石油安全工程集油站安全监控系统硬件设计二采用智能仪表方案.docx
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石油安全工程集油站安全监控系统硬件设计二采用智能仪表方案
西安石油大学
课程设计
电子工程学院安全工程专业安全1003班
题目《石油安全工程》课程设计
集油站安全监控系统硬件设计二（采用智能仪表方案）
学生王勋
指导老师徐竟天
二○一三年十二月
《石油安全工程》
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
王勋
学号
201005040312
专业班级
安全1003
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
目录
1绪论1
1.1集油站简介：
1
1.2集油站的发展1
1.3目前国内外集油站系统概况2
1.3.1国外集油站自动化计量系统2
1.3.2国内集油站自动化计量系统2
1.4集油站的总体布局2
1.5集油站的工艺流程与主要技术指标3
1.4集油站的监控目标及要求4
1.5集油站安全监控系统I/O点数统计4
2系统总方案设计7
2.1初步分析7
2.2典型的计算机测控系统组成原理图7
2.3监控的目标和要求8
2.4集油站安全监控系统的总体结构8
2.5集油站安全监控系统各部分的功能8
2.6常用系统监控仪表9
2.7常用智能仪表介绍11
3系统控制仪表的选型13
3.1SWP-ND105-010-23-N控制仪其相关参数：
13
3.2SWP-RMD—808多通道巡检控制仪:
15
3.3SWP-LED数字显示控制仪/光柱显示控制仪16
4监控系统详细设计18
4.1系统监控方案设计18
4.2集油站监控系统设备清单19
5总结21
参考文献22
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生产率、减少事故发生率、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，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。
1.2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题。
1.3目前国内外集油站系统概况
集油站是储存和供应石油产品的专业性仓库，是协调原油生产和加工、成品油运输及供应的纽带。
国外的集油站管理已经进入先进的工业控制技术、网络技术、数据库技术等，对集油站日常的首发油作业、储油管理、集油站监控系统等进行全方位的综合管理。
我国的集油站自动化技术与国际先进水平相比还有一定差距。
各种计量仪表精度较低，稳定性较差，控制系统控制精度比较低，信息化水平还不够健全，这使得我国集油站的自动化控制和管理系统经历了一个较长的发展阶段。
1.3.1国外集油站自动化计量系统
国外的自动化计量方法主要采用:
检尺法、静压法和液位法。
检尺法是全球通用的测量方法；静压法是应用压力传感器检测罐内的静压力;液位法是检测罐内液体的液位高度及密度等参数，后两种方法都可以获得罐内储液的容量及重量。
欧美油罐储量测量仪表品种齐全、技术先进而且性能优良。
他们不光发展高精度、多功能的仪表，还考虑其性能可靠、价格便宜、适应不同目的和用途。
1.3.2国内集油站自动化计量系统
目前国内计量仪表的发展主要采用引进加仿制等手段，还有一些企业代理国外相应产品。
我国在该领域的发展相对外国还有很大差距，普遍存在产品性能指标低、仪表可靠性差、企业技术力量及装备差等问题。
最近几年，由于不断努力，一些产品已经达到国际先进水平，但在市场的占有率远远不及国外仪表的份额。
1.4集油站的总体布局
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。
在集油站安全监控系统中，采用下位机硬件控制和上位机软件监视构架。
在下位机控制系统中，通过智能模块来采集与处理现场数字量信号和模拟量信号。
在上位机监视系统中，采用组态王软件开发人机界面，生产实时状况直观形象。
1.5集油站的工艺流程与主要技术指标
（1）集油站安全监控系统总体方案设计：
从各个油井或计量站来的有数混合液先进入两个四相分离器，进行油、水、气、沙四项分离，分离出来的水经掺水泵送到各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，经稠油泵送往200立方米的大罐储存销售；还有一部分油水混合液经外输泵在进行热交换（加热）后往其他集油站外输。
整个监控系统需要处理：
①控制两个四相分离器上油室、水室的液位恒定。
②监测两个四相分离器上油室、水室的液位、温度、压力、报警。
③监测两个掺水泵、两个外输泵、两个稠油泵各自前后的压力，控制各个泵的起、停，显及其运行状况及报警。
④监测两个换热器各自前后混合液的温度及报警。
⑤监测脱水器、事故罐的温度及液位及报警。
⑥控制两个四相分离器上油室、水室的液位恒定。
⑦监测两个四相分离器上油室、水室的液位、温度、压力、报警。
⑨监测两个掺水泵、两个外输泵、两个稠油泵各自前后的压力，控制各个泵的
起、停，显示其运行状况及报警。
⑩监测两个换热器各自前后混合液的温度及报警，监测脱水器、事故罐的温度及液位及报警和遍布整个站区的十六处的气体浓度监测及报警。
（2）油田计算机监控系统说明：
某油田集油站工艺流程图如图1-1所示。
从各个油井或计量站来的有数混合液先进入两个思想分离器，进行油、水、气、沙四项分离，分离出来的水经掺水泵送到各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，经稠油泵送往200m3的大罐储存销售；还有一部分油水混合液经外输泵在进行热交换（加热）后往其他集油站外输
图1-1集油站的工业流程图
1.4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。
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。
1.5集油站安全监控系统I/O点数统计
系统I/O点数可以通过列表的形式来列举：
表1-1集油站安全监控系统I/O变量表
序号序号
设备名称
总点数
控制要求
AI
AO
DI
DO
1
两个四相分离器
16
水室的液位、温度、压力
2*3=6
油室的液位、温度、压力
2*3=6
油室、水室液位恒定控制
2*2=4
2
两个掺水泵
10
泵的前后的压力
2*2=4
控制各个泵的起、停
2*1=2
泵运行状况显示
2*1=2
3
两个外输泵
10
泵的前后的压力
2*2=4
控制各个泵的起、停
2*1=2
泵运行状况显示
2*1=2
4
两个稠油泵
10
泵的前后的压力
2*2=4
控制各个泵的起、停
2*1=2
泵运行状况显示
2*1=2
5
两个换热器
4
热水器前后混合液的温度
2*2=4
2*1=2
6
一个脱水器
2
脱水器的液位、温度
2
7
一个事故罐
2
事故罐的液位、温度
2
8
站区
16
气体浓度监测
16
合计
70
48
4
6
6
在详细统计完I/O点数后，还要列些每个点的参数表，参数表中每一个值都必须与现场完全对应。
表1-2模拟量I/O点参数表
I/O位号
变量
名称
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
偏差报警
正
常
值
1-1
SISY
一个四相分离器水室的液位
AI
m
mA
10
0
9
1
1
5
1-2
SISYK
一个四相分离器水室的液位控制信号
AO
℃
mA
100
0
80
30
10
50
表1-3数字量I/O点参数表
I/O位
号
变量
名称
变量
说明
I/O类
型
正常
状态
信号类型
信号上线
信号
下线
逻辑
极性
2-1
CIQD
一号掺水泵的启动
DO
1
V
24
0
正
2-2
CIZK
一号掺水泵运行状况
DI
1
V
24
0
正
2系统总方案设计
2.1初步分析
系统总体方案设计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。
图2-1设计的基本步骤
2.2典型的计算机测控系统组成原理图
图2-2计算机监控系统结构图
2.3监控的目标和要求
⑴控制三个四相分离器上油室，水室的液位恒定。
⑵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。
⑶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。
⑷监测两个换热器各自前后的混合液的温度及报警。
⑸监测脱水器，事故罐的温度及液位及报警。
⑹遍布整个站区二十四个气体浓度监测及报警。
⑺监测读取全站四个流量计数据。
（数字量）
2.4集油站安全监控系统的总体结构
集油站监控最重要的是对工艺过程中的各项参数如温度、压力、液位、流量等进行实时监控。
在原油分离过程中液位和压力、锅炉间的锅炉温度、以及各个重要工艺过程中的参数是集油站安全、高效生产的决定性因素，所以必须在各种干扰的情况下，将液位、温度、压力等稳定控制在工艺允许误差范围内，所以对这些参数监控就是生产过程中的关键。
设计集油站安全监控系统，不仅节约了人力物力，而且在准确性、灵活性以及生产效率上都有明显提高，保证了油田的安全稳定生产。
针对集油站安全监控系统的要求，设计了工控机通过通讯转换器组成的分布式监控系统。
由智能模块负责采集现场数据并且传输到上位机。
上位机作为管理机构，负责文件管理、数据库维护、报表自生成并定时打印。
下位机智能模块要对现场进行测量、采集信息。
并通过线路送到主机，由上位机完成数据处理的任务，根据下位机传送来的信息，上位机自动生成各种报表，并在指定时间打印输出，从而将繁重的数据处理任务交给上位机完成，大大减轻了下位机的负担，以便更好地进行各个子系统的数据采集和控制功能，保证系统的可靠性和精度。
这次设计采用智能模块来采集与控制现场数据，通过I/O模块控制器，将现场的模拟或数字信号传输到工控机中，通过显示器显示出现场采集的数据。
在控制系统中应配有工控机，以提高监控系统可靠性。
2.5集油站安全监控系统各部分的功能
储油区：
储油区又称油罐区，是集油站储存油品的区域，也是集油站的核心部分，安全上需要特别注意。
这个区首要任务是保证储油安全，防止火灾和泄露。
主要设施有油罐、油罐附属建筑物、岗亭、消防水池、消防间等。
根据储油种类，可选拱顶罐和浮顶罐。
铁路作业区：
该区主要是向铁路罐车灌装油品或铁路罐车接卸油品，主要包括铁路专用线、站台、铁路卸油设备、油泵房、各种小型油罐、附集油站等加卸油作业设施。
公路作业区：
大多数集油站作业都是铁路来油，再通过公路用汽车罐车向外发油，它发放对象为用户或加油站。
这个区主要设施有汽车加卸油设备、罐桶间、高架罐、油泵房、工具器材库、消防水池等。
辅助生产区：
集油站内还需要有相应的一些辅助设施，如锅炉房、变配电间、材料库、消防泵房、机修间、及污水处理设备等。
这些设施是保证集油站正常运转不可缺少的，但它们在操作上又是独立的体系，因此把这些设施相对的集中在一个区域，既便于管理，又利于安全。
行政管理区：
在这个区域内有办公室、会议室、汽车库、值班室等。
主要承担着集油站的管理工作，保证油品安全装卸和储存，保证油品正常的调入和销售和集油站安全。
2.6常用系统监控仪表
由于所有气体浓度、液位、温度和压力信号比较重要，必须要在现场控制柜显示，所以要选用控制柜上的显示仪，这里我们选择昌晖公司的SWP-LCD-M型多通道巡检控制仪，该表可以轮流显示十六路模拟数据，选择RS-485接口型。
气体浓度、压力和温度信号共45路，所以可选用3台，有3*16-45=3路冗余。
仪表都选用RS-485接口。
（1）SWP-LCD-M概述：
SWP-LCD-M多路仪表适合于需要同时对多组过程参量（≤16）进行集中监测，超限报警，变送输出及远传的场合。
SWP-LCD-M多路仪表在设计上吸纳了当今电脑结构思路：
硬件上采用内带快闪存储器的新型微处理器，扩充了大容量的数据存储区，显示器采用大屏幕液晶图形显示板，软件上引入中文Windows的框架思路，并采用了数据压缩技术。
准电脑化的结构，高度地体现了微处理器化仪表的灵活性，成功地解决了多路仪表的分度号可自由设定，测量值集中显示等难题。
SWP-LCD-M多路仪表在人机操作与观察界面上都对传统的二次仪表做了挑战性的改革，以中文菜单引导组态操作,以集中的数据画面显示多路测量结果，以明确的文字信息标识画面内容的涵义，简洁直观地给人以“智能”的感受。
SWP-LCD-M多路仪表可接16路被测信号，根据用户设定要求完成从信号采集，显示，变送到远传的全过程。
SWP-LCD-M多路仪表的打印接口可直接与带有RS232串行口的打印机连接，完成定时打印，即时打印或报警打印。
SWP-LCD-M多路仪表的串行通讯接口可与上位机进行数据传输，实现记录数据的集中管理。
（2）SWP-LCD-M技术指标：
输入信号模拟量输入：
电压0——5V1——5V
电流0——10mA4——20mA
输出信号模拟量输出：
电流0——10mA（负载≤750Ω）
4——20mA（负载≤500Ω）
电压0——5V（负载≥250KΩ）
1——5V（负载≥250KΩ）
开关量输出：
继电器触点容量：
AC220V/3A，
DC24V/5A（阻性负载）
SCR输出——400V/0.5A
SSR输出——6–9V/0.05A
馈电输出：
DC24V/30m
精度0.5%FS±1字或0.2%FS±1字
采样周期1秒/通道
输入回路8路或16路
测量范围-1999-------9999字
显示方式背光式大屏幕液晶（LCD）图形显示板
显示内容由汉字、西文、数字、工程单位等组成
通过面板按键可完成画面翻页，LCD背光时间长短等操作
控制方式可选择带回差的ON/OFF控制
通讯输出RS232/485，波特率1200pbs——28.8kpbs（可设置）
参数设定中文菜单提示，面板按键设定或上位机通过通讯口设定，设定参数密码锁定
保护方式设定参数永久保存，记录数据断电保存，内置Watchdog电路
功耗≤5W
使用环境环境温0—50℃相对湿度≤85%RH避免强腐蚀性气体
电源电压AC220V+10-15%50—60Hz
AC90V—260V（开关电源）DC24V±2V（开关电源）
（3）SWP-LCD-M工作原理
本仪表原理如图2-5所示，仪表以单片微处理器为基础，通过输入电路把模拟信号经A/D转换器转换成数字信号，微处理器根据采样的结果与设定内容进行计算，比较后显示结果及输出控制信号。
图2-3SWP-LCD-M工作原理
2.7常用智能仪表介绍
（1）SWP-LED数字显示控制仪/光柱显示控制仪：
显示控制仪/光柱显示控制仪采用微处理器进行控制运算，可对各种非线性输入信号进行精度极高的线性，显示控制仪集数字仪表与模拟仪表于一体，可对温度、压力、液位、速度等测量信号进行数字量显示控制，（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方式。
图2-4SWP-LED显示控制仪
（2）SWP-X80闪光报警控制仪：
SWP-LED系列闪光报警控制仪可与各种SWP系列控制仪表或其他接点式控制检测仪表配套使用。
可同时检测八路输入信号，八路模、高亮度数码管分别显示各通道的当前状态值。
闪光报警控制仪的输入信号可选择接点式开路报警、接点式闭路报警或TTL电平。
具有多种报警控制输出方式，可自由选择闪光报继电器报警触点控制输出及带报警记忆或不带报警记忆功能。
图2-4SWP-X80闪光报警控制仪
（3）SWP-ND105-010-23-NPID自整定控制仪：
SWP-LCD系列PID自整定控制仪表适用于需要进行高精度测量控制的系统。
SWP-LCD系列PID自整定控制仪集数字仪表与模拟仪表于一体，可对温度、压力、液位、速度等测量信号进行数字量显示控制，使测量值的显示更为清晰直观。
图2-4PID自整定控制仪
（4）SWP-RMD—808多通道巡检控制仪：
SWP-LED带打印多路巡检控制仪集打印、控制及测量显示与一体。
可自动定时、手动即时打印各通道当前测量值。
具有带打印多路巡检控制仪可巡回检测多路测量信号，各通道的输入分度号可为不同的分度号，带打印多路巡检控制仪可选择各输入通道统一报警控制输出或各输入通道分别报警控制输出的功能。
图2-4多通道巡检控制仪
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-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。
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