自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)

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(zhuān)業(yè)1004班題目油田接轉(zhuǎn)站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)天然氣流量控制學(xué)生陶澤文學(xué)號(hào)201005080814指導(dǎo)老師阮巖二零一三年六月《自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制》課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)題目油田接轉(zhuǎn)站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)天然氣流量控制學(xué)生姓名陶澤文學(xué)號(hào)201005080814專(zhuān)業(yè)班級(jí)自1004班設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求本次課程設(shè)計(jì)的目的是熟悉過(guò)程控制系統(tǒng)的組態(tài)和調(diào)試，掌握自動(dòng)化儀表與過(guò)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熟悉油田接轉(zhuǎn)站的工藝流程,并對(duì)加熱爐使用的天然氣流量進(jìn)行控制，分析其工作過(guò)程。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(huà)出方框圖，寫(xiě)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)軟件做出油田接轉(zhuǎn)站監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)，并在報(bào)告中寫(xiě)出組態(tài)過(guò)程如：I/O端口分配、I/O點(diǎn)組態(tài)參數(shù)說(shuō)明、控制回路組態(tài)說(shuō)明等。最終要求做出工藝流程畫(huà)面、趨勢(shì)畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)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2013年6月20日至2013年6月23日指導(dǎo)教師簽名年月日系（教研室）主任簽名年月日學(xué)生簽名2013年6月22日基本工藝流程油田接轉(zhuǎn)站接收各計(jì)量站送來(lái)的含氣原油（壓力約0.4MPa，溫度25℃）通過(guò)緩沖罐（一級(jí)分離罐）和分離罐（二級(jí)分離）使油、氣分離。分離罐中部的液相原油因位置較高，自動(dòng)流入原油緩存儲(chǔ)罐，罐中原油經(jīng)原油外輸泵加壓、加熱爐加熱后送出。分離罐頂部的油田氣體經(jīng)干燥器干燥后，一部分引入原油加熱爐做燃料，大部外輸。分離罐底部的少量含油污水送水處理廠作回注處理。設(shè)計(jì)年處理能力為300萬(wàn)噸原油，原油儲(chǔ)罐的緩存時(shí)間為12小時(shí)，天然氣外輸量約1萬(wàn)方/日，污水約50方/二、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(chēng)DCS）的出現(xiàn)才開(kāi)始被廣大的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)人員所熟知的。在工業(yè)控制技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用過(guò)程中，PC（包括工控機(jī)）相比以前的專(zhuān)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(guò)程控制的專(zhuān)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(kāi)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)備和常見(jiàn)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(kāi)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(guò)手工或委托第三方編寫(xiě)HMI應(yīng)用，開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，效率低，可靠性差；或者購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)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(lái)，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、通訊及聯(lián)網(wǎng)、開(kāi)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)：

①?lài)?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(méi)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(kāi)發(fā)，而不采用組態(tài)軟件；

②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(kāi)發(fā)），很少有用戶愿意去購(gòu)買(mǎi)正版。

③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(kāi)發(fā)方式。對(duì)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)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，組態(tài)軟件在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用逐漸得到了普及。三、工藝介紹油田接轉(zhuǎn)站接收各計(jì)量站送來(lái)的含氣原油（壓力約0.4MPa，溫度25℃）通過(guò)緩沖罐（一級(jí)分離罐）和分離罐（二級(jí)分離）使油、氣分離。分離罐中部的液相原油因位置較高，自動(dòng)流入原油緩存儲(chǔ)罐，罐中原油經(jīng)原油外輸泵加壓、加熱爐加熱后送出。分離罐頂部的油田氣體經(jīng)干燥器干燥后，一部分引入原油加熱爐做燃料，大部外輸。分離罐底部的少量含油污水送水處理廠作回注處理。設(shè)計(jì)年處理能力為300萬(wàn)噸原油，原油儲(chǔ)罐的緩存時(shí)間為12小時(shí)，天然氣外輸量約1萬(wàn)方/日，污水約50方/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(lái)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(lèi)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規(guī)律。根據(jù)已知的工藝流程可以畫(huà)出單回路系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖被控對(duì)象（天然氣控制）調(diào)節(jié)閥被控對(duì)象（天然氣控制）調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)器 檢測(cè)變送裝置控制規(guī)律的選擇盡管不同類(lèi)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。比例(P)控制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。比例積分(PI)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。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。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。選擇比例積分微分(PID)控制作為流量控制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(wèn)題就是整定參數(shù)，以得到某種意義上的最佳過(guò)渡過(guò)程，和最佳過(guò)渡過(guò)程相對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)值稱(chēng)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(guò)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(guò)反復(fù)試驗(yàn)得出來(lái)的。這種方法不需要得到臨界振蕩過(guò)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(guò)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(guò)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)律下的公式如下經(jīng)整定后的參數(shù)為：P=1.5Ti=8.0T=1.0六、儀表選型產(chǎn)品名稱(chēng):渦輪流量計(jì)產(chǎn)品型號(hào):LWGY/LWGB/LWY/LWYA產(chǎn)品展商:上?？频蟽x表有限公司1.

LWGY系列渦輪流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧、精度高、復(fù)現(xiàn)性好、反應(yīng)靈敏，安裝維護(hù)使用方便等特點(diǎn)，廣泛用于石油、化工、冶金、供水、造紙等行業(yè)，是流量計(jì)量和節(jié)能的理想儀表。適用于在工作溫度下粘度小于5×10-6m2/s的介質(zhì)，對(duì)于粘度大于5×10-6m2/s的液體，要對(duì)傳感器進(jìn)行實(shí)液標(biāo)定后使用。2．產(chǎn)品特點(diǎn)

高品質(zhì)渦輪，超出常規(guī)的量程范圍

多種變送器，適用于不同應(yīng)用要求

智能化處理獨(dú)具特色的儀表系數(shù)多點(diǎn)非線性修正

標(biāo)準(zhǔn)流量校驗(yàn)裝置保證產(chǎn)品精度

100%壓力測(cè)試，100%產(chǎn)品校驗(yàn)

脈沖、兩線制4-20mADC電流等信號(hào)輸出

儀表系數(shù)、累計(jì)流量值掉電保持十年不丟七、組態(tài)軟件運(yùn)行畫(huà)面1.趨勢(shì)畫(huà)面工藝流程畫(huà)面3.報(bào)警畫(huà)面4.策略畫(huà)面八、設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)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(tīng)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