毕业设计（论文）基于DeviceNet现场总线的联合站油水分离系统设计

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1、哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）摘要联合站油水分离过程是将高含水原油处理成合格产品的重要过程。从控制理论的角度看，此过程具有多变量、干扰因素复杂、非线性、大滞后、压力和界面强耦合的特点。在本文中，利用DeviceNet现场总线技术对联合站油水分离问题加以解决，建立了联合站油水分离过程的动态模型，并对模型进行了简化处理，研究了输入量与输出量之间的关系以及对干扰的响应，并将其应用于DeviceNet现场总线构建的系统中。通过前期构建DeviceNet现场总线网络，熟悉DeviceNet设备连接配置、网络组态，后期使用RSLogix 500编程，RSView制作监控界面，使联合站对象能够满足基本P

2、ID控制要求，而且能够在人机界面上反映出联合站对象的运作情况。通过数学模型的建立和基于DeviceNet现场总线的系统的构建，从一定意义上解决了联合站油水分离过程中的多变量控制问题。关键词联合站 油水分离 DeviceNet现场总线技术 多变量控制 AbstractThe oil-water separation process in oil station is an important process to change highly moisture content crude into qualified products. Viewed from the angle of contr

3、ol theory, this process has many characteristics like variables, factors that interfere with complex, nonlinear, time delay, and the strong coupling of pressure and interface. In this paper, oil-water separation in oil station is solved by the using of DeviceNet fieldbus technology, the dynamic mode

4、l of the oil-water separation in oil station is established and simplified, the relationship between the input and output as well as the response to the disturbance are discussed, and all above are adopted in the system constructed by the DeviceNet fieldbus technology. Through the early constructing

5、 of the DeviceNet fieldbus network DeviceNet equipment configuration and network configuration are well known, then RSLogix 500 are used to edit the programme , and RSView is used to construct the control interface, so that the target of the oil station can meet the basic need of PID control, and th

6、e operating conditions of the target of the oil station can be reflected on the man-machine interface.The multi-variable control in the oil-water separation process is to some degree solved through the establishment of the mathematical model and the based on the DeviceNet Fieldbus.Keywords oil stati

7、on oil-water separation DeviceNet fieldbus technology onstruction of the system不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）目 录摘要IAbstractII第1章 绪论51.1 联合站油水分离控制系统国内外现状及发展趋势51.1.1 联合站油水分离系统自动控制的意义51.1.2 国内、外现状及发展趋势51.2 联合站油水分离系统面临的问题71.3 系统的主要特点91.3.1 系统的可靠性91.3.2 系统的灵活性101.3.3 高度自动化101.4 本次毕业设计的意义及需要解决的

8、问题101.5 论文内容编排11第2章 控制系统基础理论122.1 现场总线122.1.1 现场总线概念122.1.2 现场总线的结构132.1.3 现场总线的特点与优点142.2 DeviceNet现场总线152.2.1 DeviceNet现场总线介绍152.2.2 Rockwell三层网络结构162.2.3 DeviceNet现场总线特点172.3 系统控制方案比较192.3.1 联合站油水分离控制系统工艺192.3.2 系统控制方案192.3.3 模糊控制策略202.3.4 多变量控制策略232.4 本章小结26第3章 控制系统总体方案设计273.1 系统硬件设计273.1.1 连接线路

9、273.1.2 网络节点及传输设置283.1.3 系统硬件设计293.2 系统软件开发平台323.2.1 RSLinx323.2.2 RSView32333.2.3 RSLogix 500333.3 软件通讯配置343.3.1 RSNetWorx For DeviceNet对网络组态343.3.2 RSLinx通讯设置363.3.3 RSLogix500通讯配置383.3.4 RSView32通讯配置393.3.5 DDE通信设置403.4 生产流程软件的设计413.4.1 建立引用标记413.4.2 建立图形423.4.3 趋势图443.4.4 工艺流程图463.5 故障处理483.6 本章

10、小结49第4章 系统调试504.1 系统的调试504.2 本章小结51结论52致谢53参考文献54千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）双击上一行的“1”“2”试试，J(本行不会被打印，请自行删除)第1章 绪论1.1 联合站油水分离控制系统国内外现状及发展趋势1.1.1 联合站油水分离系统自动控制的意义联合站油水分离主要通过游离水脱水、沉降脱水、电脱水三个阶段，每个阶段的放水含油和出油含水要求要达到规定的指标，从而实现污水回注和成品油平稳外

11、输目的。油水分离过程同时要经过加温、加压、加药等工序。目前，油田原油生产已进入高含水期，联合站的任务变得更加繁重。较之以前，联合站的工作效率，生产质量，能源消耗，都变得重要起来。联合站油水分离过程是多入多出系统，且变量间耦合严重，干扰因素多且作用频繁，系统可控性差。选择适合此过程特点的最优控制策略，开发出一套完善的联合站油水分离过程在线监测与控制系统，故障诊断报警系统具有重大的现实意义。完善的控制系统能大幅度地节省人力及提高设备利用率。控制系统使用后应使各阶段出油含水率降低，做到平稳外输：并且水中含油量减少，使收油泵起停次数降低，每次运行时间减少，延长泵的使用寿命。出水含油率的降低又可大大降低

12、二次分离的消耗。51.1.2 国内、外现状及发展趋势目前，在国内各种规模的联合站中油水分离控制过程大多数还采用手动或半自动控制防水。即一次仪表加手操器方式或根据经验来控制手动阀门的开启度。在这个环节上自动化程度很低，急待解决。而在发达国家同类设备中，已基本上实现了全自动控制，即脱水、加药、污水处理、平稳外输过程的全自动调节及控制。在这方面，我国处于落后状态的主要原因是传感器及调节仪表的性能质量均达不到要求，现场及操作人员素质欠缺，过去开发的一类型的自动控制系统无法使用等。近年来，随着各类先进控制产品的引入及操作人员素质的不断提高，采用先进的全自动控制系统来控制脱水过程已经实现，并在不断推广。就

13、我国而言，联合站自动放水经历了三个主要阶段：第一阶段：属于探索阶段，期间各种方式混杂，各种方式在部分领域取得一定发展，由于元件、控制理论的局限，就其根本而言（即保证外输油含水率）是失败的。第二阶段：由于计算机技术的发展，以其独立开发的计算机系统或兼容机控制系统为核心，这类系统一般预先设置油中含水率和系统压力等控制参数，通过实时优化软件，根据控制参数的变化、每隔3秒随时调节放水阀及界面，含水率在规定的范围内变化，已基本实现自动控制，但还存在以下不足：根据经验数据控制分离过程，调试阶段工作复杂，投产使用一段时间后，某些外部关键参数可能变化，这将影响控制的可靠性与稳定性，使放水及输出油指标降低甚至不

14、合格。由于一次仪表、特别是点位式界面仪的局限性，必然使只有部分数据取自现场仪表，油水界面、油中含水和水中含油指标显示数据非实际值而是计算值。这样，对于含油率较稳定的站而言是失败的。第三阶段：工控机场地总线、集散控制系统阶段。通过设备网（DeviceNet）采集现场一次仪表参数和控制相关执行机构，通过控制网（ControINet）实现本站系统状态的监测与控制，通过信息网（EtherNet）实现与整个计算机管理信息系统的互连。油水界面和出油含水检测采用射频导纳连续液位变送器。这种控制方式，是油水分离智能控制发展的必然趋势，他具有低成本、高可靠性、可扩展性等优点。1983年，Honeywell推出了

15、智能化仪表，它在原模拟仪表的基础上增加了计算功能的微处理器芯片，在输出的420mA直流信号上迭加了数字信号，使现场与控制室之间的连接模拟信号变为数字信号。之后，世界上各大公司推出了各种智能仪表。智能仪表的出现为现场总线的诞生奠定了基础。 智能仪表的出现为现场信号的数字化提供了条件，但不同厂商提供的设备通信标准不统一，束缚了底层网络的发展。现场总线要求不同的厂商遵从相同的制造标准，组成开放的互连网络是现场总线的发展趋势。现场总线网、智能化设备仪表的发展，不可避免地影响着DCS的体系结构，现在可以看到的一个明显的趋势是DCS的进一步分散化。传统的DCS，在I/O控制站这一层仍然是一个集中式的结构，

16、有些系统出于成本或其它方面的考虑，将I/O控制站的规模做得很大。这种考虑包括：高性能CPU的价格己降得很低，为了充分发挥CPU的能力，可以将一个I/O控制站的点数、回路数扩充，以降低成本。但是这种设计提高了危险性的集中度，如果为了提高可靠性增加冗余措施，系统成本仍然会上升，因此并不是一个理想的解决方案。从当前的发展趋势看，利用现场总线网和智能化设备、智能化仪表，加上通用的工控机完全可以组成一个小型的DCS，这就对传统的DCS提出了挑战，因为基于现场总线网的DCS具有很多优越性，无论从系统的成本上、可靠性上，安装使用、维护的方便性及可扩充性上都有很大的优势。传统的DCS只有在I/O控制站这一层进

17、一步分散化，采用现场总线网技术，形成以现场总线网基础的、以智能I/O模块构成的分布式控制站。也就是说，将过去DCS中集中式的I/O控制站变成分布式的控制站，在传统DCS网络的下一层再引入一层现场网络，基本控制单元深入到了设备控制这一级，形成设备级网络、控制级网络和管理级网络这样三层网络结构，以此来满足不断提高的应用需求。71.2 联合站油水分离系统面临的问题在联合站集输流程中主要分为油、气、水三个系统，油系统主要指的是游离水、电脱水、输油等几个岗位；气系统在联合站只进行计量，不进行控制，水系统包括污水、污水处理、注水等岗位。油系统的工程流程是全密闭的，水系统中存在许多缓冲罐且都是常压的，因此，

18、一般只在油系统中存在各控制参数的耦合关系。游离水岗主要控制参数有：沉降罐液位、沉降罐压力、沉降出油量、沉降放水量、沉降罐出油含水。电脱水岗主要控制参数有：脱水器界面、脱水器压力、脱水器油量、脱水器放水量、外输油含水。主要干扰因素是来液量的变化和来液含水率的变化。其中 控制输出：游离水脱除器油出口含水率、放水含油率、系统压力；沉降脱除器油出口含水率、 放水含油率、放水含油率、系统压力；电脱水器油出口含水率、放水含油率、系统压力。操纵输入：游离水脱除器放水量、油出口流量；电脱水器放水量、油出口流量。干扰输入：中转站来液量、来液含水率。（1）保持游离水脱除器界面平稳对游离水脱除器来说，脱除器界面是一

19、个重要参数，因为其界面的波动将直接影响到油水分离的效果，为此在每个脱除器上都装有界面子控制系统。当界面由于某种干扰（如来液含水）而变化时，界面控制子系统就通过改变脱除器放水量和油出口流量来维持界面平稳。但是来液含水的改变直接影响的是油出口流量，进而影响系统压力。而游离水脱除器出油量的波动对电脱除出油量的波动对电脱水器来说是一个进液扰动，使电脱水器的界面平稳受到破坏，甚至出现生产事故。（2）保持游离水脱除器系统压力平稳对游离水脱除器来说，其系统压力也是一个重要参数，因为若出现高压时处理不及时，很可能造成安全阀跑油等严重事故，压力过低越出限值时，影响电脱水系统操作，严重时电场波动，造成事故。为此在

20、每个脱除器出油汇管上都装有压力控制子系统。当压力由于某种干扰而变化时，压力控制控制系统就通过改变脱除器油出口流量来维持压力平稳。但是出油量和放水量改变将影响到游离水脱除器的界面，而影响到沉降效果。（3）保持电脱水器界面平稳对电脱水器来说，从自身平稳操作来说，应保持界面稳定，为此应设置脱水器界面控制子系统，当界面由于某种干扰（如来液量）而变化时，界面控制控制子就通过改变脱水器放水量和油出口流量来维持界面平稳。但是油出口流量的变化将引起脱水器汇管的压力的波动。（4）保持电脱水器系统压力平稳作为电脱水器，其系统压力是一个重要的参数，为保持系统压力平稳，在每个脱水器出油汇管上都装有压力控制子系统。当压

21、力由于某种干扰而变化时，压力控制子系统就通过改变脱水器油出口流量来维持压力平稳。但是油出口流量改变将影响到电脱水器界面的平稳。（5）好油缓冲罐液位与平稳输油之间存在耦合关系作为好油缓冲罐，其液位是最重要的控制参数，而平稳输油是集输管理所要求的重要指标。对于好油缓冲罐来说，当液位由于某种干扰（如来油量变化）而变化时，变频器或出口汇管调节阀就通过改变输油泵排量来保持液位的稳定。而排量的改变将影响到平稳输油，因此，好油缓冲罐液位与平稳输油之间存在耦合关系。为使各参数间达到最佳耦合关系，一般要根据不同联合站的实际情况建立不同的数字模型随机、调节、均衡模型，通过系统组态实现整个系统的最佳控制。1.3 系

22、统的主要特点该课题所使用的控制系统采用了美国AB公司生产的可编程控制器输入/输出单元FLEX I/0构成，各站由DeviceNet现场总线（设备网络）同主控制站连接在一起，上位各管理监控工作站通过DH485网与设备网相连。每台FLEX I/0工作站连接传感器和执行机构，直接进行脱水工艺控制并同管理监控计算机工作站进行数据交换。构成了即独立又互相关联的控制系统。生产现场各站即可脱离管理监控计算机独立工作，又可以由管理监控计算机进行操作。这样既发挥了管理监控计算机的强大功能和FLEX I/0的高可靠性，又避免了计算机控制方案中计算机系统易破坏或瘫痪使系统无法运行的弊端。管理监控计算机通过美国ROC

23、KWELL的专业组态软件与每个站（数据采集工作和监视控制工作站）进行数据交换，主要功能如下：（1）显示现场参数、画面，包括进出口压力、温度、油水界面、油含水率、进出口阀开度、设备工作状态等。（2）直接通过动画画面直观控制有关参数。如设定油水界面、手动/自动、手控阀门开度、出口压力设定等。（3）显示现场参数的趋势图，以利于观察和分析。包括进口压力、出口压力、油温、油水界面、油含水率的变化趋势。（4）进行数据记录，按现场要求自动生成打印报表，并定时自动打印和存储。（5）故障报警：现场设备出现故障时进行报警，如传感器断线、损坏等；参数超过工艺要求时报警，如超压、含水过高等。1.3.1 系统的可靠性在

24、仪表选用方面，选用A34W油水界面仪，A34W油水界面仪是A32射频电容物位计中专用于油水界面测量的专用仪表，即用于测量油和水混合后静态分界面，该仪表具有精确性、免维护性和在连续性，所以能准确、实时反映出各油水脱出器的油水界面，从而保证了油中含水和水中含油等各种参数，确保出油和底部防水达到指标。在控制方面，采用美国A-B公司PLC系统，并使用在NT环境下运行的Rsview32软件，该软件严格地限制了操作者的使用权限，以免引起误操作。而且损坏的文件具有再恢复性。保证了系统即具有较高的安全性。1.3.2 系统的灵活性整个系统分成两级结构。这个方案有以下优点：（1）分工协作，各司其职。PLC全力进行

25、数据采集、计算和控制，而各监控工作站则对整个控制过程或局部控制过程进行监控。（2）扩展性方便、简单，只须添加相应的模块和PLC，软件上做少量改动就可以扩展到多个罐，完全没有限制。（3）集中管理、分散控制，将风险分散。美国AB公司的PLC以运行可靠著称，每台现场工作站Flex I/0只负责控制本地小区域的信号的输入与输出，即使出现故障，只会导致这一小区域停产，并且故障处理只须更换相应模块即可，快捷方便。监控工作站负责系统进行数据采集、存储、监控。即使关闭PC机，Flex I/0以前一时间下载的控制模式工作，生产照样可以安全进行。1.3.3 高度自动化传统控制模式生产数据的采样是二小时一次，特别是

26、油中含水率要经过四十分钟的化验才能得出结果，这样不但不准确，而且需要大量的人力和物力。而应用集监视、监测和数据采集于一体的Rsview软件平台进行组态，能在监控工作站上实时准确显示出整个系统的各个参数，把工人从繁重的体力劳动中解脱出来，实现了高度自动化。1.4 本次毕业设计的意义及需要解决的问题本课题的目的就是应用DeviceNet现场总线技术及多变量控制技术于联合站油水分离过程中的多变量控制中。预期在整个研究过程中，熟悉DeviceNet现场总线规则，学习简单的RSView、SLC 500的编程，了解联合站油水分离的具体工艺流程，解决联合站油水分离系统的多变量控制问题。1.5 论文内容编排第

27、一章是绪论，主要介绍了毕业设计内容的设计背景，并且介绍了以联合站油水分离系统为对象的DeviceNet现场总线组网作为毕业设计的意义；第二章介绍了系统的理论基础和方案的比较；第三章介绍了系统的硬、软件设置以及硬、软件设计，以及人机界面的构建；第四章对于系统的调试进行了介绍；第五章对于全文进行了总结。第2章 控制系统基础理论2.1 现场总线2.1.1 现场总线概念现场总线是指在生产现场的测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信、完成测量控制任务的系统，这种开放型的工厂底层控制网络构造了新一代的网络集成式全分布控制系统，因而又被誉为自控领域的局域网。它沟通了过程控制领域的基本控制设备（如传感器、

28、控制器、智能阀门、微控制器和存储器等）与更高层次自动控制领域的自动化控制设备之间的联系。这里的现场控制设备指最底层的控制监测、执行和计算设备，包括传感器、控制器、智能阀门、微处理器和存储器等各种类型的仪表产品。现场总线与各种智能化现场仪表共同组成现场总线控制系统（FCS），也称开放式控制系统（OCS）。现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。现场总线可实现整个企业的信息集成，实施综合自动化，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总

29、线技术是工业自动化最深刻变革之一。PLC和工控机采用现场总线后可方便地作为I/O站和监控站连接在DCS系统中。现场总线基金会总线是一种取代4-20ma标准，用于连接智能现场设备和控制设备的双向数字通讯技术，现场总线具有开放性和互操作性，它使得一些控制功能下移到现场设备中。现场总线还可以处理复杂的事情：本质安全、危险场合、多变量的过程以及法规要求严格的环境。现场总线与模拟回路相比较，具有一系列无法比拟的优点：大大降低了系统的费用。仪表系统的电缆配线、安装、操作和维修等方面的费用，由于采用了现场总线，可以节约60以上。可以传送多个过程变量。可以在传输过程变量的同时，将仪表的标识符和简单的诊断信息也

30、一并传送。这样，有利于带有多变量的数字仪表（如温度、压力、pH值的数字仪表）的开发和应用。减少了系统的维护量，提高了系统的可靠性。提高了检测精度。现场总线的数字信号比420mA模拟信号的精度提高10倍。因此，可以排除在A/D转换中所产生的误差。减少了I/O装置。若平均每23个仪表接到一根单独的电缆上，则可以减少一半到2/3的I/O卡、I/O柜或I/O文件等。增强了系统的自治性。以微控制器为基础的现场设备可以完成许多先进的功能，包括部分控制功能。这样，就可以将原来的集中的多回路或单回路控制器所完成的功能转移到现场来完成，在现场内实现一般的控制。采用国际性的现场总线后，可与不同厂家生产的仪表兼容。

31、总线式结构。一对传输线(总线)挂接多台现场设备,双向传输多个数字信号。这种结构比一对一的单向模拟信号传送结构布线简单,安装费用低,维护简便。92.1.2 现场总线的结构现场总线网络结构是按照国际标准组织（ISO）制定的开放系统互联OSI（Open System Interconnection）参考模型建立的。由于现场总线的主要特点是使底层的控制部件、设备更加智能化，把在传统DCS中的控制功能下移到现场仪表。在此，现场总线的网络通信起了重要作用。从OSI模式的角度看，现场总线结构模型将原来的7层简化为4层，即物理层、数据链路层、应用层和用户层。（1）物理层（PL）规定信号格式与连接方式，传输媒介

32、（铜线、无线电、光缆），传输速率 (低速H1为31.25Kb/s，高速H2为1Mb/s或2.5Mb/s)，每条线路可接仪表的数量 (速率31.25Kb/s时无电源和本安要求时为232台，有电源的本安要求时为26台 )，最大传输距离 (低速1为1900，最多设4个中继器；高速H2:1Mb/s时为750m，2.5Mb/s时为500m)，电源 (31.25Kb/s时电源电压为932V，输入阻抗为3K，仪表与总线必须隔离)等。（2）数据链路层（DDL）规定物理层与应用层之间的接口，信息传输的差错检验，信息流的控制方法，决定谁可以访问、何时访问。网络存取控制方式有令牌传送、立即响应和申请令牌三种方式。（

33、3）应用层（AL）提供设备之间及网络要求和数据服务，对现场过程控制予以支持，严格定义所传送的信息，使网络上传递的信息在整个系统中具有唯一解释，信息传输的方式包括周期式、立即响应式、一次性方式或使用者请求方式等。用户层（VL）将数据规格化为特定的数据结构、定义现场总线设备内部信息的存取及将这一信息传送到网络内同一节点或不同节点上其他设备中去的方式，为现场总线进行过程控制提供一个类似于DCS的应用环境。用户层定义功能块集，并实现功能块的兼容性和互换性。现场总线不仅是一种信号通讯协议，而且是一种全新的控制过程的方法。目前，在PLC和工控中使用的主流现场总线协议有西门子的ProfiBus，罗克韦尔自动

34、化的ControlNet和DeviceNet以及基金会现场总线FF等。2.1.3 现场总线的特点与优点 现场总线系统打破了传统控制系统采用的按控制回路要求，设备一对一的分别进行连线的结构形式。把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块放入现场设备，加上现场设备具有通信能力，因而控制系统功能能够不依赖控制室中的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它把作为网络节点的智能设备连接成自动化网络系统，实现基础控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化的综合自动化功能。是一项以智能传感器、控制、计算机、数字

35、通信、网络为主要内容的综合技术。 现场总线系统在技术上具有以下特点： 系统具有开放性和互用性 。通信协议遵从相同的标准，设备之间可以实现信息交换，用户可按自己的需要，把不同供应商的产品组成开放互连的系统。系统间、设备间可以进行信息交换，不同生产厂家的性能类似的设备可以互换。 系统功能自治性。系统将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，现场设备可以完成自动控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行状况。系统具有分散性。现场总线构成的是一种全分散的控制系统结构，简化了系统结构，提高了可靠性 系统具有对环境的适应性 。现场总线支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等

36、，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电和通信，并可以满足安全防爆的要求。由于现场总线结构简化，不再需要DCS系统的信号调理、转换隔离等功能单元及其复杂的接线，节省了硬件数量和投资。简单的连线设计，节省了安装费用。设备具有自诊断与简单故障处理能力，减少了维护工作量。设备的互换性、智能化、数字化提高了系统的准确性和可靠性。还具有设计简单，易于重构等优点。图 1 现场总线示意图2.2 DeviceNet现场总线2.2.1 DeviceNet现场总线介绍DeviceNet现场总线是一种低成本的通信链接。它将工业设备（如：限位开关、光电传感器、阀组、电动机起动器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动

37、器、面板显示器和操作员接口）连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线。直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。DeviceNet现场总线是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet现场总线是一个开放式网络标准。规范和协议都是开放的 厂商将设备连接到系统时，无需购买硬件、软件或许可权。任何人都能以少量的复制成本从开放式DeciceNet供货商协会（ODVA）获得DeviceNet现场总线规范。任何制造（或有打算制造）DeviceNet产品的公司都可

38、以加入ODVA，并参加对DeviceNet现场总线规范进行增补的技术工作组。DeviceNet现场总线规范的购买者将得到一份不受限制的、真正免费的开发DeviceNet现场总线产品的许可。寻求开发帮助的公司可以通过任何渠道购买使其工作简易化的样本源代码、开发工具包和各种开发服务。关键的硬件可以从世界上最大的半导体供货商那里获得。2.2.2 Rockwell三层网络结构现场总线技术一经出现，就很快获得广泛的应用和快速的发展，经过多年的发展，工业控制网络逐步演变、简化为三个基本层次。这其中，Rockwell的三层网络结构比较具有代表性，Rockwell Automation/Allen-Bradl

39、ey网络采用三层结构（1）信息层/以太网处于控制系统的最上层，通信的主要特点是：通信数据量大，通信的发生较为集中，要求有高速链路支持，对实时性要求不太高。通信范围从车间级到全厂级甚至因特网范围，与数据技术、互联网技术、数据分析和处理技术紧密关联。（1）控制层/ControlNet 处于控制的中间层次，连接不同的可编程设备、控制器、人机终端等，数据通信量往往很大，而且很多应用实时性要求很高，包括I/O的实时刷新、互锁信息和控制器等之间的报文传递等。通信的特点是要求有较高的网络速率，实时性高的情况下要求通信是确定的，可重复的。（3）设备层/ DeviceNet现场总线控制网络的最底层是大量的现场设

40、备，包括离散型的I/O，如光电传感器、接近开关等，也可以是温度变送器、流量计等较为复杂的设备，通信的特点是速度要求不一定很高，有一定的智能和容错能力，要求网络节点设备的经济性、智能化，设备添加/删除简单方便，故障诊断和容错容易，适应现场的不同恶劣条件，等等。图 2 三层网络结构图图2给出了一个典型的工业自动化系统的三层网络结构：其低层是以DeviceNet现场总线将设备、PLC的远程I/O点连接在一起的设备层、中间是以ControlNet（或DH+、DH485等）将PLC、工控机以及操作员界面连接在一起的控制层网络，而上层的Ethernet以PC或工作站为主完成管理和信息服务任务。三层网络各司

41、其职，代表了工业控制的典型结构。2.2.3 DeviceNet现场总线特点从上面三层网络可以看出，DeviceNet现场总线位于最底层，它与工厂现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互联为网，实现不同网段，不同现场通信设备间的信息共享；同时又将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，并进一步实现与操作终端、上层控制管理网络的连接和信息共享。在把一个现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室的同时，又将各种控制、维护、组态命令，乃至现场设备的工作电源等送各相关的现场设备，沟通了生产过程现场级控制设备之间以及与更高控制管理层之间的联系。DeviceNet现场总线是20世纪90年代发展起

42、来的一种基于CAN技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络。它通过一根电缆将诸如可编程序控制器、传感器、光电开关、操作员终端、电动机、变频器和软起动器等现场智能设备连接起来，是分布式控制系统减少现场I/O接口和布线数量、将控制功能下载到现场设备的理想解决方案。这种网络虽然是工业控制网的低端网络，通信速度不太高、传输的数据量也不太大，但它采用了数据网络通信的新技术，具有低成本、高效率、高可靠性、高性能。DeviceNet现场总线的技术特点如下：最多可支持64个节点，具有125500Kbps通信速率（500100m允许干线长度）。点对点、多主或主/从通信，具有通信错误分级检测机制、

43、通信故障的自动判断和恢复功能。可带电更换网络节点，在线修改网络配置，采用CAN物理层和数据链路层规约，使用CAN规约芯片。支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送。采用无损位仲裁机制实现按优先级发送信息。支持多方厂家产品互操作的开放式通讯标准；由设备内部的智能机制提高运行效率。11 12图 3 DeviceNet现场总线结构2.3 系统控制方案比较油田开发进入高含水期后,现有控制系统所采用的常规或数字PID 控制方案很难满足工艺要求，使联合站的油水分离沉降脱水系统受到频繁干扰，存在安全隐患,使生产过程处于改进控制方案。尽管对油水分离过程设计了自动调节系统,但控制计算机只是完成数据采集

44、,使联合生产过程监视等管理功能,不能参与控制,工人劳动强度大、手动操作状态,不利于生产过程的平稳进行。因此有必要研究此生产过程的特性,改进控制方案。2.3.1 联合站油水分离控制系统工艺油田联合站生产工艺包括油水分离、污水处理、注水、油气水计量等生产过程，其中油水分离过程是将高含水原油处理成合格产品的工艺过程，经过油水分离处理合格的原油成为净化油，其生产工艺如图4所示：图 4 联合站油水分离系统工艺油经过游离水脱除器处理后出口含水在20-30%间，压力稳定控制在0.275Mpa，在经加热炉升温至50进入复合电脱水器处理后油出口含水低于0.3%，压力稳定控制在0.25Mpa。联合站现有的控制主要

45、存在以下问题: 加药量开环控制、受控变量代表性差、仪表适应性差、控制精度低、控制过程响应不及时等。另外, 联合站油水分离过程是多入多出系统, 且变量间耦合严重、干扰因素多、作用频繁、影响较大、系统可控性差, 一般的控制方案无法达到满意的效果。油水分离过程的可测信息少、控制方案欠合理, 导致联合站油水分离过程控制系统很难投运, 甚至无法投运。因此, 研究适合此被控过程特点的最优控制策略, 具有重大的现实意义。22.3.2 系统控制方案为保证游离水脱除器的脱水效果，需要检测并控制容器内油水界面和出口压力。具体方案是：容器上安装界面仪检测油水界面的变化，通过计算机调节容器放水出口的调节阀稳定油水界面

46、在给定值；同时在油出口安装压力变送器检测压力变化，通过控制计算机调节容器汇管调节阀稳定压力；当系统压力超高时，实现快速泄压连锁保护。游离水出口原油经加热炉升温后进入复合电脱水器，进行油水的最终分离，其油水界面和压力检测控制方案与游离水脱除器相同，因此后面我们只针对游离水脱除器对控制方案加以讨论。52.3.3 模糊控制策略2.3.3.1 控制策略设计自控流程图如图5所示，图中LRT代表界面检测仪，LRC代表油水界面变送器，PT代表压力变送器，PC代表压力控制器。为突出主要过程的自动控制，图中略去加热炉、沉降罐、缓冲罐和电脱水电场控制柜。图 5 联合站油水分离自动控制流程图 油水分离控制，既要通过

47、放水调节阀控制单台容器的油水截面，又要通过油汇管调节阀控制油出口汇管的压力，而且界面与压力之间存在耦合关系，相互干扰。根据此特点可降分离过程概括为非线形、多边量、强耦合、大滞后系统。对此类系统是难以用准确的数学推理法建立过程的数学模型的。为了达到理想的控制效果，通过总结分析人工控制经验，可以压力控制采用单回路PID控制，界面控制采用模糊PID控制策略。2.3.3.2 控制器设计（1）语言变量及隶属函数的选取选取压力偏差（PE）的语言变量的词集为NB,NS,O,PS,PB；选取界面偏差（RE）的语言变量的词集为NB,NM,NS,O,PS,PM,PB；选取放水调节阀开度的偏移量（FC）的语言变量的

48、词集为NB,NM,NS,O,PS,PM,PB；隶属函数曲线形状的选择如图6，图7所示：表 1 压力模糊变量定义表单位：KPa NBNS0PSPB150170210290340150200260320400150230290350400210260340380400图 6 压力偏差隶属函数曲线图表 2：界面偏差模糊变量定义表 单位：含水率%NBNMNSOPSPMPB052540455585025405060755952540506075100204555607595100 图 7 界面偏差函数隶属度曲线图根据实际控制经验，可以将压力变化的范围分成5个语言变量区域，隶属函数可以用平均分配的梯形形状

49、来描述，梯形形状的定义参数如表1所示。界面变化的范围可以分成7个语言变量区域，隶属函数可以用非平均的三角形形状来描述，三角形形状的定义参数如表2所示。（2）控制规则的确定本系统是双输入单输出系统，根据油水分离过程工艺的实际操作经验，当系统压力偏高时，根据界面信息进行开放水阀操作可以正常进行，而进行关阀操作时要适当减弱一些，以防止关阀太大导致系统压力过高造成憋压。相反，当系统压力偏低时，根据界面信息进行关阀操作可以正常进行，而进行开阀操作时要适当减弱一些，以防止放水阀开的太大导致系统压力降的过低，水反而放不出去，导致系统失控，当系统压力正常时，可以采用PID规律进行控制。根据上述经验，总结运行工

50、况与控制方法之间的关系，得到控制规则，详见表3：表 3：模糊控制规则表123456789PENBNSNSNSNSNSNSNS0RENBNMNS0PSPMPBFCNBNBNBNMNS00PSPID91011121314151617PE0PSPSPSPSPSPSPSPBRENBNMNS0PSPMPBFCPIDNS00PSPMPBPBPB模拟控制器的输出是一个模糊集合，它反映控制语言不同取值的一种组合，因为被控制过程只能接受一个控制量，这就需要从输出的模糊子集判别出一个精确的控制量，也就是将模糊量转化为精确量的过程。本系统采用加权平均法进行判决，这样概括的信息比较全面。加权平均法对论域中每个元素Xi

51、，以它作为待判决输出模糊集合U1的隶属度u1（Xi）的加权系数，取乘积Xiu1（Xi），在计算该乘积的和对于隶属度和的平均值X0，即最后，由语言变量控制变化U的赋值表查出论域元素对应的精确量，它便是实际加到被控过程上的控制量的变化。62.3.4 多变量控制策略2.3.4.1 游离水脱水系统数学模型根据联合站油水分离生产过程的特性分析, 给出如下几点假设：（1）游离水脱除器可以等效为圆柱体容器; （2）在同一装置中, 同一横截面上流体的密度处处相等; （3）容器内等效界面两侧的液体混合均匀;（4）流经调节阀的流体为不可压缩流体; （5）油水分离过程中使用的游离水脱除器为多台并联使用, 同一组并联

52、的各台容器的流入量均相等, 油出口管流量也相等。1在实际生产过程中, 脱除器的主要变量参数为脱除器的油水界面 及脱除器油出口汇管压力 。影响这些变量的因素还有从中转站流入的液体量，每台的脱除水量，以及出油汇管流量。故此，对沉降段模型选取、为输出变量，、为输入参数。经推导可以得到游离水脱除器数学模型： 当排水阀开度增大时，脱除器油水界面下降，压力降低；当油出口汇管流量阶跃增加时，油水界面降低，压力也降低；当输入液量阶跃增加时，脱除器内油水界面上升，压力增大。2.3.4.2 电脱水系统过程数学模型建模过程中的基本假设和沉降脱水过程数学模型中的假设类似。脱水器的主要操作变量为脱水器的油水界面和脱水器

53、压力。影响、的因素有脱除器的来液量、脱水器的脱水量、油汇管流量。对脱水段取、为输出，、为输入。经推导可以得到脱水器数学模型为： 2.3.4.3 油水分离系统控制方案联合站油水分离过程由沉降脱水系统和电脱水系统完成,见下图。U1 , U2 分别为沉降脱水系统、电脱水系统的操纵变量; X1 , X2 分别为系统的输出变量; Z12 , Z21表示两系统的关联影响。由此可建立沉降脱水系统传递函数模型。联合站沉降脱水系统的主要工艺设备为游离水脱除器,主要操作指标为脱水后原油含水量、脱出污水含油量、系统压力。原油含水及污水含油的测量均采用脱除器内油水界面做为原油含水及污水含油的间接变量。以两台脱除器的油

54、水界面和系统压力为输出参数,以脱除器的放水量及油出口汇管控制阀开度为输入参数,建立了对象的数学模型。图 8 联合站油水分离过程结构图为便于应用,采用工作点附近线性化的方法简化模型,求取系统的传递函数模型为：2.3.4.4 对油水分离系统控制方案的进一步完善PID控制器的传递函数为：(1)控制器输入量为：(2)对压力给出的约束条件为 (3)式（3）中，为沉降脱水系统压力的上、下限。当压力满足式（3）时，采用式（2）的控制算法，当压力超出式（3）的范围是，脱出器的油水界面和系统压力分别采用控制算法为其中，分别为油水界面和压力的偏差；为待整定的协调因数；为越限补偿函数。由上述分析我们可以看到联合站油

55、水分离过程是多边量强耦合、非线形、大滞后的过成，必须结合实际，确定切实可行的总体控制方案。模糊控制方案中，我们可以看到过于依赖对于经验的总结，对于油田油水分离系统的建立来说，需要总结出一个庞大的数据库，才能满足模糊控制中的需求。而多变量控制方案中，对于其抗干扰能力强，适应能力强的特点，能满足我们在开题是提到的“经济、合理、适用、先进”。所以我们最终选用多变量控制的方法，对联合站油水分离系统进行控制。82.4 本章小结本章着重介绍了联合站油水分离控制系统的理论基础，对于现场总线技术、DeviceNet现场总线技术进行了详细的论述，并且对于联合站油水分离系统的系统工艺、控制策论进行了介绍和分析。第

56、3章 控制系统总体方案设计3.1 系统硬件设计3.1.1 连接线路多变量系统的结构如图9所示：图 9 多变量系统的结构图控制网络采用先进的DeviceNet现场总线结构，现场模拟量信号从对象采集上来，不是直接送到控制器，而是送到连接在DeviceNet现场总线上的Flex I/O模块，这种将布线集中在现场的方法，可以避免集中控制所带来的繁琐的布线和潜在的危险。Flex I/O通过设备网扫描器的扫描，把数据送往控制器处理。1747-SDN扫描器作为SLC 5/05与DeviceNet现场总线之间的接口，它实现了控制器接入DeviceNet现场总线，同时它能扫描挂在DeviceNet现场总线上的设

57、备，进行数据交换。SLC 5/05模块式控制器的通道0可作为RS-232通讯，用一根RS232的数据线就可以把控制器与计算机直接相连，此时，计算机可以用于程序下载，和程序运行监控。如果要进行网络配置，需选用RS-232个人计算机接口模块，模块由一根RS-232线，1770-KFD和一根Probe Cable构成，RS-232接计算机一端，Probe Cable接到PLUG10R（1747-SDN DeviceNet现场总线端口）。RS-232个人计算机接口模块在DeviceNet现场总线中的特点有：可作为网络上的一个固定节点，或可连同PC作为网络与网络间诊断与维护的便携式设备支持下载组态信息的

58、点对点通信方式一台主机可进行设备参数或节点的组态与AB WinDNet16协议工具兼容如果需要，可为一对一方式下的设备提供电源（12Vdc，100mA）。3.1.2 网络节点及传输设置连线连好以后，需要对网络上的节点配置节点号和数据传输率DeviceNet现场总线长度与数据传输率如表4所示：表 4 DeviceNet现场总线长度与数据传输率关系表网络长度波特率100m500k波特200m250k波特500m125k波特1SW2.1-SW2.6用于设定节点地址从0到63：节点地址的设定不应与其它设备重复。SW2.7-SW2.8用于设定通信波特率，具体设定如表5所示：表 5 节点设置表Data R

59、ateSwitch 2.7Switch 2.8125k00250k10500k01Module uses Node Address and Data internally programmed11SW1.1-SW1.4是数据链接通道A、B、C、D的使能设置，设置为On（1）为允许数据通信，Off（0）禁止数据链路进行通信，具体设定如表6所示：表 6 A、B、C、D的使能设置表FunctionDatalink ASW1.1Datalink BSW1.2Datalink CSW1.3Datalink DSW1.4Disable0000Enable1111SW1.6-SW1.8分别为Zero Dat

60、a/Hold Last State的使能。Fault on Comm Loss使能、Fault On Pgm/Idle使能。Off（0）表示允许，On（1）表示禁止。1770-KFD的节点及数据传输率设置在配置软件中设置。1794-AND的节点号由软件设置，数据传输率自动调整。3.1.3 系统硬件设计3.1.3.1 控制器SLC 500SLC 500是一个不断充实的小型可编程控制器，该控制器有两种硬件结构：固定式控制器和模块式控制器。固定式将电源、输入与输出与该控制器集中在一个单元，固定式控制器还提供2槽的扩展框架以增加其灵活性。模块式控制器使用户在组态系统时具有额外的灵活性，它具有更强的处理

61、能力，以及I/O容量，通过选择合适地模块式框架、电源、控制器离散量模块或特殊I/O模块，使得用户能够按应用的需要专门地设计和建立控制器系统，在这两种硬件结构中，编程工具和大多数地I/O模块都是兼容的，因此用户就可以用低成本地办法来解决大范围地应用。SLC 5/05可编程控制器可为标准化地分散可编程序控制器系统提供高带宽网络联接，它们把流行地SLC 500控制器系列带进了10Mbp以太网连接方法。A-B公司支持在以太网上广泛应用TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）通讯协议。通过支持以太网上TCP/IP通讯的SLC 5/05可编程序控制器将控制系统和监视及信息管理系统集成在一起，SLC 5/0

62、5控制器可以在7通道1上通过以太网进行数据采集、监控、编程管理、质量控制统计、维修管理、产品计划、物流跟踪等应用中的工厂底层数据通讯等。控制器概况内置10BaseT以太网通道可应用普遍提供的以太网设备和电缆支持用RSLogix 500编程软件在以太网上进行在线编程支持以SNMP（简单网络管理协议）作为网络管理通过SLC 500信息指令达到可编程控制器之间高速点对点通讯1ms可选定时中断（STI）0.5ms离散输入中断（DII）先进的数学运算功能三角、PID、指数、浮点运算以及各种计算指令SLC 5/05模块式控制器还提供第二个通道（通道0）作为RS232通讯，它允许：对远程监控和编号的拨号连接在SCADA系