集油站安全監(jiān)控設(shè)計(jì)

1、西安石油大學(xué)本科設(shè)計(jì)1 緒 論1.1 目前國(guó)內(nèi)外集油站系統(tǒng)概況隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是工業(yè)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，我們已經(jīng)開(kāi)始步入一個(gè)嶄新的自動(dòng)化控制新時(shí)代。計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于離散過(guò)程、連續(xù)過(guò)程等各種工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域以及電力、化工、食品、水處理等各個(gè)行業(yè)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都將計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)油田集油站的各個(gè)生產(chǎn)工藝過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、與數(shù)據(jù)采集等，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展為集油站的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)注入了新的活力。集油站是儲(chǔ)存和供應(yīng)石油產(chǎn)品的專(zhuān)業(yè)性倉(cāng)庫(kù)，是協(xié)調(diào)原油生產(chǎn)和加工、成品油運(yùn)輸及供應(yīng)的紐帶。國(guó)外的集油站管理已經(jīng)進(jìn)入先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等，對(duì)集油站日常的首發(fā)油作業(yè)、儲(chǔ)油管

2、理、集油站監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行全方位的綜合管理。我國(guó)的集油站自動(dòng)化技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有一定差距。各種計(jì)量?jī)x表精度較低，穩(wěn)定性較差，控制系統(tǒng)控制精度比較低，信息化水平還不夠健全，這使得我國(guó)集油站的自動(dòng)化控制和管理系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的發(fā)展階段。1.2 集油站的總體布局集油站將開(kāi)采的原油集中進(jìn)行管線(xiàn)運(yùn)輸，進(jìn)行油罐存儲(chǔ)，完成對(duì)來(lái)油、輸油及有關(guān)儲(chǔ)油量得計(jì)算、存盤(pán)管理。在此過(guò)程中，對(duì)含水的原油要進(jìn)行脫水工藝處理，這樣形成了原油集輸?shù)娜舾蓚€(gè)工藝處理過(guò)程。集油站是油田原油集輸生產(chǎn)過(guò)程中最重要的生產(chǎn)工藝過(guò)程。它是集發(fā)油、卸又等多個(gè)工藝系統(tǒng)為一體的綜合性生產(chǎn)過(guò)程，主要包括輸油脫水，污水淺處理、污水深處理、注水、鍋

3、爐和配電等生產(chǎn)崗位或工藝環(huán)節(jié)。在集油站安全監(jiān)控系統(tǒng)中，采用下位機(jī)硬件控制和上位機(jī)軟件監(jiān)視構(gòu)架。在下位機(jī)控制系統(tǒng)中，通過(guò)PLC可編程邏輯控制器來(lái)采集與處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量信號(hào)和模擬量信號(hào)。在上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)中，采用組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)人機(jī)界面，生產(chǎn)實(shí)時(shí)狀況直觀(guān)形象。1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)（1）實(shí)時(shí)性。對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)與控制，按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行采集和輸出調(diào)節(jié)，保證被控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。（2）可靠性。具有在較為惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期工作的能力，并具有良好的故障診斷和維護(hù)性。（3）較強(qiáng)的輸入/輸出能力?？膳c工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)儀表和控制裝置相連接，完成各種測(cè)量控制任務(wù)。（4）應(yīng)用軟件豐富。目前大多數(shù)計(jì)算機(jī)監(jiān)控

4、系統(tǒng)以WINDOWS做工作平臺(tái)，系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件豐富，可提供良好的人機(jī)界面，特別是組態(tài)軟件更為用戶(hù)提供了方便。 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1集油站工藝流程圖圖1-1 集油站的工業(yè)流程圖某集油站工藝流程如上圖。從各個(gè)油井或計(jì)量站來(lái)得油水混合物先進(jìn)入二個(gè)四相分離器，進(jìn)行油，水，氣，沙四相分離，分離出來(lái)的水經(jīng)摻水泵送到個(gè)計(jì)量站摻水或?qū)Φ叵伦⑺?；分離出來(lái)的原油進(jìn)入脫水器再次脫水，經(jīng)稠油泵送到200立方米的大罐儲(chǔ)存；分離出來(lái)的一部分油水混合物經(jīng)過(guò)外輸泵在進(jìn)行熱交換加熱后往其他集油站外輸。2.2 初步分析液位、溫度、壓力、氣體濃度監(jiān)測(cè)以及各個(gè)泵運(yùn)行狀態(tài)顯示。其中：液位、溫度、壓力、氣體濃度等信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的

5、變送器后都會(huì)轉(zhuǎn)換為與現(xiàn)場(chǎng)最大、最小值對(duì)應(yīng)的4-20mA電流信號(hào)都是模擬量輸入信號(hào)。各個(gè)泵運(yùn)行狀態(tài)情況很明顯是對(duì)應(yīng)數(shù)字量輸入信號(hào)。控制兩個(gè)四相分離器上油室、水室的液位恒定和各個(gè)泵的起、停。其中：控制分離器上油室、水室的液位恒定可以采用PID儀表來(lái)控制。控制原理是：油室、水室的當(dāng)前液位信號(hào)接入PID控制表，與表內(nèi)的人工給定值比較，通過(guò)PID運(yùn)算，輸出4-20mA的控制信號(hào)到變頻器，變頻器對(duì)50HZ交流電進(jìn)行變頻，輸出對(duì)應(yīng)于4-20mA的0-50HZ交流弄點(diǎn)對(duì)泵上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，通過(guò)調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速（流量）來(lái)控制油室。水室、的液位恒定。2.3 一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組成原理圖圖2-2 計(jì)算機(jī)監(jiān)

6、控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.4 集油站安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)集油站監(jiān)控最重要的是對(duì)工藝過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)如溫度、壓力、液位、流量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在原油分離過(guò)程中液位和壓力、鍋爐間的鍋爐溫度、以及各個(gè)重要工藝過(guò)程中的參數(shù)是集油站安全、高效生產(chǎn)的決定性因素，所以必須在各種干擾的情況下，將液位、溫度、壓力等穩(wěn)定控制在工藝允許誤差范圍內(nèi)，所以對(duì)這些參數(shù)監(jiān)控就是生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)集油站安全監(jiān)控系統(tǒng)，不僅節(jié)約了人力物力，而且在準(zhǔn)確性、靈活性以及生產(chǎn)效率上都有明顯提高，保證了油田的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。針對(duì)集油站安全監(jiān)控系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了工控機(jī)通過(guò)通訊轉(zhuǎn)換器組成的分布式監(jiān)控系統(tǒng)。由PLC負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并且傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位

7、機(jī)作為管理機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)文件管理、數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)、報(bào)表自生成并定時(shí)打印。下位機(jī)PLC要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量、采集信息。并通過(guò)線(xiàn)路送到主機(jī)，由上位機(jī)完成數(shù)據(jù)處理的任務(wù)，根據(jù)下位機(jī)傳送來(lái)的信息，上位機(jī)自動(dòng)生成各種報(bào)表，并在指定時(shí)間打印輸出，從而將繁重的數(shù)據(jù)處理任務(wù)交給上位機(jī)完成，大大減輕了下位機(jī)的負(fù)擔(dān)，以便更好地進(jìn)行各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制功能，保證系統(tǒng)的可靠性和精度。這次設(shè)計(jì)采用PLC來(lái)采集與控制現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)I/O模塊控制器，將現(xiàn)場(chǎng)的模擬或數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)焦た貦C(jī)中，通過(guò)顯示器顯示出現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)。在控制系統(tǒng)中應(yīng)配有工控機(jī)，以提高監(jiān)控系統(tǒng)可靠性。2.5 集油站安全監(jiān)控系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì) 系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)可以通過(guò)

8、列表的形式來(lái)列舉：表3-1 集油站安全監(jiān)控系統(tǒng)I/O變量表序序序號(hào)設(shè)備名稱(chēng)總點(diǎn)數(shù) 控制要求AIAODIDO1兩個(gè)四相分離器16水室的液位、溫度、壓力2*3=6油室的液位、溫度、壓力2*3=6油室、水室液位恒定控制2*2=42兩個(gè)摻水泵10泵的前后的壓力2*2=4控制各個(gè)泵的起、停2*1=2泵運(yùn)行狀況顯示2*1=23兩個(gè)外輸泵10泵的前后的壓力2*2=4控制各個(gè)泵的起、停2*1=2泵運(yùn)行狀況顯示2*1=24兩個(gè)稠油泵10泵的前后的壓力2*2=4控制各個(gè)泵的起、停2*1=2泵運(yùn)行狀況顯示2*1=25兩個(gè)換熱器4熱水器前后混合液的溫度2*2=42*1=26一個(gè)脫水器2脫水器的液位、溫度27一個(gè)事故罐

9、2事故罐的液位、溫度28站區(qū)16氣體濃度監(jiān)測(cè)16合計(jì)7048466在詳細(xì)統(tǒng)計(jì)完I/O點(diǎn)數(shù)后，還要列些每個(gè)點(diǎn)的參數(shù)表，參數(shù)表中每一個(gè)值都必須與現(xiàn)場(chǎng)完全對(duì)應(yīng)。表3-2 數(shù)字量I/O點(diǎn)參數(shù)表I/O位號(hào)變量名稱(chēng)變量說(shuō)明I/O類(lèi)型正常狀態(tài)信號(hào)類(lèi)型信號(hào)上線(xiàn)信號(hào)下線(xiàn)邏輯極性2-1CIQD一號(hào)摻水泵的啟動(dòng)DO1V240正2-2CIZK一號(hào)摻水泵運(yùn)行狀況DI1V240正表3-3 模擬量I/O點(diǎn)參數(shù)表I/O位號(hào)變量名稱(chēng)變量說(shuō)明I/O類(lèi)型工程單位信號(hào)類(lèi)型量程上限量程下限報(bào)警上限報(bào)警下限偏差報(bào)警正常值1-1SISY一個(gè)四相分離器水室的液位AImmA10091151-2SISYK一個(gè)四相分離器水室的液位控制信號(hào)AOmA

10、100080301050 3硬件系統(tǒng)設(shè)備選型3.1集油站安全監(jiān)控系統(tǒng)PLC選型 在PLC選型中，工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的、按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型。所選用PLC應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績(jī)、成熟可靠的系統(tǒng)，PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語(yǔ)言，有利于編程時(shí)間，因此，過(guò)程設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過(guò)程的特點(diǎn)、控制要求。然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)，所需存儲(chǔ)器容量、確定PLC功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)相

11、應(yīng)的控制系數(shù)。綜上所述，我考慮使用Siemens的S7-300PLC。 圖3-1 S7-300PLC3.1.1 S7-300 CPU特點(diǎn)(1)模塊化微型PLC 系統(tǒng)，滿(mǎn)足中、小規(guī)模的性能要求(2)各種性能的模塊可以非常好地滿(mǎn)足和適應(yīng)自動(dòng)化控制任務(wù)(3)簡(jiǎn)單實(shí)用的分布式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活(4)方便用戶(hù)和簡(jiǎn)易的無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)(5)當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，可自由擴(kuò)展(6)大量的集成功能使它功能非常強(qiáng)勁3.2 S7-300PLC的DO模塊選型根據(jù)設(shè)計(jì)要求，這里選擇8點(diǎn)數(shù)字量輸出的西門(mén)子322-1BF01-0AA0型號(hào)。 3.2.1 322-1BF01-0AA0電氣參數(shù) 表3-1 322-1B

12、F01-0AA0的電氣參數(shù)從背板總路線(xiàn)消耗電流40mA功耗6.8W數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)38電纜長(zhǎng)度（屏蔽）1，000m（非屏蔽）600m輸出短路保護(hù)有，電子式導(dǎo)致電路中斷的電壓極限L+(-53V)最大燈負(fù)載10W輸出電壓：“1”信號(hào)最小L+(-0.8V)輸出電流：“1”信號(hào)4A輸出總電流（每組）4A通道與背板總線(xiàn)之間有，光電耦合每組通道之間有阻性負(fù)載，最大100Hz感性負(fù)載，最大0.5Hz燈負(fù)載，最大10Hz狀態(tài)顯示每個(gè)通道有綠色LED前連接器20針尺寸（長(zhǎng)X寬X高）40125120凈重190g3.2.2 322-1BF01-0AA0接線(xiàn)圖圖3-2 322-1BF01-0AA0的接線(xiàn)圖3.3 S7-

13、300PLC的DI模塊選型根據(jù)設(shè)計(jì)要求，這里選擇16點(diǎn)數(shù)字量輸出的西門(mén)子322-1BH01-0AA0型號(hào)。3.3.1 322-1BH01-0AA0電氣參數(shù) 表3-2 322-1BH01-0AA0的電氣參數(shù)從背板總路線(xiàn)消耗電流80mA功耗4.9W數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)16電纜長(zhǎng)度（屏蔽）1，000m（非屏蔽）600m輸出短路保護(hù)有，電子式導(dǎo)致電路中斷的電壓極限L+(-53V)最大燈負(fù)載5W輸出電壓：“1”信號(hào)最小L+(-0.8V)輸出電流：“1”信號(hào)0.5A輸出總電流（每組）4A通道與背板總線(xiàn)之間有，光電耦合每組通道之間有阻性負(fù)載，最大100Hz感性負(fù)載，最大0.5Hz燈負(fù)載，最大10Hz狀態(tài)顯示每個(gè)通

14、道有綠色LED前連接器20針尺寸（長(zhǎng)X寬X高）40125120凈重190g3.3.2 322-1BH01-0AA0接線(xiàn)圖圖3-3 322-1BH01-0AA0的接線(xiàn)圖3.4 S7-300PLC的AO模塊選型根據(jù)設(shè)計(jì)要求，這里選擇8通道模擬量輸出的西門(mén)子322-5HF00-0AB0型號(hào)。3.4.1 322-5HF00-0AB0電氣參數(shù)表3-3 322-5HF00-0AB0的電氣參數(shù)技術(shù)參數(shù)電流損耗從背板總路線(xiàn)消耗電流100mA從負(fù)載電壓L+消耗電流（空載）340mA功耗6W模擬量輸出通道8負(fù)載電壓L+額定值24V屏蔽電纜長(zhǎng)度，最大200m電壓輸出，短路電流保護(hù)可以電壓輸出，最大短路電流25mA電

15、流輸出，最大開(kāi)路電壓18V負(fù)載阻抗電壓輸出時(shí)，最小1K電流輸出時(shí)，最大500輸出量程：電壓10V，010V，15V電流20mA，020 mA，420 mAD/A轉(zhuǎn)換精度12位轉(zhuǎn)換時(shí)間（每個(gè)通道）最大0.8ms建立時(shí)間阻性負(fù)載0.1ms感性負(fù)載3.3ms容性負(fù)載0.5ms輸出間的串?dāng)_40dB運(yùn)行極限（整個(gè)溫度范圍）電壓輸出0.5%電流輸出0.6%組錯(cuò)誤顯示紅色指示燈隔離通道與背板之間有通道和負(fù)載電壓L+之間有前連接器40針尺寸（長(zhǎng)*寬*高）40 x 125 x 120凈重272g 3.4.2 322-5HF00-0AB0接線(xiàn)圖圖3-4 322-5HF00-0AB0的接線(xiàn)圖3.5 S7-300PL

16、C的AI模塊選型根據(jù)設(shè)計(jì)要求，這里選擇8通道模擬量輸入的西門(mén)子331-7KF02-0AB0型號(hào)。3.5.1 331-7KF02-0AB0電氣參數(shù)表3-4 331-7KF02-0AB0的電氣參數(shù)額定值24V DC總路線(xiàn)消耗電流100mAL+消耗電流25mA總功耗1W供電電流每通道最大60mA短路保護(hù)有模擬量輸入通道8電纜長(zhǎng)度（屏蔽）200m；80mV時(shí)最長(zhǎng)50m電壓80mV,250mV，500mV，1V,2.5V,5V，15V，10V四線(xiàn)電流3.2mA，10mA，20mA，420mA，二線(xiàn)電流420mA，電阻600，300，150熱電耦K,J,N,E,L熱電阻Pt100,Ni100A/D轉(zhuǎn)換精度

17、16位每通道0.5ms/12.5ms/25ms/100ms干擾抑制頻率400/50/60/10Hz電壓0.6%電流0.6%電阻0.6%溫度1診斷中斷有，每組可設(shè)置參數(shù)極限值中斷有，可設(shè)置參數(shù)通道之間無(wú)通道與背板總線(xiàn)之間有前連接器20針尺寸（長(zhǎng)X寬X高）401251203.5.2 331-7KF02-0AB0接線(xiàn)圖圖3-5 331-7KF02-0AB0的接線(xiàn)圖4 監(jiān)控系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)監(jiān)控方案設(shè)計(jì) 監(jiān)控系統(tǒng)采用一臺(tái)普通聯(lián)系主機(jī)，配21寸聯(lián)想彩顯，帶有USB電源的A3幅面彩色噴墨打印機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)所有數(shù)字量和模擬量的輸入輸出，都通過(guò)西門(mén)子S7-300PLC的模塊采集處理并傳回PC機(jī)，或者從PC機(jī)傳

18、出命令。4.2監(jiān)控系統(tǒng)輸入輸出原理圖圖4-2 監(jiān)控系統(tǒng)輸入輸出原理圖4.4 集油站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備清單 表4-4 集油站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備清單序號(hào)類(lèi)別名稱(chēng)型號(hào)技術(shù)要求數(shù)量1計(jì)算機(jī)部分聯(lián)想主機(jī)聯(lián)想M4350Windows XP/1T/4G1臺(tái)21寸彩顯21寸LCD21寸工業(yè)平板顯示器1臺(tái)彩色打印機(jī)惠普A3,彩色噴墨打印機(jī)1臺(tái)2PLC智能模塊AI模塊西門(mén)子331-7KF02-0AB08個(gè)模擬量輸入通道6塊AO模塊西門(mén)子322-5HF00-0AB08個(gè)模擬量輸出通道1塊DI模塊西門(mén)子322-1BH01-0AA016個(gè)數(shù)字量輸入通道1塊DO模塊西門(mén)子322-1BF01-0AA08個(gè)數(shù)字量輸出通道1塊3軟件部分操作系統(tǒng)Windows XPMicrosoft WindowsXP 一套組態(tài)軟件Kingview6.51北京亞控“組態(tài)王6.51”一套4控制部分PLC西門(mén)子S7-300 緊湊型CPU一臺(tái)4 總 結(jié)這次課程設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，采用集油站設(shè)計(jì)的基本理論，對(duì)集油站的工藝流程、總平面布置進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，對(duì)相關(guān)工藝及設(shè)備進(jìn)行