694523470畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于DeviceNet現(xiàn)場總線的聯(lián)合站油水分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要聯(lián)合站油水分離過程是將高含水原油處理成合格產(chǎn)品的重要過程。從控制理論的角度看，此過程具有多變量、干擾因素復(fù)雜、非線性、大滯后、壓力和界面強(qiáng)耦合的特點(diǎn)。在本文中，利用devicenet現(xiàn)場總線技術(shù)對(duì)聯(lián)合站油水分離問題加以解決，建立了聯(lián)合站油水分離過程的動(dòng)態(tài)模型，并對(duì)模型進(jìn)行了簡化處理，研究了輸入量與輸出量之間的關(guān)系以及對(duì)干擾的響應(yīng)，并將其應(yīng)用于devicenet現(xiàn)場總線構(gòu)建的系統(tǒng)中。通過前期構(gòu)建devicenet現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，熟悉devicenet設(shè)備連接配置、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，后期使用rslogix 500編程，rsview制作監(jiān)控界面，使聯(lián)合站對(duì)象能夠滿足基本pid控制要求，而且能夠在人機(jī)界面上

2、反映出聯(lián)合站對(duì)象的運(yùn)作情況。通過數(shù)學(xué)模型的建立和基于devicenet現(xiàn)場總線的系統(tǒng)的構(gòu)建，從一定意義上解決了聯(lián)合站油水分離過程中的多變量控制問題。關(guān)鍵詞聯(lián)合站 油水分離 devicenet現(xiàn)場總線技術(shù) 多變量控制 abstractthe oil-water separation process in oil station is an important process to change highly moisture content crude into qualified products. viewed from the angle of control theory, this p

3、rocess has many characteristics like variables, factors that interfere with complex, nonlinear, time delay, and the strong coupling of pressure and interface. in this paper, oil-water separation in oil station is solved by the using of devicenet fieldbus technology, the dynamic model of the oil-wate

4、r separation in oil station is established and simplified, the relationship between the input and output as well as the response to the disturbance are discussed, and all above are adopted in the system constructed by the devicenet fieldbus technology. through the early constructing of the devicenet

5、 fieldbus network devicenet equipment configuration and network configuration are well known, then rslogix 500 are used to edit the programme , and rsview is used to construct the control interface, so that the target of the oil station can meet the basic need of pid control, and the operating condi

6、tions of the target of the oil station can be reflected on the man-machine interface.the multi-variable control in the oil-water separation process is to some degree solved through the establishment of the mathematical model and the based on the devicenet fieldbus.keywords oil station oil-water sepa

7、ration devicenet fieldbus technology onstruction of the system目 錄摘要iabstractii第1章 緒論51.1 聯(lián)合站油水分離控制系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢51.1.1 聯(lián)合站油水分離系統(tǒng)自動(dòng)控制的意義51.1.2 國內(nèi)、外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢51.2 聯(lián)合站油水分離系統(tǒng)面臨的問題71.3 系統(tǒng)的主要特點(diǎn)91.3.1 系統(tǒng)的可靠性91.3.2 系統(tǒng)的靈活性101.3.3 高度自動(dòng)化101.4 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的意義及需要解決的問題101.5 論文內(nèi)容編排11第2章 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)理論122.1 現(xiàn)場總線122.1.1 現(xiàn)場總線概念122.1.

8、2 現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)132.1.3 現(xiàn)場總線的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)142.2 devicenet現(xiàn)場總線152.2.1 devicenet現(xiàn)場總線介紹152.2.2 rockwell三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)162.2.3 devicenet現(xiàn)場總線特點(diǎn)172.3 系統(tǒng)控制方案比較192.3.1 聯(lián)合站油水分離控制系統(tǒng)工藝192.3.2 系統(tǒng)控制方案192.3.3 模糊控制策略202.3.4 多變量控制策略232.4 本章小結(jié)26第3章 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)273.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)273.1.1 連接線路273.1.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及傳輸設(shè)置283.1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)293.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)323.2.1 rslin

9、x323.2.2 rsview32333.2.3 rslogix 500333.3 軟件通訊配置343.3.1 rsnetworx for devicenet對(duì)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)343.3.2 rslinx通訊設(shè)置363.3.3 rslogix500通訊配置383.3.4 rsview32通訊配置393.3.5 dde通信設(shè)置403.4 生產(chǎn)流程軟件的設(shè)計(jì)413.4.1 建立引用標(biāo)記413.4.2 建立圖形423.4.3 趨勢圖443.4.4 工藝流程圖463.5 故障處理483.6 本章小結(jié)49第4章 系統(tǒng)調(diào)試504.1 系統(tǒng)的調(diào)試504.2 本章小結(jié)51結(jié)論52致謝53參考文獻(xiàn)54千萬不要?jiǎng)h除行尾的

10、分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“abstract”這一行后加一空行雙擊上一行的“1”“2”試試，j(本行不會(huì)被打印，請(qǐng)自行刪除)第1章 緒論1.1 聯(lián)合站油水分離控制系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.1.1 聯(lián)合站油水分離系統(tǒng)自動(dòng)控制的意義聯(lián)合站油水分離主要通過游離水脫水、沉降脫水、電脫水三個(gè)階段，每個(gè)階段的放水含油和出油含水要求要達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)污水回注和成品油平穩(wěn)外輸目的。油水分離過程同時(shí)要經(jīng)過加溫、加壓、加藥等工序。目前，油田原油生產(chǎn)已進(jìn)入高含水期，聯(lián)合站的任務(wù)變得更加繁重。較之以前，聯(lián)合站的工作效率，生產(chǎn)質(zhì)量，能源消耗，

11、都變得重要起來。聯(lián)合站油水分離過程是多入多出系統(tǒng)，且變量間耦合嚴(yán)重，干擾因素多且作用頻繁，系統(tǒng)可控性差。選擇適合此過程特點(diǎn)的最優(yōu)控制策略，開發(fā)出一套完善的聯(lián)合站油水分離過程在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)，故障診斷報(bào)警系統(tǒng)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。完善的控制系統(tǒng)能大幅度地節(jié)省人力及提高設(shè)備利用率?？刂葡到y(tǒng)使用后應(yīng)使各階段出油含水率降低，做到平穩(wěn)外輸：并且水中含油量減少，使收油泵起停次數(shù)降低，每次運(yùn)行時(shí)間減少，延長泵的使用壽命。出水含油率的降低又可大大降低二次分離的消耗。51.1.2 國內(nèi)、外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前，在國內(nèi)各種規(guī)模的聯(lián)合站中油水分離控制過程大多數(shù)還采用手動(dòng)或半自動(dòng)控制防水。即一次儀表加手操器方式或根據(jù)經(jīng)

12、驗(yàn)來控制手動(dòng)閥門的開啟度。在這個(gè)環(huán)節(jié)上自動(dòng)化程度很低，急待解決。而在發(fā)達(dá)國家同類設(shè)備中，已基本上實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制，即脫水、加藥、污水處理、平穩(wěn)外輸過程的全自動(dòng)調(diào)節(jié)及控制。在這方面，我國處于落后狀態(tài)的主要原因是傳感器及調(diào)節(jié)儀表的性能質(zhì)量均達(dá)不到要求，現(xiàn)場及操作人員素質(zhì)欠缺，過去開發(fā)的一類型的自動(dòng)控制系統(tǒng)無法使用等。近年來，隨著各類先進(jìn)控制產(chǎn)品的引入及操作人員素質(zhì)的不斷提高，采用先進(jìn)的全自動(dòng)控制系統(tǒng)來控制脫水過程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并在不斷推廣。就我國而言，聯(lián)合站自動(dòng)放水經(jīng)歷了三個(gè)主要階段：第一階段：屬于探索階段，期間各種方式混雜，各種方式在部分領(lǐng)域取得一定發(fā)展，由于元件、控制理論的局限，就其根本而言（即保

13、證外輸油含水率）是失敗的。第二階段：由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以其獨(dú)立開發(fā)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或兼容機(jī)控制系統(tǒng)為核心，這類系統(tǒng)一般預(yù)先設(shè)置油中含水率和系統(tǒng)壓力等控制參數(shù)，通過實(shí)時(shí)優(yōu)化軟件，根據(jù)控制參數(shù)的變化、每隔3秒隨時(shí)調(diào)節(jié)放水閥及界面，含水率在規(guī)定的范圍內(nèi)變化，已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，但還存在以下不足：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)控制分離過程，調(diào)試階段工作復(fù)雜，投產(chǎn)使用一段時(shí)間后，某些外部關(guān)鍵參數(shù)可能變化，這將影響控制的可靠性與穩(wěn)定性，使放水及輸出油指標(biāo)降低甚至不合格。由于一次儀表、特別是點(diǎn)位式界面儀的局限性，必然使只有部分?jǐn)?shù)據(jù)取自現(xiàn)場儀表，油水界面、油中含水和水中含油指標(biāo)顯示數(shù)據(jù)非實(shí)際值而是計(jì)算值。這樣，對(duì)于含油率較穩(wěn)定

14、的站而言是失敗的。第三階段：工控機(jī)場地總線、集散控制系統(tǒng)階段。通過設(shè)備網(wǎng)（devicenet）采集現(xiàn)場一次儀表參數(shù)和控制相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過控制網(wǎng)（controinet）實(shí)現(xiàn)本站系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測與控制，通過信息網(wǎng)（ethernet）實(shí)現(xiàn)與整個(gè)計(jì)算機(jī)管理信息系統(tǒng)的互連。油水界面和出油含水檢測采用射頻導(dǎo)納連續(xù)液位變送器。這種控制方式，是油水分離智能控制發(fā)展的必然趨勢，他具有低成本、高可靠性、可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。1983年，honeywell推出了智能化儀表，它在原模擬儀表的基礎(chǔ)上增加了計(jì)算功能的微處理器芯片，在輸出的420ma直流信號(hào)上迭加了數(shù)字信號(hào)，使現(xiàn)場與控制室之間的連接模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。之后，世

15、界上各大公司推出了各種智能儀表。智能儀表的出現(xiàn)為現(xiàn)場總線的誕生奠定了基礎(chǔ)。 智能儀表的出現(xiàn)為現(xiàn)場信號(hào)的數(shù)字化提供了條件，但不同廠商提供的設(shè)備通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，束縛了底層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?，F(xiàn)場總線要求不同的廠商遵從相同的制造標(biāo)準(zhǔn)，組成開放的互連網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)場總線網(wǎng)、智能化設(shè)備儀表的發(fā)展，不可避免地影響著dcs的體系結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在可以看到的一個(gè)明顯的趨勢是dcs的進(jìn)一步分散化。傳統(tǒng)的dcs，在i/o控制站這一層仍然是一個(gè)集中式的結(jié)構(gòu)，有些系統(tǒng)出于成本或其它方面的考慮，將i/o控制站的規(guī)模做得很大。這種考慮包括：高性能cpu的價(jià)格己降得很低，為了充分發(fā)揮cpu的能力，可以將一個(gè)i/o控制站的點(diǎn)數(shù)

16、、回路數(shù)擴(kuò)充，以降低成本。但是這種設(shè)計(jì)提高了危險(xiǎn)性的集中度，如果為了提高可靠性增加冗余措施，系統(tǒng)成本仍然會(huì)上升，因此并不是一個(gè)理想的解決方案。從當(dāng)前的發(fā)展趨勢看，利用現(xiàn)場總線網(wǎng)和智能化設(shè)備、智能化儀表，加上通用的工控機(jī)完全可以組成一個(gè)小型的dcs，這就對(duì)傳統(tǒng)的dcs提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)榛诂F(xiàn)場總線網(wǎng)的dcs具有很多優(yōu)越性，無論從系統(tǒng)的成本上、可靠性上，安裝使用、維護(hù)的方便性及可擴(kuò)充性上都有很大的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的dcs只有在i/o控制站這一層進(jìn)一步分散化，采用現(xiàn)場總線網(wǎng)技術(shù)，形成以現(xiàn)場總線網(wǎng)基礎(chǔ)的、以智能i/o模塊構(gòu)成的分布式控制站。也就是說，將過去dcs中集中式的i/o控制站變成分布式的控制站，在傳統(tǒng)

17、dcs網(wǎng)絡(luò)的下一層再引入一層現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，基本控制單元深入到了設(shè)備控制這一級(jí)，形成設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)、控制級(jí)網(wǎng)絡(luò)和管理級(jí)網(wǎng)絡(luò)這樣三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以此來滿足不斷提高的應(yīng)用需求。71.2 聯(lián)合站油水分離系統(tǒng)面臨的問題在聯(lián)合站集輸流程中主要分為油、氣、水三個(gè)系統(tǒng)，油系統(tǒng)主要指的是游離水、電脫水、輸油等幾個(gè)崗位；氣系統(tǒng)在聯(lián)合站只進(jìn)行計(jì)量，不進(jìn)行控制，水系統(tǒng)包括污水、污水處理、注水等崗位。油系統(tǒng)的工程流程是全密閉的，水系統(tǒng)中存在許多緩沖罐且都是常壓的，因此，一般只在油系統(tǒng)中存在各控制參數(shù)的耦合關(guān)系。游離水崗主要控制參數(shù)有：沉降罐液位、沉降罐壓力、沉降出油量、沉降放水量、沉降罐出油含水。電脫水崗主要控制參數(shù)有：脫水器界

18、面、脫水器壓力、脫水器油量、脫水器放水量、外輸油含水。主要干擾因素是來液量的變化和來液含水率的變化。其中 控制輸出：游離水脫除器油出口含水率、放水含油率、系統(tǒng)壓力；沉降脫除器油出口含水率、 放水含油率、放水含油率、系統(tǒng)壓力；電脫水器油出口含水率、放水含油率、系統(tǒng)壓力。操縱輸入：游離水脫除器放水量、油出口流量；電脫水器放水量、油出口流量。干擾輸入：中轉(zhuǎn)站來液量、來液含水率。（1）保持游離水脫除器界面平穩(wěn)對(duì)游離水脫除器來說，脫除器界面是一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)槠浣缑娴牟▌?dòng)將直接影響到油水分離的效果，為此在每個(gè)脫除器上都裝有界面子控制系統(tǒng)。當(dāng)界面由于某種干擾（如來液含水）而變化時(shí)，界面控制子系統(tǒng)就通過改變

19、脫除器放水量和油出口流量來維持界面平穩(wěn)。但是來液含水的改變直接影響的是油出口流量，進(jìn)而影響系統(tǒng)壓力。而游離水脫除器出油量的波動(dòng)對(duì)電脫除出油量的波動(dòng)對(duì)電脫水器來說是一個(gè)進(jìn)液擾動(dòng)，使電脫水器的界面平穩(wěn)受到破壞，甚至出現(xiàn)生產(chǎn)事故。（2）保持游離水脫除器系統(tǒng)壓力平穩(wěn)對(duì)游離水脫除器來說，其系統(tǒng)壓力也是一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)槿舫霈F(xiàn)高壓時(shí)處理不及時(shí)，很可能造成安全閥跑油等嚴(yán)重事故，壓力過低越出限值時(shí)，影響電脫水系統(tǒng)操作，嚴(yán)重時(shí)電場波動(dòng)，造成事故。為此在每個(gè)脫除器出油匯管上都裝有壓力控制子系統(tǒng)。當(dāng)壓力由于某種干擾而變化時(shí)，壓力控制控制系統(tǒng)就通過改變脫除器油出口流量來維持壓力平穩(wěn)。但是出油量和放水量改變將影響到游離

20、水脫除器的界面，而影響到沉降效果。（3）保持電脫水器界面平穩(wěn)對(duì)電脫水器來說，從自身平穩(wěn)操作來說，應(yīng)保持界面穩(wěn)定，為此應(yīng)設(shè)置脫水器界面控制子系統(tǒng)，當(dāng)界面由于某種干擾（如來液量）而變化時(shí)，界面控制控制子就通過改變脫水器放水量和油出口流量來維持界面平穩(wěn)。但是油出口流量的變化將引起脫水器匯管的壓力的波動(dòng)。（4）保持電脫水器系統(tǒng)壓力平穩(wěn)作為電脫水器，其系統(tǒng)壓力是一個(gè)重要的參數(shù)，為保持系統(tǒng)壓力平穩(wěn)，在每個(gè)脫水器出油匯管上都裝有壓力控制子系統(tǒng)。當(dāng)壓力由于某種干擾而變化時(shí)，壓力控制子系統(tǒng)就通過改變脫水器油出口流量來維持壓力平穩(wěn)。但是油出口流量改變將影響到電脫水器界面的平穩(wěn)。（5）好油緩沖罐液位與平穩(wěn)輸油之間存

21、在耦合關(guān)系作為好油緩沖罐，其液位是最重要的控制參數(shù)，而平穩(wěn)輸油是集輸管理所要求的重要指標(biāo)。對(duì)于好油緩沖罐來說，當(dāng)液位由于某種干擾（如來油量變化）而變化時(shí)，變頻器或出口匯管調(diào)節(jié)閥就通過改變輸油泵排量來保持液位的穩(wěn)定。而排量的改變將影響到平穩(wěn)輸油，因此，好油緩沖罐液位與平穩(wěn)輸油之間存在耦合關(guān)系。為使各參數(shù)間達(dá)到最佳耦合關(guān)系，一般要根據(jù)不同聯(lián)合站的實(shí)際情況建立不同的數(shù)字模型隨機(jī)、調(diào)節(jié)、均衡模型，通過系統(tǒng)組態(tài)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最佳控制。1.3 系統(tǒng)的主要特點(diǎn)該課題所使用的控制系統(tǒng)采用了美國ab公司生產(chǎn)的可編程控制器輸入/輸出單元flex i/0構(gòu)成，各站由devicenet現(xiàn)場總線（設(shè)備網(wǎng)絡(luò)）同主控制站連

22、接在一起，上位各管理監(jiān)控工作站通過dh485網(wǎng)與設(shè)備網(wǎng)相連。每臺(tái)flex i/0工作站連接傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直接進(jìn)行脫水工藝控制并同管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。構(gòu)成了即獨(dú)立又互相關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)。生產(chǎn)現(xiàn)場各站即可脫離管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)獨(dú)立工作，又可以由管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作。這樣既發(fā)揮了管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能和flex i/0的高可靠性，又避免了計(jì)算機(jī)控制方案中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)易破壞或癱瘓使系統(tǒng)無法運(yùn)行的弊端。管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過美國rockwell的專業(yè)組態(tài)軟件與每個(gè)站（數(shù)據(jù)采集工作和監(jiān)視控制工作站）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主要功能如下：（1）顯示現(xiàn)場參數(shù)、畫面，包括進(jìn)出口壓力、溫度、油水界面、油含水率、進(jìn)

23、出口閥開度、設(shè)備工作狀態(tài)等。（2）直接通過動(dòng)畫畫面直觀控制有關(guān)參數(shù)。如設(shè)定油水界面、手動(dòng)/自動(dòng)、手控閥門開度、出口壓力設(shè)定等。（3）顯示現(xiàn)場參數(shù)的趨勢圖，以利于觀察和分析。包括進(jìn)口壓力、出口壓力、油溫、油水界面、油含水率的變化趨勢。（4）進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，按現(xiàn)場要求自動(dòng)生成打印報(bào)表，并定時(shí)自動(dòng)打印和存儲(chǔ)。（5）故障報(bào)警：現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行報(bào)警，如傳感器斷線、損壞等；參數(shù)超過工藝要求時(shí)報(bào)警，如超壓、含水過高等。1.3.1 系統(tǒng)的可靠性在儀表選用方面，選用a34w油水界面儀，a34w油水界面儀是a32射頻電容物位計(jì)中專用于油水界面測量的專用儀表，即用于測量油和水混合后靜態(tài)分界面，該儀表具有精確性、

24、免維護(hù)性和在連續(xù)性，所以能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)反映出各油水脫出器的油水界面，從而保證了油中含水和水中含油等各種參數(shù)，確保出油和底部防水達(dá)到指標(biāo)。在控制方面，采用美國a-b公司plc系統(tǒng)，并使用在nt環(huán)境下運(yùn)行的rsview32軟件，該軟件嚴(yán)格地限制了操作者的使用權(quán)限，以免引起誤操作。而且損壞的文件具有再恢復(fù)性。保證了系統(tǒng)即具有較高的安全性。1.3.2 系統(tǒng)的靈活性整個(gè)系統(tǒng)分成兩級(jí)結(jié)構(gòu)。這個(gè)方案有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）分工協(xié)作，各司其職。plc全力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和控制，而各監(jiān)控工作站則對(duì)整個(gè)控制過程或局部控制過程進(jìn)行監(jiān)控。（2）擴(kuò)展性方便、簡單，只須添加相應(yīng)的模塊和plc，軟件上做少量改動(dòng)就可以擴(kuò)展到多個(gè)罐

25、，完全沒有限制。（3）集中管理、分散控制，將風(fēng)險(xiǎn)分散。美國ab公司的plc以運(yùn)行可靠著稱，每臺(tái)現(xiàn)場工作站flex i/0只負(fù)責(zé)控制本地小區(qū)域的信號(hào)的輸入與輸出，即使出現(xiàn)故障，只會(huì)導(dǎo)致這一小區(qū)域停產(chǎn)，并且故障處理只須更換相應(yīng)模塊即可，快捷方便。監(jiān)控工作站負(fù)責(zé)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、監(jiān)控。即使關(guān)閉pc機(jī)，flex i/0以前一時(shí)間下載的控制模式工作，生產(chǎn)照樣可以安全進(jìn)行。1.3.3 高度自動(dòng)化傳統(tǒng)控制模式生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采樣是二小時(shí)一次，特別是油中含水率要經(jīng)過四十分鐘的化驗(yàn)才能得出結(jié)果，這樣不但不準(zhǔn)確，而且需要大量的人力和物力。而應(yīng)用集監(jiān)視、監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集于一體的rsview軟件平臺(tái)進(jìn)行組態(tài)，能在監(jiān)控工

26、作站上實(shí)時(shí)準(zhǔn)確顯示出整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，把工人從繁重的體力勞動(dòng)中解脫出來，實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化。1.4 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的意義及需要解決的問題本課題的目的就是應(yīng)用devicenet現(xiàn)場總線技術(shù)及多變量控制技術(shù)于聯(lián)合站油水分離過程中的多變量控制中。預(yù)期在整個(gè)研究過程中，熟悉devicenet現(xiàn)場總線規(guī)則，學(xué)習(xí)簡單的rsview、slc 500的編程，了解聯(lián)合站油水分離的具體工藝流程，解決聯(lián)合站油水分離系統(tǒng)的多變量控制問題。1.5 論文內(nèi)容編排第一章是緒論，主要介紹了畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容的設(shè)計(jì)背景，并且介紹了以聯(lián)合站油水分離系統(tǒng)為對(duì)象的devicenet現(xiàn)場總線組網(wǎng)作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的意義；第二章介紹了系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)和

27、方案的比較；第三章介紹了系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)置以及硬、軟件設(shè)計(jì)，以及人機(jī)界面的構(gòu)建；第四章對(duì)于系統(tǒng)的調(diào)試進(jìn)行了介紹；第五章對(duì)于全文進(jìn)行了總結(jié)。第2章 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)理論2.1 現(xiàn)場總線2.1.1 現(xiàn)場總線概念現(xiàn)場總線是指在生產(chǎn)現(xiàn)場的測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信、完成測量控制任務(wù)的系統(tǒng)，這種開放型的工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了新一代的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，因而又被譽(yù)為自控領(lǐng)域的局域網(wǎng)。它溝通了過程控制領(lǐng)域的基本控制設(shè)備（如傳感器、控制器、智能閥門、微控制器和存儲(chǔ)器等）與更高層次自動(dòng)控制領(lǐng)域的自動(dòng)化控制設(shè)備之間的聯(lián)系。這里的現(xiàn)場控制設(shè)備指最底層的控制監(jiān)測、執(zhí)行和計(jì)算設(shè)備，包括傳感器、控制器、

28、智能閥門、微處理器和存儲(chǔ)器等各種類型的儀表產(chǎn)品?，F(xiàn)場總線與各種智能化現(xiàn)場儀表共同組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（fcs），也稱開放式控制系統(tǒng)（ocs）?，F(xiàn)場總線是20世紀(jì)80年代中期在國際上發(fā)展起來的。隨著微處理器與計(jì)算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)和價(jià)格的降低，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展?，F(xiàn)場總線可實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的信息集成，實(shí)施綜合自動(dòng)化，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場自動(dòng)化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換?，F(xiàn)場總線技術(shù)是工業(yè)自動(dòng)化最深刻變革之一。plc和工控機(jī)采用現(xiàn)場總線后可方便地作為i/o站和監(jiān)控站連接在dcs系統(tǒng)中?，F(xiàn)場總線基金會(huì)總線是一種取代4-20ma標(biāo)準(zhǔn)，用于連

29、接智能現(xiàn)場設(shè)備和控制設(shè)備的雙向數(shù)字通訊技術(shù)，現(xiàn)場總線具有開放性和互操作性，它使得一些控制功能下移到現(xiàn)場設(shè)備中?，F(xiàn)場總線還可以處理復(fù)雜的事情：本質(zhì)安全、危險(xiǎn)場合、多變量的過程以及法規(guī)要求嚴(yán)格的環(huán)境?，F(xiàn)場總線與模擬回路相比較，具有一系列無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：大大降低了系統(tǒng)的費(fèi)用。儀表系統(tǒng)的電纜配線、安裝、操作和維修等方面的費(fèi)用，由于采用了現(xiàn)場總線，可以節(jié)約60以上?？梢詡魉投鄠€(gè)過程變量?？梢栽趥鬏斶^程變量的同時(shí)，將儀表的標(biāo)識(shí)符和簡單的診斷信息也一并傳送。這樣，有利于帶有多變量的數(shù)字儀表（如溫度、壓力、ph值的數(shù)字儀表）的開發(fā)和應(yīng)用。減少了系統(tǒng)的維護(hù)量，提高了系統(tǒng)的可靠性。提高了檢測精度。現(xiàn)場總線的數(shù)字信

30、號(hào)比420ma模擬信號(hào)的精度提高10倍。因此，可以排除在a/d轉(zhuǎn)換中所產(chǎn)生的誤差。減少了i/o裝置。若平均每23個(gè)儀表接到一根單獨(dú)的電纜上，則可以減少一半到2/3的i/o卡、i/o柜或i/o文件等。增強(qiáng)了系統(tǒng)的自治性。以微控制器為基礎(chǔ)的現(xiàn)場設(shè)備可以完成許多先進(jìn)的功能，包括部分控制功能。這樣，就可以將原來的集中的多回路或單回路控制器所完成的功能轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場來完成，在現(xiàn)場內(nèi)實(shí)現(xiàn)一般的控制。采用國際性的現(xiàn)場總線后，可與不同廠家生產(chǎn)的儀表兼容?？偩€式結(jié)構(gòu)。一對(duì)傳輸線(總線)掛接多臺(tái)現(xiàn)場設(shè)備,雙向傳輸多個(gè)數(shù)字信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)比一對(duì)一的單向模擬信號(hào)傳送結(jié)構(gòu)布線簡單,安裝費(fèi)用低,維護(hù)簡便。92.1.2 現(xiàn)場總線

31、的結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是按照國際標(biāo)準(zhǔn)組織（iso）制定的開放系統(tǒng)互聯(lián)osi（open system interconnection）參考模型建立的。由于現(xiàn)場總線的主要特點(diǎn)是使底層的控制部件、設(shè)備更加智能化，把在傳統(tǒng)dcs中的控制功能下移到現(xiàn)場儀表。在此，現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)通信起了重要作用。從osi模式的角度看，現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)模型將原來的7層簡化為4層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和用戶層。（1）物理層（pl）規(guī)定信號(hào)格式與連接方式，傳輸媒介（銅線、無線電、光纜），傳輸速率 (低速h1為31.25kb/s，高速h2為1mb/s或2.5mb/s)，每條線路可接儀表的數(shù)量 (速率31.25kb/s時(shí)無電源

32、和本安要求時(shí)為232臺(tái)，有電源的本安要求時(shí)為26臺(tái) )，最大傳輸距離 (低速1為1900，最多設(shè)4個(gè)中繼器；高速h2:1mb/s時(shí)為750m，2.5mb/s時(shí)為500m)，電源 (31.25kb/s時(shí)電源電壓為932v，輸入阻抗為3k，儀表與總線必須隔離)等。（2）數(shù)據(jù)鏈路層（ddl）規(guī)定物理層與應(yīng)用層之間的接口，信息傳輸?shù)牟铄e(cuò)檢驗(yàn)，信息流的控制方法，決定誰可以訪問、何時(shí)訪問。網(wǎng)絡(luò)存取控制方式有令牌傳送、立即響應(yīng)和申請(qǐng)令牌三種方式。（3）應(yīng)用層（al）提供設(shè)備之間及網(wǎng)絡(luò)要求和數(shù)據(jù)服務(wù)，對(duì)現(xiàn)場過程控制予以支持，嚴(yán)格定義所傳送的信息，使網(wǎng)絡(luò)上傳遞的信息在整個(gè)系統(tǒng)中具有唯一解釋，信息傳輸?shù)姆绞桨ㄖ?/p>

33、期式、立即響應(yīng)式、一次性方式或使用者請(qǐng)求方式等。用戶層（vl）將數(shù)據(jù)規(guī)格化為特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、定義現(xiàn)場總線設(shè)備內(nèi)部信息的存取及將這一信息傳送到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)同一節(jié)點(diǎn)或不同節(jié)點(diǎn)上其他設(shè)備中去的方式，為現(xiàn)場總線進(jìn)行過程控制提供一個(gè)類似于dcs的應(yīng)用環(huán)境。用戶層定義功能塊集，并實(shí)現(xiàn)功能塊的兼容性和互換性?，F(xiàn)場總線不僅是一種信號(hào)通訊協(xié)議，而且是一種全新的控制過程的方法。目前，在plc和工控中使用的主流現(xiàn)場總線協(xié)議有西門子的profibus，羅克韋爾自動(dòng)化的controlnet和devicenet以及基金會(huì)現(xiàn)場總線ff等。2.1.3 現(xiàn)場總線的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn) 現(xiàn)場總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用的按控制回路要求，設(shè)備一

34、對(duì)一的分別進(jìn)行連線的結(jié)構(gòu)形式。把原先dcs系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊放入現(xiàn)場設(shè)備，加上現(xiàn)場設(shè)備具有通信能力，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室中的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個(gè)開放通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)。它把作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接成自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化的綜合自動(dòng)化功能。是一項(xiàng)以智能傳感器、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。 現(xiàn)場總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點(diǎn)： 系統(tǒng)具有開放性和互用性 。通信協(xié)議遵從相同的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)信息交換，用戶可按自己的需

35、要，把不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成開放互連的系統(tǒng)。系統(tǒng)間、設(shè)備間可以進(jìn)行信息交換，不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可以互換。 系統(tǒng)功能自治性。系統(tǒng)將傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，現(xiàn)場設(shè)備可以完成自動(dòng)控制的基本功能，并可以隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀況。系統(tǒng)具有分散性?，F(xiàn)場總線構(gòu)成的是一種全分散的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性 系統(tǒng)具有對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性 ?，F(xiàn)場總線支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電和通信，并可以滿足安全防爆的要求。由于現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)簡化，不再需要dcs系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換隔離等功能單元及其復(fù)雜的接線

36、，節(jié)省了硬件數(shù)量和投資。簡單的連線設(shè)計(jì)，節(jié)省了安裝費(fèi)用。設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理能力，減少了維護(hù)工作量。設(shè)備的互換性、智能化、數(shù)字化提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。還具有設(shè)計(jì)簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。圖 1 現(xiàn)場總線示意圖2.2 devicenet現(xiàn)場總線2.2.1 devicenet現(xiàn)場總線介紹devicenet現(xiàn)場總線是一種低成本的通信鏈接。它將工業(yè)設(shè)備（如：限位開關(guān)、光電傳感器、閥組、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器、過程傳感器、條形碼讀取器、變頻驅(qū)動(dòng)器、面板顯示器和操作員接口）連接到網(wǎng)絡(luò)，從而消除了昂貴的硬接線。直接互連性不僅改善了設(shè)備間的通信，而且同時(shí)提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級(jí)診斷功能，這是通過硬接線i/o接口

37、很難實(shí)現(xiàn)的。devicenet現(xiàn)場總線是一種簡單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時(shí)，減少了配線和安裝工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的成本和時(shí)間。devicenet現(xiàn)場總線是一個(gè)開放式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范和協(xié)議都是開放的 廠商將設(shè)備連接到系統(tǒng)時(shí)，無需購買硬件、軟件或許可權(quán)。任何人都能以少量的復(fù)制成本從開放式decicenet供貨商協(xié)會(huì)（odva）獲得devicenet現(xiàn)場總線規(guī)范。任何制造（或有打算制造）devicenet產(chǎn)品的公司都可以加入odva，并參加對(duì)devicenet現(xiàn)場總線規(guī)范進(jìn)行增補(bǔ)的技術(shù)工作組。devicenet現(xiàn)場總線規(guī)范的購買者將得到一份不受限制的、真正免費(fèi)的開發(fā)device

38、net現(xiàn)場總線產(chǎn)品的許可。尋求開發(fā)幫助的公司可以通過任何渠道購買使其工作簡易化的樣本源代碼、開發(fā)工具包和各種開發(fā)服務(wù)。關(guān)鍵的硬件可以從世界上最大的半導(dǎo)體供貨商那里獲得。2.2.2 rockwell三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，就很快獲得廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展，經(jīng)過多年的發(fā)展，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)逐步演變、簡化為三個(gè)基本層次。這其中，rockwell的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較具有代表性，rockwell automation/allen-bradley網(wǎng)絡(luò)采用三層結(jié)構(gòu)（1）信息層/以太網(wǎng)處于控制系統(tǒng)的最上層，通信的主要特點(diǎn)是：通信數(shù)據(jù)量大，通信的發(fā)生較為集中，要求有高速鏈路支持，對(duì)實(shí)時(shí)性要求不太高。通信范圍

39、從車間級(jí)到全廠級(jí)甚至因特網(wǎng)范圍，與數(shù)據(jù)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)。（1）控制層/controlnet 處于控制的中間層次，連接不同的可編程設(shè)備、控制器、人機(jī)終端等，數(shù)據(jù)通信量往往很大，而且很多應(yīng)用實(shí)時(shí)性要求很高，包括i/o的實(shí)時(shí)刷新、互鎖信息和控制器等之間的報(bào)文傳遞等。通信的特點(diǎn)是要求有較高的網(wǎng)絡(luò)速率，實(shí)時(shí)性高的情況下要求通信是確定的，可重復(fù)的。（3）設(shè)備層/ devicenet現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)的最底層是大量的現(xiàn)場設(shè)備，包括離散型的i/o，如光電傳感器、接近開關(guān)等，也可以是溫度變送器、流量計(jì)等較為復(fù)雜的設(shè)備，通信的特點(diǎn)是速度要求不一定很高，有一定的智能和容錯(cuò)能力，要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

40、設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、智能化，設(shè)備添加/刪除簡單方便，故障診斷和容錯(cuò)容易，適應(yīng)現(xiàn)場的不同惡劣條件，等等。圖 2 三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖圖2給出了一個(gè)典型的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：其低層是以devicenet現(xiàn)場總線將設(shè)備、plc的遠(yuǎn)程i/o點(diǎn)連接在一起的設(shè)備層、中間是以controlnet（或dh+、dh485等）將plc、工控機(jī)以及操作員界面連接在一起的控制層網(wǎng)絡(luò)，而上層的ethernet以pc或工作站為主完成管理和信息服務(wù)任務(wù)。三層網(wǎng)絡(luò)各司其職，代表了工業(yè)控制的典型結(jié)構(gòu)。2.2.3 devicenet現(xiàn)場總線特點(diǎn)從上面三層網(wǎng)絡(luò)可以看出，devicenet現(xiàn)場總線位于最底層，它與工廠現(xiàn)場設(shè)備直接連接，

41、一方面將現(xiàn)場測量控制設(shè)備互聯(lián)為網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段，不同現(xiàn)場通信設(shè)備間的信息共享；同時(shí)又將現(xiàn)場運(yùn)行的各種信息傳送到遠(yuǎn)離現(xiàn)場的控制室，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)與操作終端、上層控制管理網(wǎng)絡(luò)的連接和信息共享。在把一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)以及故障信息等送往控制室的同時(shí)，又將各種控制、維護(hù)、組態(tài)命令，乃至現(xiàn)場設(shè)備的工作電源等送各相關(guān)的現(xiàn)場設(shè)備，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場級(jí)控制設(shè)備之間以及與更高控制管理層之間的聯(lián)系。devicenet現(xiàn)場總線是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種基于can技術(shù)的開放型、符合全球工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低成本、高性能的通信網(wǎng)絡(luò)。它通過一根電纜將諸如可編程序控制器、傳感器、光電開關(guān)、操作員終端、電動(dòng)機(jī)、變頻器和軟起

42、動(dòng)器等現(xiàn)場智能設(shè)備連接起來，是分布式控制系統(tǒng)減少現(xiàn)場i/o接口和布線數(shù)量、將控制功能下載到現(xiàn)場設(shè)備的理想解決方案。這種網(wǎng)絡(luò)雖然是工業(yè)控制網(wǎng)的低端網(wǎng)絡(luò)，通信速度不太高、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也不太大，但它采用了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信的新技術(shù)，具有低成本、高效率、高可靠性、高性能。devicenet現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)如下：最多可支持64個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有125500kbps通信速率（500100m允許干線長度）。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多主或主/從通信，具有通信錯(cuò)誤分級(jí)檢測機(jī)制、通信故障的自動(dòng)判斷和恢復(fù)功能?？蓭щ姼鼡Q網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在線修改網(wǎng)絡(luò)配置，采用can物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約，使用can規(guī)約芯片。支持選通、輪詢、循環(huán)、狀態(tài)變化和應(yīng)用觸發(fā)

43、的數(shù)據(jù)傳送。采用無損位仲裁機(jī)制實(shí)現(xiàn)按優(yōu)先級(jí)發(fā)送信息。支持多方廠家產(chǎn)品互操作的開放式通訊標(biāo)準(zhǔn)；由設(shè)備內(nèi)部的智能機(jī)制提高運(yùn)行效率。11 12圖 3 devicenet現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)2.3 系統(tǒng)控制方案比較油田開發(fā)進(jìn)入高含水期后,現(xiàn)有控制系統(tǒng)所采用的常規(guī)或數(shù)字pid 控制方案很難滿足工藝要求，使聯(lián)合站的油水分離沉降脫水系統(tǒng)受到頻繁干擾，存在安全隱患,使生產(chǎn)過程處于改進(jìn)控制方案。盡管對(duì)油水分離過程設(shè)計(jì)了自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),但控制計(jì)算機(jī)只是完成數(shù)據(jù)采集,使聯(lián)合生產(chǎn)過程監(jiān)視等管理功能,不能參與控制,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、手動(dòng)操作狀態(tài),不利于生產(chǎn)過程的平穩(wěn)進(jìn)行。因此有必要研究此生產(chǎn)過程的特性,改進(jìn)控制方案。2.3.1 聯(lián)

44、合站油水分離控制系統(tǒng)工藝油田聯(lián)合站生產(chǎn)工藝包括油水分離、污水處理、注水、油氣水計(jì)量等生產(chǎn)過程，其中油水分離過程是將高含水原油處理成合格產(chǎn)品的工藝過程，經(jīng)過油水分離處理合格的原油成為凈化油，其生產(chǎn)工藝如圖4所示：圖 4 聯(lián)合站油水分離系統(tǒng)工藝油經(jīng)過游離水脫除器處理后出口含水在20-30%間，壓力穩(wěn)定控制在0.275mpa，在經(jīng)加熱爐升溫至50進(jìn)入復(fù)合電脫水器處理后油出口含水低于0.3%，壓力穩(wěn)定控制在0.25mpa。聯(lián)合站現(xiàn)有的控制主要存在以下問題: 加藥量開環(huán)控制、受控變量代表性差、儀表適應(yīng)性差、控制精度低、控制過程響應(yīng)不及時(shí)等。另外, 聯(lián)合站油水分離過程是多入多出系統(tǒng), 且變量間耦合嚴(yán)重、干

45、擾因素多、作用頻繁、影響較大、系統(tǒng)可控性差, 一般的控制方案無法達(dá)到滿意的效果。油水分離過程的可測信息少、控制方案欠合理, 導(dǎo)致聯(lián)合站油水分離過程控制系統(tǒng)很難投運(yùn), 甚至無法投運(yùn)。因此, 研究適合此被控過程特點(diǎn)的最優(yōu)控制策略, 具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。22.3.2 系統(tǒng)控制方案為保證游離水脫除器的脫水效果，需要檢測并控制容器內(nèi)油水界面和出口壓力。具體方案是：容器上安裝界面儀檢測油水界面的變化，通過計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)容器放水出口的調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定油水界面在給定值；同時(shí)在油出口安裝壓力變送器檢測壓力變化，通過控制計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)容器匯管調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定壓力；當(dāng)系統(tǒng)壓力超高時(shí)，實(shí)現(xiàn)快速泄壓連鎖保護(hù)。游離水出口原油經(jīng)加熱爐升溫后進(jìn)

46、入復(fù)合電脫水器，進(jìn)行油水的最終分離，其油水界面和壓力檢測控制方案與游離水脫除器相同，因此后面我們只針對(duì)游離水脫除器對(duì)控制方案加以討論。52.3.3 模糊控制策略2.3.3.1 控制策略設(shè)計(jì)自控流程圖如圖5所示，圖中l(wèi)rt代表界面檢測儀，lrc代表油水界面變送器，pt代表壓力變送器，pc代表壓力控制器。為突出主要過程的自動(dòng)控制，圖中略去加熱爐、沉降罐、緩沖罐和電脫水電場控制柜。圖 5 聯(lián)合站油水分離自動(dòng)控制流程圖 油水分離控制，既要通過放水調(diào)節(jié)閥控制單臺(tái)容器的油水截面，又要通過油匯管調(diào)節(jié)閥控制油出口匯管的壓力，而且界面與壓力之間存在耦合關(guān)系，相互干擾。根據(jù)此特點(diǎn)可降分離過程概括為非線形、多邊量、

47、強(qiáng)耦合、大滯后系統(tǒng)。對(duì)此類系統(tǒng)是難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)推理法建立過程的數(shù)學(xué)模型的。為了達(dá)到理想的控制效果，通過總結(jié)分析人工控制經(jīng)驗(yàn)，可以壓力控制采用單回路pid控制，界面控制采用模糊pid控制策略。2.3.3.2 控制器設(shè)計(jì)（1）語言變量及隸屬函數(shù)的選取選取壓力偏差（pe）的語言變量的詞集為nb,ns,o,ps,pb；選取界面偏差（re）的語言變量的詞集為nb,nm,ns,o,ps,pm,pb；選取放水調(diào)節(jié)閥開度的偏移量（fc）的語言變量的詞集為nb,nm,ns,o,ps,pm,pb；隸屬函數(shù)曲線形狀的選擇如圖6，圖7所示：表 1 壓力模糊變量定義表單位：kpa nbns0pspb150170210

48、290340150200260320400150230290350400210260340380400圖 6 壓力偏差隸屬函數(shù)曲線圖表 2：界面偏差模糊變量定義表 單位：含水率%nbnmnsopspmpb052540455585025405060755952540506075100204555607595100 圖 7 界面偏差函數(shù)隸屬度曲線圖根據(jù)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，可以將壓力變化的范圍分成5個(gè)語言變量區(qū)域，隸屬函數(shù)可以用平均分配的梯形形狀來描述，梯形形狀的定義參數(shù)如表1所示。界面變化的范圍可以分成7個(gè)語言變量區(qū)域，隸屬函數(shù)可以用非平均的三角形形狀來描述，三角形形狀的定義參數(shù)如表2所示。（2）控制規(guī)

49、則的確定本系統(tǒng)是雙輸入單輸出系統(tǒng)，根據(jù)油水分離過程工藝的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)系統(tǒng)壓力偏高時(shí)，根據(jù)界面信息進(jìn)行開放水閥操作可以正常進(jìn)行，而進(jìn)行關(guān)閥操作時(shí)要適當(dāng)減弱一些，以防止關(guān)閥太大導(dǎo)致系統(tǒng)壓力過高造成憋壓。相反，當(dāng)系統(tǒng)壓力偏低時(shí)，根據(jù)界面信息進(jìn)行關(guān)閥操作可以正常進(jìn)行，而進(jìn)行開閥操作時(shí)要適當(dāng)減弱一些，以防止放水閥開的太大導(dǎo)致系統(tǒng)壓力降的過低，水反而放不出去，導(dǎo)致系統(tǒng)失控，當(dāng)系統(tǒng)壓力正常時(shí)，可以采用pid規(guī)律進(jìn)行控制。根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)運(yùn)行工況與控制方法之間的關(guān)系，得到控制規(guī)則，詳見表3：表 3：模糊控制規(guī)則表123456789penbnsnsnsnsnsnsns0renbnmns0pspmpbfcn

50、bnbnbnmns00pspid91011121314151617pe0pspspspspspspspbrenbnmns0pspmpbfcpidns00pspmpbpbpb模擬控制器的輸出是一個(gè)模糊集合，它反映控制語言不同取值的一種組合，因?yàn)楸豢刂七^程只能接受一個(gè)控制量，這就需要從輸出的模糊子集判別出一個(gè)精確的控制量，也就是將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量的過程。本系統(tǒng)采用加權(quán)平均法進(jìn)行判決，這樣概括的信息比較全面。加權(quán)平均法對(duì)論域中每個(gè)元素xi，以它作為待判決輸出模糊集合u1的隸屬度u1（xi）的加權(quán)系數(shù)，取乘積xiu1（xi），在計(jì)算該乘積的和對(duì)于隸屬度和的平均值x0，即最后，由語言變量控制變化u的賦

51、值表查出論域元素對(duì)應(yīng)的精確量，它便是實(shí)際加到被控過程上的控制量的變化。62.3.4 多變量控制策略2.3.4.1 游離水脫水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型根據(jù)聯(lián)合站油水分離生產(chǎn)過程的特性分析, 給出如下幾點(diǎn)假設(shè)：（1）游離水脫除器可以等效為圓柱體容器; （2）在同一裝置中, 同一橫截面上流體的密度處處相等; （3）容器內(nèi)等效界面兩側(cè)的液體混合均勻;（4）流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流體為不可壓縮流體; （5）油水分離過程中使用的游離水脫除器為多臺(tái)并聯(lián)使用, 同一組并聯(lián)的各臺(tái)容器的流入量均相等, 油出口管流量也相等。1在實(shí)際生產(chǎn)過程中, 脫除器的主要變量參數(shù)為脫除器的油水界面 及脫除器油出口匯管壓力 。影響這些變量的因素還有從中

52、轉(zhuǎn)站流入的液體量，每臺(tái)的脫除水量，以及出油匯管流量。故此，對(duì)沉降段模型選取、為輸出變量，、為輸入?yún)?shù)。經(jīng)推導(dǎo)可以得到游離水脫除器數(shù)學(xué)模型： 當(dāng)排水閥開度增大時(shí)，脫除器油水界面下降，壓力降低；當(dāng)油出口匯管流量階躍增加時(shí)，油水界面降低，壓力也降低；當(dāng)輸入液量階躍增加時(shí)，脫除器內(nèi)油水界面上升，壓力增大。2.3.4.2 電脫水系統(tǒng)過程數(shù)學(xué)模型建模過程中的基本假設(shè)和沉降脫水過程數(shù)學(xué)模型中的假設(shè)類似。脫水器的主要操作變量為脫水器的油水界面和脫水器壓力。影響、的因素有脫除器的來液量、脫水器的脫水量、油匯管流量。對(duì)脫水段取、為輸出，、為輸入。經(jīng)推導(dǎo)可以得到脫水器數(shù)學(xué)模型為： 2.3.4.3 油水分離系統(tǒng)控制方

53、案聯(lián)合站油水分離過程由沉降脫水系統(tǒng)和電脫水系統(tǒng)完成,見下圖。u1 , u2 分別為沉降脫水系統(tǒng)、電脫水系統(tǒng)的操縱變量; x1 , x2 分別為系統(tǒng)的輸出變量; z12 , z21表示兩系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)影響。由此可建立沉降脫水系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型。聯(lián)合站沉降脫水系統(tǒng)的主要工藝設(shè)備為游離水脫除器,主要操作指標(biāo)為脫水后原油含水量、脫出污水含油量、系統(tǒng)壓力。原油含水及污水含油的測量均采用脫除器內(nèi)油水界面做為原油含水及污水含油的間接變量。以兩臺(tái)脫除器的油水界面和系統(tǒng)壓力為輸出參數(shù),以脫除器的放水量及油出口匯管控制閥開度為輸入?yún)?shù),建立了對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。圖 8 聯(lián)合站油水分離過程結(jié)構(gòu)圖為便于應(yīng)用,采用工作點(diǎn)附近線性

54、化的方法簡化模型,求取系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型為：2.3.4.4 對(duì)油水分離系統(tǒng)控制方案的進(jìn)一步完善pid控制器的傳遞函數(shù)為：(1)控制器輸入量為：(2)對(duì)壓力給出的約束條件為 (3)式（3）中，為沉降脫水系統(tǒng)壓力的上、下限。當(dāng)壓力滿足式（3）時(shí)，采用式（2）的控制算法，當(dāng)壓力超出式（3）的范圍是，脫出器的油水界面和系統(tǒng)壓力分別采用控制算法為其中，分別為油水界面和壓力的偏差；為待整定的協(xié)調(diào)因數(shù)；為越限補(bǔ)償函數(shù)。由上述分析我們可以看到聯(lián)合站油水分離過程是多邊量強(qiáng)耦合、非線形、大滯后的過成，必須結(jié)合實(shí)際，確定切實(shí)可行的總體控制方案。模糊控制方案中，我們可以看到過于依賴對(duì)于經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，對(duì)于油田油水分離系統(tǒng)

55、的建立來說，需要總結(jié)出一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫，才能滿足模糊控制中的需求。而多變量控制方案中，對(duì)于其抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能滿足我們?cè)陂_題是提到的“經(jīng)濟(jì)、合理、適用、先進(jìn)”。所以我們最終選用多變量控制的方法，對(duì)聯(lián)合站油水分離系統(tǒng)進(jìn)行控制。82.4 本章小結(jié)本章著重介紹了聯(lián)合站油水分離控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，對(duì)于現(xiàn)場總線技術(shù)、devicenet現(xiàn)場總線技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并且對(duì)于聯(lián)合站油水分離系統(tǒng)的系統(tǒng)工藝、控制策論進(jìn)行了介紹和分析。第3章 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1.1 連接線路多變量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖9所示：圖 9 多變量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖控制網(wǎng)絡(luò)采用先進(jìn)的devicenet現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場模擬量信號(hào)從對(duì)象采集上來，不是直接送到控制器，而是送到連接在devicenet現(xiàn)場總線上的flex i/o模塊，這種將布線集中在現(xiàn)場的方法，可以避免集中控制所帶來的繁瑣的布線和潛在的危險(xiǎn)。flex i/o通過設(shè)備網(wǎng)掃描器的掃描，把數(shù)據(jù)送往控制器處理。1747-sdn掃描器作為slc 5/05與devicenet現(xiàn)場總線之間的接口，它實(shí)現(xiàn)了控制器接入devicenet現(xiàn)場總線，同時(shí)它能掃描掛在devicenet現(xiàn)場總線上的設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。slc 5/05模塊式控制器的通道0可作為rs-2