自动化仪表专业课程设计供水控制.doc

西安石油大学

课 程 设 计

电子工程 学院
自动化 专业
0902班

题 目 油田注水泵站监控系统设计---供水控制
学 生
学 号
指导老师 阮 岩

二零一二年六月

《自动化仪表和过程控制》
课程设计任务书
题 目
油田注水泵站监控系统设计----供水控制
学生姓名

学号

专业班级
自动化0902
设
计
内
容
和
要
求

此次课程设计目标是熟悉过程控制系统组态和调试，掌握自动化仪表和过程控制基础应用，加深和巩固本课程及相关课程知识，要求完成以下内容:
1熟悉油田注水泵站工艺步骤, 在图中标出供水压力就地检测显示，并对供水流量控制工作过程进行分析。
2.依据工艺步骤和基础数据, 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.了解组态软件历史、发展及中国外现实状况，熟悉组态软件应用，利用力控组态软件做出油田油田注水泵站监控系统组态设计，并在汇报中写出组态过程如：I/O端口分配、I/O点组态参数说明、控制回路组态说明等。最终要求做出工艺步骤画面、趋势画面、报警画面，并利用软件提供模拟对象，实现系统自动控制。
5．完成课程设计汇报。

起止时间
6 月 14 日 至 年 6 月 22 日
指导老师署名
年 月 日
系（教研室）主任署名
年 月 日
学生署名
6 月 19 日

一、基础工艺步骤
从水源送来工业用水，经过过滤器过滤后进入注水储罐。洗井泵抽取注水储罐中水，加压到 1.5MPa 后送出，用于洗井作业，压力由压力检测—变频控制器—电机进行变频控制。注水泵组站抽取注水储罐中水，经两级加压到约 20 MPa 后送出，用于注水作业。设计储水量为3*3000立米，最大注水量为1.5万吨/日，洗井用水量为1000吨/日。
二、组态软件历史发展
1. 组态软件产生背景
　　“组态”概念是伴伴随集散型控制系统（Distributed Control System简称DCS）出现才开始被广大生产过程自动化技术人员所熟知。在工业控制技术不停发展和应用过程中，PC（包含工控机）相比以前专用系统含有优势日趋显著。这些优势关键表现在：PC技术保持了较快发展速度，多种相关技术已臻成熟；由PC构建工业控制系统含有相对较低拥有成本；PC软件资源和硬件资丰富，软件之间互操作性强；基于PC控制系统易于学习和使用，能够轻易地得到技术方面支持。在PC技术向工业控制领域渗透中，组态软件占据着很特殊而且关键地位。
　　组态软件是指部分数据采集和过程控制专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级软件平台和开发环境，使用灵活组态方法，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功效、通用层次软件工具。组态软件应该能支持多种工控设备和常见通信协议，而且通常应提供分布式数据管理和网络功效。对应于原有HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己HMI软件工具，或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域用户经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；或购置专用工控系统，通常是封闭系统，选择余地小，往往不能满足需求，极难和外界进行数据交互，升级和增加功效全部受到严重限制。组态软件出现，把用户从这些困境中解脱出来，能够利用组态软件功效，构建一套最适合自己应用系统。伴随它快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备广泛支持已经成为它关键内容，伴随技术发展，监控组态软件将会不停被给予新内容。

2. 组态软件在中国发展
　　组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入中国。但在90年代中期之前，组态软件在中国应用并不普及。究其原因，大致有以下几点：
①中国用户还缺乏对组态软件认识，项目中没有组态软件预算，或宁愿投入人力物力针对具体项目做长周期繁冗上位机编程开发，而不采取组态软件；
②在很长时间里，中国用户软件意识还不强，面对价格不菲进口软件（早期组态软件多为国外厂家开发），极少有用户愿意去购置正版。
③当初中国工业自动化和信息技术应用水平还不高，组态软件提供了对大规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并能够将处理结果生成管理所需数据，这些需求并未完全形成。 
　　伴随工业控制系统应用深入，在面临规模更大、控制更复杂控制系统时，大家逐步意识到原有上位机编程开发方法。对项目来说是费时费力、得不偿失，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）大量应用，要求工业现场为企业生产、经营、决议提供更具体和深入数据，方便优化企业生产经营中各个步骤。所以，在1995年以后，组态软件在中国应用逐步得到了普及。

三、工艺介绍
从水源送来工业用水，经过过滤器过滤后进入注水储罐。洗井泵抽取注水储罐中水，加压到 1.5MPa 后送出，用于洗井作业，压力由压力检测—变频控制器—电机进行变频控制。注水泵组站抽取注水储罐中水，经两级加压到约 20 MPa 后送出，用于注水作业。设计储水量为3*3000立米，最大注水量为1.5万吨/日，洗井用水量为1000吨/日。
四、系统分析
二级泵输出管道使用流量计测量流量，将测量值和给定值进行对比后，得到偏差值，经变频器后 转换电机调整信号，当测量流量大于给定值时，需要给电机一个负调整信号，使流量减小，当测量值小于给定流量时，需要给电机一个正调整信号，来增大输出流量，所以选择负反馈。
因为PID调整器含有动作速度，减小超调，克服震荡，和消除静差等优势， 它综合了各类调整器优点，所以又更高调整质量，不管对象以后，负载改变，反应速度怎样基础全部能适应，故在此系统中我们采取PID规律。
依据已知工艺步骤能够画出单回路系统系统方框图

被控对象
（工业用水）
调整阀
调整器

检测变送装置

五、 控制规律选择
尽管不一样类型控制器，其结构、原理各不相同，不过基础控制规律只有三个：百分比(P)控制、积分(I)控制和微分(D)控制。这多个控制规律能够单独使用，不过更多场所是组合使用。如百分比(P)控制、百分比-积分(PI)控制、百分比-积分-微分(PID)控制等。
百分比(P)控制
　　单纯百分比控制适适用于扰动不大，滞后较小，负荷改变小，要求不高。
百分比积分(PI)控制
　　百分比控制规律是基础控制规律中最基础、应用最普遍一个，其最大优点就是控制立即、快速。　　百分比积分控制器是现在应用最为广泛一个控制器，多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。因为引入积分作用能消除余差，填补了纯百分比控制缺点，取得很好控制质量。不过积分作用引入，会使系统稳定性变差。对于有较大惯性滞后控制系统，要尽可能避免使用。
百分比微分(PD)控制
　　百分比和微分作用结合，比单纯百分比作用愈加快。尤其是对容量滞后大
对象，能够减小动偏差幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。
百分比积分微分(PID)控制
　　最为理想控制当属百分比-积分-微分控制规律。它集三者之长：现有百分比作用立即快速，又有积分作用消除余差能力，还有微分作用超前控制功效。
选择百分比积分微分(PID)控制作为供水控制
PID参数整定
在选择了调整规律和调整器以后，下一步问题就是整定参数，以得到某种意义上最好过渡过程，和最好过渡过程相对应调整器参数值称为最好整定参数。通常较通用标准是上面所述经典最好过程，即要求在阶跃扰动下被调量得波动含有衰减率在0.75左右，在这前提下尽可能满足正确性和快速性，即绝对误差积分时间最小。
在这里我们选择衰减曲线法进行参数整定，衰减曲线法是在总结“稳定边界法”和其它部分基础方法基础上，经过反复试验得出来。这种方法不需要得到临界振荡过程即可求得百分比度，步骤简单，比较安全。
假定是要求衰减率达成0.75过程，先把调整器改成百分比作用（Ti=∞，Td=0），放在某一百分比度，由手动投入自动，在达成稳定状态后，合适改变给定值，观察调整过程衰减比，假如达不到衰减比1/4，则对应改变百分比度，直抵达成要求衰减比为止，记下此时百分比度Ps和周期Ts1,然后依据对应经验值公式选择参数。在采取PID调整规律时，为了避免在切换时由微分作用引发初始振荡，可先将百分比度放在稍大数值，然后放积分时间，再慢慢放上微分时间，最终再把百分比度减小到计算值。
PID调整规律下公式以下

经整定后参数为：P=1.5 Ti=8.0 T=1.0

六、仪表选型

产品型号：HD-UQK-71系列。江苏中控自动化仪表。
产品特点：HD-UQK-71系列液位显示控制仪能广泛使用于炼油、化工、造纸、食品、及污水处理等行业。能对开口、密闭容器或地下池槽里介质液位在仪表控制室内进行显示、报警和控制。被检测介质可为水、油、酸、碱、工业污水等导电及非导电液体，并能克服液体泡沫所造成假液位影响。
产品原理 ：HD-UQK-71-2传感器中装有三只干簧管分别为下限、上限、越限报警。HD-UQK-71-4有五只干簧管，比HD-UQK-71-2多两点液位显示。装有磁钢浮球随液位上、下时使不一样位置干簧管动作，经过显示表内对应继电器吸合将液位正确位置指示出来。下限、上限显示表有继电器触点输出(相当于1 x 2开关)。上限越限时能发出声、光报警信号而无继电器触点输出。
HD-UQK-71-10、HD-UQK-71-50传感器中装有若干只干簧管。当装有磁钢浮球随液位上、下时，使不一样位置干簧管动作，从而使传感器输出阻值发生改变，显示表则将这改变阻值转换成面板—卜发光二极管亮熄来显示被测液位。显示表上装有控制点设定钮，叮任意将液位控制范围预优异行设定。当液位抵达设定高度时，显示表内继电器吸合由继电器触点通或断去控制液面或报警。

七、组态软件运行画面
1.趋势画面

2. 工艺步骤画面

3.报警画面

4.策略画面

八、设计总结
经过对此次课程设计,让我对工业步骤和工业控制有了初步了解.
在试验室时，我认真听取老师讲授,而且跟着老师步骤一步一步做,在试验室以外,我认真查阅并搜集资料,最终独立完成任务.
在完成任务同时,我还收获了知识，收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我经过查找大量资料，请教老师，和不懈努力，不仅培养了独立思索、动手操作能力，在多种其它能力上也全部有了提升。更关键是，在试验课上，我学会了很多学习方法。而这是以后最实用，真是受益匪浅。要面对社会挑战，只有不停学习、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
其它资料来自网络