04 惠晨.docx
《04 惠晨.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《04 惠晨.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
04惠晨
西安石油大学
课程设计
电子工程学院自动化专业自0701班
题目《计算机控制技术》课程设计
集油站计算机监控系统软件设计三（采用板卡、PLC方案）
学生惠晨
指导老师徐竟天
二○一○年十二月
《计算机控制技术》
课程设计任务书
题目
集油站计算机监控系统软件设计三（采用板卡、PLC方案）
学生姓名
惠晨
学号
200705080111
专业班级
自0701
设
计
内
容
与
要
求
课程设计主要完成某集油站计算机监控系统的软件设计。
要求运用已学过的组态软件《组态王6.51》软件知识，完成集油站系统监控软件中的工艺流程模块、曲线图模块、报表模块、实时参数模块等各模块的设计。
同时要求进一步熟悉相关计算机监控系统的硬件组成与方案，学会计算机监控系统软件设计的步骤和方法，培养学生初步设计小型计算机计算机监控系统软件编程的能力。
课程设计内容及基本要求如下：
1.熟悉集油站工艺流程、监控目标及要求。
2.熟悉常用的监控系统硬件参数与选型，了解其工作原理。
3.学会计算机监控系统组态软件编程。
4.完成集油站计算机监控系统软件中的工艺流程模块、曲线图模块、报表模块、实时参数模块等各子模块的设计。
5.课程设计时间一周，完成课程设计报告。
起止时间
2010年12月20日至2010年12月26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
一、绪论4
二、课程设计内容简介4
2.1课程设计简介4
2.2设计的主要内容5
2.3集油站工艺流程简介6
2.4集油站监控目标及要求6
三、集油站硬件设计7
3.1集油站的初步分析7
3.2系统硬件选型与介绍8
3.3常用PLC参数介绍及其工作原理9
四、集合站软件设计11
4.1组态王软件简介11
4.2组态王与下位机的通讯11
4.3软件设计的总体方案12
五、软件设计的具体方案12
5.1创建新工程12
5.2画面设计15
5.3定义外部设备数据变量15
5.4动画连接20
5.5报警和事件20
5.6曲线模块23
5.7报表模块25
六、总结27
参考文献28
一、绪论
集油站是油田原油集输生产中最重要的生产工艺过程,它是集油水分离污水处理原油及天然气集输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.目前,各大油田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.
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方法,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.
在油田集油站生产过程中,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,保证集油站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.
二、课程设计内容简介
2.1课程设计简介
国内油气集输、油气采集等技术较国外处于落后阶段,大多数数据采集仍然依靠人工完成,虽然在一定程度上已建立了石油管理局一级的管理信息系统,但油井现场的数据还不能实现无缝实时上传,无法实现高效的采油调度管理.为满足各油田数据采集的需要。
从90年代开始，一些自动化设备与技术才慢慢的被引进油气生产中，在经过几十年的发展应用后，油田集油站监控系统已经逐渐向国际化靠拢。
目前，油田远程监控系统已经应用于石油行业,实时采集设备工作状态信息,实现对现场数据的采集分析以及设备监控,从而以达到采油的自动化和可视化并及时了解设备的运行情况来提高安全水平与经济效益的目的。
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。
在油田集油站生产过程中，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，保证集油站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。
2.2设计的主要内容
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的误差范围内，所以对这些参量监控就是生产过程中的关键。
针对集油站计算机监控系统的要求，我们基于组态王设计了集油站分布式监控系统。
软件平台是基于WindowsXP，采用北京亚控公司的组态王6.53。
软件是开放式结构、模块化结构、填表方式、组态方式。
其中实时过程控制软件包括组太模块、显示模块、控制模块、图形模块、历史数据模块、报警模块、报表生成模块。
操作员软件在操作站上提供操作窗口、显示、趋势和手工操作。
计算机监控系统可以由一下几个部分组成：
计算机（含可视话的人机界面）、输入输出装置（板卡），监测、变松机构。
设计原则有可靠性原则、使用方便原则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。
下图就是一个典型的计算机测控系统组成原理图：
图2-1典型计算机控制系统组成原理图
2.3集油站工艺流程简介
集油站工艺流程如图2-1所示，从各个油井或计量站来的油水混合液先进入三个四相分离器，进行油、水、气、沙四相分离，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，经稠油泵送到大罐储存销售；还有一部分油水混合液经外输泵在进行热交换后往其他集油站外输。
整个集油站的工艺流框图如下：
图2-2集油站工艺流程图
2.4集油站监控目标及要求
根集油站的工艺流程和各个设备的工作原理，整个监控系统需要处理：
1）控制三个四相分离器上油室，水室的液位恒定。
2）监测三个四相分离器上油室，水室的液位、温度、压力及报警。
3）监测三个掺水泵、三个外输泵、三个稠油泵各自前后的压力，控制各个泵的起、停，显示其运行状况，三个电磁阀启停及其状态显示及报警。
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、液位及报警。
6）遍布整个站区的二十四处的气体浓度监测及报警。
7）监测读取全站四个流量计数据。
（流量计输出为数字脉冲信号，每输出100个脉冲代表流过一升的液体）
三、集油站硬件设计
3.1集油站的初步分析
图3-1集油站工艺流程图
根据此集油站的工艺流程可知系统需要监控各个泵、分离器的液位、温度、压力、气体浓度，以及监测及各个泵运行状况显示。
其中液位、温度、压力、气体浓度等信号经过相应的变送气后都会转换为与现场最大、最小值对应的4～20MA电流信号，都是模拟量输入信号。
各个泵运行状况对应数字量输入信号。
模拟量输入通道一般应包括几个组成部分：
传感器、变送器、I/O模块等。
如下图所示：
控制分离器上油室、水室的液位恒定可以采用板卡来控制。
各个泵的运行状况及启停显示都是数字量输入信号。
可以采用西门子的数字量输入模块。
当前液位的信号接入PCI-1713总线的隔离高速模拟量输入卡，与人工设置的定值相比较，通过分析，调节泵的转速来控制油室、水室的液位恒定。
3.2系统硬件选型与介绍
板卡PCI-1721
PCI-1721是一款高性能PCI总线模拟量输出卡,每个模拟量输出通道都带有一个12位的双缓冲DAC.此输出卡具有许多强大的独特功能,PCI-1721是要求连续高速模拟量输出或实时波形输出应用的理想选择
主要功能与技术指标：
·4路增强模拟量输出卡
·5MHz最大数字更新速率
·PCI总线数据传输
·自动校准功能
·每个模拟量输出通道带一个12位DAC
·带内部/外部触发的实时波形输出功能
·同步输出功能
·灵活的输入类型和范围设定
板卡PCI-1713
PCI-1713是一款PCI总线的隔离高速模拟量输入卡，它提供了32个模拟量输入通道，采样频率可达100KS/S，12位分辨率及2500YDC的支流隔离保护。
主要功能与技术指标
·2500VDC隔离保护
·32路单端或16路差分模拟量输入，或组合输入方式
·12位A/D转换分辨率
·A/D转换器的采样速率可达100KS/S
·给个输入端的增益可编程
·卡上4K采样FIFO缓冲器
·支持软件、内部定时器触发或外部触发
板卡PCI-1712
12位多功能数据采集卡功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡.它有1M转换速度的12位A/D转换器,卡上带有FIFO缓冲器（可存储1KA/D采样值和32KD/A转换数据）.PCI-1712提供16路单端或8路差分的模拟量输入（也可以单端差分混合使用},2路12位D/A模拟量输出通道,16路数字量输出通道,以及3个10MHz时钟的16位多功能计数器通道.
·主要功能与技术指标
·12位A/D转换器,采样速率可达1MHz
·16路单端或8路差分或组合输入方式
·PCI总线数据传输
·模拟量输入通道的数据采集触发模式可使用预触发、后触发、匹配触发和延时触发
3.3常用PLC参数介绍及其工作原理
德国西门子在大、中型PLC领域中占据着重要的地位，其推出了S7—400、S7—300、S7—200三个S7系列的可编程序控制器。
：
1）S7—400
S7—400属于大中、型的可编程序控制器，能满足高、中档性能范围的应用。
采用模块化无风扇设计，兼顾耐用、扩展性能好、通信能力强，可以方便的实现分布式控制。
·电源模块（PS）
电源模块的作用是连接外部电源（120/230VAC或者24VDAC），并为整个系统提供电源。
·中央处理单元（CPU）
具有多种CPU可供用户选选择，有些带有内置的PROFIBUS-DP接口，一个中央处理单元可以带多个微处理器件以加强其性能。
·I/O信号模块（SM）
它包括数字量输入和输出模块，模拟量输入和输出模块。
·通信处理器（CP）
用于实现总线连接和点到点的连接。
·功能模块（FM）
专门用于技术，定位和凸轮等控制任务。
·接口模块（IM）
用于连接中央处理单元（主PLC）和扩展单元。
一个S7-400的中央控制单元最多可以连接21个扩展单元。
其中一款央处理器的指标：
型号:
CPU417—4程序存储器：
2MB（可扩至10MB）
数据存储器：
2MB（可扩至10MB）DI/DO:
128K
AI/AO:
8K二进制指令执行时间：
0.1us
通信接口：
MPI\PROFIBUS/
2）S7—300
S7—300系列的产品为小型PLC，能满足中等性能的应用。
其中一款央处理器的指标：
型号:
CPU314IFM程序存储器：
32KB
数据存储器：
48KBDI:
20
DO:
16AI:
4
AO:
1二进制指令执行时间：
0.3~0.6us
通信接口：
MPI\PROFIBUS
3）S7—200
S7—200系列为微型PLC，其典型的尺寸为中央处理单元（CPU）：
其中一款央处理器的指标：
型号:
CPU212DI:
8
AI:
4DO:
8
AO:
2通信接口：
MPI\PROFIBUS/
研华工控主机
主要特征
•IPC-610专为冲击、震动、高温等恶劣环境设计
•支持14槽ISA/PCI底板
•支持四个前端抽取磁盘驱动器和一块内置3.5”硬盘
•1个带防尘过滤网的86CFM风扇
选配
·InterPIV2.4GMCPU
·西部数据80G硬盘
·Kingston256M内存
·工业键盘及光电鼠标
·RS-232C接口
显示器
带19寸LCD和VGA/Video/S-Video/DVI端口的工业平板显示器
主要特征
·19寸SXGATFTLCD分辨率达到1280*1024
·输入信号自动识别
·最高亮度可达250cd/m2
·多扫描功能：
支持SXGA，XGA，SVGA，
VGA和文本模式
·支持多信号输入:
VGA,DVI,Video和S-Video
·不锈钢机箱,符合NEMA4/IP65标准的防锈前面板
·支持面板安装,壁挂式安装,机架安装和VESA悬臂安装
四、集合站软件设计
4.1组态王软件简介
“组态王6.53”是采用了多线程、COM组件等新技术的人机界面软件，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。
组态软件包括工程浏览器、工程管理器、画面运行系统三部分组成。
在工程浏览器中可以查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库的构造、定义外部设备等工作；工程管理器内嵌画面管理系统，用于新工程的创建和已有工程的管理。
画面的开发和运行由画面制作系统合工程运行系统来完成。
4.2组态王与下位机的通讯
“组态王”把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，下图为组态软件架构。
组态王COM组件
PLC
模块
模块
PLC
设备驱动1
模块
PLC
设备驱动2
设备驱动3
其他工控设备
设备驱动4
计算机
外部设备图4-1组态王软件架构
4.3软件设计的总体方案
设计中需要首先设计程序的界面，以便于操作，界面完成后，需要绘制各个画面。
首先，必须要具有工况图，工况图能够反应出加油站的工艺流程，并且能够及时从图中了解到被监控对象的变化情况。
然后需要绘制所监控对象的趋势曲线，趋势曲线是用来反应数据变量随时间的变化情况。
趋势曲线有两种：
实时趋势曲线和历史趋势曲线，实时趋势曲线随时间的变化自动卷动，以快速反应变量的新变化。
历史趋势曲线可以完成历史数据的查看工作，但它不会自动卷动。
在完成趋势曲线的绘制后，就应该设计历史报表，数据报表是反应生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式，它既能反应系统实时的生产情况，也能对长期的生产过程进行统计、分析，使管理人员能够掌握和分析生产情况。
具体的设计框图如图4-2所示。
图4-2集油站软件设计框图
五、软件设计的具体方案
5.1创建新工程
在用“组态王6.53”进行设计的开始，要创建一个新工程。
这是程序设计的第一步，创建一个工程的具体步骤是：
（1）首先，在安装完成，运行组态王后，会弹出一个“组态王工程管理器”的菜单，单击菜单栏的“文件”-“新建工程”，便可打开“新建工程向导”对话框，如图5-1所示。
图5-1新建工程向导对话框1
点击“下一步”弹出“新建工程向导之二”画面，在此需要选择工程所在的路径，点击“浏览”，选择新建工程所要存放的路径如图5.2所示：
图5-2新建工程向导之2
单击“下一步”继续，进入“新建工程向导之三”，如图5-3所示，在“工程名称”处写上工程名称，如“集油站计算机监控系统”，“工程描述”是对工程进行详细说明的。
工程名称长度应小于32个字符，工程描述长度应小于40个字符。
单击“完成”完成工程的建立。
图5-3新建工程向导之3
（2）按照向导对话框的每一步提示，陆续填入工程名称，存放路径，工程描述等信息，单击确定就可以建立好一个新的工程了，本设计中，把工程的名称设为“集油站监控系统”。
在建立好工程后，在“组态王工程管理器”中双击刚才建立的新工程就可以进入“工程浏览器”的界面下，如图5-4所示。
图5-4工程浏览器
“工程浏览器”由菜单栏，工具栏，工程目录显示区，目录内容显示区，状态条组成。
左边的那一栏即为工程目录显示区，右边的为目录内容显示区，工程目录显示区以树形结构图显示大纲项节点，用户可以扩展或收缩工程浏览器中所列的大纲项。
5.2画面设计
工程浏览器由菜单栏、工具条、工程目录显示区、状态条组成。
使用工程浏览器，绘制集油站流程图如图5-5所示：
图5-5集油站工艺流程图
5.3定义外部设备数据变量
1.定义外部设备
下位机采用模块和板卡，对于组态王来说也即是外部设备，它通过串行口与上位机进行数据交换；定义外部设备后，组态王才可以通过I/O变量使他们交换数据。
在组态王工程浏览器的左侧选中COM1，在右侧单击“新建”，运行“设备配置导向”。
如图5-6所示：
图5-6设备配置导向1
为外部设备取名，输入“板卡1”,单击“下一步”：
填写设备地址，填入1，单击“下一步”：
注：
在实际连接设备时，地址的设置要和在设备上配置的地址要一致。
图5-7设备配置导向2
设备定义到此已经完成，在工程浏览器的右侧可以看见所定义的设备板卡PCL725，在打开数据词典时，把I/O变量连接到该设备上，便可以与组态王交换数据。
同样设仿真PLC连接在COM2口上，按上述步骤定义外部设备。
图5-8设备配置导向3
图5-9设备配置导向4
2.定义数据变量
数据库是“组态王”最核心的部分。
数据库中变量的集合为“数据词典”，在数据词典中定义工艺过程中需要的变量。
在工程浏览器左侧选择“数据字典”，在右侧双击“新建”，弹出“变量属性”对话框，对话框设置四相分离器参数如下所示，然后用类似方法建立其他变量的参数。
图5-10定义变量
5.4动画连接
1.动画连接
“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。
对已建立的“监控中心”，在画面上的变量的值的大小变化能够显示出来，便可以真实的反映现场监控情况。
2.建立动画连接
在画面上双击图形对应的“四相分离器1”，弹出该对象的动画连接对话框。
完成净化油罐液位的动画连接。
连接后，变量“原料油液位”的变化就通过设置颜色的填充范围表示出来，并且填充的高度随变量值的变化而变化，用同样的方法将余下的罐及泵做好设置。
5.5报警和事件
1.定义报警组
运行报警和事件记录是监控软件必不可少的功能，“组态王”提供了强有力的支持和简单的控制运行报警和事件记录方法。
·在工程浏览器中选择“报警组”，然后进入报警组定义。
图5-11报警组图示
2.设置变量的报警定义属性
·设置变量“四相分离器1”的报警属性。
·选择“数据词典”，在右侧双击变量名“四相分离器1”，在“定义变量”对话框中单击“报警定义”配置页，
具体设置如下：
低：
0高：
40
报警组名：
集油站优先级：
1
·单击“确定”，关闭此对话框。
·采用同样的方法定义所有变量的报警属性。
3.建立报警和事件窗口
1）建立一个新的画面作为报警画面。
画面名称：
“报警”
2）绘制报警和事件窗口：
在工具箱中选用报警窗口工具，绘制报警窗口。
·双击报警窗口对象，弹出“报警窗口配置属性页”对话框，并进行设计。
图5-12“通用属性配置页”设置
·单击“列属性”配置页，设置如下：
图5-13“列属性”配置页设置
·单击“操作属性”配置页，设置如下
·完成各个报警属性设置。
5.6曲线模块
趋势曲线用来反应数据变量随时间的变化情况。
趋势曲线有两种：
实时趋势曲线和历史趋势曲线。
这两种曲线外形都类似于坐标纸，X轴代表时间，Y轴代表变量的量程百分比。
不同的是，在画面运行程序时，实时趋势曲线随时间变化自动卷动，以快速反应变量的新变化，但不能时间轴“回卷”，不能查阅变量的历史数据；历史趋势曲线可以完成历史数据数据查看工作，但它不会自动卷动，而需要通过带有命令语言的功能按钮来辅助实现查阅功能。
1.实时趋势曲线
·选中“实时趋势曲线”工具，然后在画面上绘制趋势曲线。
·双击此实时趋势曲线对象，弹出“实时趋势曲线”对话框
·单击“标识定义”配置页，对话框设置如下图5-14所示：
·可以对时间轴和数据轴进行任意设置。
·单击“确定，”关闭此对话框。
保存后激活运行系统，画面运行效果如下图5-15所示：
·将画面切换到view中，单击“打开”，选中实时趋势曲线，系统运行得到
图5-14“实时趋势曲线标识定义”对话框
图5-15“实时趋势曲线”运行效果图
2.历史趋势曲线
·在开发系统中新建画面，在工具箱中单击“插入通用空件”，弹出“插入控件”对话框，在列表中选择“历史趋势曲线”，单击“确定”，然后绘制一个矩形框，如下图所示：
图5-16历史曲线
·单击右键，选择“控件属性”命令，弹出控件属性对话框，进行属性设置，按照要求设置数据，设置完成后单击“确定”便可。
·单击“文件”按钮，将画面切换到view画面，进行演示实验，选择“画面”，单击“历史趋势曲线”，点“确定”，便可得到历史趋势曲线演示图。
5.7报表模块
1.数据报表的用途
数据报表可以反应生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录，是生产中不可缺少的一部分。
它能反应系统实时的生产情况，也能对长期的生产过程进行统计、分析，使管理人员能够实时掌握和分析生产情况。
在这里制作集油站的实时数据报表，以便随时分析、掌握。
2.制作实时数据报表
在组态王工具箱内选择“报表窗口”工具，在报表画面上绘制报表。
如图所示：
图5-17绘制报表
双击报表窗口的灰色部分，弹出“报表设计”对话框，对组态王报表画面进行设置，选中两个单元格区域，进行单元格合并，在报表工具箱里输入“实时数据报表”，单击“输入”。
在单元格中设置报表时间，从“数据词典”中选择日期、时间（日期、时间前必须加“=”）。
在A4单元格中输入“四相分离器”文本值，再选中B4单元格，从“数据词典”中选择“四相分离器液位”，并再往前面加“=”，选择输入。
如下图所示：
图5-18报表设置画面
3.保存报表
在“文件”中选择“全部保存”，将画面切换到view画面。
4.制作历史数据报表
历史数据报表的设计方法与实时数据报表的制作方法一致，报表样式如图所示：
图5-19历史数据报表设计
六、总结
通过此次进行系统组态软件的开发设计，包括新建工程，如何进行画面开发，怎样建立实时数据库并且进行画面的动画连接等功能。
我学会了利用本系统实现系统的状态采集、数据处理、报警、集中显示、报表打印及查询等功能。
通过本次课程设计，我掌握了监控系统软件设计的一般步骤和方法，对计算机监控系统在油田中的作用有了一定的了解，而且还学会了用组态软件来制作画面，对word的编辑操作也提高了很多，更重要的是从本次设计中培养了自己独立思考和动手的能力，让自己的综合能力有了进一步的提高。
参考文献
[1]．徐竟天，汪跃龙.《石油安全工程》课程设计指导书.西安石油大学，2006：
66-74.
[2]．何小阳．《计算机监控原理及技术》．重庆：
重庆大学出版社，2007.
[3]．陈露晨.计算机通信接口技术[M].成都：
电子科技大学出版社，1999.
[4]．李鹏.计算机通信技术及其程序设计[M].西安：
西安电子科技大学出版社，1998.
[5]．马国华.监控组态软件及其应用[M].北京：
清华大学出版社，2001.
[6]．于英民，莫玮，于佳.计算机接口技术[M].北京：
电子工业出版社.
升级会员 