自0804冯旗集油站安全监控系统硬件设计一板卡设计.docx
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自0804冯旗集油站安全监控系统硬件设计一板卡设计
西安石油大学
课程设计
电子工程学院安全工程专业自0801班
题目《计算机控制技术》课程设计
集油站安全监控系统硬件设计一（采用板卡方案）
学生冯旗
指导老师徐竟天
二○一一年十二月
《计算机控制技术》
课程设计任务书
题目
集油站安全监控系统硬件设计一（采用板卡方案）
学生姓名
冯旗
学号
2
专业班级
自0804
设
计
内
容
和
要
求
课程设计主要完成某集油站安全监控系统硬件设计。
要求运用已学过各类传感器、输入输出模块、工控计算机、现场总线等的知识，完成安全监控系统硬件方案、设备选型、总体设计等各功能的设计。
要求熟悉相关计算机安全监控系统的硬件组成和设计方案，学会计算机监控系统硬件设计的步骤和方法，具有初步设计小型计算机安全监控系统硬件方案的能力。
课程设计内容及基本要求如下：
1.熟悉集油站工艺流程、监控目标及监控要求。
2.学会常用的监控系统I/O硬件（各类板卡、智能仪表、智能模块、PLC等）参数及使用，了解其工作原理。
3.学会不同自动化设备厂家各类板卡、智能仪表、智能模块、PLC等的选型，能用所选厂家硬件搭建符合工艺流程和监控目标的硬件系统。
4.完成监控系统硬件方案设计，画出原理图。
5.课程设计时间一周，完成课程设计报告。
起止时间
2011年12月19日至2011年12月25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
一．绪论4
1.1计算机监控系统的介绍..................................................................5
1.2计算机监控系统的主要特点和原则...............................................5
1.3集油站简介…..................................................................................6
1.4集油站发展.......................................................................................6
二．系统总体方案设计.............................................................7
三．硬件系统设备选型............................................................11
四．监控系统详细设计............................................................13
五．总结....................................................................................16
参考文献.....................................................................................16
一、绪论
随着科学技术的不断进步，特别是工业控制技术的飞速发展，我们已经开始步入一个崭新的自动化控制新时代。
计算机自动监控系统已经广泛的使用于离散过程、连续过程等各种工业自动化领域以及电力、化工、食品、水处理等各个行业。
现在国内外都将计算机监控系统对油田联合站的各个生产工艺过程进行实时监控、和数据采集等，计算机监控系统的发展为集油站的自动化监测注入了新的活力。
因为集油站是油气集输过程中的一个重要环节，它直接关系到外输原油的质量，其工艺特点是系统关联紧密、操作规程严格、系统运行状况复杂多变且系统过程中流程多变。
所以采用计算机监控系统对其工艺过程进行实时监控可以有效的提高生产率、减少事故发生率、降低工人的劳动强度。
自动化经过50年的发展,通过技术引进,消化吸收和不断创新,自动化水平取得了长足进步.现场从手工操作发展到自动控制,从低级的单回路控制发展到高级复杂系统控制,直到管控一体化.此外,在自动化装备,技术,功能,规模等方面都有了很大提高;测量和控制装置不断更新升级,正在运行的数千套DCS,PLC（可编程控制器）和IPC（工业个人计算机）系统已成为大中型石油和化工企业及小型骨干化工企业的主要控制手段.常规仪表性能大大提高,已成为石油和化工企业生产过程的主要检测手段,电子仪表,数字仪表,智能变送器和执行器的使用量逐渐增加.现场总线控制系统的试用取得进展,近年来已成为石油和化工自动化领域发展的热点之一.对于石化行业来说,底层控制的自动化是实现信息化的基础.油田,油井,计量站大部分都分布在偏远地区,对其工艺过程的工作状况,运行参数的监控和控制,一直是油田的一项重要且困难的工作.油田的生产,开采过程中有大量的数据需要工作人员及时的采集和记录,以供管理部门及时的作出决策,管理生产.如果这些数据都要人工采集,记录的话,必然给工作人员带来巨大的工作量,而且效率低,误差大,而且影响了数据的实时性.随着自动化的发展,对油田生产的各个环节的监测,检测正朝着监控自动化的方向发展.目前油田已经采用自动监控系统,对其各个生产环节进行实时参数和故障监控,检测,实施智能化监控和管理。
综上所述，在集油生产过程中，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使用中面临的重要课题。
1.1计算机监控系统的介绍
所谓计算机监控就是利用传感器装置将被监控对象中的物理参量（如温度、压力、流量、液位、速度）转换为电量，并且在计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而时操作人员能够直观而迅速的了解被监控对象的变化过程。
通过使用计算机监控技术，可以稳定和优化生产工艺，提高产品质量，降低能源和原材料的消耗，降低生产成本。
还可以降低劳动强度。
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、变送机构。
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。
主要特点是实时性，可靠性，较强的输入输出能力，使用软件丰富。
图1-1就是一个典型的计算机测控系统组成原理图。
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和原则
1.21主要特点
（1）实时性。
对工业生产过程进行实时在线监测和控制，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。
菊友在较恶劣的工作现场长期工作的能力，据有良好的故障诊断和维护性。
（3）较强的输入/输出能力。
可和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）使用软件丰富，目前打多少计算机监控系统以WINDOWS做工作平台，系统软件、使用软件丰富，可提供良好的人机界面，特别傻组件软件更为用户提供了方便。
1.2.2设计原则
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。
1.3集油站的简介
原油集油站的简介该原油集油站将各个采油队输送过来的原油进行油气水分离、油水分离、原油存储、原油加热及外输、污水处理等，实现对来油气、出油气的计算、盘库。
该原油联合站内主要分成原油处理和污水处理两大工艺流程，另外还包括消防、天然气密闭、大罐抽气、阴极保护等小等小的工艺流程。
1.4集油站的发展
随着我国自动化水平的提高，油田生产实施自动化监控已经迫在眉睫。
集油站是油田集输的重要组成部分，它直接关系到油田生产的正常运行，对整个油从开采到投产使用的整个流程的经济效益有极大的影响。
随着油田开发进入高含水后期，工艺过程更加复杂，采用人工监控和常规仪表监控已很难满足生产要求。
上世纪九十年代，计算机控制开始使用于联合站生产过程，并取得了一定的使用效果。
但由于在方案选型、设计和管理维护等方面存在一些问题，总的来讲，使用效果不够理想。
目前，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。
人工监测控制是由岗位操作人员根据检测仪表反映的工艺参数变化情况，凭经验对生产过程进行人工控制，其工作效率和安全系数都很低，已不能满足较高的工业过程控制的要求。
常规仪表控制采用各种检测和控制仪表实现对现场各种工艺参数的采集处理、显示、报警和调节控制，保证生产过程的高效、安全和平稳运行。
这种控制方式已在集油站中得到了广泛的使用。
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。
它采用计算机技术和自动化仪表相结合，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。
综上所述，在集油站中，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，保证油田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使用中面临的重要课题。
二、系统方案总设计
工艺流程图如下：
某集油站工艺流程如上图。
从各个油井或计量站来得油水混合物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个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200立方米的大罐储存；分离出来的一部分油水混合物经过外输泵在进行热交换加热后往其他集油站外输。
整个联合站的工艺流框图如下：
2.2集油站工艺流程和主要技术指标
（1）分离器流程。
从各个采油队输送过来的原油首先通过计量器计量后又进入集油站的油气水三相分离器，在这里实现气体和液体的分离。
原油从分离器一端进入，然后天然气从另一端上部流出进行天然气外输，而油水混合的液体从下部流出进入一次沉降罐。
（2）油罐区流程。
油罐区的储罐主要的任务是进行油水分离，由一次沉降罐、次沉降罐、净化油罐组成，分离器将油水混合液体输入一次沉降罐，一次沉降罐分离出大部分的原油，并把部分天然气再行收集，而将水输到污水区，进行污水处理。
经过一次沉降罐的原油流入二次沉降罐继续进行油水分离，这之后的原油已经含水很少了，然后原油进入加热炉加热和脱水器脱水。
经过加热和脱水后的原油进入净化油罐，等待外输。
（3）加热炉流程。
从油罐区二次沉降罐输送过来的原油在这里经过加热，以利于原油的输送，然后送到脱水器脱水。
（4）原油外输流程。
经过加热和脱水处理的原油含水已经很少，通过原油外输泵将原油输送出集油站。
污水处理工艺流程。
在这一流程里，从一次沉降罐过来的污水首先进入缓冲罐，将含有的残留天然气进行收集，然后经过加药泵进行加药处理，再进入过滤罐过滤，最后将经过处理的污水输出。
根据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）控制三相分离器上油室、水室的液位恒定。
（2）监测三相分离器上油室、水室的液位、温度、压力及报警。
（3）监测俩个沉降罐的油室、水室的液位、温度、压力及报警。
（4）监测脱水泵、脱水器、加药泵、污水外输泵、外输泵各自前后的压力，控制各个泵的起、停，显示其运行状况及报警。
（5）监测净化油罐、污水缓冲罐，过滤罐、加热炉的温度及液位及报警。
（6）监测遍布整个战区的气体浓度及报警。
根据集油站的流程图，先要列出统计出系统的I/O点数，系统的I/O点数如表所示：
表3.1系统I/O点数列表
序号
设备名称
总点数
控制要求
AI
AO
DI
DO
1
计量罐
2
计量罐的液位
1
计量罐的液位控制
1
2
三相分离器
8
上油室的液位、温度、压力
3
水室的液位、温度、压力
3
油室、水室液位恒定控制
2
3
脱水泵
5
泵前后的压力
2
泵的起停控制
2
泵的运行状态
1
4
加药泵
5
泵前后的压力
2
泵的起停控制
2
泵的运行状态
1
5
污水外输泵
5
泵前后的压力
2
泵的起停控制
2
泵的运行状态
1
6
外输泵
5
泵前后的压力
2
泵的起停控制
2
泵的起停控制
1
7
脱水器
2
脱水器液位、温度
2
8
净化油罐
2
净化油罐液位、温度
2
9
污水缓冲罐
2
污水缓冲罐液位、温度
2
10
过滤罐
2
过滤罐的液位、温度
2
11
加热炉
2
加热炉的液位、温度
2
12
四个沉降罐
12
沉降罐的温度、压力、液位
2*4==8
沉降罐液位恒定控制
1*4=4
13
两个净化罐
4
净化罐的温度、压力
2*2=4
14
站区
10
气体浓度检测
10
合计
66
47
7
4
8
由于点数太多，仅列出部分I/O点数参数表，其他基本类同
表3.2模拟量I/O点数参数表
I/O位号
变量说明
I/O类型
工程单位
信号类型
量程上限
量程下限
报警上限
报警下限
报警偏差
正常值
1-1
分离器液位
AI
M
mA
10
0
9
1
1
5
1-2
分离器液位控制型号
AO
M
mA
10
0
9
1
1
5
表3.3数字量I/O点数参数表
I/O位号
变量名称
变量说明
I/O类型
正常状态
信号类型
信号上限
信号下限
逻辑极性
2-1
C1QD
脱水泵启动
DO
1
V
24
0
正
2-2
C1ZK
脱水泵运行状况
DI
1
V
24
0
正
第三章系统监控设备选型和介绍
1.板卡的类型和功能。
2.初步分析。
1.板卡的类型和功能：
·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,比如最大更新速率为10MHz的波形输出功能,自动校准功能和板卡ID等。
PCI-1721是要求连续高速模拟量输出或实时波形输出使用的理想选择。
主要功能和技术指标：
·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。
主要功能和技术指标：
·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-1755
PCI-1755是高速32通道数字量输入输出板卡，在计算机监控系统中有广泛的运用。
主要功能和技术指标：
·总线控制DMA数据传输，支持satter/gather技术
·32/16/8位模式I/O处理，带启/停触发功能，2个模式握手I/O中断处理能力
·板载主动终端电阻，高速和远程传输
·支持模式匹配和状态改变检测中断功能
·通用8通道数字量
四．监控系统详细设计
4.1监控系统设计
监控系统采用一台研华工控机，21寸LCD和工业平板显示器，带有UPS电源的A3幅面彩印喷墨打印机。
系统采用仪表监控系统。
对现场各个泵及分离器的运行状态进行控制如图所示。
监控系统输入输出原理图及监控系统方案硬件示意图如下
21寸彩显
研华工控机
昌晖系列昌晖系列昌晖系列昌晖系列
仪表温度仪表压力仪表液位仪表PID
监控仪监控仪监控仪监控仪
图4—1系统硬件示意图
RS-232
RS-485
图4—2监控系统输入输出原理图
根据此油库的工艺流程可知系统需要监控各个泵、分离器加热炉的液位、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器后都会转换为和现场最大、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。
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，和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。
根据油库的流程图，系统I/O点数通过列表的形式列举如下表示：
表3.4集油站安全监控系统设备清单
序号
类别
名称
型号
技术要求
数量
1
计算机部分
工控机主机
研华IPC610
PIV1.8G/512MDRAM/40G/502X
1台
21寸彩显
21寸液晶
21寸飞利浦液晶显示屏
1台
UPS电源
山特3KVA
3KVA0.5小时
1台
打印机
惠普
A3，彩色喷墨打印机
1台
2
软件部分
操作系统
WindowsXp
MicrosoftwindowsXP
1套
组态软件
Kingview6.51
北京亚控组态王6.51
1套
3
板卡部分
模拟量输入板卡
PCI-1747U
16位,64路模拟量输入卡
1块
模拟量输出板卡
PCI-1723
16位,8路模拟量输出卡
1块
数字量输入/输出板卡
PCI-1760
8路隔离数字量输入通道
8路继电器输出通道
1块
4
控制柜
小型操作台
西仪横河
西仪横河计算机专用操作平台
1台
根据集油站的各个工艺流程，可以看到现场测量类型主要有压力、温度、液位、界位、电量等，所以需要相应的测量仪表进行数据采集，以及利用控制阀进行远程控制。
2.初步分析：
液位、温度、压力、气体浓度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和现场最大、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。
控制分离器上油室、水室的液位恒定可以采用板卡、PLC仪表来控制。
五．总结
油库安全监控系统是油库管理中很重要的一部分。
随着油田开发进入高含水后期，油库工艺过程更加复杂，采用人工监控和常规仪表监控已很难满足生产要求。
随着计算机监控系统的出现使用，可以满足相应的技术要求。
它采用计算机技术和自动化仪表相结合，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。
一般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），监测装置、变送机构等。
本次课程设计主要是对油库进行计算机监控系统的硬件设计，其中工艺流程中分离器流程实现气液分离，油罐区加热炉等流程则实现油水分离，进而完成对原油的储存，保证油料高品质的外输。
在进行硬件设计时，本次设计中采用监控仪表，在现场端，我们以监控仪表作为主控制系统，对油库监控系统实时控制，同时向计算机发送数据，计算机按一定的控制规律处理数据后发出相应的指令，进而通过执行机构实现油库现场设备实时监控。
通过此次课程设计，我受益匪浅。
不仅学会相应仪表的规格特点及实际使用，还对其和计算机的链接有一定的了解，再者对一些传感器、输入输出模块、工控计算机、现场总线等的知识也进一步加深了理解，融合了相关课程的知识。
熟悉油库工艺流程、监控目标及要求。
尤其认识到在实际使用中通过建立实时监控系统来监测设备、预防事故的重要性和优越性。
为以后的工作奠定了一定的基础。
参考文献
《石油安全工程》课程设计指导书.西安石油大学徐竟天、汪跃龙
《计算机监控系统》.西安石油大学
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