油田原油联合站分布式监控系统的硬件设计.docx

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油田原油联合站分布式监控系统的硬件设计

目录

第一章绪论1

1.1计算机监控系统的介绍1

1.2计算机监控系统的主要特点与原则2

1.2.1主要特点2

1.2.2设计原则2

第二章某油田原油联合站分布式监控系统的硬件设计3

2.1原油联合站的简介3

2.2联合站的工艺流程与主要技术指标4

第三章系统监控设备选型与介绍7

3.1板卡的类型与功能7

3.2初步分析10

参考文献12

附录13

第一章绪论

随着油田开发进入高含水后期，联合站工艺过程更加复杂，采用人工监控和常规仪表监控已很难满足生产要求。

联合站是油田原油集输生产中最重要的生产工艺过程，它是集油水分离、污水处理、原油及天然气集输等多个工艺系统为一体的综合性生产过程，主要包括输油脱水、污水处理、注水、锅炉和配电等生产岗位或工艺环节。

联合站输油脱水岗是进行原油沉降脱水、实现油水分离和净化油外输的生产过程，是联合站生产的中心环节，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后期，工艺过程更加复杂，对工艺过程提出了更高的要求，采用人工监测控制和常规仪表控制已很难满足生产要求。

上世纪九十年代，计算机控制开始应用于联合站生产过程，并取得了一定的应用效果。

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主要研究的方面。

1.1计算机监控系统的介绍

计算机监控技术时一门综合性的技术。

他是计算机及技术（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、自动检测技术和传感技术的综合应用。

任何一个计算机监控系统的设计与开发基本上由六阶段组成的。

既：

可行性研究、初步设计、详细设计、系统设施、系统测试和系统运行。

当然，这六个阶段并不是完全按照直线顺序进行的。

在任何一个阶段出现了问题都可以返回到前面的阶段进行修改。

所谓计算机监控就是利用传感器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）转换为电量，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，从而时操作人员能够直观而迅速的了解被监控对象的变化过程。

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，降低生产成本。

还可以降低劳动这的强度，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以在各个领域都有所发展。

计算机监控系统可以由一下几个部分组成：

计算机（含可视话的人机界面）、输入输出装置（板卡），监测、变松机构。

设计原则有可靠性原则、使用方便原则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。

图1-1就是一个典型的计算机测控系统组成原理图。

图1-1计算机监控系统结构图

1.2计算机监控系统的主要特点与原则

1.2.1主要特点

（1）实时性。

对工业生产过程进行实时在线检测与控制，按优先级进行采集和输出调节，保证被控系统的正常运行。

（2）可靠性。

具有在较为恶劣的工业现场长期工作的能力，并具有良好的故障诊断和维护性。

（3）较强的输入/输出能力。

可与工业现场的检测仪表和控制装置相连接，完成各种测量控制任务。

（4）应用软件丰富。

目前大多数计算机监控系统以WINDOWS做工作平台，系统软件、应用软件丰富，可提供良好的人机界面，特别是组态软件更为用户提供了方便。

1.2.2设计原则

可靠性原则、使用方便原则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。

第二章某油田原油联合站分布式监控系统的硬件设计

2.1原油联合站的简介

该原油联合站将各个采油队输送过来的原油进行油气水分离、油水分离、原油存储、原油加热及外输、污水处理等，实现对来油气、出油气的计算、盘库。

该原油联合站内主要分成原油处理和污水处理两大工艺流程，另外还包括消防、天然气密闭、大罐抽气、阴极保护等小等小的工艺流程。

工艺流程图如下：

图2-1联合站工艺流程

整个联合站的工艺流框图如下：

图2-2联合站的工艺流框图

2.2联合站的工艺流程与主要技术指标

（1）分离器流程。

从各个采油队输送过来的原油首先通过计量器计量后又进入联合站的油气水三相分离器，在这里实现气体和液体的分离。

原油从分离器一端进入，然后天然气从另一端上部流出进行天然气外输，而油水混合的液体从下部流出进入一次沉降罐。

（2）油罐区流程。

油罐区的储罐主要的任务是进行油水分离，由一次沉降罐、二次沉降罐、净化油罐组成，分离器将油水混合液体输入一次沉降罐，一次沉降罐分离出大部分的原油，并把部分天然气再行收集，而将水输到污水区，进行污水处理。

经过一次沉降罐的原油流入二次沉降罐继续进行油水分离，这之后的原油已经含水很少了，然后原油进入加热炉加热和脱水器脱水。

经过加热和脱水后的原油进入净化油罐，等待外输。

（3）加热炉流程。

从油罐区二次沉降罐输送过来的原油在这里经过加热，以利于原油的输送，然后送到脱水器脱水。

（4）原油外输流程。

经过加热和脱水处理的原油含水已经很少，通过原油外输泵将原油输送出联合站。

污水处理工艺流程。

在这一流程里，从一次沉降罐过来的污水首先进入缓冲罐，将含有的残留天然气进行收集，然后经过加药泵进行加药处理，再进入过滤罐过滤，最后将经过处理的污水输出

根据联合站的工艺流程和各个设备的工作原理，整个监控系统需要处理：

（1）控制三相分离器上油室、水室的液位恒定。

（2）监测三相分离器上油室、水室的液位、温度、压力及报警、

（3）监测俩个沉降罐的油室、水室的液位、温度、压力及报警。

（4）监测脱水泵、脱水器、加药泵、污水外输泵、外输泵各自前后的压力，控制各个泵的起、停，显示其运行状况及报警。

（5）监测净化油罐、污水缓冲罐，过滤罐、加热炉的温度及液位及报警。

（6）监测遍布整个战区的气体浓度及报警。

在详细统计完I/O点数后还要列出每个点的参数表，表2-1列出了三相分离器的参数列表。

表2-1三相分离器的模拟量I/O点参数表

I/O位号

变量

名称

变量

说明

I/O类型

工程

单位

信号

类型

量程

上限

量程

下限

报警上限

报警

下限

偏差报警

正

常

值

1-1

SISY

一个三相分离器水室的液位

AI

m

mA

10

0

9

1

1

5

1-2

SISYK

一个三相分离器水室的液位控制信号

AO

℃

MA

100

0

80

30

10

50

表2-2数字量I/O点参数表

I/O位

号

变量

名称

变量

说明

I/O类

型

正常

状态

信号类型

信号上线

信号

下线

逻辑

极性

2-1

CIQD

加药泵的起动

DO

1

V

24

0

正

2-2

CIZK

加药泵的运行状况

DI

1

V

24

0

正

根据联合站的流程图，先要列出统计出系统的I/O点数，系统的I/O点数如表2-3所示.

表2-3某油田联合站监控系统I/O变量表

序号

设备名称

总点数

控制要求

AI

AO

DI

DO

1

一个三相分离器

16

水室的液位、温度、压力

2*3=6

油室的液位温度压力

2*3=6

油室、水室液位恒定控制

2*2=4

2

2个沉降罐

4

罐的液位、温度

2*2=4

3

一个脱水泵

2

脱水泵的液位、温度

2*1=2

4

一个脱水器

2

脱水器的液位、温度

2*1=2

5

一个加热炉

2

加热炉前后的温度

2*1=2

6

一个净化油罐

2

净化油罐的液位、温度

2*1=2

7

一个外输泵

6

泵的前后压力

2*1=2

控制泵的起停

2*1=2

泵运行状况显示

2*1=2

8

一个加药泵

6

泵的前后压力

2*1=2

控制泵的启停

2*1=2

泵运行状况显示

2*1=2

9

一个过滤罐

2

罐的液位、温度

2*1=2

10

一个污水外输泵

6

泵的前后压力

2*1=2

控制各个泵的启、停

2*1=2

泵运行状况显示

2*1=2

11

合计

48

32

4

6

6

第三章系统监控设备选型与介绍

3.1板卡的类型与功能

·板卡PCI-1721

PCI-1721是一款高性能PCI总线模拟量输出卡,每个模拟量输出通道都带有一个12位的双缓冲DAC.此输出卡具有许多强大的独特功能,比如最大更新速率为10MHz的波形输出功能,自动校准功能和板卡ID等。

PCI-1721是要求连续高速模拟量输出或实时波形输出应用的理想选择

主要功能与技术指标：

·4路增强模拟量输出卡

·5MHz最大数字更新速率

·PCI总线数据传输

·自动校准功能

·每个模拟量输出通道带一个12位DAC

·带内部/外部触发的实时波形输出功能

·同步输出功能

·灵活的输入类型和范围设定

·板卡PCI-1713

PCI-1713是一款PCI总线的隔离高速模拟量输入卡，它提供了32个模拟量输入通道，采样频率可达100KS/S，12位分辨率及2500YDC的支流隔离保护。

主要功能与技术指标

·2500VDC隔离保护

·32路单端或16路差分模拟量输入或组合输入方式

·12位A/D转换分辨率

·A/D转换器的采样速率可达100KS/S

·给个输入端的增益可编程

·卡上4K采样FIFO缓冲器

·支持软件、内部定时器触发或外部触发

·板卡PCI-1755

PCI-1755是高速32通道数字量输入输出板卡，在计算机监控系统中有广泛的运用。

主要功能与技术指标：

·总线控制DMA数据传输，支持satter/gather技术

·32/16/8位模式I/O处理，带启/停触发功能，

2个模式握手I/O中断处理能力

·板载主动终端电阻，高速和远程传输

·支持模式匹配和状态改变检测中断功能

·通用8通道数字量I/O

·西门子SIMATICS7-200

主要特点：

·S7-200系列的产品体积小、重量轻、I/O点配置灵活；

·S7-200系列为微型PLC，其典型尺寸为中央处理单元（CPU）：

196mm*80mm*62mm,重量不超过200g；

·适用于分布式数据采集和控制系统。

·西门子SIMATICS7-400

主要特征：

·S7-400采用了高速、高性能的CPU，最快的二进制指令处理时间可达0.08us；

·程序和数据存储器：

2MB（可扩充至10MB）;

DI/DO：

128K;

·通信接口：

MPI/PROFIBUS/.

·西门子可编程SIEMENSS7-200系列模块

主要特征：

·西门子S7-EM221，8点数字量输入模块;

·西门子S7-EM222，8点继电器输出模块.

·研华ADAM-4520-信号转换器

主要特征：

·RS-232到RS-485转换器;

·I/O通道：

每位均可通过DIP开关来选择输入输出;

·数字量输入：

支持干/湿接点;

·数字量输出：

集电极开路到30V，100mA及450mW最大负载.

表3-1某油田联合站监控系统硬件设备清单

序号

类别

名称

型号

技术要求

数量

1

计算机部分

工控机主机

研华IPC610

PIV1.8G/512MDRAM/40G/50X

1台

21寸彩显

21寸CRT

21寸飞利浦彩显

1台

UPS电源

山特3KVA

3KVA0.5小时

1台

彩色打印机

惠普

A3，彩色喷墨打印机

1台

2

软件部分

操作系统

Windows2000NT

MicosoftWindows2000NT

1套

组态软件

Kingview6.51

北京亚控“组态王6.51”

1套

3

控制器

控制器板卡部分

研华PCI-1721

12位4路增强模拟量输出卡

1块

研华PCI-1713

32路单端或16路差分模拟量输入或组合输入方式

1块

研华PCI-175

32通道数字量输入输出板卡

1块

可编程控制器PLC

SIMATICS7-200

数字量输入/输出模块---EM223,

1块

SIMATICS7-200

模拟量输入/输出模块---EM232

2块

SIMATICS7-400

模拟量输入模块：

6ES7431-7QH00-0AB0

2块

4

控制柜

小型操作台

西仪横河

西仪横河计算机专用操作平台

1台

仪表盘柜

KG-221型

仪表控制柜，2100×900×600（高×宽×深），配套接线端子，端子排，汇线槽及内部接线

1台

根据联合站的各个工艺流程，可以看到现场测量类型主要有压力、温度、液位、界位、电量等，所以需要相应的测量仪表进行数据采集，以及利用控制阀进行远程控制。

3.2初步分析

液位、温度、压力、气体浓度监测及各个泵运行状况显示。

其中液位、温度、压力、气体浓度等信号经过相应的变送气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。

各个泵运行状况对应数字量输入信号。

控制分离器上油室、水室的液位恒定可以采用板卡、PLC仪表来控制。

控制原理：

图3-1控制原理图

参考文献

[1]．徐竟天，汪跃龙.《石油安全工程》课程设计指导书.西安石油大学

[2]．何小阳．《计算机监控原理及技术》．重庆：

重庆大学出版社，2007.

[3]．陈露晨.计算机通信接口技术[M].成都：

电子科技大学出版社，1999.

[4]．马国华.监控组态软件及其应用[M].北京：

清华大学出版社，2001.

[5]．于英民，莫玮，于佳.计算机接口技术[M].北京：

电子工业出版社.

附录

计算机监测控制是从上世纪七十年代迅速发展起来的一种功能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。

相对于常规仪表控制，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。

根据联合站的各个工艺流程，可以看到现场测量类型主要有压力、温度、液位、界位、电量等，所以需要相应的测量仪表进行数据采集，以及利用控制阀进行远程控制。

本次课程设计主要完成某联合站安全监控系统硬件设计。

进一步使所学生能够运用以学过的安全工程设计理论和方法进行油气设施监控系统的初步设计；进一步了解石油工程安全设计的基本原理，了解石油安全工程设计的步骤和方法；培养计算机绘图能力。

运用已学过各类传感器、输入输出模块、工控计算机、现场总线等的知识，完成监控系统硬件方案、设备选型、设备接线等各功能的设计。

同时要进一步熟悉相关计算机监控系统的硬件组成与方案，培养学生初步设计小型计算机安全监控系统硬件方案的能力。

在设计过程中要熟悉联合站工艺流程，监控目标及要求，常用的监控系统硬件即各类板卡、PLC参数，了解其工作原理。

联合站安全监控系统硬件设计（采用板卡，PLC方案）