油田工业污水处理站监控系统设计过滤池水位控制.docx
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油田工业污水处理站监控系统设计过滤池水位控制
西安石油大学
课程设计
电子工程学院自动化专业
自动化1104班
题目油田工业污水处理站监控系统设计——过滤池水位控制
学生
指导老师阮岩
二○一四年六月
《自动化仪表与过程控制》
课程设计任务书
题目
油田工业污水处理站监控系统设计——过滤池水位控制
学生姓名
学号
专业班级
设
计
内
容
与
要
求
本次课程设计的目的是熟悉过程控制系统的组态和调试，掌握自动化仪表与过程控制的基本应用，加深和巩固本课程及相关课程的知识，要求完成如下内容:
1.熟悉油田工业污水处理站的工艺流程,并对过滤池A水位检测控制，并在图中标注,要求实现高（防止外溢）、低（防止出现抽空事故）报警。
请分析其工作过程。
2.依据工艺流程和基本数据,对所用仪表作出选型；
3.对控制回路画出方框图，写出所选控制规律，及参数整定方法；
4.了解组态软件的历史、发展及国内外现状，熟悉组态软件的应用，利用力控组态软件做出油田工业污水处理站监控系统的组态设计，并在报告中写出组态过程如：
I/O端口分配、I/O点组态参数说明、控制回路组态说明等。
最终要求做出工艺流程画面、趋势画面、报警画面，并利用软件提供的模拟对象，实现系统的自动控制。
5．完成课程设计报告。
起止时间
年月日至年月日
指导老师签名
阮岩年月日
系（教研室）主任签名
年月日
学生签名
年月日
目录
1摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
2基本工艺流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
3仪表选型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
3.1技术数据．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
3.2仪表选型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
4控制回路及参数整定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
4.1控制回路方框图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
4.2控制规律．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
4.3气开气关选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
4.4选择器正负．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
4.5参数整定方法：
临界比例度法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
5组态软件的发展历程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
5.1组态软件发展背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
5.2组态软件国内外现状．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
6附组态运行画面．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
6.1工艺画面．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
6.2趋势画面．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
6.3报警画面．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
1摘要
油田污水中含有大量的含油污泥、硫化物等,直接排放对环境会造成很严重的污染,本文针对油田污水处理工艺流程,并根据污水处理的控制要求,开发了一套经济高效,结构紧凑,技术含量高的含油污水处理全程自动监控系统。
文章分别从系统的总体构架设计,PLC控制器和变频控制器的设计,硬件的实现,下位机、上位机软件实现,这几个方面阐述。
论文根据目前国内外油田污水处理监控系统主流趋势,结合江汉油田王场第一联合站的工业现场环境,深入了解用户的需求之后,确定采用以SIEMENSS7-300系列PLC为核心控制器的小型集散系统构架,并根据控制任务选型仪表设备。
同时,针对控制功能的需求,采用传统的闭环PID算法和模糊自整定PID算法相结合的控制器设计方案,对加药量和pH值实现了可靠、稳定、实时的变频控制效果。
系统采用SIEMENSS7-300系列PLC配套的SIMATICStep7开发软件对下位机程序开发,其中自动加药子系统通过控制变频器的频率来控制投药泵和搅拌电机,自动排泥子系统通过控制进口阀和出口阀的憋压时间和排泥时间来控制排泥效果。
上位机人机界面选用功能强大的FameView组态软件,实现了画面丰富、动态显示、按钮操作的程控功能,数据报表显示和打印功能,故障诊断和报警功能。
文章综述了系统的运行状况,对先进智能控制算法作了一定的阐述,可以系统后续开发的方向。
本文通过研究分析,实现了一个功能强大、运行可靠、性能稳定的油田联合含油污水处理监控系统。
关键词：
污水处理；组态软件；自动控制系统。
2基本工艺流程
从各计量站、联合站送来的含油工业污水，经入口计量后进入暴汽沉砂池，经稳定沉降，脱除油、气、砂的大部分，然后泵送到过滤池，经三级过滤后进入清水池，最后由取水泵送往各注水站。
设计沉砂池容积为6*5000立方米，深度4m，过滤池容积为4*500，深度4m。
设计系统日处理量为10000吨/日。
3仪表选型
3.1技术数据
1）测量范围：
表压：
-100kPa~0~1kPa~260MPa
差压：
0~500Pa~3.5MPa
绝压：
0~10kPa~60MPa
2）精度等级：
0.05级、0.1级、0.2级、0.5级
3）显示方式：
5位数字动态显示，百分比棒形图
4）过载压力：
1.5-3倍的量程，视测量范围而定
5）内置电源：
3.6V高能锂电池
6）介质温度：
-40℃～85℃
7）工作环境：
温度：
-30℃～60℃；
湿度：
＜90%
温度：
0℃～50℃（0.05级使用温度）；
湿度：
＜90%
校正参比环境:
20℃±2℃
8）防爆级别：
ExiaIIBT4；
9）过程连接：
M20×1.5（外螺纹）或根据用户要求;
10）可选附件：
高档铝合金手提箱。
3.2仪表选型：
3.2.1液面及界面测量应选用差压式仪表、浮筒式仪表和浮子式仪表。
当不满足要求时，可选用电容式、射频导纳式、电阻式（电接触式）、声波式、磁致伸缩式等仪表。
料面测量应根据物料的粒度、物料的安息角、物料的导电性能、料仓的结构形式及测量要求进行选择。
仪表的结构形式及材质应根据被测介质的特性来选择。
主要的考虑因素为压力、温度、腐蚀性、导电性;是否存在聚合、粘稠、沉淀、结晶、结膜、气化、起泡等现象;密度和密度变化;液体中悬浮物的多少;液面扰动的程度以及固体物料的粒度。
仪表量程应根据工艺对象实际需要显示的范围或实际变化范围确定，一般应使正常物位处于仪表量程的50%左右。
仪表精度应根据工艺要求选择。
用于可燃气体、蒸汽及可燃性粉尘等爆炸危险场所的电子式物位仪表，应根据所确定的危险场所类别以及被测介质的危险程度，选择合适的防爆结构形式或采取其他的防爆措施。
用于腐蚀性气体及有害粉尘等场所的物位仪表，应根据使用环境条件，选择合适的外壳材质及防护等级。
对于液面连续测量，宜选用差压式仪表;对于界面测量，可选用差压式仪表，但要求总液面应始终高于上部取压口。
腐蚀性液体、结晶性液体、粘稠性液体、易气化液体、含悬浮物液体宜选用平法兰式差压仪表;高结晶的液体、高粘度的液体、结胶性的液体，沉淀性的液体宜选用插入式法兰差压仪表;以上被测介质的液面如果气相有大量的冷凝物、沉淀物析出，或需要将高温液体与变送器隔离，或更换被测介质时需要严格净化测量头的，可选用双法兰式差压仪表。
腐蚀性液体、粘稠性液体、结晶性液体、融熔性液体、沉淀性液体的液面在测量精度要求不高时，宜采用吹气或冲液的方法配合差压变送仪表进行测量。
对于在环境温度下，气相可能冷凝、液相可能气化，或气相有液体分离的对象，在使用普通差压仪表进行测量时，应视具体情况分别设置冷凝容器、分离容器、平衡容器等部件，或对测量管线保温、伴热。
根据差压式仪表的这些特点，在本课程设计中应选差压式仪表。
3.2.2变频控制器
KLVF200智能水泵变频控制器（南京科南水务工程设备有限公司）
3.2.3变频泵
全自动变频泵型号：
cshx 规格：
HBW 品牌：
HX
性能参数：
口径：
40------200mm
流量：
80------1380m\3h
扬程：
16------180m
转速：
1480、2900r/min
贮水池面积：
12-------600m3
主要功能：
通过数码显示器显示频率，设定压力以及实际压力。
4控制回路方框图，控制规律，气开气关选择，控制器正负，参数整定方法
4.1控制回路方框图
4.1.2控制规律：
比例积分微分调节（PID调节）
比例调节器对控制作用和扰动作用的响应都很迅速，调节整定简便，但是存在静态误差；积分调节可以消除静差，但是它的动态误差最大，而调节器调节阀过滤池检测变送器给定值—且调节时间也最长；微分调节可以调节系统的稳定度，使系统比例系数增大而加快调节过程，减小动态偏差。
这个实验是对压力的调节，采用比例积分微分控制，可以达到更高的调节质量，减小对象迟滞，使反应速度加快，而且系统稳定。
4.2控制规律
选择比例调节，液位控制允许有静态误差是，通常不选积分微分调节。
4.3气开气关选择
调节阀选择气关式（主要从安全角度考虑）。
4.4选择器正负
选择控制器为负。
4.5参数整定方法：
临界比例度法
参数整定步骤：
（1）让调节器参数积分系数S0=0，实际微分系数k=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数S1，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。
（2）取比例系数S1为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数S0，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。
（3）积分系数S0保持不变，改变比例系数S1，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。
否则，将原比例系数S1增大一些，再调整积分系数S0，力求改善控制过程。
如此反复试凑，直到找到满意的比例系数S1和积分系数S0为止。
（4）引入适当的实际微分系数k和实际微分时间Td，此时可适当增大比例系数S1和分系数S0。
和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。
PID调节规律为：
P（%）=1.7Pm，Ti=0.3Ts1，Td=0.1Ts1。
参数整定结果为：
P（%）=1.7×0.18=30.6%，Ti=0.3×8=2.4（min）
Td=0.1×8=0.8（min）。
5组态软件的发展历程
5.1组态软件发展背景
监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。
60年代虽然计算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓慢。
70年代初期，微处理器的出现，促进了计算机控制走向成熟。
首先，微处理器在提高计算能力的基础上，大大降低了计算机的硬件成本，缩小了计算机体积，很多从事控制仪表和原来一直就从事工业控制计算机的公司先后推出了新型控制系统，这一历史时期较有代表性的就是1975年美国Honeywell公司推出的世界上第一套DCSTDC－2000，而随后的20年间，DCS及其计算机控制技术日趋成熟，得到了广泛应用，此时的DCS已具有较丰富的软件，包括：
计算机系统软件（操作系统）、组态软件、控制软件、操作站软件、其它辅助软件（如通讯软件）等。
这一阶段虽然DCS技术、市场发展迅速，但软件仍是专用和封闭的，除了在功能上不断加强外，软件成本一直居高不下，造成DCS在中小型项目上的单位成本过高，使一些中小型应用项目不得不放弃使用DCS。
80年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统（OpenSystem）概念的推广，基于个人计算机的监控系统开始进入市场，并发展壮大。
组态软件做为个人计算机监控系统的重要组成部分，比PC监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。
这是因为，第一，很多DCS和PLC厂家主动公开通讯协议，加入“PC监控”的阵营。
目前，几乎所有的PLC和一半以上的DCS都使用PC做为操作站。
第二，由于PC监控大大降低了系统成本，使得市场空间得到扩大，从无人值守的远程监视（如防盗报警、江河汛情监视、环境监控、电信线路监控、交通管制与监控、矿井报警等）、数据采集与计量（如居民水电气表的自动抄表、铁道信号采集与记录等）、数据分析（如汽车/机车自动测试、机组/设备参数测试、医疗化验仪器设备实时数据采集、虚拟仪器、生产线产品质量抽检等）到过程控制，几乎无处不用。
第三，各类智能仪表、调节器和PC－Based设备可与组态软件构筑完整的低成本自动化系统，具有广阔的市场空间。
第四，各类嵌入式系统和现场总线的异军突起，把组态软件推到了自动化系统主力军的位置，组态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂。
5.2组态软件国内外现状
目前中国市场上的组态软件产品按厂商可大致划分为三类，即国外专业
软件厂商提供的产品，国外硬件或系统厂商提供的产品，以及国内自行开发
的国产化产品。
从近几年的调查结果来看，国内组态软件市场大部分份额仍
被国外几家组态软件占据。
（1）美国Wonderware公司的InTouch InTouch堪称组态软件的“鼻祖”，率先推出的16位Windows环境下的组态软件，在国际上曾得到较高的市场占有率。
InTouch软件的图形功能比较丰富，使用较方便，但控制功能较弱。
其I/O硬件驱动丰富，但只是使用DDE连接方式，实时性较差而且驱动程序需单独购买。
它的5.6版（16位）很稳定，在中国市场也普遍受到好评。
7.0版（32位）在网络和数据管理方面有所加强，并实现了实时关系数据库，但其实只是在SQL Server上增加了数据传输插件。
在32位Windows环境下，InTouch已受到其他产品的猛烈冲击。
（2）美国Intellution公司的FIX FIX产品系列较全，包括DOS版、16位Windows版、32位Windows版、OS/2版和其他一些版本，功能较InTouch强，但实时性仍欠缺，总体技术一般。
其I/O硬件驱动丰富，只是驱动程序也需单独购买。
最新推出的iFIX是全新模式的组态软件，思想和体系结构都比较新，提供的功能也较为完整。
（3）澳大利亚CIT公司的Citect Citect是组态软件中的后起之秀，在世界范围内扩展得很快。
Citect产品包括16位和32位Windows版，它的计算机味道很浓，与其他软件有很多不同的地方，界面部分很漂亮，很吸引人，但使用的方便性和图形功能不及InTouch，且版本升级较慢，一直没有很大的体系改变。
其控制算法比较好，I/O硬件驱动相对比较少，但大部分驱动程序可随软件包提供给用户。
（4）德国西门子公司的WinCC 新版软件有了很大进步，但体系结构还是比较老的思想，在网络结构和数据管理方面要比iFIX差，但也属于比较先进的产品之一。
西门子似乎仅是想把这个产品当作其硬件的陪衬，对第三方硬件的支持也不热衷，若选用西门子硬件，能免费得到WinCC，所以对于使用其他硬件的用户，不是个好选择。
中国市场常见的其他国外专业软件公司的组态软件产品还有原美国Heuristics公司的ONSOPEC，原美国Intec Control公司的PARAGON，美国Iconics公司的Genesis，以色列PC SOFT公司的WIZCON以及美国U.S.Data公司的Factory Link等。
然而这些产品由于种种原因，目前所占有的市场份额相对都比较小。
近年来一些国外著名硬件或系统厂商推出了日趋成熟的组态软件产品，如美国GE公司的Cimplicity，美国AB公司（Rockwell自动化）的RSView。
这些组态软件一改过去仅为其本身硬件配套的OEM形式，通过大力加强对其他硬件产品的驱动支持和软件内部的各种功能，而发展成为专业化的通用组态软件。
国产化的组态软件产品也正在成为市场上的一支生力军，近年来已有一定影响力的产品有组态王、SYNALL、MCGS、天工、ControlX、虎翼、力控等。
国内有不少单位，如一些高校、研究所、公司，甚至一些个人正在积极地搞组态软件产品的开发。
国产化的组态软件具有较强的价格竞争优势，但总的来讲，由于资金来源缺乏，软件工程的组织薄弱，因此软件商品化的程度还比较差。
目前国产化组态软件主要应用于一些小型的、非重要性的项目中。
下面列举并介绍一些有代表性的国内组态软件。
（1）北京亚控公司的组态王
组态王是国内较早出现的组态软件产品之一。
早期的组态王仿照InTouch，只是个人机接口，到了5.1版本，在数据管理和开放性方面有了一些改进。
但体系结构却没有实质性地突破。
没有摆脱早期形成的不合理的程序构架。
其网络功能较为薄弱，支持不了真正意义上的分布式系统。
6系列版本的结构从广告宣传上看应该很不错。
（2）北京昆仑通态公司MCGS 其思想比较独特，属于很另类的产品，有很多特殊的概念和使用方式。
（3）SYNALL是独特的产品，但使用起来有点别扭，网络方面有独到之处，但效率和稳定性还有待提高。
（4）哈尔滨华富公司的ControX2000是比较新的组态软件 其产品体系结构非常象iFIX，界面漂亮，使用起来也比较方便，有许多自己的特色。
但从它DEMO版运行效果来看，执行代码的运行效率不是很高，特别是图形处理环节，似乎有些缺陷。
DEMO运行也不十分稳定。
用一些分析工具观察其执行的结构，感觉其程序结构设计不十分合理，代码重用率低。
6附组态运行画面
6.1工艺画面
6.2趋势画面
6.3报警画面
参考文献
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[8]李波,周世俊.含油污水处理技术[J].辽宁化工.2007年01期
[9]葛军德.SAAB雷达液位计的原理及应用[J].内蒙古石油化工.2006年09期
[10]张民.浅谈现场总线及发展前景[J].青海科技.2005年01期
致谢
经过近一周的学习与讨论，本次油田工业污水处理站监控系统设计终于顺利完成。
这主要归功于老师的及早安排与督促，以及同学们不断的帮助。
在这里，首先我要衷心感谢我的指导老师，平日里工作繁忙，在课程设计之前几个周，老师就开始给我们布置课题，给了我们足够的时间去查阅资料与确定控制方案，并在做过程控制实验中逐渐为我们讲述组态王软件的基础知识，使我们对组态王软件的使用有一个初步的认识，这样也方便以后我们对组态王软件更加深入的学习。
通过本次课程设计，很好的锻炼了我理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。
既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。
本次设计中，图书馆和网络是我们不可或缺的帮手。
同时还有同学不断的帮助我改正在使用组态软件时的错误。
在此，感谢同学们的帮助以及老师在此次实验中的指导。
由于设计水平有限和时间的仓促，本文中难免有错误和不妥之处，请给予批评指正。
谨以此向老师和帮助过我的同学致以崇高的敬意和衷心的感谢！
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