1、西安石油大學本科設計1 緒 論1.1 目前國內外集油站系統概況隨著科學技術的不斷進步，特別是工業控制技術的飛速發展，我們已經開始步入一個嶄新的自動化控制新時代。計算機自動監控系統已經廣泛的應用于離散過程、連續過程等各種工業自動化領域以及電力、化工、食品、水處理等各個行業。現在國內外都將計算機監控系統對油田集油站的各個生產工藝過程進行實時監控、與數據采集等，計算機監控系統的發展為集油站的自動化監測注入了新的活力。集油站是儲存和供應石油產品的專業性倉庫，是協調原油生產和加工、成品油運輸及供應的紐帶。國外的集油站管理已經進入先進的工業控制技術、網絡技術、數據庫技術等，對集油站日常的首發油作業、儲油管

2、理、集油站監控系統等進行全方位的綜合管理。我國的集油站自動化技術與國際先進水平相比還有一定差距。各種計量儀表精度較低，穩定性較差，控制系統控制精度比較低，信息化水平還不夠健全，這使得我國集油站的自動化控制和管理系統經歷了一個較長的發展階段。1.2 集油站的總體布局集油站將開采的原油集中進行管線運輸，進行油罐存儲，完成對來油、輸油及有關儲油量得計算、存盤管理。在此過程中，對含水的原油要進行脫水工藝處理，這樣形成了原油集輸的若干個工藝處理過程。集油站是油田原油集輸生產過程中最重要的生產工藝過程。它是集發油、卸又等多個工藝系統為一體的綜合性生產過程，主要包括輸油脫水，污水淺處理、污水深處理、注水、鍋

3、爐和配電等生產崗位或工藝環節。在集油站安全監控系統中，采用下位機硬件控制和上位機軟件監視構架。在下位機控制系統中，通過PLC可編程邏輯控制器來采集與處理現場數字量信號和模擬量信號。在上位機監視系統中，采用組態王軟件開發人機界面，生產實時狀況直觀形象。1.3 計算機控制系統的主要特點（1）實時性。對工業生產過程進行實時在線檢測與控制，按優先級進行采集和輸出調節，保證被控系統的正常運行。（2）可靠性。具有在較為惡劣的工業現場長期工作的能力，并具有良好的故障診斷和維護性。（3）較強的輸入/輸出能力?？膳c工業現場的檢測儀表和控制裝置相連接，完成各種測量控制任務。（4）應用軟件豐富。目前大多數計算機監控

4、系統以WINDOWS做工作平臺，系統軟件、應用軟件豐富，可提供良好的人機界面，特別是組態軟件更為用戶提供了方便。 2 系統總體方案設計2.1集油站工藝流程圖圖1-1 集油站的工業流程圖某集油站工藝流程如上圖。從各個油井或計量站來得油水混合物先進入二個四相分離器，進行油，水，氣，沙四相分離，分離出來的水經摻水泵送到個計量站摻水或對地下注水；分離出來的原油進入脫水器再次脫水，經稠油泵送到200立方米的大罐儲存；分離出來的一部分油水混合物經過外輸泵在進行熱交換加熱后往其他集油站外輸。2.2 初步分析液位、溫度、壓力、氣體濃度監測以及各個泵運行狀態顯示。其中：液位、溫度、壓力、氣體濃度等信號經過相應的

5、變送器后都會轉換為與現場最大、最小值對應的4-20mA電流信號都是模擬量輸入信號。各個泵運行狀態情況很明顯是對應數字量輸入信號。控制兩個四相分離器上油室、水室的液位恒定和各個泵的起、停。其中：控制分離器上油室、水室的液位恒定可以采用PID儀表來控制?？刂圃硎牵河褪摇⑺业漠斍耙何恍盘柦尤隤ID控制表，與表內的人工給定值比較，通過PID運算，輸出4-20mA的控制信號到變頻器，變頻器對50HZ交流電進行變頻，輸出對應于4-20mA的0-50HZ交流弄點對泵上的驅動電機進行變頻調速，通過調節泵的轉速（流量）來控制油室。水室、的液位恒定。2.3 一個典型的計算機測控系統組成原理圖圖2-2 計算機監

6、控系統結構圖2.4 集油站安全監控系統的總體結構集油站監控最重要的是對工藝過程中的各項參數如溫度、壓力、液位、流量等進行實時監控。在原油分離過程中液位和壓力、鍋爐間的鍋爐溫度、以及各個重要工藝過程中的參數是集油站安全、高效生產的決定性因素，所以必須在各種干擾的情況下，將液位、溫度、壓力等穩定控制在工藝允許誤差范圍內，所以對這些參數監控就是生產過程中的關鍵。設計集油站安全監控系統，不僅節約了人力物力，而且在準確性、靈活性以及生產效率上都有明顯提高，保證了油田的安全穩定生產。針對集油站安全監控系統的要求，設計了工控機通過通訊轉換器組成的分布式監控系統。由PLC負責采集現場數據并且傳輸到上位機。上位

7、機作為管理機構，負責文件管理、數據庫維護、報表自生成并定時打印。下位機PLC要對現場進行測量、采集信息。并通過線路送到主機，由上位機完成數據處理的任務，根據下位機傳送來的信息，上位機自動生成各種報表，并在指定時間打印輸出，從而將繁重的數據處理任務交給上位機完成，大大減輕了下位機的負擔，以便更好地進行各個子系統的數據采集和控制功能，保證系統的可靠性和精度。這次設計采用PLC來采集與控制現場數據，通過I/O模塊控制器，將現場的模擬或數字信號傳輸到工控機中，通過顯示器顯示出現場采集的數據。在控制系統中應配有工控機，以提高監控系統可靠性。2.5 集油站安全監控系統I/O點數統計 系統I/O點數可以通過

8、列表的形式來列舉：表3-1 集油站安全監控系統I/O變量表序序序號設備名稱總點數 控制要求AIAODIDO1兩個四相分離器16水室的液位、溫度、壓力2*3=6油室的液位、溫度、壓力2*3=6油室、水室液位恒定控制2*2=42兩個摻水泵10泵的前后的壓力2*2=4控制各個泵的起、停2*1=2泵運行狀況顯示2*1=23兩個外輸泵10泵的前后的壓力2*2=4控制各個泵的起、停2*1=2泵運行狀況顯示2*1=24兩個稠油泵10泵的前后的壓力2*2=4控制各個泵的起、停2*1=2泵運行狀況顯示2*1=25兩個換熱器4熱水器前后混合液的溫度2*2=42*1=26一個脫水器2脫水器的液位、溫度27一個事故罐

9、2事故罐的液位、溫度28站區16氣體濃度監測16合計7048466在詳細統計完I/O點數后，還要列些每個點的參數表，參數表中每一個值都必須與現場完全對應。表3-2 數字量I/O點參數表I/O位號變量名稱變量說明I/O類型正常狀態信號類型信號上線信號下線邏輯極性2-1CIQD一號摻水泵的啟動DO1V240正2-2CIZK一號摻水泵運行狀況DI1V240正表3-3 模擬量I/O點參數表I/O位號變量名稱變量說明I/O類型工程單位信號類型量程上限量程下限報警上限報警下限偏差報警正常值1-1SISY一個四相分離器水室的液位AImmA10091151-2SISYK一個四相分離器水室的液位控制信號AOmA

10、100080301050 3硬件系統設備選型3.1集油站安全監控系統PLC選型 在PLC選型中，工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據。PLC及有關設備應是集成的、標準的、按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型。所選用PLC應是在相關工業領域有投運業績、成熟可靠的系統，PLC的系統硬件、軟件配置及功能應與裝置規模和控制要求相適應。熟悉可編程控制器、功能表圖及有關的編程語言，有利于編程時間，因此，過程設計選型時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求。然后根據控制要求，估算輸入輸出點數，所需存儲器容量、確定PLC功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相

11、應的控制系數。綜上所述，我考慮使用Siemens的S7-300PLC。 圖3-1 S7-300PLC3.1.1 S7-300 CPU特點(1)模塊化微型PLC 系統，滿足中、小規模的性能要求(2)各種性能的模塊可以非常好地滿足和適應自動化控制任務(3)簡單實用的分布式結構和多界面網絡能力，使得應用十分靈活(4)方便用戶和簡易的無風扇設計(5)當控制任務增加時，可自由擴展(6)大量的集成功能使它功能非常強勁3.2 S7-300PLC的DO模塊選型根據設計要求，這里選擇8點數字量輸出的西門子322-1BF01-0AA0型號。 3.2.1 322-1BF01-0AA0電氣參數 表3-1 322-1B

12、F01-0AA0的電氣參數從背板總路線消耗電流40mA功耗6.8W數字量輸出點數38電纜長度（屏蔽）1，000m（非屏蔽）600m輸出短路保護有，電子式導致電路中斷的電壓極限L+(-53V)最大燈負載10W輸出電壓：“1”信號最小L+(-0.8V)輸出電流：“1”信號4A輸出總電流（每組）4A通道與背板總線之間有，光電耦合每組通道之間有阻性負載，最大100Hz感性負載，最大0.5Hz燈負載，最大10Hz狀態顯示每個通道有綠色LED前連接器20針尺寸（長X寬X高）40125120凈重190g3.2.2 322-1BF01-0AA0接線圖圖3-2 322-1BF01-0AA0的接線圖3.3 S7-

13、300PLC的DI模塊選型根據設計要求，這里選擇16點數字量輸出的西門子322-1BH01-0AA0型號。3.3.1 322-1BH01-0AA0電氣參數 表3-2 322-1BH01-0AA0的電氣參數從背板總路線消耗電流80mA功耗4.9W數字量輸入點數16電纜長度（屏蔽）1，000m（非屏蔽）600m輸出短路保護有，電子式導致電路中斷的電壓極限L+(-53V)最大燈負載5W輸出電壓：“1”信號最小L+(-0.8V)輸出電流：“1”信號0.5A輸出總電流（每組）4A通道與背板總線之間有，光電耦合每組通道之間有阻性負載，最大100Hz感性負載，最大0.5Hz燈負載，最大10Hz狀態顯示每個通

14、道有綠色LED前連接器20針尺寸（長X寬X高）40125120凈重190g3.3.2 322-1BH01-0AA0接線圖圖3-3 322-1BH01-0AA0的接線圖3.4 S7-300PLC的AO模塊選型根據設計要求，這里選擇8通道模擬量輸出的西門子322-5HF00-0AB0型號。3.4.1 322-5HF00-0AB0電氣參數表3-3 322-5HF00-0AB0的電氣參數技術參數電流損耗從背板總路線消耗電流100mA從負載電壓L+消耗電流（空載）340mA功耗6W模擬量輸出通道8負載電壓L+額定值24V屏蔽電纜長度，最大200m電壓輸出，短路電流保護可以電壓輸出，最大短路電流25mA電

15、流輸出，最大開路電壓18V負載阻抗電壓輸出時，最小1K電流輸出時，最大500輸出量程：電壓10V，010V，15V電流20mA，020 mA，420 mAD/A轉換精度12位轉換時間（每個通道）最大0.8ms建立時間阻性負載0.1ms感性負載3.3ms容性負載0.5ms輸出間的串擾40dB運行極限（整個溫度范圍）電壓輸出0.5%電流輸出0.6%組錯誤顯示紅色指示燈隔離通道與背板之間有通道和負載電壓L+之間有前連接器40針尺寸（長*寬*高）40 x 125 x 120凈重272g 3.4.2 322-5HF00-0AB0接線圖圖3-4 322-5HF00-0AB0的接線圖3.5 S7-300PL

16、C的AI模塊選型根據設計要求，這里選擇8通道模擬量輸入的西門子331-7KF02-0AB0型號。3.5.1 331-7KF02-0AB0電氣參數表3-4 331-7KF02-0AB0的電氣參數額定值24V DC總路線消耗電流100mAL+消耗電流25mA總功耗1W供電電流每通道最大60mA短路保護有模擬量輸入通道8電纜長度（屏蔽）200m；80mV時最長50m電壓80mV,250mV，500mV，1V,2.5V,5V，15V，10V四線電流3.2mA，10mA，20mA，420mA，二線電流420mA，電阻600，300，150熱電耦K,J,N,E,L熱電阻Pt100,Ni100A/D轉換精度

17、16位每通道0.5ms/12.5ms/25ms/100ms干擾抑制頻率400/50/60/10Hz電壓0.6%電流0.6%電阻0.6%溫度1診斷中斷有，每組可設置參數極限值中斷有，可設置參數通道之間無通道與背板總線之間有前連接器20針尺寸（長X寬X高）401251203.5.2 331-7KF02-0AB0接線圖圖3-5 331-7KF02-0AB0的接線圖4 監控系統詳細設計4.1 系統監控方案設計 監控系統采用一臺普通聯系主機，配21寸聯想彩顯，帶有USB電源的A3幅面彩色噴墨打印機。現場所有數字量和模擬量的輸入輸出，都通過西門子S7-300PLC的模塊采集處理并傳回PC機，或者從PC機傳

18、出命令。4.2監控系統輸入輸出原理圖圖4-2 監控系統輸入輸出原理圖4.4 集油站監控系統設備清單 表4-4 集油站監控系統設備清單序號類別名稱型號技術要求數量1計算機部分聯想主機聯想M4350Windows XP/1T/4G1臺21寸彩顯21寸LCD21寸工業平板顯示器1臺彩色打印機惠普A3,彩色噴墨打印機1臺2PLC智能模塊AI模塊西門子331-7KF02-0AB08個模擬量輸入通道6塊AO模塊西門子322-5HF00-0AB08個模擬量輸出通道1塊DI模塊西門子322-1BH01-0AA016個數字量輸入通道1塊DO模塊西門子322-1BF01-0AA08個數字量輸出通道1塊3軟件部分操作系統Windows XPMicrosoft WindowsXP 一套組態軟件Kingview6.51北京亞控“組態王6.51”一套4控制部分PLC西門子S7-300 緊湊型CPU一臺4 總 結這次課程設計根據設計任務書的要求，采用集油站設計的基本理論，對集油站的工藝流程、總平面布置進行了合理的設計，對相關工藝及設備進行