毕业论文油田联合站安全监控系统研究

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1、1 绪论在现代工业企业的生产和管理中，大量的物理量、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制，这是现代化工业生产必不可少的基本手段，在石油行业也不例外。从单台计算机的直接监控到多级计算机监控系统，以及分布式、网络化、智能化的系统，在各种工业企业中都得到了普遍的应用。随着计算机软硬件技术的迅速发展，监控系统的应用已经发展到相当高的水平。各种类型的商品化硬软件模块和系统，从简单的I/O模块到复杂的集散控制系统，在市场上已有供应，在工业生产中也有较多的应用，计算机监控技术所带来的经济效益是毋须置疑的。通过应用计算机监控技术，可以稳定和优化生产工艺，提高产品质量，降低能源和原材料的消耗，

2、降低生产成本。更为重要的是通过应用计算机监控技术还可以降低劳动者的劳动强度，并且提高管理水平，从而带来极大的社会效益。正因为如此，计算机监控技术得到了迅速的发展。计算机监控技术已经广泛地应用于工业、农业、交通、环保、军事、楼宇、医疗等领域1。油田联合站是原油生产的一个关键环节，它的主要作用是接收各转油站来油，对油气水进行分离、净化、加热，将处理后合格的原油、净化污水、净化天然气向下一级油库输送。其中实现油水分离的系统称之为集输系统，它是联合站原油生产的重要过程，直接关系到成品原油的质量和污水回注的质量，关系到联合站的节能消耗，也决定着联合站生产过程的安全平稳运行及原油生产的经济效益。对联合站集

3、输系统实现良好的计算机监控，有利于联合站生产的平稳运行，保证原油质量，降低成本，减轻工人的劳动强度2。1.1 选题背景目前，各大油田联合站生产工艺过程的控制主要有人工监控、常规仪表自动监控、计算机监控等三种方法3。人工监控是由岗位操作人员根据检测仪表反映的工艺参数变化情况，凭借经验对生产过程进行人工控制，其工作效率和安全系数都很低，已不能满足较高的工业过程控制的要求。常规仪表监控采用各种检测和控制仪表实现对现场各种工艺参数的采集处理、显示、报警和调节控制，保证生产过程的高效、安全和平稳运行。这种监控方式已在油田联合站生产过程中得到了广泛的应用。计算机监控是从上世纪七十年代迅速发展起来的一种功能

4、强大的现代工业过程控制方法。它采用计算机技术与自动化仪表及I/O模块相结合，对工业生产过程中的各种工艺参数进行处理、运算、显示和控制。相对于常规仪表监控，它可以提供更为复杂的控制算法，通过对各种相关参数进行综合分析，实现协调管理和优化控制。联合站是进行原油沉降脱水、实现油水分离和净化油外输的关键环节，工艺要求较高，其生产过程的管理水平，直接关系到成品原油的产品质量和整个联合站生产的安全和高效平稳运行。特别是随着油田开发进入高含水期，工艺过程更加复杂，对工艺过程提出了更高的要求，采用人工监控和常规仪表监控已很难满足生产要求。综上所述，在油田联合站生产过程中，如何合理选择、设计安全可靠和便于维护的

5、计算机监控系统，保证联合站生产的平稳运行和优化控制，实现节能降耗和安全生产，提高生产管理水平，是目前自动化技术在油田生产应用中面临的重要课题。本论文根据计算机监控系统的发展现状，结合生产实际情况，主要介绍了张天渠联合站计算机监控系统的硬件选型，系统的软硬件设计及系统的功能。1.2 联合站计算机监控的国内外现状1.2.1 国内现状国内油田联合站的自动化建设起步较晚，初期发展较为缓慢。在1972年世界能源危机以前，对原油集输系统的控制大多是注意安全性、可靠性及原油脱水的精度，用大冗余处理各种干扰因素，控制方案简单。在我国，原油集输控制系统最先采用的是DDZ-II型仪表，取得了一定的经济效益。但这些

6、由常规仪表组成的控制系统具有一些明显的局限性，例如难以实现复杂的控制规律、控制方案改变较困难、投资大、精度低等。至20世纪90年代初，随着计算机使用的普及和价格的不断降低，各行业已纷纷将计算机用于工业过程控制。石油工业中也大量引进了计算机控制，尤其是西部塔里木、吐哈、准噶尔三大盆地的开发与建设，油田生产过程的自动监控和管理得到了明显、迅速的发展，比如：1992年5月，西部新建的鄯善油田采用美国Action公司CIM-PAC9000 SCADA系统，使308口油水井、19座计配站全部实现了自动化，成为我国第一个整装油田的自动化系统。随之，东河塘、彩南、温吉桑、轮库输油管线的建设，使我国油气田自动

7、化实现了由单并、单个装置、单站自动化向全油田、全线自动化的转变。近年来，我国规模较大的油田还相继进行了“数字油田”规划，其中比较典型的有：大庆油田：于2003年批准了“大庆数字油田”建设的技术模型和规划。胜利油田：于2003年初确定了“数字胜利油田”规划。塔里木油田：作为国家级的数字油田建设工程项目，已经进入具体实施阶段。塔里木油田被列为国家数字油田建设的示范单位和国家“十五”科技攻关重点项目，其工程分示范系统、业务数据标准化、全面应用开发等阶段展开，2005年完成。该项目已完成勘探开发图形管理信息系统，实现了勘探开发的可视化。然而，许多的核心技术还掌握在外国人手中，我国的开发水平还很低，自行

8、设计和研制的大型计算机监控系统仍然很少，主要靠从国外引进。在引进的系统中，部分尚不能正常工作。如何对系统进行总体设计、引进时如何对系统选型，怎样估计价格性能比，按什么指标验收引进或研制的控制系统等问题，在大多数单位仍未解决。特别是大型工程的管理和决策者没有系统的参考原则和依据，决策往往具有盲目性。1.2.2 国外现状美国海湾石油公司于1954年10月，建成世界上第一套自动监控输送系统（Ledge Automatic Control Transmission System，简称LACT）装置，解决了原油的自动收集、处理、计量和输送问题。到1967年底，美国陆地石油公司已有75%的原油采用LACT

9、装置。在LACT应用的同时，一些原油处理站出现了以闭环控制为特点的就地自动化控制系统。自20世纪60年代末期以后，计算机及PLC技术已开始应用于油田联合站内的部分生产系统中，如Arco油气公司的Iatan East Howard油田将PLC用于注水控制，并很快发展到报警、泵控、橇装试井装置等其它领域。但此时，联合站集输系统还是处于简单常规仪表控制时期。随着集输工艺上计量站的形成和中心处理站（简称联合站）的产生，集散控制系统（Distribute Control System，简称DCS）开始应用于联合站集输系统中代替常规仪表。进入20世纪90年代，DCS的功能越来越强，工作也越来越可靠。如HO

10、NEYWELL公司的TDC3000系统、FISHER-ROSEMOUNT公司的PROVOX系统等数十个厂商的DCS都在油气处理站有所应用。随着通信技术的发展，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition)即监控与数据采集系统越来越多地应用于油田生产控制与管理中。SCADA系统与在油气开采中的处理设备上的检测仪表和控制设备直接相连接，这样连接能够实时和不断地获取检测仪表所检测到的运行信息，它可使操作人员从一个或多个控制中心对遥远的设施(如井组、远方泵站、转油站和联合站集输系统)进行监视、控制和数据采集。美国阿拉斯加州北部的普鲁德霍油田系统，本系统除

11、了具有高水平的自动控制调度管理系统外，还有地震监测系统，该系统在强烈地震时能使管道安全停输，地震后又能恢复正常运行。现在美国油田自动化的发展已出现这样的趋势：油田的开发，管网的输配，油港的运营三者已被联系起来，统一平衡与协调管理，已经形成由计算机和通信网络组成的大系统4。1.3 本课题的基本内容和研究目的1.3.1 基本内容本课题根据张天渠联合站生产的特点，主要研究了计算机监控系统的方案选择、计算机硬件和软件的选型及设计、I/O模块及检测仪表选型等，具体内容如下：(1) 熟悉张天渠联合站的现场工艺流程图，根据图纸统计出现场需要进行监控的物理量、工艺参数、特性参数等，初步确定I/O的数目和类型以

12、此来进行硬件选型。这里我们主要选取台湾研华公司的ADAM5000E系列输入输出模块。(2) 根据统计出来的点数，利用组态王6.5编写监控软件、绘制监控画面，包括工况图、工艺流程图、实时参数画面、实时曲线、历史数据画面、历史曲线、报警参数与报警图、记录打印画面。(3) 进行软件的仿真调试。1.3.2 研究目的本课题的研究目的就是应用基于组态王6.5的计算机监控技术，实现张天渠联合站集输系统的上位监控，达到如下目的: 实现对联合站工艺流程进行监测，当设备运行出现故障、参数越限时，系统产生报警。 实现对联合站的设备运行状况、压力、流量、温度、液位，以及站区的可燃气体浓度的监测。1.4 课题的研究意义

13、油田联合站是原油生产过程中的一个重要环节，直接关系到外输原油的质量和联合站的节能消耗，也决定着联合站生产过程的安全平稳运行及原油生产的经济效益。利用“组态王6.5”能开发出监控系统的良好人机界面，包括工艺流程画面、历史报警画面、实时报警画面、历史趋势曲线画面、实时趋势曲线画面、历史报表和实时报表画面。能实现数据采集与处理、系统事故报警、显示现场生产过程或实时状态等功能。现场的流程画面、过程数据、趋势曲线、生产报表(支持报表打印和数据下载)、操作记录和报警等均可轻松浏览。从而能完成对联合站集输系统工艺流程的实时监控。本系统能逼真地再现现场画面，在任何时间任何地点均可实时掌控企业每一个生产细节，有

14、利于联合站生产的平稳运行，保证原油质量，降低成本，减轻工人的劳动强度。2 计算机监控系统的原理及组成计算机监控技术是一门综合性的技术。它是计算机技术（包括软件技术、接口技术、通信技术、网络技术、显示技术）、自动控制技术、自动检测和传感技术的综合应用。2.1 计算机监控系统的原理所谓计算机监控，就是利用传感装置将被监控对象中的物理参量（如温度、压力、流量、液位、速度）转为电量（如电压、电流），再将这些代表实际物理参量的电量送入输入装置中转换为计算机可识别的数字量，并且在计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而使得操作人员能够直观而迅速地了解被监控对象的变化过程。除此之外，计算机还

15、可以将采集到的数据存储起来，随时进行分析、统计和显示并制作各种报表。如果还需要对被监控对象进行控制，则由计算机中的应用软件根据采集到的物理参量的大小和变化情况以及按照工艺所要求该物理量的设定值进行判断；然后在输出装置中输出相应的电信号，并且推动执行装置（如调节阀、电动机）动作从而完成相应的控制任务5。2.2 计算机监控系统的功能计算机监控系统是以计算机为主机，加上检测变送装置、I/O装置、执行机构，和监控对象共同构成的整体。在这个系统中，计算机直接参与生产过程的检测(monitor),监督(supervise)和控制(control)，或者说系统应具有下述三方面的功能:(1) 采集与处理功能主

16、要是对生产过程的参数进行检测、采样和必要的预处理，并以一定的形式输出(如打印制表和CRT屏幕显示)、为生产人员提供详实的数据，以便于他们分析、了解生产情况，监视生产过程的进行。(2) 监督功能将检测到的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并制成实时和历史数据库加以存储。根据实际生产过程的需求及生产进程的情况，进行工况分析、故障诊断、险情预测，并以图形、文字、声音等多种形式及时作出报道，以进行操作指导、事故报警。(3) 控制功能在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于生产过程。完整的计算机监控系统是上述三种功能的综合集成，它利用计

17、算机高速度、大容量和智能化的特点，可以把一个复杂的生产过程组织管理成为一个综合、完整、高效的自动化整体。在实际应用中，可以根据实际对象的需求情况，系统只具有上述一项或两项功能;或是以某一项为主，而辅以其它的功能。这样能更针对实际应用的需要，以降低成本，减少复杂性，增强可维护性5。2.3 计算机监控系统的特点(1) 实时性实时性是计算机监控系统区别于普通（通用）计算机系统的关键特点，也是衡量计算机监控系统性能的一个重要指标。实时性有下述几层涵义：实时性是系统对外界激励(事件)及时作出响应的能力，即系统能在多长时间内响应外部事件。系统在所要求的时间内完成规定的任务的能力。实时是与分时相对应的。(2

18、) 可靠性可靠性是指计算机监控系统的无故障运行的能力。工业生产在连续运行，计算机监控系统也必须同步连续运行，对过程进行监测和控制。即使系统由于其他原因出现故障错误，计算机系统仍能作出实时响应并记录完整的数据。可靠性常用“平均无故障运行时间”，即平均的故障间隔时间MTBF （mean time between failures）来定量地衡量。(3) 可维护性可维护性是指进行维护工作时的方便快捷程度。计算机监控系统的故障会影响工业生产过程的正常操作，有时会大面积地影响生产过程的进行，甚至使整个生产瘫痪。因此，快速维护计算机监控系统的正常运行，在最短时间内排除它的故障成为计算机监控系统的重要特点。(

19、4) 过程量采集及输出监控系统的一个突出特点是具有强大的I/O功能，即大量的现场信息要直接从工业现场采集并送入计算机中。从当前已有的应用来看，有两大类信息：数据信息：主要有三种类型的数据输入信号，模拟量输入（AI）、开关量输入（SI）、脉冲量输入（PI）。模拟量输入通道接受现场连续变化的信息(如电压、电流、电阻等)，其输入要经过放大、隔离、模/数转换等处理后，变成数字量才能进入计算机。开关量输入通道接受现场“通/断”两个状态信息(如表示阀门开关、设备启停、刀闸分合等状态的无触点开关或继电器开关)。脉冲量输入不是开关状态，也不是连续变化的模拟量，而是脉冲序列。脉冲量输入通道通常具有计数功能以接受

20、脉冲序列信息，这种信息有时直接代表某些物理量(如传递)，有时是它的累计值表示某些物理量(如电量)。对应于三种类型的数据输入信号，有三种类型的数据输出信号，模拟量输出（AO）、开关量输出（SO）、脉冲量输出（PO）。它们用来控制执行机构，或送到有关的显示、报警、记录设备中。图像信息：由于多媒体技术和信息处理技术的进步，近年来，图像信息也进入到工业监控领域，而且起着数据信息不能替代的作用。最常用的获取图像信息的设备是工业摄像机，它摄取的视频图像通过视频处理卡后可直接进入计算机。在常规的使用中，视频图像是直接输出到屏幕上进行显示的。在最近的技术发展中，视频图像经图像处理后再进行显示或与数据信息进行融

21、合作为控制信号使用。(5) 人机交互功能在计算机监控系统中，人机交互的方式比较丰富。特别是复杂、大型、综合、连续的生产过程中，操作人员要在短时间内接受多个信息，进行分析判断，完成有关操作，因此要求监控系统具有多种而不是单一的人机交互方式。除常规的键盘、鼠标、CRT显示器外，通常还有触摸屏、专用键盘、大屏幕显示、语音等。(6) 通信功能主要是指在监控系统中，计算机同计算机之间、相同类型或不同类型总线之间以及计算机网络之间的信息传输。在实际应用中，往往有多种类型的多台监控计算机在一起联合工作，这时就需要在计算机之间进行实时、可靠的信息传递。特别在分级计算机监控系统、分布式计算机监控系统中，通信是一

22、个非常重要的特点。(7) 信息处理和控制算法在设计计算机监控系统时，信息处理和控制算法的设计、开发、调试是最为核心的内容，也是最花费时间的工作，它占据了开发调试的大部分工作量。信息处理和控制算法主要是软件工作，这些软件的开发编制除了与所采用的操作系统、软件开发工具有关外，还和硬件（特别是接口部件）以及生产工艺要求有密切的关系。正因如此，监控系统的软件开发往往难度更大，它要求开发设计人员具有更全面和广泛的知识。2.4 计算机监控系统的组成计算机监控系统的组成可以有多种划分方法。最简单地可以划分为硬件和软件两个部分。一般地，一个计算机监控系统可以由以下几个部分组成：计算机（含可视化的人机界面）、输

23、入输出装置（模块）、检测变送机构、执行机构。图2-1给出了一个计算机监控系统的组成原理简图5。图2-1 计算机监控系统组成原理图下面从软件和硬件的角度来介绍计算机监控系统的组成。硬件主要由计算机、输入输出装置、检测变送装置和执行机构4大部分组成。更进一步的划分如下所示：软件主要分为系统软件、开发软件和应用软件3大部分。系统软件一般为一个操作系统，对于比较简单的计算机监控系统，则为一个监控程序。开发软件包括高级语言、组态软件和数据库等。应用软件往往可以有输入输出处理模块、控制算法模块、逻辑控制模块、通信模块、报警处理模块、数据处理模块或数据库、显示模块、打印模块等。3 联合站计算机监控系统的设计

24、概述及步骤3.1 系统的设计过程联合站计算机监控系统的设计与开发基本上是由六个阶段组成的。即：可行性研究、初步设计、详细设计、系统实施、系统测试（调试）和系统运行。当然这六个阶段的发展并不是完全按照直线顺序进行的。在任何一个阶段出现了新问题后，都可能要返回到前面的阶段进行修改。在可行性研究阶段，开发者要根据被监控对象的具体情况，按照企业的经济能力、未来系统运行后可能带来的经济效益、企业的管理要求、人员的素质、系统运行的成本等多种要素进行分析。可行性分析的结果是要确定使用计算机监控系统是否能给企业带来一定的经济效益和社会效益。初步设计也可以称为总体设计。系统的总体设计是进入实质性设计阶段的第一步

25、，也是最重要和最为关键的一步。总体方案的好坏会直接影响整个计算机监控系统的成本、性能、设计和开发周期等。在这个阶段，首先要进行比较深入的工艺调研，对被监控对象的有一个基本的了解，包括要监控的工艺参数的大致数目和监控要求、监控的地理范围的大小、操作的基本要求等。然后初步确定未来监控系统要完成的任务、写出设计任务说明书、提出系统的控制方案、画出系统组成的原理框图，作为进一步设计的基本依据。在详细设计阶段，首先要进行详尽的工艺调研，然后选择相应的传感器、变送器、执行器、I/O通道装置以及进行计算机监控系统的硬软件的设计。对于不同类型的设计任务，则要完成不同类型的工作。在系统的实施阶段，要完成各个元器

26、件的制作、购买、安装；进行软件的安装和组态以及各个子系统之间的连接等工作。系统的调试（测试）主要是检查各个元器件的安装是否正确，并对其特性进行检查或测试。调试包括硬件调试和软件调试。从时间上来说，系统的调试又分为离线调试和在线调试以及开环调试和闭环调试。系统运行阶段占据了系统生命周期的大部分时间，系统的价值也是在这一阶段中得到体现。在这一阶段应该有高素质的使用人员，并且严格按照章程进行操作，尽可能地减少故障的发生。3.2 系统的设计原则联合站计算机监控系统的设计是为了保证联合站生产的平稳运行和优化控制，实现节能降耗和安全生产，提高生产管理水平。但由于联合站的生产环境一般较为恶劣，其安全状况关系

27、重大，一旦发生事故，将会造成严重的生命财产损失，因此联合站计算机监控系统必须具有安全可靠、使用方便等特点。系统的设计必须遵循以下原则。(1) 可靠性原则为了确保计算机监控系统的高可靠性，可以采取以下措施：采用高质量的元器件：计算机尽可能采用工业控制计算机或工作站，而不是采用普通的商用计算机。所采用的各种硬件和软件，尽可能不要自行开发。要采用高质量的电源。一般来说PLC的I/O模块的可靠性比PC总线I/O板卡的可靠性高，如果成本和空间允许，应尽可能采用PLC的I/O模块。采用各种抗干扰措施：采用各种抗干扰措施，包括滤波、屏蔽、隔离和避免模拟信号的长线传输等。采用冗余工作方式：可以采用多种冗余方式

28、，例如，冷备份和热备份。其中冷备份方式是指一台设备处于工作状态，而另一台设备处于待机状态，一旦发生故障，专用的切换装置就会将原来工作的设备切除，并将备份的设备投入运行。其他措施：对于一些智能设备采用故障预测、故障报警等措施。出现故障时将执行机构的输出置于安全位置，或将自动运行状态转为手动状态。(2) 使用方便原则一个好的计算机监控系统应该是人机界面好，方便操作、运行，易于维护。设计时要真正做到以人为本，尽可能地为使用者考虑。对于人机界面可以采用CRT、LCD或者是触摸屏，使得操作人员可以对现场的各种情况一目了然。各种部件尽可能地按模块化设计，并能够带电插拔，使得其易于更换；在面板上可以使用发光

29、二极管作为故障显示，使得维修人员易于查找故障。在软件和硬件的设计时都要考虑到操作人员会有各种误操作的可能，并尽量使这种误操作无法实现。(3) 开放性原则开放性是计算机监控系统的一个非常重要的特性。各联合站的生产规模不会是一成不变的。这也就要求计算机监控系统在结构上具有一定的柔性。计算机监控系统与上层管理信息系统之间的数据交换也是现代化管理需要的。在控制现场往往会有一些特殊的第三方设备。为了使系统具有一定的开放性，可以采取以下措施：尽可能采用通用的软件和硬件：例如操作系统可以采用UNIX、LINUX、Windows；数据库可以采用SQLSEVER、ORACLE、INFORMIX、SYBASE；所

30、采用的组态软件应该提供相应的数据库接口和通信接口。各种硬件尽可能采用通用的模块，并支持流行的总线标准。尽可能要求产品的供货商提供其产品的接口协议以及其他的相关资料。在系统的结构设计上，尽可能地采用总线形式或其他易于扩充的形式。尽可能地为其他系统留出接口。(4) 经济性原则在满足计算机监控系统的性能指标（如可靠性、实时性、精度、开放性）的前提下，尽可能地降低成本，保证性价比最高，以保证为用户带来更大的经济效益。有几个因素对系统的成本影响比较大。例如，监控点的数目、计算机监控系统所覆盖的地域、是否采用冗余技术、计算机监控系统的类型等。(5) 开发周期短原则在设计时，应尽可能地使用成熟的技术，对于关

31、键的元器件或软件，不是万不得已就不要自行开发。现在，采用上位机加I/O板卡加组态软件，或是上位机加PLC加组态软件开发一个监控点数目100点左右的计算机监控系统所需的时间（包括工艺调研）往往不会超过一个月，因此，购买现成的软件和硬件进行组装与调试应该成为首选。3.3 系统的设计步骤在完成了可行性研究并且确定系统开发可行后，即可进入系统设计阶段。设计的结果是要提供一系列的技术文件。这些技术文件包括文字、图和表格。技术文件主要是为将来的系统实施、运行和维护提供技术依据。设计总是采用结构化的设计方法，即从顶层到底层、从抽象到具体、从总体到局部、从初步到详细。3.3.1 系统的总体方案设计系统的总体设

32、计是进入实质性设计阶段的第一步，也是最重要和最为关键的一步。总体方案的好坏会直接影响整个计算机监控系统的成本、性能、设计和开发周期等。整个总体设计过程如图3-1所示。图3-1 总体设计基本步骤(1) 工艺调研总体设计的第一步是进行深入的工艺调研和现场环境调研。经过调研要完成以下几个任务：弄清系统的规模：要明确控制的范围是一台设备、一个工段、一个车间，还是整个企业。熟悉工艺流程，并用图形和文字的方式对其进行描述。初步明确控制任务：要了解生产工艺对控制的基本要求。要弄清楚控制的任务是要保持工艺过程的稳定，还是要实现工艺过程的优化。要弄清楚被监控的参量之间是否关联比较紧密，是否需要建立被监控对象的数

33、学模型，是否存在诸如大滞后、严重非线性或比较大的随机干扰等复杂现象。初步确定I/O的数目和类型：通过调研弄清楚哪些参量需要检测、哪些参量需要控制以及这些参量的类型。弄清现场的电源情况（是否经常波动、是否经常停电、是否含有较多谐波）和其他情况。(2) 形成调研报告和初步方案在完成了调研后，可以着手撰写调研报告，并在调研报告的基础上草拟出初步方案。如果系统不是特别复杂，也可以将调研报告和初步方案合二为一。(3) 方案讨论在对初步方案进行讨论时，往往会发现一些新问题或是不清楚之处，此时，需要再次调研，然后对原有方案进行修改。(4) 形成总体方案在经过多次的调研和讨论后，可以形成总体设计方案。总体方案

34、以总体报告的方式给出，并包含以下内容：工艺流程的描述：可以用文字和图形的方式来描述。如果是流程型的被监控对象，可以在确定了控制算法后画出带监控点的工艺流程图。功能描述：描述未来计算机监控系统应具有的功能，并在一定程度上进行分析，然后设计相应的子系统。在此过程中，可能要对硬件和软件的功能进行分配和协调。对于一些特殊的功能，可能要采用专用的设备来实现。结构描述：描述未来计算机监控系统的结构。是采用单机控制，还是采用分布式控制。如果采用分布式控制，则对于网络的层次结构的描述，可以详细到每一台主机、控制节点、通信节点和I/O设备。可以用结构图的方式对系统的结构进行描述，用箭头来表示信息的流向。控制算法

35、的确定I/O变量总体描述3.3.2 系统的详细设计在进行详细设计之前，仍然要进行一次调研。此次调研的任务首先是收集各个I/O点的具体情况。3.3.2.1 传感器、变送器和执行机构的选择传感器和变送器均属于检测装置。传感器是将被检测到的物理量转换为电量的装置；变送器是将被检测到的物理量或传感器输出的微弱电量转换为可以远距离传送且标准的信号（一般为010mA、420mA或010V）。选择时主要根据被监控参量的种类、量程、精度来确定传感器和变送器的型号。随着现场总线技术的发展，智能仪表的使用逐渐增多。如果在总体设计时，已经考虑了使用某种现场总线标准，可以考虑采用支持该标准的仪表。当然，现在智能仪表的

36、价格还相对比较高，设计者可以根据用户的经济能力和现场的实际情况来处理。一般来说，如果用户的经济能力允许，或是智能仪表的价格不超过常规仪表的20%，都可以考虑采用智能仪表。执行机构的作用是接受计算机发出的控制信号，并将其转换为执行机构的输出，使生产过程按工艺所要求的运行。常用的执行机构有：电动机、电机启动器、变频器、调节阀、电磁阀、可控硅整流器或者继电器线圈。与检测仪表一样，执行机构也有常规执行机构（接受010mA、420mA或010V电信号）与智能执行机构之分。对于同一物理量的控制，往往可以有多种选择。例如，以前流量的连续控制主要是利用调节阀来实现，现在也可以使用变频器驱动交流电动机，然后再由

37、电动机驱动水泵来实现。采用变频器的方案，价格比较高，但调节范围宽、线性度好，而且节约能源。3.3.2.2 监控装置的详细设计监控装置是指I/O子系统和计算机系统（包括网络）两部分。对于不同类型的设计任务，在详细设计阶段所要做的工作是不一样的。这里只考虑系统的硬件和软件都采用现成的产品的情况。(1) 小型系统对于小型系统，稳定性要求较低、运算费用较少，一般采用上位机加I/O板卡的方案，该方案可以按以下几个步骤进行：选择系统总线：由于STD总线已经比较陈旧，可以不考虑，PC总线也建议不必考虑。然后根据性能需要和费用在ISA总线与PCI总线之间进行选择。选择主机：如果控制现场环境比较好，对可靠性的要

38、求又不是特别高，也可以选择普通的商用计算机；否则还是选择工控机为宜。在主机的配置上，以留有余地、满足需要为原则，不一定要选择最高档的配置。根据系统的精度要求、I/O的类型和数量选择相应的I/O板卡：现有的模拟量输入I/O板卡，一般都有单端输入和双端输入两种选择。如果费用允许，还是采用双端输入为好，以提高抗干扰能力。除此之外，还应采取多种隔离和滤波措施。例如，使用专门的信号调理板卡或与隔离端子同时使用。选择操作系统、数据库和组态软件：操作系统可以选择Windows2000/XP。数据库一般采用小型数据库，软件则选择小点数并满足需要的组态软件即可，必要时再购买一些特殊组件。确定控制算法参数、显示画

39、面、报表格式。(2) 中大型系统对于稳定性要求一般、费用预算一般的中大型系统，一般采用上位机加485总线加I/O模块和工业仪表的方案，该方案可以按以下几个步骤进行：选择局域工业网络：如果传输距离不是特别远（1km以内），数据传输速率不是特别高，首先可以考虑485总线。如果485总线不合适，可以选择一种现场总线，如CAN、LON、ProfiBus、FF或以太网。选择主机：如果控制现场环境比较好，对可靠性的要求又不是特别高，也可以选择普通的商用计算机；否则，还是选择工控机为宜。在主机的配置上，以留有余地、满足需要为原则，不一定要选择最高档的配置。根据系统的精度要求、I/O的类型和数量选择相应的I/

40、O模块：I/O模块的选择当然首先是要支持所选的总线，然后根据系统的分散性来考虑。如果系统不是特别分散，可以选择小点数的I/O模块；如果是485总线，还可以考虑使用牛顿模块。另外还可以选用各种工业显示控制仪表。选择操作系统、数据库和组态软件：操作系统可以选择Windows2000/XP。数据库一般采用小型数据库，软件则选择小点数并满足需要的组态软件即可，必要时再购买一些特殊组件。确定控制算法参数、显示画面、报表格式。(3) 稳定性要求很高、预算费用较高、具有控制要求的的系统对于这一类系统，一般采用上位机加PLC的方案，该方案可以按以下几个步骤进行：选择特定厂家的PLC：可以根据总线要求、传输距离

41、、可靠性、售后服务、价格等综合因素选定某一厂家的PLC，另外可以选择该PLC支持的一种现场总线，如CAN、LON、ProfiBus、FF或以太网等。根据系统的精度、I/O的类型和数量以及通信等要求选择相应的PLC。选择主机：如果控制现场环境比较好，对可靠性的要求又不是特别高，也可以选择普通的商用计算机；否则，还是选择工控机为宜。在主机的配置上，以留有余地、满足需要为原则，不一定要选择最高档的配置。选择操作系统、数据库和组态软件及PLC编程软件：各个厂家的PLC编程软件都不相同，同一厂家的相同型号PLC的编程软件也可能不同。确定控制算法参数、显示画面、报表格式。4 张天渠联合站计算机监控系统硬件

42、设计4.1 张天渠联合站工艺流程简介与监控内容4.1.1 工艺流程简介张天渠联合站位于陕北定边县，隶属于定边钻采公司东仁沟采油队，该联合站的油气水集输、分脱和污水处理回注系统，从设计到建设均达到了国内油田行业标准，部分设备在国内处于领先水平。其输油脱水工艺被分为两大部分，其中一部分式井和增压点来油经过油汽水分离、污水处理、沉降和净化后被输往东仁沟站或者进行装车外输，另一部分原油则经过处理后被输往韩渠联合站。张天渠联合站的主要设备有沉降罐、净化罐、收球筒、油分离器、缓冲罐、污油箱、换热器、过滤器、以及不同型号的输油泵。张天渠联合站的两幅工艺流程图分别参见图4-1和图4-2。从各个油井和增压点的来

43、油首先进入双容积量油分离器，进行来油计量，计量后的原油经过进一步的沉降净化后往其他集油站外输或者进行装车外输。图4-1 张天渠联合站工艺流程图1图4-2 张天渠联合站工艺流程图2站内的流程说明如下所示：(1) 原油生产流程 在此流程中，来油的计量是通过双容积量油分离器来完成的。该设备主要由上下两个容器组成，上面的容器起到来油缓冲的作用，下面的容器则是一个容积已知的容器，它的主要作用就是进行来油计量。当下面的计量容器中的原油达到上限时，原油从计量容器中输出；输出完毕时，原油再从缓冲容器输入到计量容器。双容积量油分离器就是通过这种循环的方式来完成原油的计量。(2) 站内吹扫流程(3) 站内循环流程

44、(4) 站外吹扫流程4.1.2 监控内容及功能(1) 内容：监测站区共16点气体浓度。监测分离缓冲罐压力、两个装车泵及四个外输泵的前后压力。监测三个收球筒的温度、两个TR60-2.5型和一个TR25-2.5型换热器的进出口温度、两个净化罐和三个沉降罐的温度、两处外输油的温度。监测分离缓冲罐及两个净化罐的液位高低报警。监测三个双容积量油分离器液位高低报警。监测三个齿轮卸油泵的开关状态。控制三个双容积量油分离器的液位高低。控制三个齿轮卸油泵的开关。(2) 功能：信号采集：信号采集包括对现场仪表及模块信号的采集和转换处理。监控操作：实现对现场各个设备参数及状态的检测。动态显示：动态流程画面显示；实时

45、及历史报警显示；实时及历史趋势曲线显示。操作画面：通过操作画面查询和管理工艺过程；打印实时或历史报表、趋势曲线和报警画面。4.2 系统详细设计如前所述，联合站计算机监控系统的设计方案有三种：上位机加I/O板卡的方案、上位机加485总线加I/O模块和工业仪表的方案以及上位机加PLC的方案。由于本次设计对稳定性的要求一般、费用预算要求不高，所以本次设计选择上位机加485总线加I/O模块和工业仪表的方案。4.2.1 初步分析监测三个收球筒的温度、两个TR60-2.5型和一个TR25-2.5型换热器的进出口温度、两个净化罐和三个沉降罐的温度、两处外输油的温度、分离缓冲罐压力和两个装车泵及四个外输泵的进

46、出口压力、站区共16点气体浓度共45路信号经过相应的变送器后都会转换为与现场最大、最小值对应的4-20mA电流信号，都是模拟量输入信号。监测分离缓冲罐及两个净化罐的液位高低报警、三个双容积量油分离器的液位高低报警、三个齿轮卸油泵的开关状态共15路信号明显是对应数字量输入信号。控制三个双容积量油分离器的液位高低、三个齿轮卸油泵的开关共9路是数字量输出信号。4.2.2 系统I/O点数统计表4-1 监控系统I/O变量表序号监控对象总点数控制要求AIDIDO1站区1616点气体浓度监测16*1=162三个收球筒3温度监测3*1=33两个TR60-2.5型换热器4换热器进出口温度监测2*2=44一个TR

47、25-2.5型换热器2换热器进出口温度监测1*2=25两个净化罐和三个沉降罐的温度5温度监测5*1=56两处外输油2温度监测2*1=27分离缓冲罐1压力监测1*1=18两个装车泵及四个外输泵12泵进出口压力监测6*2=129分离缓冲罐及两个净化罐6液位高低报警6*1=610三个双容积量油分离器6液位高低报警6*1=611三个齿轮卸油泵3泵开关状态监测3*1=312三个双容积量油分离器6液位高低控制3*2=613三个齿轮卸油泵3开关控制3*1=3合计69451594.2.3 硬件选型4.2.3.1 主机部分在联合站工业生产现场，腐蚀性气体多，且需要计算机24小时连续不断地运行，因此对生产现场的设

48、备较其他行业要求更高。所以针对主机，我们选择由我国台湾省研华公司生产的IPC-610H型工控机，该机适合于对数据的收集，处理有极高专业要求的行业，能给各行业提供高性能、高可靠性的工业级计算机平台。(1) IPC-610H具有以下特点：超强的环境适应能力：IPC-610H采用高强度钢壳体、坚固耐用，具有卓越的抗电磁干扰能力，最大限度的保障了系统的可靠性。另外它还具有很宽的温度、湿度范围，可满足各种工作现场的特殊要求。IPC-610H采用大功率风扇，有效的对机箱内部进行散热，通过苛刻的环境测试设计，具有耐高温，防震动，抗冲击的能力。优秀的系统扩展能力：宽敞的机箱空间，前瞻性的系统设计，在满足用户对

49、功能要求的同时，保证了充足的扩充空间和技术支持。IPC-610H的数据处理能力和存储空间随着存储技术的发展而不断地提高，能从容应对数据流量的不断增大。强劲的数据处理能力：拥有一颗超强、稳定的心脏中央处理器，优异的兼容性，支持奔腾处理器，保证系统快速、稳定地工作。采用高可靠性的Intel芯片组，使得系统的数据处理能力更加强劲。针对客户不同的应用需要，给客户提供不同的配置，以满足客户的需求。(2) IPC-610H具有以下配置：机箱： 高度 4U槽数 支持14个ISA/PCI插槽冷却系统 2个85CFM风扇接口 前置USBPS/2接口磁盘驱动器 前置3个5.25和1个3 .5电源 300WATXP

50、FC PS/2 电源无源底板 PCA-6113P7X（2PICMG/4ISA/槽底无源底板）图4-3 研华工控机IPC-610H处理系统：CPU Intel Pentium4 最高速度 3.06GHz（选2.4GHz） 二级缓存 512/256KB 芯片组 Intel845GV BIOS Award 4Mb FWH总线： 前端总线 400/533MHz PCI 32-bit/33MHz ISA HISA（ISA high driver）内存： 规格 DDR200/266/333 SDRAM 最大容量 2G（选512MB） 插槽 2个184-pin DIMM插槽图形卡： 控制器 芯片组集成VGA

51、控制器 显存 动态分享内存864MBEIDE: 模式 ATA 100/66/33 通道 2（Max.4deceives）I/O接口： USB 2 (USB2.0兼容) Serial 2(RS-232) Parallal 1(SPP/EPP/ECP) FDD 1 PS/2 1硬盘： HDD 80GB(7200rpm)软驱： FDD 1.44MB光驱： 52X CDROM4.2.3.2 模块部分针对15路DI信号和9路DO信号，可以选用研华模块来完成。由于DO信号要实现控制，最好选用继电器型模块，所以我们可以选用两块ADAM-4052（8路隔离数字量输入模块）和三块ADAM-4060（4路继电器数

52、字输出模块）。有2*8-15=1路DO冗余和3*4-9=3路DO冗余。各个模块都选用RS-485接口。如果仪表接口选择RS-232接口型，则每个串口只能接一块仪表，所以下面的仪表部分所选的仪表都是RS-485接口型的，这样某一类的仪表就可以接在同一串口上。因为工控机有两个串口，所以我们可以把所有研华公司的模块接在一个串口上，所有昌晖公司的仪表则接在另一串口上，工控机通过模块及仪表内地址区分不同的设备。但是工控机是RS-232接口，而模块及仪表是RS-485接口，所以还需两块ADAM-4520（隔离RS-232到RS-422/485转换器）模块。(1) ADAM-4052主要特点：l 6路完全独

53、立隔离的通道 l 2路共地通道 l 隔离电压：5000 V RMS(2) ADAM-4060主要特点：l 4路继电器，2路A型，2路C型 l 击穿电压： 500 Vac（50/60 Hz）l 绝缘电阻：最小1000M（500 Vdc时）(3) ADAM-4520主要特点：l 最高采样速率115.2 kbps l 自动内部RS-485总线监督 l 自动数据流控制 l 3000 Vdc隔离保护（ADAM-4520）4.2.3.3 仪表部分由于所有气体浓度、液位、温度和压力信号比较重要，必须要在现场控制柜显示，所以要选用控制柜上的显示仪，这里我们选择昌晖公司的SWP-LCD-M型多通道巡检控制仪，该

54、表可以轮流显示十六路模拟数据，选择RS-485接口型。气体浓度、压力和温度信号共45路，所以可选用3台，有3*16-45=3路冗余。仪表都选用RS-485接口。(1) SWP-LCD-M概述SWP-LCD-M多路仪表适合于需要同时对多组过程参量（16）进行集中监测，超限报警，变送输出及远传的场合。SWP-LCD-M多路仪表在设计上吸纳了当今电脑结构思路：硬件上采用内带快闪存储器的新型微处理器，扩充了大容量的数据存储区，显示器采用大屏幕液晶图形显示板，软件上引入中文Windows的框架思路，并采用了数据压缩技术。准电脑化的结构，高度地体现了微处理器化仪表的灵活性，成功地解决了多路仪表的分度号可自

55、由设定，测量值集中显示等难题。SWP-LCD-M多路仪表在人机操作与观察界面上都对传统的二次仪表做了挑战性的改革，以中文菜单引导组态操作, 以集中的数据画面显示多路测量结果，以明确的文字信息标识画面内容的涵义，简洁直观地给人以“智能”的感受。SWP-LCD-M多路仪表可接 16 路被测信号，根据用户设定要求完成从信号采集，显示，变送到远传的全过程。SWP-LCD-M多路仪表的打印接口可直接与带有 RS232 串行口的打印机连接，完成定时打印，即时打印或报警打印。SWP-LCD-M多路仪表的串行通讯接口可与上位机进行数据传输，实现记录数据的集中管理。(2) SWP-LCD-M技术指标输入信号 模

56、拟量输入：电压 0 5V 1 5V电流 0 10mA 4 20mA输出信号 模拟量输出：电流 0 10mA （负载750）4 20mA （负载500）电压 0 5V （负载250K）1 5V （负载250K）开关量输出：继电器触点容量：AC 220V/3A ，DC 24V/5A（阻性负载）SCR 输出 400V/0.5A SSR 输出 69V/0.05A馈 电 输 出： DC 24V/30m精 度 0.5%FS1 字 或 0.2%FS1 字采样周期 1秒/通道输入回路 8路或16路测量范围 -1999-9999 字显示方式 背光式大屏幕液晶（LCD）图形显示板显示内容由汉字、西文、数字、工程单

57、位等组成通过面板按键可完成画面翻页，LCD 背光时间长短等操作控制方式 可选择带回差的 ON/OFF 控制通讯输出 RS232/485，波特率 1200pbs 28.8kpbs (可设置)参数设定 中文菜单提示， 面板按键设定或上位机通过通讯口设定， 设定参数密码锁定保护方式 设定参数永久保存，记录数据断电保存，内置Watchdog电路功 耗 5W 使用环境 环境温050 相对湿度85%RH 避免强腐蚀性气体电源电压 AC 220V+10-15% 50 60HzAC 90V 260V（开关电源） DC 24V2V（开关电源）(3) SWP-LCD-M工作原理本仪表原理如图4-4所示，仪表以单片

58、微处理器为基础，通过输入电路把模拟信号经A/D转换器转换成数字信号，微处理器根据采样的结果与设定内容进行计算，比较后显示结果及输出控制信号。图4-4 SWP-LCD-M工作原理4.2.3.4 变送器部分在选用变送器时，尽量满足以下条件：精度高、全天候结构、抗浪涌电压、稳定性高、温度补偿、过程腐蚀保护、过范围保护、反极性保护、抗射频干扰、现场指示、零点正负迁移。输出420mA标准恒流信号，只与被测对象成线性关系，而与负载电阻大小无关。输出高阻抗、大信号、无射频干扰影响。防爆、防震、防潮、防热、防有害气体。电源极性反接保护。安装使用方便。(1) 温度变送器根据以上的要求，温度变送器可以选择厦门宇电

59、自动化科技有限公司生产的AI-7021型双路温度变送器，它是DIN导轨安装的智能化的双路可编程温度变送器/信号隔离器，其输入信号可以为2路可任意编程的热电偶、热电阻及线性电压（mV），外部并联精密电阻可输入电流信号，输出为2路相互隔离的标准电流（420mA或020mA）输出，输入具备数字滤波功能。Al-7021可以作为2个独立的变送器或信号隔离器使用，降低了成本及设备的安装体积，使用灵活，方便。仪表可任选24VDC/AC或100240VAC电源电压，可靠性高且符合EMC电磁兼容标准；其电源及全部I/O端子均通过了4KV的群脉冲（EFT）抗干扰测试，能在强干扰环境下可靠工作。主要功能如下：l 2

60、路个可编程测量输入回路，支持K、S、E、J、B、N、T、WRe5-WRe26、Ptl00、Cu50、0-20mv、0-100mV、0-1V、0.2-1V等多种规格热电偶、热电阻及电压信号输入，热电偶自动冷端补偿，并可以自由定义温度变送输出的量程。2输入回路均具备数字滤波，且滤波强度可以独立调整或取消滤波。l 使用高性能的元器件，大大降低温度漂移并使得2个通道之间相互降低 干扰，使2路测量在精度及抗干扰性能上也达到了与单路测量仪表相当的水准。l DIN导轨安装，宽度仅22.5mm，占用更小的拒体体积。l 数字校正电流输出，无电位器，进一步提高了电流输出精度及稳定性。l 可直接用1394连线连接E8型手持显示器进行编程，使用方便。技术规格如下：l 输入规格：热电偶：K、S、R、E、J、T、B、N、WRe5-WRe26热电阻：Pt100、Cu50线性mV电压：020mV、060mV、0100mV、01V、0.21V、-20+20mV、-100+100mV等l 测量范围：K（-50+13