油田联合站安全监控系统研究文档格式.docx
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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-PAC9000SCADA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:
①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。
②胜利油田:
于2003年初确定了“数字胜利油田”规划。
③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(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。
到1967年底,美国陆地石油公司已有75%的原油采用LACT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IatanEastHoward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(DistributeControlSystem,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HONEYWELL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(SupervisoryControlAndDataAcquisition)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:
①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。
②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
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:
①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。
②系统在所要求的时间内完成规定的任务的能力。
③实时是与分时相对应的。
(2)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(meantimebetweenfailures)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。
(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:
①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。
②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,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:
①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。
②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。
③采用冗余工作方式:
可以采用多种冗余方式,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。
④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:
①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。
②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。
③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。
④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
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:
①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。
②熟悉工艺流程,并用图形和文字的方式对其进行描述。
③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。
④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
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