联合站油水分离控制系统设计Rockwell系统毕业设计.docx

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联合站油水分离控制系统设计Rockwell系统毕业设计

摘要

联合站油水分离过程是将高含水原油处理成合格产品的重要过程。

从控制理论的角度看，此过程具有多变量、干扰因素复杂、非线性、大滞后、压力和界面强耦合的特点。

在本文中，利用DeviceNet现场总线技术对联合站油水分离问题加以解决，建立了联合站油水分离过程的动态模型，并对模型进行了简化处理，研究了输入量与输出量之间的关系以及对干扰的响应，并将其应用于DeviceNet现场总线构建的系统中。

通过前期构建DeviceNet现场总线网络，熟悉DeviceNet设备连接配置、网络组态，后期使用RSLogix500编程，RSView制作监控界面，使联合站对象能够满足基本PID控制要求，而且能够在人机界面上反映出联合站对象的运作情况。

通过数学模型的建立和基于DeviceNet现场总线的系统的构建，从一定意义上解决了联合站油水分离过程中的多变量控制问题。

关键词　联合站油水分离DeviceNet现场总线技术多变量控制

Abstract

Theoil-waterseparationprocessinoilstationisanimportantprocesstochangehighlymoisturecontentcrudeintoqualifiedproducts.Viewedfromtheangleofcontroltheory,thisprocesshasmanycharacteristicslikevariables,factorsthatinterferewithcomplex,nonlinear,timedelay,andthestrongcouplingofpressureandinterface.Inthispaper,oil-waterseparationinoilstationissolvedbytheusingofDeviceNetfieldbustechnology,thedynamicmodeloftheoil-waterseparationinoilstationisestablishedandsimplified,therelationshipbetweentheinputandoutputaswellastheresponsetothedisturbancearediscussed,andallaboveareadoptedinthesystemconstructedbytheDeviceNetfieldbustechnology.ThroughtheearlyconstructingoftheDeviceNetfieldbusnetworkDeviceNetequipmentconfigurationandnetworkconfigurationarewellknown,thenRSLogix500areusedtoedittheprogramme,andRSViewisusedtoconstructthecontrolinterface,sothatthetargetoftheoilstationcanmeetthebasicneedofPIDcontrol,andtheoperatingconditionsofthetargetoftheoilstationcanbereflectedontheman-machineinterface.Themulti-variablecontrolintheoil-waterseparationprocessistosomedegreesolvedthroughtheestablishmentofthemathematicalmodelandthebasedontheDeviceNetFieldbus.

Keywords　oilstationoil-waterseparationDeviceNetfieldbustechnologyonstructionofthesystem

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第1章绪论

1.1联合站油水分离控制系统国内外现状及发展趋势

1.1.1联合站油水分离系统自动控制的意义

联合站油水分离主要通过游离水脱水、沉降脱水、电脱水三个阶段，每个阶段的放水含油和出油含水要求要达到规定的指标，从而实现污水回注和成品油平稳外输目的。

油水分离过程同时要经过加温、加压、加药等工序。

目前，油田原油生产已进入高含水期，联合站的任务变得更加繁重。

较之以前，联合站的工作效率，生产质量，能源消耗，都变得重要起来。

联合站油水分离过程是多入多出系统，且变量间耦合严重，干扰因素多且作用频繁，系统可控性差。

选择适合此过程特点的最优控制策略，开发出一套完善的联合站油水分离过程在线监测与控制系统，故障诊断报警系统具有重大的现实意义。

完善的控制系统能大幅度地节省人力及提高设备利用率。

控制系统使用后应使各阶段出油含水率降低，做到平稳外输：

并且水中含油量减少，使收油泵起停次数降低，每次运行时间减少，延长泵的使用寿命。

出水含油率的降低又可大大降低二次分离的消耗。

[5]

1.1.2国内、外现状及发展趋势

目前，在国内各种规模的联合站中油水分离控制过程大多数还采用手动或半自动控制防水。

即一次仪表加手操器方式或根据经验来控制手动阀门的开启度。

在这个环节上自动化程度很低，急待解决。

而在发达国家同类设备中，已基本上实现了全自动控制，即脱水、加药、污水处理、平稳外输过程的全自动调节及控制。

在这方面，我国处于落后状态的主要原因是传感器及调节仪表的性能质量均达不到要求，现场及操作人员素质欠缺，过去开发的一类型的自动控制系统无法使用等。

近年来，随着各类先进控制产品的引入及操作人员素质的不断提高，采用先进的全自动控制系统来控制脱水过程已经实现，并在不断推广。

就我国而言，联合站自动放水经历了三个主要阶段：

第一阶段：

属于探索阶段，期间各种方式混杂，各种方式在部分领域取得一定发展，由于元件、控制理论的局限，就其根本而言（即保证外输油含水率）是失败的。

第二阶段：

由于计算机技术的发展，以其独立开发的计算机系统或兼容机控制系统为核心，这类系统一般预先设置油中含水率和系统压力等控制参数，通过实时优化软件，根据控制参数的变化、每隔3秒随时调节放水阀及界面，含水率在规定的范围内变化，已基本实现自动控制，但还存在以下不足：

根据经验数据控制分离过程，调试阶段工作复杂，投产使用一段时间后，某些外部关键参数可能变化，这将影响控制的可靠性与稳定性，使放水及输出油指标降低甚至不合格。

由于一次仪表、特别是点位式界面仪的局限性，必然使只有部分数据取自现场仪表，油水界面、油中含水和水中含油指标显示数据非实际值而是计算值。

这样，对于含油率较稳定的站而言是失败的。

第三阶段：

工控机场地总线、集散控制系统阶段。

通过设备网（DeviceNet）采集现场一次仪表参数和控制相关执行机构，通过控制网（ControINet）实现本站系统状态的监测与控制，通过信息网（EtherNet）实现与整个计算机管理信息系统的互连。

油水界面和出油含水检测采用射频导纳连续液位变送器。

这种控制方式，是油水分离智能控制发展的必然趋势，他具有低成本、高可靠性、可扩展性等优点。

1983年，Honeywell推出了智能化仪表，它在原模拟仪表的基础上增加了计算功能的微处理器芯片，在输出的4～20mA直流信号上迭加了数字信号，使现场与控制室之间的连接模拟信号变为数字信号。

之后，世界上各大公司推出了各种智能仪表。

智能仪表的出现为现场总线的诞生奠定了基础。

智能仪表的出现为现场信号的数字化提供了条件，但不同厂商提供的设备通信标准不统一，束缚了底层网络的发展。

现场总线要求不同的厂商遵从相同的制造标准，组成开放的互连网络是现场总线的发展趋势。

现场总线网、智能化设备仪表的发展，不可避免地影响着DCS的体系结构，现在可以看到的一个明显的趋势是DCS的进一步分散化。

传统的DCS，在I/O控制站这一层仍然是一个集中式的结构，有些系统出于成本或其它方面的考虑，将I/O控制站的规模做得很大。

这种考虑包括：

高性能CPU的价格己降得很低，为了充分发挥CPU的能力，可以将一个I/O控制站的点数、回路数扩充，以降低成本。

但是这种设计提高了危险性的集中度，如果为了提高可靠性增加冗余措施，系统成本仍然会上升，因此并不是一个理想的解决方案。

从当前的发展趋势看，利用现场总线网和智能化设备、智能化仪表，加上通用的工控机完全可以组成一个小型的DCS，这就对传统的DCS提出了挑战，因为基于现场总线网的DCS具有很多优越性，无论从系统的成本上、可靠性上，安装使用、维护的方便性及可扩充性上都有很大的优势。

传统的DCS只有在I/O控制站这一层进一步分散化，采用现场总线网技术，形成以现场总线网基础的、以智能I/O模块构成的分布式控制站。

也就是说，将过去DCS中集中式的I/O控制站变成分布式的控制站，在传统DCS网络的下一层再引入一层现场网络，基本控制单元深入到了设备控制这一级，形成设备级网络、控制级网络和管理级网络这样三层网络结构，以此来满足不断提高的应用需求。

[7]

1.2联合站油水分离系统面临的问题

在联合站集输流程中主要分为油、气、水三个系统，油系统主要指的是游离水、电脱水、输油等几个岗位；气系统在联合站只进行计量，不进行控制，水系统包括污水、污水处理、注水等岗位。

油系统的工程流程是全密闭的，水系统中存在许多缓冲罐且都是常压的，因此，一般只在油系统中存在各控制参数的耦合关系。

游离水岗主要控制参数有：

沉降罐液位、沉降罐压力、沉降出油量、沉降放水量、沉降罐出油含水。

电脱水岗主要控制参数有：

脱水器界面、脱水器压力、脱水器油量、脱水器放水量、外输油含水。

主要干扰因素是来液量的变化和来液含水率的变化。

其中

控制输出：

游离水脱除器油出口含水率、放水含油率、系统压力；沉降脱除器油出口含水率、放水含油率、放水含油率、系统压力；电脱水器油出口含水率、放水含油率、系统压力。

操纵输入：

游离水脱除器放水量、油出口流量；电脱水器放水量、油出口流量。

干扰输入：

中转站来液量、来液含水率。

（1）保持游离水脱除器界面平稳

对游离水脱除器来说，脱除器界面是一个重要参数，因为其界面的波动将直接影响到油水分离的效果，为此在每个脱除器上都装有界面子控制系统。

当界面由于某种干扰（如来液含水）而变化时，界面控制子系统就通过改变脱除器放水量和油出口流量来维持界面平稳。

但是来液含水的改变直接影响的是油出口流量，进而影响系统压力。

而游离水脱除器出油量的波动对电脱除出油量的波动对电脱水器来说是一个进液扰动，使电脱水器的界面平稳受到破坏，甚至出现生产事故。

（2）保持游离水脱除器系统压力平稳

对游离水脱除器来说，其系统压力也是一个重要参数，因为若出现高压时处理不及时，很可能造成安全阀跑油等严重事故，压力过低越出限值时，影响电脱水系统操作，严重时电场波动，造成事故。

为此在每个脱除器出油汇管上都装有压力控制子系统。

当压力由于某种干扰而变化时，压力控制控制系统就通过改变脱除器油出口流量来维持压力平稳。

但是出油量和放水量改变将影响到游离水脱除器的界面，而影响到沉降效果。

（3）保持电脱水器界面平稳

对电脱水器来说，从自身平稳操作来说，应保持界面稳定，为此应设置脱水器界面控制子系统，当界面由于某种干扰（如来液量）而变化时，界面控制控制子就通过改变脱水器放水量和油出口流量来维持界面平稳。

但是油出口流量的变化将引起脱水器汇管的压力的波动。

（4）保持电脱水器系统压力平稳

作为电脱水器，其系统压力是一个重要的参数，为保持系统压力平稳，在每个脱水器出油汇管上都装有压力控制子系统。

当压力由于某种干扰而变化时，压力控制子系统就通过改变脱水器油出口流量来维持压力平稳。

但是油出口流量改变将影响到电脱水器界面的平稳。

（5）好油缓冲罐液位与平稳输油之间存在耦合关系

作为好油缓冲罐，其液位是最重要的控制参数，而平稳输油是集输管理所要求的重要指标。

对于好油缓冲罐来说，当液位由于某种干扰（如来油量变化）而变化时，变频器或出口汇管调节阀就通过改变输油泵排量来保持液位的稳定。

而排量的改变将影响到平稳输油，因此，好油缓冲罐液位与平稳输油之间存在耦合关系。

为使各参数间达到最佳耦合关系，一般要根据不同联合站的实际情况建立不同的数字模型—随机、调节、均衡模型，通过系统组态实现整个系统的最佳控制。

1.3系统的主要特点

该课题所使用的控制系统采用了美国AB公司生产的可编程控制器输入/输出单元FLEXI/0构成，各站由DeviceNet现场总线（设备网络）同主控制站连接在一起，上位各管理监控工作站通过DH485网与设备网相连。

每台FLEXI/0工作站连接传感器和执行机构，直接进行脱水工艺控制并同管理监控计算机工作站进行数据交换。

构成了即独立又互相关联的控制系统。

生产现场各站即可脱离管理监控计算机独立工作，又可以由管理监控计算机进行操作。

这样既发挥了管理监控计算机的强大功能和FLEXI/0的高可靠性，又避免了计算机控制方案中计算机系统易破坏或瘫痪使系统无法运行的弊端。

管理监控计算机通过美国ROCKWELL的专业组态软件与每个站（数据采集工作和监视控制工作站）进行数据交换，主要功能如下：

（1）显示现场参数、画面，包括进出口压力、温度、油水界面、油含水率、进出口阀开度、设备工作状态等。

（2）直接通过动画画面直观控制有关参数。

如设定油水界面、手动/自动、手控阀门开度、出口压力设定等。

（3）显示现场参数的趋势图，以利于观察和分析。

包括进口压力、出口压力、油温、油水界面、油含水率的变化趋势。

（4）进行数据记录，按现场要求自动生成打印报表，并定时自动打印和存储。

（5）故障报警：

现场设备出现故障时进行报警，如传感器断线、损坏等；参数超过工艺要求时报警，如超压、含水过高等。

1.3.1系统的可靠性

在仪表选用方面，选用A34W油水界面仪，A34W油水界面仪是A32射频电容物位计中专用于油水界面测量的专用仪表，即用于测量油和水混合后静态分界面，该仪表具有精确性、免维护性和在连续性，所以能准确、实时反映出各油水脱出器的油水界面，从而保证了油中含水和水中含油等各种参数，确保出油和底部防水达到指标。

在控制方面，采用美国A-B公司PLC系统，并使用在NT环境下运行的Rsview32软件，该软件严格地限制了操作者的使用权限，以免引起误操作。

而且损坏的文件具有再恢复性。

保证了系统即具有较高的安全性。

1.3.2系统的灵活性

整个系统分成两级结构。

这个方案有以下优点：

（1）分工协作，各司其职。

PLC全力进行数据采集、计算和控制，而各监控工作站则对整个控制过程或局部控制过程进行监控。

（2）扩展性方便、简单，只须添加相应的模块和PLC，软件上做少量改动就可以扩展到多个罐，完全没有限制。

（3）集中管理、分散控制，将风险分散。

美国AB公司的PLC以运行可靠著称，每台现场工作站FlexI/0只负责控制本地小区域的信号的输入与输出，即使出现故障，只会导致这一小区域停产，并且故障处理只须更换相应模块即可，快捷方便。

监控工作站负责系统进行数据采集、存储、监控。

即使关闭PC机，FlexI/0以前一时间下载的控制模式工作，生产照样可以安全进行。

1.3.3高度自动化

传统控制模式生产数据的采样是二小时一次，特别是油中含水率要经过四十分钟的化验才能得出结果，这样不但不准确，而且需要大量的人力和物力。

而应用集监视、监测和数据采集于一体的Rsview软件平台进行组态，能在监控工作站上实时准确显示出整个系统的各个参数，把工人从繁重的体力劳动中解脱出来，实现了高度自动化。

1.4本次毕业设计的意义及需要解决的问题

本课题的目的就是应用DeviceNet现场总线技术及多变量控制技术于联合站油水分离过程中的多变量控制中。

预期在整个研究过程中，熟悉DeviceNet现场总线规则，学习简单的RSView、SLC500的编程，了解联合站油水分离的具体工艺流程，解决联合站油水分离系统的多变量控制问题。

1.5论文内容编排

第一章是绪论，主要介绍了毕业设计内容的设计背景，并且介绍了以联合站油水分离系统为对象的DeviceNet现场总线组网作为毕业设计的意义；

第二章介绍了系统的理论基础和方案的比较；

第三章介绍了系统的硬、软件设置以及硬、软件设计，以及人机界面的构建；

第四章对于系统的调试进行了介绍；

第五章对于全文进行了总结。

第2章控制系统基础理论

2.1现场总线

2.1.1现场总线概念

现场总线是指在生产现场的测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信、完成测量控制任务的系统，这种开放型的工厂底层控制网络构造了新一代的网络集成式全分布控制系统，因而又被誉为自控领域的局域网。

它沟通了过程控制领域的基本控制设备（如传感器、控制器、智能阀门、微控制器和存储器等）与更高层次自动控制领域的自动化控制设备之间的联系。

这里的现场控制设备指最底层的控制监测、执行和计算设备，包括传感器、控制器、智能阀门、微处理器和存储器等各种类型的仪表产品。

现场总线与各种智能化现场仪表共同组成现场总线控制系统（FCS），也称开放式控制系统（OCS）。

现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。

随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。

现场总线可实现整个企业的信息集成，实施综合自动化，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。

现场总线技术是工业自动化最深刻变革之一。

PLC和工控机采用现场总线后可方便地作为I/O站和监控站连接在DCS系统中。

现场总线基金会总线是一种取代4-20ma标准，用于连接智能现场设备和控制设备的双向数字通讯技术，现场总线具有开放性和互操作性，它使得一些控制功能下移到现场设备中。

现场总线还可以处理复杂的事情：

本质安全、危险场合、多变量的过程以及法规要求严格的环境。

现场总线与模拟回路相比较，具有一系列无法比拟的优点：

大大降低了系统的费用。

仪表系统的电缆配线、安装、操作和维修等方面的费用，由于采用了现场总线，可以节约60％以上。

可以传送多个过程变量。

可以在传输过程变量的同时，将仪表的标识符和简单的诊断信息也一并传送。

这样，有利于带有多变量的数字仪表（如温度、压力、pH值的数字仪表）的开发和应用。

减少了系统的维护量，提高了系统的可靠性。

提高了检测精度。

现场总线的数字信号比4～20mA模拟信号的精度提高10倍。

因此，可以排除在A/D转换中所产生的误差。

减少了I/O装置。

若平均每2～3个仪表接到一根单独的电缆上，则可以减少一半到2/3的I/O卡、I/O柜或I/O文件等。

增强了系统的自治性。

以微控制器为基础的现场设备可以完成许多先进的功能，包括部分控制功能。

这样，就可以将原来的集中的多回路或单回路控制器所完成的功能转移到现场来完成，在现场内实现一般的控制。

采用国际性的现场总线后，可与不同厂家生产的仪表兼容。

总线式结构。

一对传输线（总线）挂接多台现场设备,双向传输多个数字信号。

这种结构比一对一的单向模拟信号传送结构布线简单,安装费用低,维护简便。

[9]

2.1.2现场总线的结构

现场总线网络结构是按照国际标准组织（ISO）制定的开放系统互联OSI（OpenSystemInterconnection）参考模型建立的。

由于现场总线的主要特点是使底层的控制部件、设备更加智能化，把在传统DCS中的控制功能下移到现场仪表。

在此，现场总线的网络通信起了重要作用。

从OSI模式的角度看，现场总线结构模型将原来的7层简化为4层，即物理层、数据链路层、应用层和用户层。

（1）物理层（PL）规定信号格式与连接方式，传输媒介（铜线、无线电、光缆），传输速率（低速H1为31.25Kb/s，高速H2为1Mb/s或2.5Mb/s），每条线路可接仪表的数量（速率31.25Kb/s时无电源和本安要求时为2～32台，有电源的本安要求时为2～6台），最大传输距离（低速Ｈ1为1900ｍ，最多设4个中继器；高速H2:

1Mb/s时为750m，2.5Mb/s时为500m），电源（31.25Kb/s时电源电压为9～32V，输入阻抗为3K，仪表与总线必须隔离）等。

（2）数据链路层（DDL）规定物理层与应用层之间的接口，信息传输的差错检验，信息流的控制方法，决定谁可以访问、何时访问。

网络存取控制方式有令牌传送、立即响应和申请令牌三种方式。

（3）应用层（AL）提供设备之间及网络要求和数据服务，对现场过程控制予以支持，严格定义所传送的信息，使网络上传递的信息在整个系统中具有唯一解释，信息传输的方式包括周期式、立即响应式、一次性方式或使用者请求方式等。

用户层（VL）将数据规格化为特定的数据结构、定义现场总线设备内部信息的存取及将这一信息传送到网络内同一节点或不同节点上其他设备中去的方式，为现场总线进行过程控制提供一个类似于DCS的应用环境。

用户层定义功能块集，并实现功能块的兼容性和互换性。

现场总线不仅是一种信号通讯协议，而且是一种全新的控制过程的方法。

目前，在PLC和工控中使用的主流现场总线协议有西门子的ProfiBus，罗克韦尔自动化的ControlNet和DeviceNet以及基金会现场总线FF等。

2.1.3现场总线的特点与优点

现场总线系统打破了传统控制系统采用的按控制回路要求，设备一对一的分别进行连线的结构形式。

把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块放入现场设备，加上现场设备具有通信能力，因而控制系统功能能够不依赖控制室中的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。

现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。

它把作为网络节点的智能设备连接成自动化网络系统，实现基础控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化的综合自动化功能。

是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。

现场总线系统在技术上具有以下特点：

系统具有开放性和互用性。

通信协议遵从相同的标准，设备之间可以实现信息交换，用户可按自己的需要，把不同供应商的产品组成开放互连的系统。

系统间、设备间可以进行信息交换，不同生产厂家的性能类似的设备可以互换。

系统功能自治性。

系统将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，现场设备可以完成自动控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行状况。

系统具有分散性。

现场总线构成的是一种全分散的控制系统结构，简化了系统结构，提高了可靠性系统具有对环境的适应性。

现场总线支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电和通信，并可以满足安全防爆的要求。

由于现场总线结构简化，不再需要DCS系统的信号调理、转换隔离等功能单元及其复杂的接线，节省了硬件数量和投资。

简单的连线设计，节省了安装费用。

设备具有自诊