联合站安全监控系统软件设计一采用PLC方案.docx
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联合站安全监控系统软件设计一采用PLC方案
目录
第一章绪论2
1.1计算机监控系统的介绍3
1.2计算机监控系统的主要特点3
第二章联合站硬件设计5
2.1初步分析5
2.2系统硬件组成图6
第三章联合站软件设计7
3.1组态王软件结构7
3.2组态王与下位机的通讯7
3.2建立新工程7
3.3画面设计8
3.4定义外部设备合数据变量9
3.5动画连接12
3.6报警和事件13
3.7趋势曲线17
参考文献24
附录25
第一章绪论
联合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，各大油田联合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。
在油田联合站生产过程中，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，保证联合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。
1.1计算机监控系统的介绍
目前的计算机监控技术是一门综合性技术。
它是计算机技术、通信技术、网络技术和自动化技术的综合应用。
所谓计算机监控系统，就是采用计算机取代常规的显示和调节仪表作为工业数据采集和控制过程的处理核心，利用传感器或变送器将被监控对象中的物理参量（如温度、压力、流量、液位等）转换为电信号，再将这些电信号经输入装置转换为计算机可识别的数字量，并且在显示装置中以数字、曲线或图形的方式显示出来，从而使操作人员能够直观、迅速地了解被监控对象的变化过程。
同时计算机还可以将采集的数据存储起来，随时进行分析、统计和显示并生成各种报表。
如果需要对被监控的对象进行控制，则由计算机中的应用软件根据采集到的物理参量的大小和变化情况以及按照工艺要求的设定值进行判断，然后根据一定的控制算法在输出装置中输出相应的电信号，并推动执行装置动作从而完成相应的控制任务。
图1-1就是一个典型的计算机测控系统组成原理图。
由于近年来计算机软件的迅速发展，各种可视化应用软件已广泛应用于工业计算机系统，能够为操作者提供更加直观完善的操作界面，大大丰富了现场监视功能。
图1-1计算机监控系统结构图
1.2计算机监控系统的主要特点
（1）实时性。
对工业生产过程进行实时在线检测与控制，按优先级进行采集和输出调节，保证被控系统的正常运行。
（2）可靠性。
具有在较为恶劣的工业现场长期工作的能力，并具有良好的故障诊断和维护性。
（3）较强的输入/输出能力。
可与工业现场的检测仪表和控制装置相连接，完成各种测量控制任务。
（4）应用软件丰富。
目前大多数计算机监控系统以WINDOWS做工作平台，系统软件、应用软件丰富，可提供良好的人机界面，特别是组态软件更为用户提供了方便。
第二章联合站硬件设计
某油田联合站工艺流程图如图2-1所示。
从各个油井的油水混合液经过计量罐，进入油气分离器，进行油气分离，分离后的油水混合物进入一、二次沉降罐在进行油水分离，分离出来的水进入污水处理系统进行净化，净化后的水通过注水泵送入注水井；分离出来的油进入净化罐再次进行净化，然后经过输油泵输出。
图2-1联合站工艺流程图
整个监控系统需要处理：
1）控制计量罐的液位。
2）监测油气分离器的温度、压力以及液位。
3）监测两个注水泵和外输泵各自前后的压力，控制各个泵的起、停、显示以及运行状况及其报警。
4）监测四个沉降罐和净化罐的温度、压力及其报警。
5）监测除油罐的温度、液位及其报警。
6）监测缓冲罐的液位、压力及其报警。
7）遍布整个联合站的10处气体浓度监测及其报警。
2.1初步分析
液位、温度、压力、气体浓度监测以及各个泵的状况显示。
其中：
液位、温度、压力、气体浓度等信号经过相应的变送器后都会转换为与现场最大、最小值对应4-20mA电流信号，都是模拟量输入信号。
各个泵运行状况很明显都是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：
图2.2系统模拟量输入部分设计示意图
2.2系统硬件组成图
图2.3监控系统结构框图
第三章联合站软件设计
3.1组态王软件结构
“组态王6.52”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。
3.2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3.1组态王软件架构
3.2建立新工程
建立联合站监控中心，在组态软件中建立一个新的工程项目，命名为“联合站监控系统软件设计”，按照提示建好新的工程项目，如图3.3。
图3.2组态王新建工程步骤
图3.3
3.3画面设计
工程浏览器的使用和Windows的资源管理器类似。
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，选择“画面”并且新建画面，在画面制作中使用图形工具与调色板等共工具绘制联合站工艺流程图如图3.4。
图3.4联合站工艺流程图
3.4定义外部设备合数据变量
1、定义外部设备
下位机采用PLC，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变量合他们交换数据。
在此采用仿真PLC和组态王通信。
仿真PLC可以模拟PLC为组态王提供数据，设仿真PLC连接在计算机的COM1口，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”。
图3.4.1设备配置步骤1
·选择“仿真PLC”的”串口”项，单击“下一步”：
图3.4.2设备配置步骤2
·为外部设备取名，输入PLC2,单击“下一步”：
图3.4.3设备配置步骤3
·填写设备地址，填入2.5，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3.4.4设备配置步骤4
·设置通讯故障恢复参数，在此使用默认值，单击“下一步”：
图3.4.5设备配置步骤5
·检查后确认无误，单击“完成”。
·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的设备PLC2,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。
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。
图3.4.6“变量属性”对话框
·依次定义另外的一些变量油气分离器的温度、净化罐的温度、缓冲罐的液位、压力除油罐的温度、液位等变量。
3.5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“反应器”，弹出该对象的动画连接对话框。
图3.5.1动画连接对话框
·变量名：
“\\本站点\净化罐液位”，分别选择罐体，填充背景和填充颜色。
·填充设置：
如上图所示。
·单击“确定”按钮，完成净化罐液位的动画连接。
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。
·完成后画面显示如下图所示：
图3.5.2运行系统画面效果.
3.6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3.6.1报警组图示
2、设置变量的报警定义属性
·设置变量“计量罐”的报警属性。
·选择“数据词典”，在右侧双击变量名“计量罐”，在“定义变量”对话框中单击“报警定义”配置页，弹出对话框如下图：
图3.6.2“报警定义”配置页
具体设置如下：
低：
0高：
40
报警组名：
联合站优先级：
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，绘制报警窗口如下图：
图3.6.3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3.6.4“通用属性配置页”设置
·单击“列属性”配置页，设置如下：
图3.6.5“列属性”配置页设置
·单击“操作属性”配置页，设置如下：
显示工具条：
有效允许报警确认：
有效
允许双击左键：
有效
·单击“条件属性”配置页，设置如下：
图3.6.6“条件属性”配置页设置
·完成各个报警属性设置后，运行报警和事件窗口如下：
图3.6.7运行报警和事件窗口效果
3.7趋势曲线
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，对话框设置如图3.7.1所示：
·单击“标识定义”配置页，对话框设置如下图3.7.2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3.7.3所示：
·将画面切换到view中，单击“打开”，选中实时趋势曲线，系统运行得到实时趋势曲线曲线运行图3.7.4。
图3.7.1“实时趋势曲线曲线定义”对话框
图3.7.2“实时趋势曲线标识定义”对话框
图3.7.3“实时趋势曲线”运行效果图
图3.7.4实时趋势曲线运行图
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3.7.4历史曲线控件
·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”，便可得到如下图所示：
图3.7.5历史趋势曲线
·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，如下图所示：
图3.7.6历史曲线控件运行效果图
3.8报表系统
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。
在这里制作联合站的实时数据报表，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3.7.7绘制报表
双击报表窗口的灰色部分，弹出“报表设计”对话框，对话框进行如下设计如下图：
图3.7.8“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“沉降罐压力”文本值，再选中B4单元格，从“数据词典”中选择“沉降罐压力”，并再往前面加“=”，选择输入。
如下图所示：
图3.7.9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，进行演示实验。
则画面如图所示：
图3.9.10报表画面运行效果
3、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3.9.11历史数据报表设计
运行组态王，打开历史数据报表，运行结果如下图所示：
图3.9.12历史数据报表运行效果图
参考文献
[1]《石油安全工程》课程设计指导书徐竟天、汪跃龙
[2]《组态王软件使用说明》北京亚控科技发展有限公司
[3]《计算机监控原理》
附录
（1）计算机监控系统已经广泛的被用于各种工业生产，特别是一些高危行业，本次联合站监控系统软件设计促使我们熟悉并且自己动手实践。
可编程逻辑控制器（PLC）最初是专为工业控制而设计的计算机，可靠性高，抗干扰能力强，但PLC的人机界面较弱。
20世纪90年代后，许多PLC都配备有通信接口，将PC机通过通信网络PLC相连接，实现信息的传送和交换。
这样就将PLC的高可靠性与PC机的友好人机界面相结合，这种类型的计算机控制系统称为PLC，也可以说是一种小型DCS。
在该类系统中，PC机作为上位机提供良好的人机界面，进行全系统的监控和管理；而PLC作为下位机，执行可靠有效的分散控制。
因此，即使上位机出现故障，也不会影响生产过程的正常进行，大大提高了系统的可靠性。
通过对计算机监控系统投用前后的现场重要工参数测试数据进行分析，该监控系统能够实现界面控制平稳，压力控制稳定的控制目标。
自动控制系统投入运行后，各项生产技术指标均达到了工艺要求。
与人工控制相比，自动控制使生产过程更加平稳，生产技术指标的控制效果更加理想。
（2）计算机监控系统的选型、设计应注意的问题
计算机监控系统的设计与开发不仅是一个理论问题，同时更是一个实际工程问题，必须遵循可靠性、方便性、开放性、经济性和开发周期短等原则。
具体地说，选择监控系统的方案和系统软硬件配置时，应该根据被监控的生产过程的规模、资金情况和实际需要进行综合考虑。
对于规模较小且技术要求相对较低的小型系统，可以由用户自行设计和开发硬件或软件；而对于大中型的或技术要求相对较高的系统，应首先考虑选择市场上已有的各种标准化的硬件和软件产品，经过二次开发后，组装成一个计算机监控系统。
计算机监控系统的选择和设计，应以获得最佳的性能价格比，完善的监控功能，良好的可靠性、开放性及可维护性，并尽量缩短开发周期，从而给企业带来理想的经济效益和社会效益为前提。
实践证明，与传统的人工监控系统相比，计算机监控系统具有更好的灵活性和可靠性，更适宜在油田生产中推广应用。
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