计算机控制技术课程设计.docx
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计算机控制技术课程设计
第一章绪论
1.1国内外集油站现状
目前,我国大部分油田已处在开发后期,采出液含水率较高,原油在处理、输送、储备过程中造成很大的能源损耗。
在整个油气集输系统中,能量消耗最多的就是集油站。
科学有效地对集油站进行用能分析评价和潜力预测,可以有效降低集油站的能耗,为企业带来更大的经济效益,具有重要的现实意义。
分析集油站的工艺流程特点,以及主要能耗设备,判定出集油站节能的潜力,通过节能改造为企业带来可观的经济效益,因此印证了对集油站进行能耗分析的必要性。
通过比较集油站和石化企业用能的相近性,采用石化企业的能量分析方法―“三环节”法分析集油站能耗情况。
美国海湾石油公司于1954年十月，建立了世界上第一套自动监控输送系统装置（简称LACT）。
解决了原油的自动收集、处理、计量和输送问题。
到1967年底，美国陆地石油公司已有75%的原油采用LACT装置。
在LACT应用的同时一些原油处理站出现了以闭环控制为特点的自动控制系统。
20世纪90年代，DCS的功能越来越强，工作也越来越可靠，所以集油站开始使用DCS技术进行控制。
美国OPTO22公司于1996推出新型ME系统，它建立在OPTO22公司二十多年的I/O控制系统的开发、设计和应用基础上新城才几度更高的系统。
就这样发展成现在的FCS控制系统并继续发展。
以纯梁首站为例进行能耗分析,根据工艺流程和用能设备的特点划分纯梁首站用能的三个环节,建立纯梁首站的“三环节”物理结构模型,构造纯梁首站的“三环节”数学模型,同时绘制出纯梁首站的能流图,给出各个环节的评价指标。
文中对于各个环节补充提出热能有效消耗率ξCh、电能有效消耗率ξCe、单位有效用能λ、有效回收利用率ηR'等分析指标。
通过能量分析诊断出系统用能的薄弱环节,指出纯梁首站的能耗主要集中在耗能设备和余热未被回收利用这两个方面,对此提出改进加热炉的运行状况,回收污水余热和高温外输原油余热等措施,达到了节能的效果,改造后纯梁首站年节省燃料油1057.25吨/年,节约电量67097kw·h/年,年回收利润约为424万余元。
集油站的自动化程度越来越高，所以设计好一个计算机监控系统，对能源的利用及生产利润的提高是十分重要的。
1.2集油站的工艺方法及流程图
1.2.1集油站的工艺流程
某集油站工艺流程图如下：
从各个油井或计量站来的油水混合液先进入两个四相分离器，进行油、水、气、沙四相分离，分离出来的水经过掺水泵送到各计量站掺水获对地下注水；分离出来的原油经过脱水器再次脱水，经过稠油泵送往200
的大罐储存销售；还有一部分油水混合液经过外泵再进行热交换（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）监控两个四相分离器上油室、水室的液位、温度、压力及报警。
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，控制各个泵的启、停，显示其运行状态及报警。
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）遍布整个站区的十六处气体浓度监测及报警。
1.2.2某油田集油站工艺流程图
图1-1某油田集油站工艺流程图
第二章系统总体方案设计
2.1系统的初步分析
根据工艺流程图所示，系统需要对液位、温度、压力、气体浓度进行检测，并对各泵运行状状况实时显示。
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、最小相对应的4-20mA电流信号，都是模拟量输入信号。
各泵运行状况则为对应的数字量输入信号，所以要选用不同的输入模块。
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模拟量输入板卡控制。
控制原理是：
油室、水室的当前液位信号经由液位变送器送入模拟量输入板卡中，与工控机主机中的人工给定值进行比较，输出4-20mA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交流电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、停是对应的数字量输出信号，还需要对各个泵的状态进行显示，这样就使用一个数字量输出模块和一个数字量输入模块就好了。
2.2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，如下图所示：
表2-1某油田集油站监控系统I/O变量表
序号
设备名称
总点数
控制要求
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
8
泵的前后压力
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
8
泵的前后压力
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
8
泵的前后压力
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
换热器前后混合液的温度
2*2=4
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，以下是每个点的参数表，其每个值都与现场完全对应，以下仅模拟两个：
表2-2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
报警上线
报警下限
偏差报警
正常值
1-1
SISY
一号四相分离器水室液位
AI
m
mA
10
0
9
1
1
5
1-2
SISYK
一号四相分离器水室液位控制信号
AO
℃
mA
100
0
80
30
10
50
表2-3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
信号上限
信号下限
逻辑极性
2-1
DIQD
一号掺水泵启动
DO
1
V
24
0
正
2-2
CIZK
一号掺水泵运行状况
DI
1
V
24
0
正
第三章硬件系统设备选型
3.1板卡的选型
由前面分析可知，监控系统可采用一台工控机，下面连接研华ADAM4000或ADAM5000系列模块和PIC板卡来构成。
1）两台四相分离器油室、水室的液位、温度、压力共有12路模拟量监测信号；
2）两个掺水泵的前后压力共有4路模拟量监测信号；
3）两个外输泵泵的前后压力共有4路模拟量监测信号；
4）两个稠油泵的前后压力共有4路模拟量监测信号；
5）两个换热器前后混合液的温度共有4路模拟量监测信号；
6）一个脱水器的液位、温度共有2路模拟量监测信号；
7）一个事故罐的液位、温度共有2路模拟量监控信号；
8）站区气体浓度一共有16路模拟量监控信号。
由上可知，总计需要监测的模拟量一共有48路输入信号，所以可以选用研华公司的16位，46路模拟量输入卡PIC-1747U就好了。
产品特点：
64路单端或32路差分模拟量输入，或组合输入方式
16位高分辨率
250KS/s采样速率
自动校准功能
单极/双极输入范围
用于AL的1024采样FIFO
总线主控DMA数据传输
通用PCI总线
BoardID开关
PCI-1747U研华PCI-1747U250KS/s，16位，64路模拟量输入卡的详细资料：
PCI-1747U是一款高分辩率高通道计数模拟量输入PCI总线卡。
它的采样速率可达250KS/s，提供在部分数据采集应用所需的16位分辩率。
PCI-1747U提供64路单端，32路差分模拟量输入或组合输入。
它还带有用于模拟量输入数据的1K采样FIFO缓冲区。
3.2模块的选型
模块的选择如下：
1）两台四相分离器油室、水室的液位恒定控制总共有4路控制，可选择4路模拟量输出模块研华ADAM-4024；
2）两个掺水泵，两个外输泵，两个稠油泵总共有6个运行状态显示，则有有6路数字量输入，可选择8路数字量输入模块研华ADAM-4052；
3）两个掺水泵，两个外输泵，两个稠油泵总共有6个控制泵起、停的输出量，可选择8路继电器输出模块研华ADAM-4068
4）还要使用一个信号转换器模块研华ADAM-4520来对RS-232到RS-485进行转换。
产品介绍：
1）4路模拟量输出模块ADAM-4024；12位分辨率、单通道mA或V输出、4路数
字量输入、3000VdcD/A、可编程输出斜率:
0.125-128.0mA/秒,0.0625-64V/秒
隔离数字量输入模块ADAM-4052；6路完全独立隔离的通道、2路共地通道、隔离电压:
5000VRMS
3）8路继电器输出模块ADAM-4068；I/O类型:
8路C型;接点功率:
AC:
125V@0.6A;250V@0.3A,DC:
30V@2A;110V@0.6A;开关时间:
继电器接通时间（典型）:
3毫秒继电器断开时间（典型）:
1毫秒;LED指示灯;支持Modbus/RTU控制
4）隔离RS-232到RS-422/485转换器ADAM-4520；自动内部RS-485总线监督;自动数据流控制;最高采样速率115.2kbps;3000Vdc隔离保护（ADAM-4520）
3.3总体设备清单
表3-1集油站监控系统设备清单表
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/1.4M/50X
1台
22寸彩显
22寸CRT
22寸飞利浦彩显
1台
UPS电源
山特3KVA
3KVA0.5小时
1台
彩色打印机
惠普
A3彩色喷墨打印机
1台
2
软件部分
操作系统
Windows2000NT
Microsoftwindows2000NT
1套
组态软件
Kingview6.51
北京亚控“组态王6.51”
1套
3
板卡及模块部分
AI板卡
研华PIC-1747U
64路单端或32路差分模拟量输入板卡
1块
AO模块
研华ADAM-4024
4路模拟量输出模块
1块
DI模块
研华ADAM-4052
八路隔离数字量输入模块
1块
DO模块
研华ADAM-4068
八路继电器输出模块
1块
信号转换器
研华ADAM-4520
RS-232到RS-485转换器
1块
第四章监控系统详细设计
监控系统采用一台研华工控主机，配22寸飞利浦液晶显示器，带有UPS电源的A3幅面彩色喷墨的打印机。
系统选用四路模拟量输出模块来进行四相分离器油室、水室的液位恒定控制。
监控系统方案硬件示意图及输入输出原理图如下：
图4-1集油站监控系统方案硬件示意图
图4-1集油站监控系统输入输出原理图
第五章结论
通过对集油站控制系统的硬件设计，我了解了集油站的工作过程及工艺。
它是从各个油井或计量站来的油水混合液先进入两个四相分离器，进行油、水、气、沙四相分离，分离出来的水经过掺水泵送到各计量站掺水获对地下注水；分离出来的原油经过脱水器再次脱水，经过稠油泵送往200
的大罐储存销售；还有一部分油水混合液经过外泵再进行热交换（加热）后往其他集油站外输。
油气集输系统是油田生产的重要组成部分，集油站作为油气集输系统的核心，其工艺技术是否先进，能量利用是否科学合理，对生产成本也有着重要的影响。
这次设计的完成除了通过查阅资料以外，最重要的还是老师对我们的辅导，通过老师对板卡、模块等进行介绍，我们才能这么顺利地完成这个设计。
参考文献
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机械工业出版社．2009年1月第1板．第五次印刷。
[2]徐竟天，汪跃．《石油安全工程》课程设计指导书[M]．西安：
西安石油大学出版社．2006：
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重庆大学出版社．2007：
45-64．
[4]刘合，等．油田联合站技术系统控制技术[M]．北京：
石油工业出版社．2003．5：
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[5]孔德任，王芳，等．仪表总线技术及应用[M]．北京：
国防工业出版社．2010:
60-99．
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