联合站安全监控系统硬件 设计二采用仪表方案.docx
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联合站安全监控系统硬件设计二采用仪表方案
课程设计任务书
题目
联合站安全监控系统硬件设计二（采用仪表方案）
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联合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.熟悉联合站工艺流程、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
2011年12月19日至2011年12月25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
一、 绪 论3
1.1.联合站概述3
1.2联合站生产工艺过程控制方法4
1.3计算机监控系统介绍4
二、原油联合站及其工艺流程简介6
2.1原油联合站的简介6
2.2 联合站的工艺流程与主要技术指标7
三、原油联合站硬件设计8
3.1.初步分析8
3.2.系统I/O点数统计9
3.3系统监控仪表选型10
3.4.系统监控方案设计12
四、.总结13
参考文献14
一、 绪 论
1.1.联合站概述
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、锅炉和配电等生产岗位或工艺环节。
目前，各大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。
联合站是油田油气集输过程中的重要生产环节，是集油气分离、原油脱水、原油计量、稳定外输、油田注水、污水处理、消防即热力系统等为一体的综合生产过程。
功能是：
将分散在油田各处的油井产物加以收集；分离成原油、伴生天然气和采出水；进行必要的净化、加工处理、使之成为油田商品、以及这些商品的储存和外输。
同时油气集输系统还为油藏工程提供油藏动态的基础信息，如：
各油井汽水产量、汽油比、气液比、井油压和回压、井流温度等参数及随生产延续各种参数的变化情况等，使油藏工作者能加深对油藏的认识，适时调整油田开发设计和各油井的生产制度。
因而气油集输系统不但将油井生产的原料集中、加工成油田产品，而且还为不断加深对油藏的认识、适时调整油藏开发设计方案、正确经济地开发油藏提供科学依据。
联合站输油脱水岗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。
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。
1.2联合站生产工艺过程控制方法
目前，油田联合站生产工艺过程的控制主要有人工检测控制，常规仪表自动检测控制，计算机检测控制等三种方法。
人工检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广泛的应用。
计算机检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中面临的重要课题。
1.3计算机监控系统介绍
目前的计算机监控技术是一门综合性技术，他是计算机技术、通信技术、网络技术和自动化技术的综合应用。
所谓计算机监控系统，就是采用计算机取代常规的显示和调节仪表作为工业数据采集和控制过程的处理核心，利用传感器或变送器将被监控对象中的物理参数（如温度、压力、流量、液位等）转换为电信号，再将这些电信号经输入装置转换为计算机可识别的数字量，并且在显示装置中以数字、曲线或图形的方式显示出来，从而使操作人员能够直观、迅速地了解被控对象的变化过程。
同时计算机还可以将采集的数据存储起来，随时进行分析、统计和显示并生成各种报表。
如果需要对被监控的对象进行控制，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要求的设定值进行判断，然后根据一定的控制算法在输出装置中输出相应的电信号，并推动执行装置动作从而完成相应的控制任务。
图1-1就是一个典型的计算机测控系统组成的原理图。
由于近年来计算机软件的迅速发展，各种可视化应用软件已广泛应用于工业计算机系统，能够为操作者提供更加直观完善的操作界面，大大丰富了现场监视功能。
1-1计算机测控系统组成原理图
1.3.1计算机监控系统的组成
计算机（含可视化的人工界面）、输入输出装置（模块），监测、变送机构。
设计原理有可靠性原则、使用方便原则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。
1.3.2计算机监控系统的主要特点
实时性。
对工业生产过程进行实时在线监测与测控，按优先级进行采集和输出调节，保证被控系统的正常运行。
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。
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。
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。
二、原油联合站及其工艺流程简介
2.1原油联合站的简介
联合站设计是油气集输工艺设计的重要组成部分，为了使其最大限度地满足油田开发和油气开采的要求，设计时应该做到技术先进，经济合理，生产安全可靠，保证为国家生产符合质量要求的合格油田产品。
联合站，即集中处理站，是油田地面集输系统中重要组成部分。
就油田的生产全局来说，油气集输是继油藏勘探、油田开发、采油工程之后的很重要的生产阶段。
如果说油藏勘探是寻找原油，油田开发和采油工程是提供原料，那么油气集输则是把分散的原料集中处理，使之成为油田产品的过程。
联合站一般包括如下的生产功能：
油气水分离、原油脱水、原油稳定、天然气脱水、轻油回收、原油储存及向矿场油库输送、污水处理、净化污水回注地层、接收计量输来的油气混合物、变配电、供热及消防等。
联合站工作流程图如下：
联合站完整工作示意图如下：
2.2 联合站的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联合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、二次沉降罐、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联合站。
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
三、原油联合站硬件设计
联合站工艺流程图如下
3.1.初步分析
根据此联合站的工艺流程可知系统需要监控各个泵、分离器加热炉的液位、温度、压力、气体浓度，以及监测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气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。
各个泵运行状况对应数字量输入信号。
根据联合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）控制计量罐的液位。
（2）控制三相分离器上油室、水室的液位恒定。
（3）监测三相分离器上油室、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）监测四个个沉降罐和两个净化罐的温度、压力、液位，并控制其液位恒定。
（7）遍布整个联合站的10处气体浓度监测及其报警。
3.2.系统I/O点数统计
表3.1系统I/O点数列表
序号
设备名称
总点数
控制要求
AI
AO
DI
DO
1
计量罐
2
计量罐的液位
1
计量罐的液位控制
1
2
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
2
3
脱水泵
5
泵前后的压力
2
泵的起停控制
2
泵的运行状态
1
4
加药泵
5
泵前后的压力
2
泵的起停控制
2
泵的运行状态
1
5
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
1
6
外输泵
5
泵前后的压力
2
泵的起停控制
2
泵的起停控制
1
7
脱水器
2
脱水器液位、温度
2
8
净化油罐
2
净化油罐液位、温度
2
9
污水缓冲罐
2
污水缓冲罐液位、温度
2
10
过滤罐
2
过滤罐的液位、温度
2
11
加热炉
2
加热炉的液位、温度
2
12
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=4
13
两个净化罐
4
净化罐的温度、压力
2*2=4
14
站区
10
气体浓度检测
10
合计
66
47
7
4
8
3.3系统监控仪表选型
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-ND105-010-23-NPID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SWP
—LCD—M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ADAM—4052模块和两快ADAM-4068模块。
4）如果仪表接口选择RS—232C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RS—485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RS—232C接口，而仪表是RS—485接口，所以还如要两个ADAM—4520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件。
3.1仪表的选型和参数
3.1.1SWP-ND105-010-23-NPID自整定控制仪其相关参数：
图3—1SWP-ND105-010-23-N
I）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）。
II）变送输出方式:
选型代码
0
2
3
4
5
8
输出方式
无输出
4～20mA
0～10mA
1～5V
0～5V
III）报警输出方式:
选型代码
N
H
L
G
A
D
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
IV）控制输出方式：
选型代码
0
1
2
3
4
5
6
7
8
输出方式
无输出
继电器
4～20mA
0～10mA
1～5V
0～5V
SCR输出
SSR输出
V）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
VI）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
01
B
400～1800℃
09
Pt100.1
-99.9～199.9℃
17
30～350Ω
-1999～99999d
02
S
0～1600℃
10
Cu50
-50.0～150.0℃
18
特殊规格
用户特定
03
K
0～1300℃
11
Cu100
-50.0～150.0℃
19
4～20mA开方
-1999～99999d
04
E
0～1000℃
12
4～20mA
-1999～99999d
20
0～10mA开方
-1999～99999d
05
T
-200～400℃
13
0～10mA
-1999～99999d
21
1～5V开方
-1999～99999d
06
J
0～1200℃
14
1～5V
-1999～99999d
22
0～5V开方
-1999～99999d
07
Wre
0～2300℃
15
0～5V
-1999～99999d
23
可切换输入
详见下表
08
Pt100
-200～650℃
16
0～20mA
-1999～99999d
3.1.2SWP-RMD—808多通道巡检控制仪:
图3—2SWP—RMD—808
I）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。
II）控制作用：
选型代码
06
07
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
III）输出方式：
选型代码
0
1
2
3
4
5
输出方式
无输出
继电器
4～20mA
0～10mA
1～5V
0～5V
IV）报警方式:
选型代码
N
H
L
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
V）通讯方式：
选型代码
0
2
4
8
9
通讯方式
无通讯
RS-232
RS-422
RS-485
特殊规格
VI）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
01
B
400～1800℃
09
Pt100.1
-99.9～199.9℃
17
30～350Ω
-1999～99999d
02
S
0～1600℃
10
Cu50
-50.0～150.0℃
18
特殊规格
用户特定
03
K
0～1300℃
11
Cu100
-50.0～150.0℃
19
4～20mA开方
-1999～99999d
04
E
0～1000℃
12
4～20mA
-1999～99999d
20
0～10mA开方
-1999～99999d
05
T
-200～400℃
13
0～10mA
-1999～99999d
21
1～5V开方
-1999～99999d
06
J
0～1200℃
14
1～5V
-1999～99999d
22
0～5V开方
-1999～99999d
07
Wre
0～2300℃
15
0～5V
-1999～99999d
23
全可切换输入
08
Pt100
-200～650℃
16
0～20mA
-1999～99999d
系统设备清单如下：
表3.4联合站安全监控系统设备清单
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IPC610
PIV1.8G/512MDRAM/40G/502X
1台
21寸彩显
21寸液晶
21寸飞利浦液晶显示屏
1台
UPS电源
山特3KVA
3KVA0.5小时
1台
打印机
惠普
A3，彩色喷墨打印机
1台
2
软件部分
操作系统
WindowsXp
MicrosoftwindowsXP
1套
组态软件
Kingview6.51
北京亚控组态王6.51
1套
3
板卡部分
模拟量输入板卡
PCI-1747U
16位,64路模拟量输入卡
1块
模拟量输出板卡
PCI-1723
16位,8路模拟量输出卡
1块
数字量输入/输出板卡
PCI-1760
8路隔离数字量输入通道
8路继电器输出通道
1块
4
控制柜
小型操作台
西仪横河
西仪横河计算机专用操作平台
1台
3.4.系统监控方案设计
监控系统采用一台研华工控主机，配21寸飞利浦液晶显示器，带有IPS电源和A3幅面彩色喷墨打印机。
系统采用板卡方案进行数据的采集和输出，所有模拟量和数字量经板卡采集后，传输到工控主机，经过系统内部算法计算后，输出相应的控制量，达到相应的控制监测效果。
监控系统输入输出原理图如下：
PCI-1747U
PCI-1723
PCI-1760
UPS
打印机
研华IPC-610工控主机
飞利浦21寸液晶显示器
升级会员 