聯(lián)合站安全生產(chǎn)越來越重視，聯(lián)合站集輸過程實施自動化監(jiān)控已經(jīng)迫在眉睫。因此，對聯(lián)合站進行安全監(jiān)控系統(tǒng)設計，及時準確地對運行設備的參數(shù)和狀況做出全面監(jiān)測，不僅使整個聯(lián)合站的安全運行得到保證，整個石化企業(yè)的安全和經(jīng)濟效益也能夠得以提升；同時計算機監(jiān)控系統(tǒng)的使用對消除隱患、預防事故也起到了舉足輕重的作用。安全監(jiān)控系統(tǒng)引

22、入的意義在于穩(wěn)定和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低勞動者生產(chǎn)強度，提高設備運行的安全性和可靠性；同時可以有效的預防事故發(fā)生，減少財產(chǎn)損失和人員傷亡，這樣有助于提高聯(lián)合站的安全管理水平，從而在最大程度上獲得經(jīng)濟效益和社會效益。 </p><p>　　1.3 原油聯(lián)合站簡介</p><p>　　該原油聯(lián)合站將各個采油隊輸送過來的原油進行油氣水分離、油水分離、原油存儲、原油加熱及外輸、污水處理等，實現(xiàn)對來油氣

23、、出油氣的計算、盤庫。該原油聯(lián)合站內主要分成油氣集輸和污水處理兩大工藝流程，另外還包括消防、天然氣密閉、大罐抽氣、陰極保護等小的工藝流程。</p><p>　　1.3.1油氣集輸系統(tǒng)</p><p>　　原油集輸過程中的設備一般由翻斗計量分離器、管道、閥門、三相分離器、換熱器、沉降罐、凈化油罐等組成。從各個單井或是汽車輸送過來的油（液）首先進入聯(lián)合站的油氣水三相分離器，在這里實現(xiàn)氣體和液體

24、的分離，油（液）從分離器一端進入，然后天然氣從另一端上部流出進入除油器進行天然氣外輸，而油水混合的液體從下部流出進入換熱器；從換熱器出來的油水混合液體輸入沉降罐，沉降罐分離出大部分的原油，而將水輸?shù)轿鬯畢^(qū)，進行污水處理。經(jīng)過沉降罐的二次油水分離后，原油已經(jīng)幾乎不含水了。在這之后基本上不含水的原油進入凈化油罐，等待外輸。進入凈化油罐的原油，由裝車泵加溫加壓后，由汽車外運。 </p><p><b>　

25、　工藝流程圖如下：</b></p><p>　　天然氣 燃料氣或放空</p><p><b>　　→</b></p><p><b>　　→</b></p><p><b>　　污水</b>&l

26、t;/p><p><b>　　凈</b></p><p><b>　　化</b></p><p><b>　　油</b></p><p>　　圖1.1油氣集輸系統(tǒng)工藝流程</p><p>　　1.3.2污水處理系統(tǒng)</p><p>　

27、　油田污水主要指含油污水，油田污水經(jīng)處理后回注地層， 4此時要對水中的懸浮固體、分散油及浮油、膠體和乳化油的含量等多項指標進行嚴格監(jiān)控，防止其對地層產(chǎn)生破壞。聯(lián)合站通常采用把物理除油、混凝除油和過濾這3種方法，分別除去懸浮固體、乳化油和膠體、分散油及浮油。在我國一些干旱地區(qū)，水資源嚴重缺乏，把經(jīng)過污水處理后的水重新注入地層，這樣就能夠合理有效利用凈化水，對水資源緊缺干旱地區(qū)具有很好的緩解作用</p><p>&l

28、t;b>　　污水處理流程</b></p><p>　　圖1.2污水處理流程</p><p>　　根據(jù)聯(lián)合站的工藝流程和各個設備的工作原理，整個監(jiān)控系統(tǒng)需要處理：</p><p>　?。?）控制三相分離器上油室、水室的液位恒定。 </p><p>　　監(jiān)測三相分離器上油室、水室的液位、溫度、壓力及報警。 </p>

29、;<p>　　（3）監(jiān)測倆個沉降罐的油室、水室的液位、溫度、壓力及報警。 </p><p>　?。?）監(jiān)測脫水泵、脫水器、加藥泵、污水外輸泵、外輸泵各自前后的壓力，控 制各個泵的起、停，顯示其運行狀況及報警。 </p><p>　?。?）監(jiān)測凈化油罐、污水緩沖罐，過濾罐、加熱爐的溫度及液位及報警。 </p><p>　　（6）監(jiān)測遍布整個戰(zhàn)區(qū)的氣

30、體濃度及報警</p><p><b>　　1.4 初步分析</b></p><p>　　1液位、溫度、壓力、氣體濃度監(jiān)測以及各個泵運行狀況顯示。其中：液位、溫度、壓力、氣體濃度等信號經(jīng)過相應的變送器后都會轉換為與現(xiàn)場最大、最小值對應的4-20mA電流信號，都是模擬量輸入信號。 </p><p>　　2各個泵運行狀況顯示是對應數(shù)字量輸入信號。 &

31、lt;/p><p>　　3控制分離器上油室、水室的液位恒定可以采用PLC來控制，控制原理是：油室、水室的當前液位信號接入PLC控制器，與控制器內的人工給定值進行對比，輸出4-20mA的控制信號到變頻器，變頻器對50HZ交流電進行變頻，輸出對應于4-20mA的0-50HZ交流電對泵上的驅動電機進行變頻調速，通過調節(jié)泵的轉速或者流量來控制油室、水室的液位恒定。 </p><p>　　4控制各個泵

32、的起、停對應數(shù)字量輸出信號。</p><p>　　1.5系統(tǒng)I/O點數(shù)統(tǒng)計</p><p>　　表1.2模擬量I/O點參數(shù)舉例</p><p>　　表1.1某油田集油站監(jiān)控系統(tǒng)I/O變量表</p><p>　　在統(tǒng)計完I/O點后還要統(tǒng)計參數(shù)點，并且每個參數(shù)點的設置要與現(xiàn)場一一對應。 </p><p>　　在詳細統(tǒng)計完

33、I/O 點數(shù)后還要列出每個點的參數(shù)表， 下表列出了三相分離器的參數(shù)：： </p><p>　　表1.3 數(shù)字量 I/O 點參數(shù)表</p><p>　　第2章 系統(tǒng)總體方案設計</p><p>　　根據(jù)聯(lián)合站的各個工藝流程，可以看到現(xiàn)場測量類型主要有壓力、溫度、液位、 界位、電量等，所以需要相應的測量儀表進行數(shù)據(jù)采集，以及利用控制閥進行遠程控制。</p&

34、gt;<p><b>　　2.1初步分析</b></p><p>　　初步分析液位、溫度、壓力、氣體濃度監(jiān)測及各個泵運行狀況顯示。其中液位、溫度、壓力、氣體濃度等信號經(jīng)過相應的變送氣后都會轉換為與現(xiàn)場最大、 最小值對應的 4～ 20MA 電流信號，都是模擬量輸入信號。各個泵運行狀況對應數(shù)字量輸入信號。 控制分離器上油室、水室的液位恒定可以采用板卡、PLC 儀表來控制 </

35、p><p>　　2.2 聯(lián)合站的工藝流程與主要技術指標</p><p>　　分離器流程。從各個采油隊輸送過來的原油首先通過計量器計量后又進入聯(lián) 合站的油氣水三相分離器，在這里實現(xiàn)氣體和液體的分離。原油從分離器一端進入， 然后天然氣從另一端上部流出進行天然氣外輸， 而油水混合的液體從下部流出進入 一 次沉降罐。 </p><

36、;p>　　（2） 油罐區(qū)流程。油罐區(qū)的儲罐主要的任務是進行油水分離，由一次沉降罐、 次 沉降罐、 凈化油罐組成， 分離器將油水混合液體輸入一次沉降罐， 一次沉降罐分離 出 大部分的原油， 并把部分天然氣再行收集， 而將水輸?shù)轿鬯畢^(qū)， 進行污水處理。 過 經(jīng) 一次沉降罐的原油流入二次沉降罐繼續(xù)進行油水分離， 這之后的原油已經(jīng)含水很少 了， 然后原油進入加熱爐加熱和脫水器脫水。 經(jīng)過加熱和脫水后的原油進入凈化油 罐，等待外輸。 &l

37、t;/p><p>　　（3）加熱爐流程。從油罐區(qū)二次沉降罐輸送過來的原油在這里經(jīng)過加熱，以利于 原油的輸送，然后送到脫水器脫水。 </p><p>　?。?）原油外輸流程。經(jīng)過加熱和脫水處理的原油含水已經(jīng)很少，通過原油外輸泵 將原油輸送出聯(lián)合站。污水處理工藝流程。在這一流程里，從一次沉降罐過來的污水 首先進入緩沖罐，將含有的殘留天然氣進行收集，然后經(jīng)過加藥泵進行加藥處理，再 進入過濾罐過濾，

38、最后將經(jīng)過處理的污水輸出</p><p>　　根據(jù)以上分析，確定聯(lián)合站安全監(jiān)控的總流程圖如下：</p><p>　　第3章 系統(tǒng)監(jiān)控設備選型與介紹</p><p>　　3.1 板卡的類型與功能</p><p>　　3.1.1板卡 PCI-1721 </p><p>　　板卡 PCI-1721 是一款高性能 PCI

39、 總線模擬量輸出卡,每個模擬量輸出通道都帶有一個 12 位的雙緩沖 DAC. 此輸出卡具有許多強大的獨特功能,比如最大更新速率為 10MHz 的波形輸出功能,自動校準功能和板卡 ID 等。PCI-1721 是要求連續(xù)高速模擬量輸出 或 實時波形輸出應用的理想選擇。 </p><p>　　主要功能與技術指標： </p><p>　　

40、·4 路增強模擬量輸出卡 </p><p>　　·5MHz 最大數(shù)字更新速率 </p><p>　　·PCI 總線數(shù)據(jù)傳輸 </p><p><b>　　·自動校準功能 </b></p><p>　　·每個模擬量輸出通道帶一個 12 位 DAC </p>

41、;<p>　　·帶內部/外部觸發(fā)的實時波形輸出功能 </p><p><b>　　·同步輸出功能 </b></p><p>　　·靈活的輸入類型和范圍設定</p><p>　　圖3-1 PCI-1721 圖3-2 板卡 PCI-1713 圖3-

42、3 板卡PCI-1755 </p><p>　　3.1.2 板卡 PCI-1713 </p><p>　　PCI-1713 是一款 PCI 總線的隔離高速模擬量輸入卡， 它提供了 32 個模擬量輸 入通 道，采樣頻率可達 100KS/S，12 位分辨率及 2500YDC 的支流隔離保護。 </p><p>　　主要功能與技術指標： </p><

43、;p>　　·2500VDC 隔離保護 </p><p>　　·32 路單端或 16 路差分模擬量輸入，或組合輸入方式 </p><p>　　·12 位 A/D 轉換分辨率 </p><p>　　·A/D 轉換器的采樣速率可達 100KS/S </p><p>　　·給個輸入端的

44、增益可 編程 </p><p>　　3.1.3板卡 PCI-1755</p><p>　　PCI-1755 是高速 32 通道數(shù)字量輸入輸出板卡，在計算 機監(jiān)控系統(tǒng)中有廣泛的 運用。 </p><p>　　主要功能與技術指標： </p><p>　　·總線控制 DM

45、A 數(shù)據(jù)傳輸，支持 satter/gather 技術 </p><p>　　·32/16/8 位模式 I/O 處理，帶啟/停觸發(fā)功能， 2 個模式 握手 I/O 中斷處理能力 </p><p>　　·板載主動終端電阻，高速和遠程傳輸 </p><p>　　·支持模式匹配和狀態(tài)改變檢測中斷功能 </p><p&

46、gt;　　·通用 8 通道數(shù)字量</p><p>　　第4章 監(jiān)控系統(tǒng)詳細設計</p><p><b>　　4.1 總體方案圖</b></p><p>　　圖4-1 總體方案設計圖</p><p>　　4.2 完整系統(tǒng)說明</p><p>　　4.2.1 模擬量輸入/輸出模塊 &l

47、t;/p><p>　　模擬量輸入輸出共36路，其中模擬量輸出32路，輸入4路 </p><p>　　4.2.2 數(shù)字量輸入/輸出模塊 </p><p>　　數(shù)字量輸入輸出模塊各六塊，分別由研華PCI-1751，PCI-1755控制。 </p><p>　　4.2.3某油田聯(lián)合站監(jiān)控系統(tǒng)硬件設備清單</p><p>　　表4

48、.1 聯(lián)合站監(jiān)控系統(tǒng)硬件設備清單</p><p><b>　　第5章 結論</b></p><p>　　本次課程設計主要完成某聯(lián)合站安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計。使我們能夠進一步 用已學過的安全工程設計理論和方法進行油氣設施監(jiān)控系統(tǒng)的初步設計；進一步了 解石油工程安全設計的基本原理，了解石油安全工程設計的步驟和方法；培養(yǎng)計算機繪圖能力。</p><p

49、>　　根據(jù)聯(lián)合站的各個工藝流程，可以看到現(xiàn)場測量類型主要有壓力、溫度、液位、界位、電量等，所以需要相應的測量儀進行數(shù)據(jù)采集，以及利用控制閥進行遠程控制。 </p><p>　　通過這次課程設計，我學會了運用已學過各類傳感器、 輸入輸出模塊、工控計算機、現(xiàn)場總線等的知識，完成監(jiān)控系統(tǒng)硬件方案、設備選型、設備接線等各功能的設計。同時要熟悉了相關計算機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成與方案， 提高了我初步設計小型計算機安全監(jiān)控

50、系統(tǒng)硬件方案的能力。</p><p>　　需要注意模塊的選擇至關重要，只有合理地選擇正確的模塊和PLC，才能更好地實現(xiàn)集油站的安全監(jiān)控，使得監(jiān)控效果最好，及時地發(fā)現(xiàn)安全隱患并予以消除。 </p><p>　　在此感謝xx老師我的指導和幫助和xx老師對我的細心教學，讓我有能力自主的完成設計。</p><p><b>　　參考文獻</b></

51、p><p>　　[1] 徐竟天，汪躍龍．石油安全工程課程設計指導書．西安：西安石油大學出版社，2006年8月</p><p>　　.[2] 程遠平，李增華．消防工程學．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2002年5月</p><p>　　[3] .張乃祿，劉燦.安全評價技術[Z].西安電子科技大學出版社，2006：66-74. </p><p>　　[

52、4] .高層面用建筑設計防火規(guī)范[Z]. 北京:中國計劃出版社.1995：83-91. </p><p>　　[5].楊琦. 自動噴水滅火技術的發(fā)展. 給水排水, 1997:44-46. </p><p>　　[6].何小陽.計算機監(jiān)控原理及技術[Z].重慶大學出版社，2003：20-32. </p><p>　　[7].GBJ116-88《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范