自动化仪表与过程控制课程设计.docx

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自动化仪表与过程控制课程设计

西安石油大学

课程设计

电子工程学院

自动化专业

1004班

题目油田接转站监控系统设计----天然气流量控制

学生陶泽文

学号************

指导老师阮岩

二零一三年六月

《自动化仪表与过程控制》

课程设计任务书

题目

油田接转站监控系统设计----天然气流量控制

学生姓名

陶泽文

学号

201005080814

专业班级

自1004班

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熟悉油田接转站的工艺流程,并对加热炉使用的天然气流量进行控制，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接转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

2013年6月20日至2013年6月23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

2013年6月22日

一、基本工艺流程

油田接转站接收各计量站送来的含气原油（压力约0.4MPa，温度25℃）通过缓冲罐（一级分离罐）和分离罐（二级分离）使油、气分离。

分离罐中部的液相原油因位置较高，自动流入原油缓存储罐，罐中原油经原油外输泵加压、加热炉加热后送出。

分离罐顶部的油田气体经干燥器干燥后，一部分引入原油加热炉做燃料，大部外输。

分离罐底部的少量含油污水送水处理厂作回注处理。

设计年处理能力为300万吨原油，原油储罐的缓存时间为12小时，天然气外输量约1万方/日，污水约50方/日。

二、组态软件的历史发展

1. 组态软件产生的背景

　　“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（Distributed Control System简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。

在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。

这些优势主要体现在：

PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已臻成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。

在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。

　　组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。

对应于原有的HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。

在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。

组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。

随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。

2. 组态软件在我国的发展

　　组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入我国。

但在90年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。

究其原因，大致有以下几点：

①国内用户还缺乏对组态软件的认识，项目中没有组态软件的预算，或宁愿投入人力物力针对具体项目做长周期的繁冗的上位机的编程开发，而不采用组态软件；

②在很长时间里，国内用户的软件意识还不强，面对价格不菲的进口软件（早期的组态软件多为国外厂家开发），很少有用户愿意去购买正版。

③当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高，组态软件提供了对大规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并可以将处理的结果生成管理所需的数据，这些需求并未完全形成。

　　随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式。

对项目来说是费时费力、得不偿失的，同时，MIS（管理信息系统，Management Information System）和CIMS（计算机集成制造系统，Computer Integrated Manufacturing System）的大量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。

因此，在1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。

三、工艺介绍

油田接转站接收各计量站送来的含气原油（压力约0.4MPa，温度25℃）通过缓冲罐（一级分离罐）和分离罐（二级分离）使油、气分离。

分离罐中部的液相原油因位置较高，自动流入原油缓存储罐，罐中原油经原油外输泵加压、加热炉加热后送出。

分离罐顶部的油田气体经干燥器干燥后，一部分引入原油加热炉做燃料，大部外输。

分离罐底部的少量含油污水送水处理厂作回注处理。

设计年处理能力为300万吨原油，原油储罐的缓存时间为12小时，天然气外输量约1万方/日，污水约50方/日。

四、系统分析

二级泵输出管道使用流量计测量流量，将测量值与给定值进行对比后，得到的偏差值，经变频器后转换电机的调节信号，当测量流量大于给定值时，需要给电机一个负的调节信号，使流量减小，当测量值小于给定流量时，需要给电机一个正的调节信号，来增大输出流量，因此选用负反馈。

由于PID调节器具有动作速度，减小超调，克服震荡，和消除静差等优势，它综合了各类调节器的优点，所以又更高调节质量，不管对象之后，负载变化，反应速度如何基本都能适应，故在此系统中我们采用PID规律。

根据已知的工艺流程可以画出单回路系统的系统方框图

五、控制规律的选择

尽管不同类型的控制器，其结构、原理各不相同，但是基本控制规律只有三个：

比例（P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制。

这几种控制规律可以单独使用，但是更多场合是组合使用。

如比例（P）控制、比例-积分（PI）控制、比例-积分-微分（PID）控制等。

比例（P）控制

　　单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高。

比例积分（PI）控制

　　比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。

　　比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。

由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。

但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。

对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。

比例微分（PD）控制

　　比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。

尤其是对容量滞后大的

对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。

比例积分微分（PID）控制

　　最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。

它集三者之长：

既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。

选择比例积分微分（PID）控制作为流量控制

PID参数的整定

在选择了调节规律和调节器之后，下一步的问题就是整定参数，以得到某种意义上的最佳过渡过程，和最佳过渡过程相对应的调节器参数值称为最佳整定参数。

一般较通用的标准是上面所述的典型最佳过程，即要求在阶跃扰动下被调量得波动具有衰减率在0.75左右，在这前提下尽量满足准确性和快速性，即绝对误差的积分时间最小。

在这里我们选用衰减曲线法进行参数的整定，衰减曲线法是在总结“稳定边界法”和其他一些基础方法的基础上，经过反复试验得出来的。

这种方法不需要得到临界振荡过程即可求得比例度，步骤简单，比较安全。

假定是要求衰减率达到0.75的过程，先把调节器改成比例作用（Ti=∞，Td=0），放在某一比例度，由手动投入自动，在达到稳定状态后，适当改变给定值，观察调节过程的衰减比，如果达不到衰减比1/4，则相应改变比例度，直到达到规定衰减比为止，记下此时的比例度Ps以及周期Ts1,然后根据相应的经验值公式选取参数。

在采用PID调节规律时，为了避免在切换时由微分作用引起初始振荡，可先将比例度放在稍大的数值，然后放积分时间，再慢慢放上微分时间，最后再把比例度减小到计算值。

PID调节规律下的公式如下

经整定后的参数为：

P=1.5Ti=8.0T=1.0

六、仪表选型

产品名称:

涡轮流量计

产品型号:

LWGY/LWGB/LWY/LWYA

产品展商:

上海科迪仪表有限公司

1. LWGY系列涡轮流量计具有结构简单、轻巧、精度高、复现性好、反应灵敏，安装维护使用方便等特点，广泛用于石油、化工、冶金、供水、造纸等行业，是流量计量和节能的理想仪表。

适用于在工作温度下粘度小于5×10-6m2/s的介质，对于粘度大于5×10-6m2/s的液体，要对传感器进行实液标定后使用。

2．产品特点

    高品质涡轮，超出常规的量程范围

    多种变送器，适用于不同应用要求

    智能化处理独具特色的仪表系数多点非线性修正

    标准流量校验装置保证产品精度

    100%压力测试，100%产品校验

    脉冲、两线制4-20mADC电流等信号输出

    仪表系数、累计流量值掉电保持十年不丢

七、组态软件运行画面

1.趋势画面

2.工艺流程画面

3.报警画面

4.策略画面

八、设计总结

通过对本次的课程设计,让我对工业流程以及工业控制有了初步的了解.

在实验室时，我认真听取老师的讲授,并且跟着老师的步骤一步一步的做,在实验室以外,我认真查阅并收集资料,最终独立完成任务.

在完成任务的同时,我还收获了知识，收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。

更重要的是，在实验课上，我学会了很多学习的方法。

而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。

要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。

九、参考资料

《自动化仪表及过程控制》课程设计指导书阮岩

《自动化仪表及过程控制》施仁刘文江郑辑光

其他资料来自网络