天然氣田集氣站遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計開題報告

1、天津理工大學本科畢業(yè)設計開題報告屆：2012 學院（系）： 自動化學院 專業(yè)：電氣工程及其自動化 2012 年 2 月 24 日畢業(yè)設計題目天然氣田集氣站遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計學生姓名趙明學號20081001指導教師張驚雷職稱副教授（報告內(nèi)容包括課題的意義、國內(nèi)外發(fā)展狀況、本課題的研究內(nèi)容、研究方法、研究手段、研究步驟以及參考文獻等。）一、 課題的意義天然氣作為重要的化石能源，在工業(yè)生產(chǎn)和社會生活中有著重要的地位，隨著我國工業(yè)化的步伐不斷加快，工業(yè)對于化石能源的需求也變得越來越大。天然氣以其清潔、高效、便于集輸?shù)忍攸c，在能源產(chǎn)業(yè)中的地位也顯得更為突出。天然氣的集輸也成為我國工業(yè)化的一個重要課題。天然

2、氣田集氣站系統(tǒng)數(shù)據(jù)龐雜、環(huán)境惡劣、危險系數(shù)高，實現(xiàn)無人控制可以保障安全生產(chǎn)、優(yōu)化人力資源和提高勞動生產(chǎn)效率。天然氣田集氣站遠程監(jiān)控成為一種重要的控制手段，通過無線數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)對遙遠的集氣站實現(xiàn)監(jiān)測和控制，對實現(xiàn)天然氣安全、高效的輸送至工業(yè)各領域有著重要的意義二、 國內(nèi)外發(fā)展狀況世界范圍內(nèi)，天然氣田集氣站的控制系統(tǒng)有很多種構建方案，目前來看有以下幾種主要控制方案：1、SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition），即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)主要是由遠程終端設備（RUT）、主站計算機（包括硬件和軟件）、操作人員數(shù)據(jù)顯示和控制盤及有關的外

3、圍設備等部分組成。它可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。2、DCS（Distributed Control System），即集散控制系統(tǒng)。它是由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機（Computer）、通信（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）4C技術，其基本思想是分散控制、集中控制、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。3、PLC（Programmable Logic Controller）可編程邏輯控制器，隨著PLC技術的發(fā)展，PLC的功能日益強大，與DCS、

4、SCADA相互滲透，油氣在天然氣田集氣站過程控制領域應用廣泛。4、FCS（Field bus Control System）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，具有開放性、全數(shù)字化和互操作性的特點，已成為新型工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展方向之一。隨著FCS技術完善，其應用將日益增加，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應用也有很大進展，石化系統(tǒng)已有近百家企業(yè)用FCS來控制生產(chǎn)裝備或罐裝系統(tǒng)等。為實現(xiàn)遠程監(jiān)控，無線傳輸越來越受到青睞。尤其是在天然氣田中，布線成本高，布線環(huán)境惡劣，導致測量困難，這時無線方案就可以作為一種有線方案的一種補充，讓監(jiān)控站獲得以前無法獲得的信息。與有線方案相比，無線方案的安裝成本可節(jié)省90%以上，包括布線、橋架、接線端

5、子等。艾默生推出的智能無線方案可分為兩層：現(xiàn)場網(wǎng)絡和工廠網(wǎng)絡。現(xiàn)場網(wǎng)絡包括測量儀表和控制設備，這些設備采用WirelessHART技術以自我組織的、智能化的方式與網(wǎng)關通信，是網(wǎng)絡可靠性達到99%以上。工廠網(wǎng)絡一般采用無線WiFi技術，包括移動終端、人員設備、跟蹤設備、移動通信工具、視頻監(jiān)視等。如圖1為工業(yè)無線方案的網(wǎng)絡構架。圖1三、 研究內(nèi)容1、集氣站的PLC控制系統(tǒng)無人集氣站控制系統(tǒng)將對天然氣收集、匯合、平壓、初步過濾、脫水、脫硫、壓縮、輸送等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進行實時采集。并根據(jù)采集來的數(shù)據(jù)加以分析，發(fā)出相應的執(zhí)行指令，以控制現(xiàn)場的執(zhí)行器件。PLC以其優(yōu)良的控制性能，配合各類傳感器，完全能夠勝任這

6、些復雜的工作。PLC對采集來的數(shù)據(jù)進行分析和處理，對現(xiàn)場的設備能夠迅速做出反應，并且也能夠將數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線傳輸給監(jiān)控室。本設計將對集氣站的控制系統(tǒng)及工藝流程做一定的研究，并將數(shù)據(jù)采集作為重點研究對象。2、集氣站現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP和Modbus的應用現(xiàn)場總線具有開放性、全數(shù)字化和互操作性的特點，已經(jīng)成為新型大型工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展方向之一。PROFIBUS是西門子公司的現(xiàn)場總線通信協(xié)議，也是IEC61158國際標準中的現(xiàn)場總線標準之一。PROFIBUS-DP的最高傳輸速率可達12Mbit/s。PROFIBUS通信協(xié)議通常用于分布式I/O（遠程I/O）的高速通信，可以使用不同廠家的PRO

7、FIBUS設備。如圖2是一個PROFIBUS網(wǎng)絡的例子。Modbus具有以下特點：（1）標準、開放，用戶可以免費、放心的使用Modbus，不需要繳納許可證費，也不會侵犯知識產(chǎn)權。（2）Modbus可以支持多種電器接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。（3）Modbus的幀的格式簡單、緊湊，通俗易懂，用戶使用容易，廠方開發(fā)簡單。本設計將重點對集氣站的采集數(shù)據(jù)通過PROFIBUS-DP和Modbus進行傳輸，構建工業(yè)傳輸網(wǎng)絡，并與上位機實現(xiàn)通信。圖23、集氣站的設備組態(tài)組態(tài)王是以計算機為基礎的生產(chǎn)過程與調(diào)度自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和

8、控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等功能。本設計將完成采用一個裝有組態(tài)王軟件的PC作為監(jiān)控服務器，使其能夠監(jiān)控DP總線和Modbus總線上智能儀表的實時狀態(tài)，實現(xiàn)兩種總線上數(shù)據(jù)的通信。工作人員在監(jiān)控室里面就可以對幾千米外的集氣站進行監(jiān)控。四、 研究方法1、 查閱資料，了解國內(nèi)外現(xiàn)場總線技術發(fā)展的最新動態(tài)及以太網(wǎng)的相關知識。2、 閱讀相關PROFIBUS-DP、Modbus現(xiàn)場總線文獻，分析典型總線結構，嘗試構建工業(yè)網(wǎng)絡。3、 在實驗室里學習SIEMENS STEP7系列PLC編程語言進行梯形圖程序設計，并根據(jù)具體設計要求完成調(diào)試。4、 利用SIMATIC STEP

9、7和組態(tài)王組態(tài)工具分別對PROFIBUS-DP和Modbus兩種現(xiàn)場總線系統(tǒng)進行系統(tǒng)配置。5、 利用網(wǎng)絡上的論壇資源，與工控的開發(fā)人員進行交流與溝通，并不斷思考、不斷拓展思路。6、 虛心請教知道老師，常常進行交流。五、 研究手段1、以蘇-75-4天然氣田集氣站遠程監(jiān)控系統(tǒng)為設計對象，以實驗室的“SIEMENS S7300 PLC”為控制器，設計一個監(jiān)控遠程氣井壓力、流量等模擬量，以及閥門、開關等數(shù)字量現(xiàn)場設備工作狀況的現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。2、 采用一個裝有組態(tài)王軟件的PC作為監(jiān)控服務器，要求能監(jiān)控DP總線和Modbus總線上智能儀表的實時狀態(tài)，實現(xiàn)兩種總線上數(shù)據(jù)的通信。

10、3、 畫出整個控制系統(tǒng)的硬件接線圖。4、 借助實驗室的S7-300/400系統(tǒng)完成系統(tǒng)的模擬與調(diào)試。六、 研究步驟1、深入調(diào)研，參考國內(nèi)外優(yōu)秀設計理念，并不斷深化對油氣儲運工程的學習。完成基本設計構架，形成初步設計方案。2、 學習S7-300/400PLC的編程和工業(yè)網(wǎng)絡的構建，學習組態(tài)王、WINCC等組態(tài)軟件，加強實踐能力，并在能夠在實驗室構建小型工業(yè)網(wǎng)絡。3、 設計集氣站的構建方案，并細化設計方案，畫出布局圖，完成控制方案。4、 細化控制步驟，畫出控制流程圖。5、 排出I/O信號點，完成傳感器和PLC的連接并通訊實驗成功。6、 多臺PLC聯(lián)機調(diào)試，測試PROFIBUS-DP通訊無誤。7、

11、編寫上位機PC監(jiān)控程序，調(diào)試成功8、 利用KINGVIEW組態(tài)軟件設計監(jiān)控畫面。9、 上位機和下位機PLC聯(lián)機調(diào)試，測試系統(tǒng)正常工作，實現(xiàn)遠程工業(yè)數(shù)據(jù)交互式傳輸。10、下裝程序、調(diào)試測試并最終完成系統(tǒng)，撰寫畢業(yè)論文。11、準備書面材料和畢業(yè)答辯。參考文獻1嚴大凡、張勁軍. 油氣儲運工程. 中國石油出版社，20022吳明 等. 油氣儲運自動化. 化學工業(yè)出版社，20053解懷仁. 石油化工儀表控制系統(tǒng)選用手冊. 化學工業(yè)出版社，20094鄭鳳翼 等. 例說西門子S7-300/400系列PLC. 機械工業(yè)出版社，20115吉順平，孫承志，路明 等. 西門子PLC與工業(yè)以太網(wǎng)技術. 機械工業(yè)出版社，20086 周迎，王雪，劉鵬飛. 蘇里格氣田天然氣集輸工藝及處理方案. 石油與化工設備，2011年第14卷7 周 玲，戴斌，趙憨. 齊德全油田集輸泵站中的自動化控制系統(tǒng). 計算機光盤軟件與應用. 2011(13)8陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術及其應用. 清華大學出版社，20019李嘉，楊佃福. 網(wǎng)技術是現(xiàn)場總線技術發(fā)展的一個必然趨勢. 自動化儀表，2001年