资源描述
《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（采取板卡方案）
学生姓名
学号
专业班级
设
计
内
容
和
要
求
课程设计关键完成某集油站安全监控系统硬件设计。要求利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、总体设计等各功效设计。
要求熟悉相关计算机安全监控系统硬件组成和设计方案，学会计算机监控系统硬件设计步骤和方法，含有初步设计小型计算机安全监控系统硬件方案能力。
课程设计内容及基础要求以下：
1.熟悉集油站工艺步骤、监控目标及监控要求。
2.学会常见监控系统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.学会不一样自动化设备厂家各类板卡、智能仪表、智能模块、PLC等选型，能用所选厂家硬件搭建符合工艺步骤和监控目标硬件系统。
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，完成课程设计汇报。
起止时间
12月19日 至 12月25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
年 月 日
目录
一．绪论 4
1.1 计算机监控系统介绍.................................................................5
1.2计算机监控系统关键特点和标准..............................................5
1.3 集油站介绍….................................................................................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．监控系统具体设计............................................................13
五．总结....................................................................................16
参考文件...................................................................................16
一、绪 论
伴随科学技术不停进步，尤其是工业控制技术飞速发展，我们已经开始步入一个崭新自动化控制新时代。计算机自动监控系统已经广泛应用于离散过程、连续过程等多种工业自动化领域和电力、化工、食品、水处理等各个行业。现在中国外全部将计算机监控系统对油田联合站各个生产工艺过程进行实时监控、和数据采集等，计算机监控系统发展为集油站自动化监测注入了新活力。因为集油站是油气集输过程中一个关键步骤，它直接关系到外输原油质量，其工艺特点是系统关联紧密、操作规程严格、系统运行情况复杂多变且系统过程中步骤多变。所以采取计算机监控系统对其工艺过程进行实时监控能够有效提升生产率、降低事故发生率、降低工人劳动强度。自动化经过 50 年发展,经过技术引进,消化吸收和不停创新, 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,从低级单回路控制 发展到高级复杂系统控制,直到管控一体化.另外,在自动化装备,技术,功效,规模等方面全部有了很大提升;测量和控制装置不停更新升级,正在运行数千套 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 型骨干化工企业关键控制手段.常规仪表性能大大提升,已 成为石油和化工企业 生产过程关键检测手段,电子仪表,数字仪表,智能变送器和实施器使用量逐步 增加.现场总线控制系统试用取得进展,多年来已成为石 油和化工自动化领域发 展热点之一.对于石化行业来说,底层控制自动化是实现信息化基础. 油田,油井,计量站大部分全部分布在偏远地域,对其工艺过程工作情况,运行 参数监控和控制,一直是油田一项关键且困难工作.油田生产,开采过程中 有大量数据需要工作人员立即采集和统计,以供管理部门立即作出决议,管理 生产.假如这些数据全部要人工采集,统计话,肯定给工作人员带来巨大工作量, 而且效率低,误差大,而且影响了数据实时性. 伴随自动化发展,对油田生产各个步骤监测,检测正朝着监控自动化方 向发展.现在油田已经采取自动监控系统,对其各个生产步骤进行实时参数和故障监 控,检测,实施智能化监控和管理。
总而言之，在集油生产过程中，怎样合理选择、设计安全可靠和便于维护计算机监控系统，确保集油生产平稳运行和优化控制，实现节能降耗和安全生产，提升生产管理水平，是现在自动化技术在油田生产应用中面临关键课题。
1.1计算机监控系统介绍
所谓计算机监控就是利用传感器装置将被监控对象中物理参量（如温度、压力、流量、液位、速度）转换为电量，而且在计算机显示装置中以数字、图形或曲线方法显示出来，从而时操作人员能够直观而快速了解被监控对象改变过程。经过应用计算机监控技术，能够稳定和优化生产工艺，提升产品质量，降低能源和原材料消耗，降低生产成本。还能够降低劳动强度。
计算机监控系统能够由一下多个部分组成：计算机（含可视话人机界面）、输入输出装置（板卡），监测、变送机构。
设计标准有可靠性标准、使用方便标准、开放性标准、经济性标准、开发周期短标准。关键特点是实时性，可靠性，较强输入输出能力，应用软件丰富。
图1-1就是一个经典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 计算机监控系统关键特点和标准
1.21 关键特点
（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整，确保被控系统正常运行。
（2）可靠性。菊友在较恶劣工作现场长久工作能力，据有良好故障诊疗和维护性。
（3）较强输入/输出能力。可和工业现场检测仪表和控制装置相连接，完成多种测量控制任务。
（4）应用软件丰富，现在打多少计算机监控系统以WINDOWS 做工作平台，系统软件、应用软件丰富，可提供良好人机界面，尤其傻组件软件更为用户提供了方便。
1.2.2 设计标准
可靠性标准、使用方便标准、开放性标准、经济性标准、开发周期短标准。
1.3集油站介绍
原油集油站介绍 该原油集油站将各个采油队输送过来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、出油气计算、盘库。该原油联 合站内关键分成原油处理和污水处理两大工艺步骤，另外还包含消防、天然气密闭、 大罐抽气、阴极保护等小等小工艺步骤。
1.4 集油站发展
伴随中国自动化水平提升，油田生产实施自动化监控已经迫在眉睫。集油站是油田集输关键组成部分，它直接关系到油田生产正常运行，对整个油从开采到投产使用整个步骤经济效益有极大影响。
伴随油田开发进入高含水后期， 工艺过程愈加复杂，采取人工监控和常规仪表监控已极难满足生产要求。上世纪九十年代，计算机控制开始应用于联合站生产过程，并取得了一定应用效果。但因为在方案选型、设计和管理维护等方面存在部分问题，总来讲，应用效果不够理想。现在，集油站生产工艺过程控制关键有些人工监测控制、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依据检测仪表反应工艺参数改变情况，凭经验对生产过程进行人工控制，其工作效率和安全系数全部很低，已不能满足较高工业过程控制要求。
常规仪表控制采取多种检测和控制仪表实现对现场多种工艺参数采集处理、显示、报警和调整控制，确保生产过程高效、安全和平稳运行。这种控制方法已在集油站中得到了广泛应用。
计算机监测控制是从上世纪七十年代快速发展起来一个功效强大现代工业过程控制方法。它采取计算机技术和自动化仪表相结合，对工业生产过程中多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，它能够提供更为复杂控制算法，经过对多种相关参数进行综合分析，实现协调管理和优化控制。
总而言之，在集油站中，怎样合理选择、设计安全可靠和便于维护计算机监控系统，确保油田生产平稳运行和优化控制，实现节能降耗和安全生产，提升生产管理水平，是现在自动化技术在油田生产应用中面临关键课题。
二、系统方案总设计
工艺步骤图以下：
某集油站工艺步骤如上图。从各个油井或计量站来得油水混合物优异入三个四相分离器，进行油，水，气，沙四相分离，分离出来水经掺水泵送到个计量站掺水或对地下注水；分离出来原油进入脱水器再次脱水，经稠油泵送到200立方米大罐储存；分离出来一部分油水混合物经过外输泵在进行热交换加热后往其它集油站外输。
整个联合站工艺流框图以下：
2.2集油站工艺步骤和关键技术指标
（1）分离器步骤。从各个采油队输送过来原油首先经过计量器计量后又进入集油站油气水三相分离器，在这里实现气体和液体分离。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， 而油水混合液体从下部流出进入一 次沉降罐。
(2)油罐区步骤。油罐区储罐关键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 出大部分原油，并把部分天然气再行搜集，而将水输到污水区，进行污水处理。经 过一次沉降罐原油流入二次沉降罐继续进行油水分离， 这以后原油已经含水极少了， 然后原油进入加热炉加热和脱水器脱水。 经过加热和脱水后原油进入净化油罐，等候外输。
（3）加热炉步骤。从油罐区二次沉降罐输送过来原油在这里经过加热，以利于 原油输送，然后送到脱水器脱水。
（4）原油外输步骤。经过加热和脱水处理原油含水已经极少，经过原油外输泵 将原油输送出集油站。污水处理工艺步骤。在这一步骤里，从一次沉降罐过来污水 首优异入缓冲罐，将含有残留天然气进行搜集，然后经过加药泵进行加药处理，再进入过滤罐过滤，最终将经过处理污水输出。
依据集油站工艺步骤和各个设备工作原理，整个监控系统需要处理：
（1） 控制三相分离器上油室、水室液位恒定。
（2）监测三相分离器上油室、水室液位、温度、压力及报警。
（3）监测俩个沉降罐油室、水室液位、温度、压力及报警。
（4） 监测脱水泵、脱水器、加药泵、污水外输泵、外输泵各自前后压力，控制各个泵起、停，显示其运行情况及报警。
（5）监测净化油罐、污水缓冲罐，过滤罐、加热炉温度及液位及报警。
（6）监测遍布整个战区气体浓度及报警。
依据集油站步骤图，先要列出统计出系统I/O点数，系统I/O点数如表所表示：
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
计量罐液位
1
计量罐液位控制
1
2
三相分离器
8
上油室液位、温度、压力
3
水室液位、温度、压力
3
油室、水室液位恒定控制
2
3
脱水泵
5
泵前后压力
2
泵起停控制
2
泵运行状态
1
4
加药泵
5
泵前后压力
2
泵起停控制
2
泵运行状态
1
5
污水外输泵
5
泵前后压力
2
泵起停控制
2
泵运行状态
1
6
外输泵
5
泵前后压力
2
泵起停控制
2
泵起停控制
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
过滤罐液位、温度
2
11
加热炉
2
加热炉液位、温度
2
12
四个沉降罐
12
沉降罐温度、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
净化罐温度、压力
2*2=4
14
站区
10
气体浓度检测
10
累计
66
47
7
4
8
因为点数太多，仅列出部分I/O点数参数表，其它基础类同
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
脱水泵开启
DO
1
V
24
0
正
2-2
C1ZK
脱水泵运行情况
DI
1
V
24
0
正
·SM322数字量输出模块
该模块是德国西门子企业生产S7-300PLC系列数字量输出模块，为16通道数字量输出模块。
关键性能和指标
·可用于连接电磁阀，接触器，小功效电机、
灯和电机开启器
·数字量输出模块将S7-300内部信号电平转
化为控制过程所需外部信号电平
·16路增强数字量输出模块
·额定负载电压，输出范围为20.4-28.8V
·输出电流，信号为0是电流为0.5MA,信号为1时-60℃时电流为0.5MA
·RS-232C接口
·SM323数字量输入/输出模块
关键性能和指标
·8通道数字量输入/输出模块
·可用于连接开关、2总线近开关，小功率电机等
·可将控制过程外部数字量电平转化为S7-300
内部信号电平
·也可将S7-300内部信号电平转化为控制过程
外部数字量电平
·RS-232C接口
四．监控系统具体设计
4.1 监控系统设计
监控系统采取一台研华工控机，21寸LCD和工业平板显示器，带有UPS电源A3幅面彩印喷墨打印机。系统采取仪表监控系统。
对现场各个泵及分离器运行状态进行控制图所表示。监控系统输入输出原理图及监控系统方案硬件示意图以下
ups
21寸彩显
打印机
研华工控机
图4—1 系统硬件示意图
打印机
21寸工业平
板彩色显示器
UPS
研华工控机
RS-232
ADAM4520
RS-485
昌晖SWP-RMD—808
液位检测仪
昌晖SWP-RMD—808
压力检测仪
昌晖SWP-ND105-010-23-N PID自整定控制仪
昌晖SWP-RMD—808
温度检测仪
图4—2 监控系统输入输出原理图
依据此油库工艺步骤可知系统需要监控各个泵、分离器加热炉液位、温度、压力、气体浓度，和监测及各个泵运行情况显示。其中
液位、温度、压力、气体浓度等信号经过对应变送器后全部会转换为和现场最大、最小值对应 4～20mA电流信号，全部是模拟量输入信号。各个泵运行情况对应数字量输入信号。
控制分离器上油室、水室液位恒定能够采取板卡来控制。各个泵运行情况及启停显示全部是数字量输入信号。能够采取西门子数字量输入模块。目前液位信号接入PCI-1713总线隔离高速模拟量输入卡，和人工设置定值相比较，经过分析，调整泵转速来控制油室、水室液位恒定。
依据油库步骤图，系统I/O点数经过列表形式列举以下表示：
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寸飞利浦液晶显示器
1台
UPS电源
山特3KVA
3KVA 0.5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
Microsoft windows XP
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
五．总结
集油站安全监控系统是油库管理中很关键一部分。伴随油田开发进入高含水后期，油库工艺过程愈加复杂，采取人工监控和常规仪表监控已极难满足生产要求。伴随计算机监控系统出现应用，能够满足对应技术要求。它采取计算机技术和自动化仪表相结合，对工业生产过程中多种工艺参数进行处理、运算、显示和控制。通常由一下多个部分组成：计算机（含可视话人机界面）、输入输出装置（板卡），监测装置、变送机构等。
此次课程设计关键是对油库进行计算机监控系统硬件设计，其中工艺步骤中分离器步骤实现气液分离，油罐区加热炉等步骤则实现油水分离，进而完成对原油储存，确保油料高品质外输。
在进行硬件设计时，此次设计中采取监控仪表，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，计算机按一定控制规律处理数据后发出对应指令，进而经过实施机构实现油库现场设备实时监控。
经过此次课程设计，我受益匪浅。不仅学会对应仪表规格特点及实际应用，还对其和计算机链接有一定了解，再者对部分传感器、输入输出模块、工控计算机、现场总线等知识也深入加深了了解，融合了相关课程知识。熟悉油库工艺步骤、监控目标及要求。尤其认识到在实际应用中经过建立实时监控系统来监测设备、预防事故关键性和优越性。为以后工作奠定了一定基础。
参考文件
《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
展开阅读全文
浙ICP备2021020529号-1 | 浙B2-20240490 
