油田注水泵站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)----變頻調(diào)速

1、西安石油大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)電子工程 學(xué)院 自動(dòng)化 專業(yè) 自動(dòng)1202 班題 目 油田注水泵站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)-變頻調(diào)速學(xué) 生 指導(dǎo)老師 阮巖 二一五年六月自動(dòng)化儀表與過程控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題 目油田注水泵站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)-變頻調(diào)速學(xué)生姓名學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)自動(dòng)化設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求本次課程設(shè)計(jì)的目的是熟悉過程控制系統(tǒng)的組態(tài)和調(diào)試，掌握自動(dòng)化儀表與過程控制的基本應(yīng)用，加深和鞏固本課程及相關(guān)課程的知識(shí)，要求完成如下內(nèi)容:1熟悉油田注水泵站的工藝流程,，并對(duì)洗井水壓力控制（執(zhí)行器為洗井水泵的變頻調(diào)速電機(jī)，控制器即變頻調(diào)速控制器）的工作過程進(jìn)行分析。2.依據(jù)工藝流程和基本數(shù)據(jù), 對(duì)所用儀表作出選型；3.對(duì)控制回路畫出方

2、框圖，寫出所選控制規(guī)律，及參數(shù)整定方法；4.了解組態(tài)軟件的歷史、發(fā)展及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，熟悉組態(tài)軟件的應(yīng)用，利用力控組態(tài)軟件做出油田油田注水泵站監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)，并在報(bào)告中寫出組態(tài)過程如：I/O端口分配、I/O點(diǎn)組態(tài)參數(shù)說明、控制回路組態(tài)說明等。最終要求做出工藝流程畫面、趨勢(shì)畫面、報(bào)警畫面，并利用軟件提供的模擬對(duì)象，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。5完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。起止時(shí)間 2015年月日 至2015 年月 日指導(dǎo)教師簽名 2015年 月 日系（教研室）主任簽名 2015年 月 日學(xué)生簽名 2015年 月 日目 錄一、組態(tài)軟件的歷史發(fā)展31、組態(tài)軟件產(chǎn)生的背景32、組態(tài)軟件在我國(guó)的發(fā)展3二、基本工藝流程4三

3、、工藝介紹4四、系統(tǒng)分析5五、控制規(guī)律的選擇51、比例(P)控制52、比例積分(PI)控制63、比例微分(PD)控制64、比例積分微分(PID)控制65、PID參數(shù)的整定6六、儀表選型71、產(chǎn)品型號(hào)72、產(chǎn)品用途73、產(chǎn)品特點(diǎn)74、功能規(guī)范8七、組態(tài)軟件運(yùn)行畫面91.實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面92.工藝流程畫面103 .實(shí)時(shí)報(bào)警畫面104.策略管理畫面11八、設(shè)計(jì)總結(jié)11九、參考資料12一、 組態(tài)軟件的歷史發(fā)展 1、 組態(tài)軟件產(chǎn)生的背景 “組態(tài)”的概念是伴隨著集散型控制系統(tǒng)（Distributed Control System簡(jiǎn)稱DCS）的出現(xiàn)才開始被廣大的生產(chǎn)過程自動(dòng)化技術(shù)人員所熟知的。在工業(yè)控制技術(shù)的不

4、斷發(fā)展和應(yīng)用過程中，PC（包括工控機(jī)）相比以前的專用系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì)日趨明顯。這些優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：PC技術(shù)保持了較快的發(fā)展速度，各種相關(guān)技術(shù)已臻成熟；由PC構(gòu)建的工業(yè)控制系統(tǒng)具有相對(duì)較低的擁有成本；PC的軟件資源和硬件資豐富，軟件之間的互操作性強(qiáng)；基于PC的控制系統(tǒng)易于學(xué)習(xí)和使用，可以容易地得到技術(shù)方面的支持。在PC技術(shù)向工業(yè)控制領(lǐng)域的滲透中，組態(tài)軟件占據(jù)著非常特殊而且重要的地位。 組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件應(yīng)該能支持各種工控設(shè)備和

5、常見的通信協(xié)議，并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。對(duì)應(yīng)于原有的HMI（人機(jī)接口軟件，Human Machine Interface）的概念，組態(tài)軟件應(yīng)該是一個(gè)使用戶能快速建立自己的HMI的軟件工具，或開發(fā)環(huán)境。在組態(tài)軟件出現(xiàn)之前，工控領(lǐng)域的用戶通過手工或委托第三方編寫HMI應(yīng)用，開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，效率低，可靠性差；或者購(gòu)買專用的工控系統(tǒng)，通常是封閉的系統(tǒng)，選擇余地小，往往不能滿足需求，很難與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，升級(jí)和增加功能都受到嚴(yán)重的限制。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，把用戶從這些困境中解脫出來，可以利用組態(tài)軟件的功能，構(gòu)建一套最適合自己的應(yīng)用系統(tǒng)。隨著它的快速發(fā)展，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)控制、SCADA、通訊及

6、聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)接口、對(duì)I/O設(shè)備的廣泛支持已經(jīng)成為它的主要內(nèi)容，隨著技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控組態(tài)軟件將會(huì)不斷被賦予新的內(nèi)容。 2、 組態(tài)軟件在我國(guó)的發(fā)展 組態(tài)軟件產(chǎn)品于80年代初出現(xiàn)，并在80年代末期進(jìn)入我國(guó)。但在90年代中期之前，組態(tài)軟件在我國(guó)的應(yīng)用并不普及。究其原因，大致有以下幾點(diǎn)： 、國(guó)內(nèi)用戶還缺乏對(duì)組態(tài)軟件的認(rèn)識(shí)，項(xiàng)目中沒有組態(tài)軟件的預(yù)算，或?qū)幵竿度肴肆ξ锪︶槍?duì)具體項(xiàng)目做長(zhǎng)周期的繁冗的上位機(jī)的編程開發(fā)，而不采用組態(tài)軟件； 、在很長(zhǎng)時(shí)間里，國(guó)內(nèi)用戶的軟件意識(shí)還不強(qiáng)，面對(duì)價(jià)格不菲的進(jìn)口軟件（早期的組態(tài)軟件多為國(guó)外廠家開發(fā)），很少有用戶愿意去購(gòu)買正版。 、當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的工業(yè)自動(dòng)化和信息技術(shù)應(yīng)用的水平還不

7、高，組態(tài)軟件提供了對(duì)大規(guī)模應(yīng)用、大量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)控、處理并可以將處理的結(jié)果生成管理所需的數(shù)據(jù)，這些需求并未完全形成。 隨著工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用的深入，在面臨規(guī)模更大、控制更復(fù)雜的控制系統(tǒng)時(shí)，人們逐漸意識(shí)到原有的上位機(jī)編程的開發(fā)方式。對(duì)項(xiàng)目來說是費(fèi)時(shí)費(fèi)力、得不償失的，同時(shí)，MIS（管理信息系統(tǒng)，Management Information System）和CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，Computer Integrated Manufacturing System）的大量應(yīng)用，要求工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)為企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、決策提供更詳細(xì)和深入的數(shù)據(jù)，以便優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)。因此，在1995年以后，組

8、態(tài)軟件在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用逐漸得到了普及。 二、 基本工藝流程從水源送來的工業(yè)用水，經(jīng)過過濾器過濾后進(jìn)入注水儲(chǔ)罐。洗井泵抽取注水儲(chǔ)罐中的水，加壓到 1.5MPa 后送出，用于洗井作業(yè)，壓力由壓力檢測(cè)變頻控制器電機(jī)進(jìn)行變頻控制。注水泵組站抽取注水儲(chǔ)罐中的水，經(jīng)兩級(jí)加壓到約 20 MPa 后送出，用于注水作業(yè)。設(shè)計(jì)儲(chǔ)水量為3*3000立米，最大注水量為1.5萬噸/日，洗井用水量為1000噸/日。三、 工藝介紹從水源送來的工業(yè)用水，經(jīng)過過濾器過濾后進(jìn)入注水儲(chǔ)罐。洗井泵抽取注水儲(chǔ)罐中的水，加壓到 1.5MPa 后送出，用于洗井作業(yè)，壓力由壓力檢測(cè)變頻控制器電機(jī)進(jìn)行變頻控制。注水泵組站抽取注水儲(chǔ)罐中的水，經(jīng)兩級(jí)

9、加壓到約 20 MPa 后送出，用于注水作業(yè)。設(shè)計(jì)儲(chǔ)水量為3*3000立米，最大注水量為1.5萬噸/日，洗井用水量為1000噸/日。 四、 系統(tǒng)分析 二級(jí)泵輸出管道使用流量計(jì)測(cè)量流量，將測(cè)量值與給定值進(jìn)行對(duì)比后，得到的偏差值，經(jīng)變頻器后 轉(zhuǎn)換電機(jī)的調(diào)節(jié)信號(hào)，當(dāng)測(cè)量流量大于給定值時(shí)，需要給電機(jī)一個(gè)負(fù)的調(diào)節(jié)信號(hào)，使流量減小，當(dāng)測(cè)量值小于給定流量時(shí)，需要給電機(jī)一個(gè)正的調(diào)節(jié)信號(hào)，來增大輸出流量，因此選用負(fù)反饋。 由于PID調(diào)節(jié)器具有動(dòng)作速度，減小超調(diào)，克服震蕩，和消除靜差等優(yōu)勢(shì)， 它綜合了各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)，所以又更高調(diào)節(jié)質(zhì)量，不管對(duì)象之后，負(fù)載變化，反應(yīng)速度如何基本都能適應(yīng)，故在此系統(tǒng)中我們采用PID

10、規(guī)律。 根據(jù)已知的工藝流程可以畫出單回路系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖，如圖1-1單回路系統(tǒng)方框圖所示，圖1-1 單回路系統(tǒng)方框圖五、 控制規(guī)律的選擇盡管不同類型的控制器，其結(jié)構(gòu)、原理各不相同，但是基本控制規(guī)律只有三個(gè)：比例(P)控制、積分(I)控制和微分(D)控制。這幾種控制規(guī)律可以單獨(dú)使用，但是更多場(chǎng)合是組合使用。如比例(P)控制、比例-積分(PI)控制、比例-積分-微分(PID)控制等。1、 比例(P)控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。單純的比例控制適用于擾動(dòng)不大，滯后較小，負(fù)荷變化小，要求不高。 2、 比例積分(PI)

11、控制 比例控制規(guī)律是基本控制規(guī)律中最基本的、應(yīng)用最普遍的一種，其最大優(yōu)點(diǎn)就是控制及時(shí)、迅速。 比例積分控制器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種控制器，多用于工業(yè)生產(chǎn)中液位、壓力、流量等控制系統(tǒng)。由于引入積分作用能消除余差，彌補(bǔ)了純比例控制的缺陷，獲得較好的控制質(zhì)量。但是積分作用的引入，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。對(duì)于有較大慣性滯后的控制系統(tǒng)，要盡量避免使用。3、 比例微分(PD)控制 比例和微分作用結(jié)合，比單純的比例作用更快。尤其是對(duì)容量滯后大的 對(duì)象，可以減小動(dòng)偏差的幅度，節(jié)省控制時(shí)間，顯著改善控制質(zhì)量。 4、 比例積分微分(PID)控制 最為理想的控制當(dāng)屬比例-積分-微分控制規(guī)律。它集三者之長(zhǎng)：既有比例作用

12、的及時(shí)迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。 考慮到本實(shí)驗(yàn)的實(shí)際具體情況，最后選擇比例積分微分(PID)控制作為供水控制 ，以下是PID的參數(shù)整定。5、 PID參數(shù)的整定在選擇了調(diào)節(jié)規(guī)律和調(diào)節(jié)器之后，下一步的問題就是整定參數(shù)，以得到某種意義上的最佳過渡過程，和最佳過渡過程相對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)值稱為最佳整定參數(shù)。一般較通用的標(biāo)準(zhǔn)是上面所述的典型最佳過程，即要求在階躍擾動(dòng)下被調(diào)量得波動(dòng)具有衰減率在0.75左右，在這前提下盡量滿足準(zhǔn)確性和快速性，即絕對(duì)誤差的積分時(shí)間最小。 在這里我們選用衰減曲線法進(jìn)行參數(shù)的整定，衰減曲線法是在總結(jié)“穩(wěn)定邊界法”和其他一些基礎(chǔ)方法的基礎(chǔ)上，經(jīng)過反

13、復(fù)試驗(yàn)得出來的。這種方法不需要得到臨界振蕩過程即可求得比例度，步驟簡(jiǎn)單，比較安全。 假定是要求衰減率達(dá)到0.75的過程，先把調(diào)節(jié)器改成比例作用（Ti=，Td=0），放在某一比例度，由手動(dòng)投入自動(dòng)，在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，適當(dāng)改變給定值，觀察調(diào)節(jié)過程的衰減比，如果達(dá)不到衰減比1/4，則相應(yīng)改變比例度，直到達(dá)到規(guī)定衰減比為止，記下此時(shí)的比例度Ps以及周期Ts1,然后根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)值公式選取參數(shù)。在采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)，為了避免在切換時(shí)由微分作用引起初始振蕩，可先將比例度放在稍大的數(shù)值，然后放積分時(shí)間，再慢慢放上微分時(shí)間，最后再把比例度減小到計(jì)算值。 PID調(diào)節(jié)規(guī)律下的公式如下P=0.8Ps TT=0.3

14、Ts1 Td=0.1Ts1 設(shè)定值35 P 4測(cè)量值35 I 1輸出值35 D 0經(jīng)整定后的參數(shù)為：P=1.5Ti=8.0T=1.0六、 儀表選型 1、 產(chǎn)品型號(hào)：LRS51型高溫差壓變送器。上海自動(dòng)化儀表股份有限公司。如圖1-2 LRS51型高溫差壓變送器所示。圖1-2 LRS51型高溫差壓變送器2、 產(chǎn)品用途：高溫液位變送器就是LRS51型高溫差壓變送器,在石油、化工、冶金、電力、食品、采礦、造紙、醫(yī)藥、紡織等工業(yè)生產(chǎn)過程檢測(cè)控制系統(tǒng)中，LRS51型高溫型 液位/差壓 變送器配用節(jié)流裝置可檢測(cè)液體、氣體和蒸汽的流量，也可以直接用來檢測(cè)差壓，以及開口或密閉容器內(nèi)液體的液位。LRS51型高溫型

15、 液位/差壓 變送器將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成420mA DC輸出信號(hào)（智能型變送器可帶Hart協(xié)議通訊），與其他單元組合儀表或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)配合，組成檢測(cè)、記錄、控制等工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。3、 產(chǎn)品特點(diǎn) 1） 法蘭連接，高溫液位變送器 2）可定制螺紋連接（毛細(xì)管帶平齊膜螺紋型） 3）毛細(xì)導(dǎo)壓管填充高溫硅油（-40375） 4）連接法蘭、螺紋尺寸規(guī)格可定做 5）高精度；智能型0.1%FS， 6）阻尼時(shí)間：0.1s16s（按每次0.1s可調(diào)） 7）可用遠(yuǎn)程手操器或上位機(jī)對(duì)變送器內(nèi)部進(jìn)行管理與控制信息組態(tài)，使變送器處于所需的工作狀態(tài)。 8） 可選智能數(shù)字液晶顯示器，現(xiàn)場(chǎng)顯示差壓/壓力值、輸出電流值與輸出百分?jǐn)?shù)值

16、。 9） 故障報(bào)警：故障報(bào)警信號(hào)可由用戶選擇，3.8mA 或 22mA 10） 具有連續(xù)自診斷功能，并能顯示自診斷信息。 11） 具有線性補(bǔ)償與數(shù)字微調(diào)功能。 12） 可實(shí)現(xiàn)就地調(diào)整零位、量程，也可通過手操器、臺(tái)式、便攜式電腦實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)整。 13） 可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合選擇線性或方根輸出。 14） 可實(shí)現(xiàn)液位值單位在kPa,Pa,in H2O,bar,MPa等之間的轉(zhuǎn)換。 15） 可通過撥動(dòng)失效/安全開關(guān)，設(shè)置失效與安全模式。 16） 具有單點(diǎn)、多點(diǎn)與陣發(fā)模式。 17） 具有斷電保護(hù)功能，斷電時(shí)可自動(dòng)保存其工作數(shù)據(jù)。 18） 量程、零點(diǎn)外部連續(xù)可調(diào)（智能型需配Hart手操器/軟件或殼內(nèi)調(diào)整）

17、19） 正遷移可達(dá)500，負(fù)遷移可達(dá)600%；智能型量程比為101 4、 功能規(guī)范 使用對(duì)象：液體/漿體測(cè)量范圍：025Pa40MPa輸出信號(hào)：420mA DC，智能型支持Hart協(xié)議通訊供電電源：1245V DC，一般建議24V DC負(fù)載特性：與供電電源有關(guān)，典型數(shù)值為500，在某一電源電壓時(shí)帶負(fù)載能力、載阻抗RL與電源電壓Vs關(guān)系式為：RL50（Vs12）指示表：現(xiàn)場(chǎng)輸出指示可用電流表，本公司可配線性指示0100%和平方根指示0100%表頭量程和零位：外部連續(xù)可調(diào)，智能型需配Hart手操器/軟件 或 殼內(nèi)調(diào)整 正負(fù)遷移：差壓變送器最大正遷移量為500，最大負(fù)遷移量為600%； 工作溫度：2

18、993（普通型變送器）、2060（防爆型變送器） 傳感部件：40375（灌充高溫硅油） 環(huán)境濕度：0100% RH。 貯藏溫度：40100 過載壓力：不超過最大靜壓壓力的1.15倍 容積變化量：0.16cm3 阻尼時(shí)間：在0.21.67秒（智能型為0.116秒）內(nèi)連續(xù)可調(diào)，微、低差壓和法蘭變送器。安裝位置影響：當(dāng)工作膜片未垂直安裝時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生約0.24 kPa的零位系統(tǒng)誤差，此誤差可通過調(diào)整零位來消除，對(duì)量程無影響。 外殼防護(hù)等級(jí)：IP67 導(dǎo)壓連接件：在壓力容室上本身有1/418NPT陰螺紋連接螺孔； 引壓接頭的連接螺孔有1/214NPT內(nèi)螺紋、M201.5外螺紋、G1/2”陽(yáng)螺紋、各種法

19、蘭規(guī)格 信號(hào)線（電纜）連接孔：G 1/2”、M201.5等 重量：約15.6kg（特殊定做的法蘭規(guī)格除外）七、 組態(tài)軟件運(yùn)行畫面1. 實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面圖1-3 實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面2. 工藝流程畫面圖1-4 工藝流程畫面3 . 實(shí)時(shí)報(bào)警畫面圖1-5 實(shí)時(shí)報(bào)警畫面4. 策略管理畫面圖1-6 策略管理八、 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過對(duì)本次的課程設(shè)計(jì),讓我對(duì)工業(yè)流程以及工業(yè)控制有了初步的了解. 在實(shí)驗(yàn)室時(shí)，我認(rèn)真聽取老師的講授,并且跟著老師的步驟一步一步的做,在實(shí)驗(yàn)室以外,我認(rèn)真查閱并收集資料,最終獨(dú)立完成任務(wù)。課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計(jì)使我們了解到一些實(shí)際與理論之間的差異。通過課程設(shè)計(jì)不僅可以鞏固專業(yè)知識(shí)，為以后的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，而其還可以培養(yǎng)和熟練使用資料，運(yùn)用