联合站安全监控系统硬件设计七采用板卡PLC方案.docx
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联合站安全监控系统硬件设计七采用板卡PLC方案
第1章绪论
1.1国内外油田集输联合站安全监控的研究现状
1.1.1国外油田集输联合站安全监控的研究现状
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（LedgeAutomaticControlTransmissionSystem简称LACT）装置，解决了原油的自动收集、处理、计量和输送问题。
21世纪以来，随着通信技术的发展，SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）即监控与数据采集系统越来越多的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，这样连接能够实时和不断的获取检测仪表所检测到的运行信息。
SCADA系统主要是面向操作人员的需要，也可以为多用途，提供操作、计算、管理和运营等功能。
国外有些油田SCADA系统实现了注气、注水的优化控制运行。
SCADA能够把远程独立的单个油田作业变成一个具有许多紧密相关的功能的综合加工过程，SCADA已具有为相互联系的处理作业的最优化提供定时获得操作信息的能力。
目前国外油田更是建立了从原油生产、储存、销售全面监控的自动化系统，将自动化系统上升到了现代管理的高度。
1.1.2国内油田集输联合站安全监控的研究现状
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。
但在越来越重视降低投资和解能的今天，人们开始关注原油集输系统的最佳节能控制，即如何把脱出的污水中的含油量降至最少，原油处理精度最高，使操作更为简单，运行更为安全可靠。
自1992年以来，国内已有一些油田将计算机控制系统应用于油田联合站集输系统，但这些计算机控制系统没有很好的解决油田联合站集输系统控制上的问题。
其主要原因是：
油田随着开采时间的延长，采出油中的含水越来越高，而且近年来新井的投产较多，日产量不稳，使各中转站到联合站的来液量波动很大，造成脱水系统压力经常超出工艺允许范围，原来的计算机控制系统大都采用的是单回路给定点的PID控制算法，这种算法适用于原油含水低、来液量少且波动小的情况。
2000年以后，针对延长油田定边采油厂集输联合站工艺流程和安全生产要求，开发了基于智能网络化的联合站安全生产监视监控系统。
该系统采用工业以太网与现场总线技术，构成联合站生产工艺参数与设备状态监控和生产过程实时视频监视系统，实现联合站生产过程安全监视监控和生产事故预警预报。
运行表明，系统大大提高了联合站生产过程自动化、安全生产保障能力与安全管理水平，具有典型的应用示范作用。
与此同时考虑到陕北油田的特点研制了联合站原油计量监控系统，该系统由工控计算机、分布式数据采集控制系统和RS485总线构成，实现联合站原油准确计量，定量稳定外输，工艺过程与生产安全在线实时监控。
之后的研究中又结合延长油田靖边采油厂联合站工艺流程和安全要求，于2007年开发了基于双机冗余的高可靠性联合站监控系统。
该系统采用IPC工控机和S7—300PLC，构成了IPC4-PLC＋Profibus的双机冗余系统。
系统既有双机冗余热机备份，又具有工程师站和操作员站功能，大大提高了联合站监控系统的可靠性和稳定性。
虽然全国各地联合站已不同程度的进行了油气生产自动监控系统的试点工作，但水平参差不齐，也暴露出很多问题，主要表现在现场设备可靠性差，可维护性差，不能承受现场恶劣的工作环境（包括高温、低温、潮湿和沙尘）。
因此在很多情况下，不能对数据进行局部细微的分析，难以让工程师技术人员掌握第一手资料。
从国内油田监控系统的发展过程和今后的发展趋势来看，自动化监控技术将越来越多的应用到油田联合站、油井的监控系统中，而且必将数字化和网络化方向发展。
1.2油田集输联合站安全监控的意义
油田集输联合站的主要作用是接收各转油站来油，对油气水进行收集、存储、分离、净化、加热、脱水、计量，将处理后合格的原油、净化污水、净化天然气向下一级矿场油库或外输站和压气站输送，在此过程中，对含水的原油要进行脱水工艺处理，这样就形成了原油集输的若干个工艺处理过程。
由于原油和天然气是易燃易爆危险物质，而且站内压力容器密布、油气管道纵横、系统运行状况复杂且过程中流程多变，所以有极大的潜在事故危险性。
随着国家政府部门对联合站安全生产越来越重视，联合站集输过程实施自动化监控已经迫在眉睫。
因此，对联合站进行安全监控系统设计，及时准确地对运行设备的参数和状况做出全面监测，不仅使整个联合站的安全运行得到保证，整个石化企业的安全和经济效益也能够得以提升；同时计算机监控系统的使用对消除隐患、预防事故也起到了举足轻重的作用。
安全监控系统引入的意义在于稳定和优化生产工艺，降低劳动者生产强度，提高设备运行的安全性和可靠性；同时可以有效的预防事故发生，减少财产损失和人员伤亡，这样有助于提高联合站的安全管理水平，从而在最大程度上获得经济效益和社会效益。
1.3原油联合站简介
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油气集输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、阴极保护等小的工艺流程。
1.3.1油气集输系统
原油集输过程中的设备一般由翻斗计量分离器、管道、阀门、三相分离器、换热器、沉降罐、净化油罐等组成。
从各个单井或是汽车输送过来的油（液）首先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，油（液）从分离器一端进入，然后天然气从另一端上部流出进入除油器进行天然气外输，而油水混合的液体从下部流出进入换热器；从换热器出来的油水混合液体输入沉降罐，沉降罐分离出大部分的原油，而将水输到污水区，进行污水处理。
经过沉降罐的二次油水分离后，原油已经几乎不含水了。
在这之后基本上不含水的原油进入净化油罐，等待外输。
进入净化油罐的原油，由装车泵加温加压后，由汽车外运。
工艺流程图如下：
图1-1油气集输系统工艺流程
1.3.2污水处理系统
油田污水主要指含油污水，油田污水经处理后回注地层，4此时要对水中的悬浮固体、分散油及浮油、胶体和乳化油的含量等多项指标进行严格监控，防止其对地层产生破坏。
联合站通常采用把物理除油、混凝除油和过滤这3种方法，分别除去悬浮固体、乳化油和胶体、分散油及浮油。
在我国一些干旱地区，水资源严重缺乏，把经过污水处理后的水重新注入地层，这样就能够合理有效利用净化水，对水资源紧缺干旱地区具有很好的缓解作用。
污水处理流程图：
图1-2污水处理流程
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。
1.4初步分析
1、液位、温度、压力、气体浓度监测以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。
2、各个泵运行状况显示是对应数字量输入信号。
3、控制分离器上油室、水室的液位恒定可以采用PLC来控制，控制原理是：
油室、水室的当前液位信号接入PLC控制器，与控制器内的人工给定值进行对比，输出4-20mA的控制信号到变频器，变频器对50HZ交流电进行变频，输出对应于4-20mA的0-50HZ交流电对泵上的驱动电机进行变频调速，通过调节泵的转速或者流量来控制油室、水室的液位恒定。
4、控制各个泵的起、停对应数字量输出信号。
1.5系统I/O点数统计
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点数如表所示：
表1.2模拟量I/O点参数表举例
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
两个沉降罐
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
控制泵的启停
2*1=2
泵运行状况显示
2*1=2
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
合计
48
32
4
6
6
表1.1某油田集油站监控系统I/O变量表
在统计完I/O点后还要统计参数点，并且每个参数点的设置要与现场一一对应。
I/O位号
变量
名称
变量
说明
I/0类型
工程单位
信号类型
量程上线
量程下线
报警上线
报警下线
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
一号三相分离器水室液位的控制信号
AO
℃
mA
100
0
80
30
10
50
在详细统计完I/O点数后还要列出每个点的参数表，下表列出了三相分离器的参数：
：
表1.3数字量I/O点参数表
I/O号位
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
加药泵的启动
DO
I
V
24
0
正
2-2
CIZK
加药泵的运行状况
DI
I
V
24
0
正
第2章系统总体方案设计
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。
2.1初步分析
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
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、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。
过经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。
根据以上分析，确定联合站安全监控的总流程图如下：
图2-1联合站安全监控总流程图
第3章系统监控设备选型与介绍
3.1板卡的类型与功能
3.1.1板卡PCI-1721
板卡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：
图3-1PCI-1721
·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
3.1.2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，或组合输入方式图3-2板卡PCI-1713
·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
3.1.3板卡PCI-1755
板卡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：
图3-3板卡PCI-1755
·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
第4章监控系统详细设计
4.1总体方案图
图4-1总体方案设计图
4.2完整系统说明
4.2.1模拟量输入/输出模块
模拟量输入输出共36路，其中模拟量输出32路，输入4路
4.2.2数字量输入/输出模块
数字量输入输出模块各六块，分别由研华PCI-1751，PCI-1755控制。
4.2.3某油田联合站监控系统硬件设备清单
表4.1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
工控主机
研华IPC610
PIVI.8/521MDRAM、40G/1.4M/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
控制器板卡部分
DI板卡
研华PCI-1751
48位PCI总线数字量输入/输出卡
DO板卡
研华PCI-1755
32通道数字量输入/输出板卡
1块
第5章结论
本次课程设计主要完成某联合站安全监控系统硬件设计。
使我们能够进一步用已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。
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进行数据采集，以及利用控制阀进行远程控制。
通过这次课程设计，我学会了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。
同时要熟悉了相关计算机监控系统的硬件组成与方案，提高了我初步设计小型计算机安全监控系统硬件方案的能力。
需要注意模块的选择至关重要，只有合理地选择正确的模块和PLC，才能更好地实现集油站的安全监控，使得监控效果最好，及时地发现安全隐患并予以消除。
在此感谢徐老师和同学们对我的指导和帮助。
参考文献
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