天然氣田集氣站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告

1、天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告屆：2012 學(xué)院（系）： 自動(dòng)化學(xué)院 專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 2012 年 2 月 24 日畢業(yè)設(shè)計(jì)題目天然氣田集氣站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名趙明學(xué)號(hào)20081001指導(dǎo)教師張?bào)@雷職稱(chēng)副教授（報(bào)告內(nèi)容包括課題的意義、國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r、本課題的研究?jī)?nèi)容、研究方法、研究手段、研究步驟以及參考文獻(xiàn)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(huì)生活中有著重要的地位，隨著我國(guó)工業(yè)化的步伐不斷加快，工業(yè)對(duì)于化石能源的需求也變得越來(lái)越大。天然氣以其清潔、高效、便于集輸?shù)忍攸c(diǎn)，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(guó)工業(yè)化的一個(gè)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(xiǎn)系數(shù)高，實(shí)現(xiàn)無(wú)人控制可以保障安全生產(chǎn)、優(yōu)化人力資源和提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。天然氣田集氣站遠(yuǎn)程監(jiān)控成為一種重要的控制手段，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)對(duì)遙遠(yuǎn)的集氣站實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制，對(duì)實(shí)現(xiàn)天然氣安全、高效的輸送至工業(yè)各領(lǐng)域有著重要的意義二、 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r世界范圍內(nèi)，天然氣田集氣站的控制系統(tǒng)有很多種構(gòu)建方案，目前來(lái)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(yuǎn)程終端設(shè)備（RUT）、主站計(jì)算機(jī)（包括硬件和軟件）、操作人員數(shù)據(jù)顯示和控制盤(pán)及有關(guān)的外

3、圍設(shè)備等部分組成。它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類(lèi)信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。2、DCS（Distributed Control System），即集散控制系統(tǒng)。它是由過(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)（Computer）、通信（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中控制、分級(jí)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(shù)的發(fā)展，PLC的功能日益強(qiáng)大，與DCS、

4、SCADA相互滲透，油氣在天然氣田集氣站過(guò)程控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。4、FCS（Field bus Control System）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，具有開(kāi)放性、全數(shù)字化和互操作性的特點(diǎn)，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(shù)完善，其應(yīng)用將日益增加，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用也有很大進(jìn)展，石化系統(tǒng)已有近百家企業(yè)用FCS來(lái)控制生產(chǎn)裝備或罐裝系統(tǒng)等。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，無(wú)線傳輸越來(lái)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(dǎo)致測(cè)量困難，這時(shí)無(wú)線方案就可以作為一種有線方案的一種補(bǔ)充，讓監(jiān)控站獲得以前無(wú)法獲得的信息。與有線方案相比，無(wú)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(wú)線方案可分為兩層：現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)和工廠網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)包括測(cè)量?jī)x表和控制設(shè)備，這些設(shè)備采用WirelessHART技術(shù)以自我組織的、智能化的方式與網(wǎng)關(guān)通信，是網(wǎng)絡(luò)可靠性達(dá)到99%以上。工廠網(wǎng)絡(luò)一般采用無(wú)線WiFi技術(shù)，包括移動(dòng)終端、人員設(shè)備、跟蹤設(shè)備、移動(dòng)通信工具、視頻監(jiān)視等。如圖1為工業(yè)無(wú)線方案的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。圖1三、 研究?jī)?nèi)容1、集氣站的PLC控制系統(tǒng)無(wú)人集氣站控制系統(tǒng)將對(duì)天然氣收集、匯合、平壓、初步過(guò)濾、脫水、脫硫、壓縮、輸送等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。并根據(jù)采集來(lái)的數(shù)據(jù)加以分析，發(fā)出相應(yīng)的執(zhí)行指令，以控制現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器件。PLC以其優(yōu)良的控制性能，配合各類(lèi)傳感器，完全能夠勝任這

6、些復(fù)雜的工作。PLC對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備能夠迅速做出反應(yīng)，并且也能夠?qū)?shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸給監(jiān)控室。本設(shè)計(jì)將對(duì)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(diǎn)研究對(duì)象。2、集氣站現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP和Modbus的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線具有開(kāi)放性、全數(shù)字化和互操作性的特點(diǎn)，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(mén)子公司的現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議，也是IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一。PROFIBUS-DP的最高傳輸速率可達(dá)12Mbit/s。PROFIBUS通信協(xié)議通常用于分布式I/O（遠(yuǎn)程I/O）的高速通信，可以使用不同廠家的PRO

7、FIBUS設(shè)備。如圖2是一個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的例子。Modbus具有以下特點(diǎn)：（1）標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放，用戶(hù)可以免費(fèi)、放心的使用Modbus，不需要繳納許可證費(fèi)，也不會(huì)侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)。（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(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無(wú)線等。（3）Modbus的幀的格式簡(jiǎn)單、緊湊，通俗易懂，用戶(hù)使用容易，廠方開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)將重點(diǎn)對(duì)集氣站的采集數(shù)據(jù)通過(guò)PROFIBUS-DP和Modbus進(jìn)行傳輸，構(gòu)建工業(yè)傳輸網(wǎng)絡(luò)，并與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。圖23、集氣站的設(shè)備組態(tài)組態(tài)王是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和

8、控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類(lèi)信號(hào)報(bào)警等功能。本設(shè)計(jì)將完成采用一個(gè)裝有組態(tài)王軟件的PC作為監(jiān)控服務(wù)器，使其能夠監(jiān)控DP總線和Modbus總線上智能儀表的實(shí)時(shí)狀態(tài)，實(shí)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(duì)幾千米外的集氣站進(jìn)行監(jiān)控。四、 研究方法1、 查閱資料，了解國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)及以太網(wǎng)的相關(guān)知識(shí)。2、 閱讀相關(guān)PROFIBUS-DP、Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線文獻(xiàn)，分析典型總線結(jié)構(gòu)，嘗試構(gòu)建工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。3、 在實(shí)驗(yàn)室里學(xué)習(xí)SIEMENS STEP7系列PLC編程語(yǔ)言進(jìn)行梯形圖程序設(shè)計(jì)，并根據(jù)具體設(shè)計(jì)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(duì)PROFIBUS-DP和Modbus兩種現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)配置。5、 利用網(wǎng)絡(luò)上的論壇資源，與工控的開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行交流與溝通，并不斷思考、不斷拓展思路。6、 虛心請(qǐng)教知道老師，常常進(jìn)行交流。五、 研究手段1、以蘇-75-4天然氣田集氣站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為設(shè)計(jì)對(duì)象，以實(shí)驗(yàn)室的“SIEMENS S7300 PLC”為控制器，設(shè)計(jì)一個(gè)監(jiān)控遠(yuǎn)程氣井壓力、流量等模擬量，以及閥門(mén)、開(kāi)關(guān)等數(shù)字量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作狀況的現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。2、 采用一個(gè)裝有組態(tài)王軟件的PC作為監(jiān)控服務(wù)器，要求能監(jiān)控DP總線和Modbus總線上智能儀表的實(shí)時(shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)兩種總線上數(shù)據(jù)的通信。

10、3、 畫(huà)出整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件接線圖。4、 借助實(shí)驗(yàn)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(guó)內(nèi)外優(yōu)秀設(shè)計(jì)理念，并不斷深化對(duì)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程的學(xué)習(xí)。完成基本設(shè)計(jì)構(gòu)架，形成初步設(shè)計(jì)方案。2、 學(xué)習(xí)S7-300/400PLC的編程和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，學(xué)習(xí)組態(tài)王、WINCC等組態(tài)軟件，加強(qiáng)實(shí)踐能力，并在能夠在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建小型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。3、 設(shè)計(jì)集氣站的構(gòu)建方案，并細(xì)化設(shè)計(jì)方案，畫(huà)出布局圖，完成控制方案。4、 細(xì)化控制步驟，畫(huà)出控制流程圖。5、 排出I/O信號(hào)點(diǎn)，完成傳感器和PLC的連接并通訊實(shí)驗(yàn)成功。6、 多臺(tái)PLC聯(lián)機(jī)調(diào)試，測(cè)試PROFIBUS-DP通訊無(wú)誤。7、

11、編寫(xiě)上位機(jī)PC監(jiān)控程序，調(diào)試成功8、 利用KINGVIEW組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控畫(huà)面。9、 上位機(jī)和下位機(jī)PLC聯(lián)機(jī)調(diào)試，測(cè)試系統(tǒng)正常工作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程工業(yè)數(shù)據(jù)交互式傳輸。10、下裝程序、調(diào)試測(cè)試并最終完成系統(tǒng)，撰寫(xiě)畢業(yè)論文。11、準(zhǔn)備書(shū)面材料和畢業(yè)答辯。參考文獻(xiàn)1嚴(yán)大凡、張勁軍. 油氣儲(chǔ)運(yùn)工程. 中國(guó)石油出版社，20022吳明 等. 油氣儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化. 化學(xué)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(cè). 化學(xué)工業(yè)出版社，20094鄭鳳翼 等. 例說(shuō)西門(mén)子S7-300/400系列PLC. 機(jī)械工業(yè)出版社，20115吉順平，孫承志，路明 等. 西門(mén)子PLC與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù). 機(jī)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(shè)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(dòng)化控制系統(tǒng). 計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用. 2011(13)8陽(yáng)憲惠. 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用. 清華大學(xué)出版社，20019李嘉，楊佃福. 網(wǎng)技術(shù)是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì). 自動(dòng)化儀表，2001年