毕业设计(论文)-基于DeviceNet现场总线的联合站油水分离系统设计.doc
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1、哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文)摘要联合站油水分离过程是将高含水原油处理成合格产品的重要过程。从控制理论的角度看,此过程具有多变量、干扰因素复杂、非线性、大滞后、压力和界面强耦合的特点。在本文中,利用DeviceNet现场总线技术对联合站油水分离问题加以解决,建立了联合站油水分离过程的动态模型,并对模型进行了简化处理,研究了输入量与输出量之间的关系以及对干扰的响应,并将其应用于DeviceNet现场总线构建的系统中。通过前期构建DeviceNet现场总线网络,熟悉DeviceNet设备连接配置、网络组态,后期使用RSLogix 500编程,RSView制作监控界面,使联合站对象能够满足基本P
2、ID控制要求,而且能够在人机界面上反映出联合站对象的运作情况。通过数学模型的建立和基于DeviceNet现场总线的系统的构建,从一定意义上解决了联合站油水分离过程中的多变量控制问题。关键词联合站 油水分离 DeviceNet现场总线技术 多变量控制 AbstractThe oil-water separation process in oil station is an important process to change highly moisture content crude into qualified products. Viewed from the angle of contr
3、ol theory, this process has many characteristics like variables, factors that interfere with complex, nonlinear, time delay, and the strong coupling of pressure and interface. In this paper, oil-water separation in oil station is solved by the using of DeviceNet fieldbus technology, the dynamic mode
4、l of the oil-water separation in oil station is established and simplified, the relationship between the input and output as well as the response to the disturbance are discussed, and all above are adopted in the system constructed by the DeviceNet fieldbus technology. Through the early constructing
5、 of the DeviceNet fieldbus network DeviceNet equipment configuration and network configuration are well known, then RSLogix 500 are used to edit the programme , and RSView is used to construct the control interface, so that the target of the oil station can meet the basic need of PID control, and th
6、e operating conditions of the target of the oil station can be reflected on the man-machine interface.The multi-variable control in the oil-water separation process is to some degree solved through the establishment of the mathematical model and the based on the DeviceNet Fieldbus.Keywords oil stati
7、on oil-water separation DeviceNet fieldbus technology onstruction of the system不要删除行尾的分节符,此行不会被打印- II -哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文)目 录摘要IAbstractII第1章 绪论51.1 联合站油水分离控制系统国内外现状及发展趋势51.1.1 联合站油水分离系统自动控制的意义51.1.2 国内、外现状及发展趋势51.2 联合站油水分离系统面临的问题71.3 系统的主要特点91.3.1 系统的可靠性91.3.2 系统的灵活性101.3.3 高度自动化101.4 本次毕业设计的意义及需要解决的
8、问题101.5 论文内容编排11第2章 控制系统基础理论122.1 现场总线122.1.1 现场总线概念122.1.2 现场总线的结构132.1.3 现场总线的特点与优点142.2 DeviceNet现场总线152.2.1 DeviceNet现场总线介绍152.2.2 Rockwell三层网络结构162.2.3 DeviceNet现场总线特点172.3 系统控制方案比较192.3.1 联合站油水分离控制系统工艺192.3.2 系统控制方案192.3.3 模糊控制策略202.3.4 多变量控制策略232.4 本章小结26第3章 控制系统总体方案设计273.1 系统硬件设计273.1.1 连接线路
9、273.1.2 网络节点及传输设置283.1.3 系统硬件设计293.2 系统软件开发平台323.2.1 RSLinx323.2.2 RSView32333.2.3 RSLogix 500333.3 软件通讯配置343.3.1 RSNetWorx For DeviceNet对网络组态343.3.2 RSLinx通讯设置363.3.3 RSLogix500通讯配置383.3.4 RSView32通讯配置393.3.5 DDE通信设置403.4 生产流程软件的设计413.4.1 建立引用标记413.4.2 建立图形423.4.3 趋势图443.4.4 工艺流程图463.5 故障处理483.6 本章
10、小结49第4章 系统调试504.1 系统的调试504.2 本章小结51结论52致谢53参考文献54千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”,然后“更新整个目录”。打印前,不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文)双击上一行的“1”“2”试试,J(本行不会被打印,请自行删除)第1章 绪论1.1 联合站油水分离控制系统国内外现状及发展趋势1.1.1 联合站油水分离系统自动控制的意义联合站油水分离主要通过游离水脱水、沉降脱水、电脱水三个阶段,每个阶段的放水含油和出油含水要求要达到规定的指标,从而实现污水回注和成品油平稳外
11、输目的。油水分离过程同时要经过加温、加压、加药等工序。目前,油田原油生产已进入高含水期,联合站的任务变得更加繁重。较之以前,联合站的工作效率,生产质量,能源消耗,都变得重要起来。联合站油水分离过程是多入多出系统,且变量间耦合严重,干扰因素多且作用频繁,系统可控性差。选择适合此过程特点的最优控制策略,开发出一套完善的联合站油水分离过程在线监测与控制系统,故障诊断报警系统具有重大的现实意义。完善的控制系统能大幅度地节省人力及提高设备利用率。控制系统使用后应使各阶段出油含水率降低,做到平稳外输:并且水中含油量减少,使收油泵起停次数降低,每次运行时间减少,延长泵的使用寿命。出水含油率的降低又可大大降低
12、二次分离的消耗。51.1.2 国内、外现状及发展趋势目前,在国内各种规模的联合站中油水分离控制过程大多数还采用手动或半自动控制防水。即一次仪表加手操器方式或根据经验来控制手动阀门的开启度。在这个环节上自动化程度很低,急待解决。而在发达国家同类设备中,已基本上实现了全自动控制,即脱水、加药、污水处理、平稳外输过程的全自动调节及控制。在这方面,我国处于落后状态的主要原因是传感器及调节仪表的性能质量均达不到要求,现场及操作人员素质欠缺,过去开发的一类型的自动控制系统无法使用等。近年来,随着各类先进控制产品的引入及操作人员素质的不断提高,采用先进的全自动控制系统来控制脱水过程已经实现,并在不断推广。就
13、我国而言,联合站自动放水经历了三个主要阶段:第一阶段:属于探索阶段,期间各种方式混杂,各种方式在部分领域取得一定发展,由于元件、控制理论的局限,就其根本而言(即保证外输油含水率)是失败的。第二阶段:由于计算机技术的发展,以其独立开发的计算机系统或兼容机控制系统为核心,这类系统一般预先设置油中含水率和系统压力等控制参数,通过实时优化软件,根据控制参数的变化、每隔3秒随时调节放水阀及界面,含水率在规定的范围内变化,已基本实现自动控制,但还存在以下不足:根据经验数据控制分离过程,调试阶段工作复杂,投产使用一段时间后,某些外部关键参数可能变化,这将影响控制的可靠性与稳定性,使放水及输出油指标降低甚至不
14、合格。由于一次仪表、特别是点位式界面仪的局限性,必然使只有部分数据取自现场仪表,油水界面、油中含水和水中含油指标显示数据非实际值而是计算值。这样,对于含油率较稳定的站而言是失败的。第三阶段:工控机场地总线、集散控制系统阶段。通过设备网(DeviceNet)采集现场一次仪表参数和控制相关执行机构,通过控制网(ControINet)实现本站系统状态的监测与控制,通过信息网(EtherNet)实现与整个计算机管理信息系统的互连。油水界面和出油含水检测采用射频导纳连续液位变送器。这种控制方式,是油水分离智能控制发展的必然趋势,他具有低成本、高可靠性、可扩展性等优点。1983年,Honeywell推出了
15、智能化仪表,它在原模拟仪表的基础上增加了计算功能的微处理器芯片,在输出的420mA直流信号上迭加了数字信号,使现场与控制室之间的连接模拟信号变为数字信号。之后,世界上各大公司推出了各种智能仪表。智能仪表的出现为现场总线的诞生奠定了基础。 智能仪表的出现为现场信号的数字化提供了条件,但不同厂商提供的设备通信标准不统一,束缚了底层网络的发展。现场总线要求不同的厂商遵从相同的制造标准,组成开放的互连网络是现场总线的发展趋势。现场总线网、智能化设备仪表的发展,不可避免地影响着DCS的体系结构,现在可以看到的一个明显的趋势是DCS的进一步分散化。传统的DCS,在I/O控制站这一层仍然是一个集中式的结构,
16、有些系统出于成本或其它方面的考虑,将I/O控制站的规模做得很大。这种考虑包括:高性能CPU的价格己降得很低,为了充分发挥CPU的能力,可以将一个I/O控制站的点数、回路数扩充,以降低成本。但是这种设计提高了危险性的集中度,如果为了提高可靠性增加冗余措施,系统成本仍然会上升,因此并不是一个理想的解决方案。从当前的发展趋势看,利用现场总线网和智能化设备、智能化仪表,加上通用的工控机完全可以组成一个小型的DCS,这就对传统的DCS提出了挑战,因为基于现场总线网的DCS具有很多优越性,无论从系统的成本上、可靠性上,安装使用、维护的方便性及可扩充性上都有很大的优势。传统的DCS只有在I/O控制站这一层进
17、一步分散化,采用现场总线网技术,形成以现场总线网基础的、以智能I/O模块构成的分布式控制站。也就是说,将过去DCS中集中式的I/O控制站变成分布式的控制站,在传统DCS网络的下一层再引入一层现场网络,基本控制单元深入到了设备控制这一级,形成设备级网络、控制级网络和管理级网络这样三层网络结构,以此来满足不断提高的应用需求。71.2 联合站油水分离系统面临的问题在联合站集输流程中主要分为油、气、水三个系统,油系统主要指的是游离水、电脱水、输油等几个岗位;气系统在联合站只进行计量,不进行控制,水系统包括污水、污水处理、注水等岗位。油系统的工程流程是全密闭的,水系统中存在许多缓冲罐且都是常压的,因此,
18、一般只在油系统中存在各控制参数的耦合关系。游离水岗主要控制参数有:沉降罐液位、沉降罐压力、沉降出油量、沉降放水量、沉降罐出油含水。电脱水岗主要控制参数有:脱水器界面、脱水器压力、脱水器油量、脱水器放水量、外输油含水。主要干扰因素是来液量的变化和来液含水率的变化。其中 控制输出:游离水脱除器油出口含水率、放水含油率、系统压力;沉降脱除器油出口含水率、 放水含油率、放水含油率、系统压力;电脱水器油出口含水率、放水含油率、系统压力。操纵输入:游离水脱除器放水量、油出口流量;电脱水器放水量、油出口流量。干扰输入:中转站来液量、来液含水率。(1)保持游离水脱除器界面平稳对游离水脱除器来说,脱除器界面是一
19、个重要参数,因为其界面的波动将直接影响到油水分离的效果,为此在每个脱除器上都装有界面子控制系统。当界面由于某种干扰(如来液含水)而变化时,界面控制子系统就通过改变脱除器放水量和油出口流量来维持界面平稳。但是来液含水的改变直接影响的是油出口流量,进而影响系统压力。而游离水脱除器出油量的波动对电脱除出油量的波动对电脱水器来说是一个进液扰动,使电脱水器的界面平稳受到破坏,甚至出现生产事故。(2)保持游离水脱除器系统压力平稳对游离水脱除器来说,其系统压力也是一个重要参数,因为若出现高压时处理不及时,很可能造成安全阀跑油等严重事故,压力过低越出限值时,影响电脱水系统操作,严重时电场波动,造成事故。为此在
20、每个脱除器出油汇管上都装有压力控制子系统。当压力由于某种干扰而变化时,压力控制控制系统就通过改变脱除器油出口流量来维持压力平稳。但是出油量和放水量改变将影响到游离水脱除器的界面,而影响到沉降效果。(3)保持电脱水器界面平稳对电脱水器来说,从自身平稳操作来说,应保持界面稳定,为此应设置脱水器界面控制子系统,当界面由于某种干扰(如来液量)而变化时,界面控制控制子就通过改变脱水器放水量和油出口流量来维持界面平稳。但是油出口流量的变化将引起脱水器汇管的压力的波动。(4)保持电脱水器系统压力平稳作为电脱水器,其系统压力是一个重要的参数,为保持系统压力平稳,在每个脱水器出油汇管上都装有压力控制子系统。当压
21、力由于某种干扰而变化时,压力控制子系统就通过改变脱水器油出口流量来维持压力平稳。但是油出口流量改变将影响到电脱水器界面的平稳。(5)好油缓冲罐液位与平稳输油之间存在耦合关系作为好油缓冲罐,其液位是最重要的控制参数,而平稳输油是集输管理所要求的重要指标。对于好油缓冲罐来说,当液位由于某种干扰(如来油量变化)而变化时,变频器或出口汇管调节阀就通过改变输油泵排量来保持液位的稳定。而排量的改变将影响到平稳输油,因此,好油缓冲罐液位与平稳输油之间存在耦合关系。为使各参数间达到最佳耦合关系,一般要根据不同联合站的实际情况建立不同的数字模型随机、调节、均衡模型,通过系统组态实现整个系统的最佳控制。1.3 系
22、统的主要特点该课题所使用的控制系统采用了美国AB公司生产的可编程控制器输入/输出单元FLEX I/0构成,各站由DeviceNet现场总线(设备网络)同主控制站连接在一起,上位各管理监控工作站通过DH485网与设备网相连。每台FLEX I/0工作站连接传感器和执行机构,直接进行脱水工艺控制并同管理监控计算机工作站进行数据交换。构成了即独立又互相关联的控制系统。生产现场各站即可脱离管理监控计算机独立工作,又可以由管理监控计算机进行操作。这样既发挥了管理监控计算机的强大功能和FLEX I/0的高可靠性,又避免了计算机控制方案中计算机系统易破坏或瘫痪使系统无法运行的弊端。管理监控计算机通过美国ROC
23、KWELL的专业组态软件与每个站(数据采集工作和监视控制工作站)进行数据交换,主要功能如下:(1)显示现场参数、画面,包括进出口压力、温度、油水界面、油含水率、进出口阀开度、设备工作状态等。(2)直接通过动画画面直观控制有关参数。如设定油水界面、手动/自动、手控阀门开度、出口压力设定等。(3)显示现场参数的趋势图,以利于观察和分析。包括进口压力、出口压力、油温、油水界面、油含水率的变化趋势。(4)进行数据记录,按现场要求自动生成打印报表,并定时自动打印和存储。(5)故障报警:现场设备出现故障时进行报警,如传感器断线、损坏等;参数超过工艺要求时报警,如超压、含水过高等。1.3.1 系统的可靠性在
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