基于紫金桥组态软件的联合站监控系统设计

1、摘 要联合站是油田油气集输过程中的重要生产环节，其主要作用是接收各转油站来油，对油气水进行分离、净化、加热，将处理合格后的原油、净化污水、净化天然气向下一级油库输送。联合站的监控系统研究具有重大的现实意义和应用前景。本论文介绍了输油联合站的工艺流程，包括输油流程，沉降流程和脱水流程。对输油联合站各工艺流程进行工业组态,设计了储油罐液位和温度监控系统。经过仿真实验，证明该系统完全达到设计要求，可对联合站生产过程中的重要参数液位和温度进行实时监控，使油罐处于安全状态。对PID控制过程进行了组态和仿真，再现了联合站储罐液位的自动调节过程。关键词：联合站；组态；PID控制 AbstractUnion

2、station is an important production process of oil and gas gathering and transportation, and its main role is to receive all oil from transfer stations, then separate, purify and heat the oil, gas, and water, transfer the qualified oil that has been processed to the depot of next order. The research

3、of union station has great significance and application prospects.The production process of union station, including oil transportation process, sedimentation process and dehydration process are introduced in this thesis. The industrial configuration to each industrial process and monitoring system

4、of the tank liquid level and temperature are designed all by myself. After the simulation, it is proved that the system could monitor the important parameter of liquid level and temperature at the real time to make sure the productions safety as the desired target. By doing the configuration and sim

5、ulation of the PID control process, the process of the automatic control could be reproduced.Key words: union station; configuration; PID control目 录第1章 概述11.1 研究背景意义11.2 国内外发展概况21.3 论文研究内容31.4 论文的安排4第2章 输油联合站工艺组态52.1 组态的意义与方法52.2 输油联合站基本工艺62.3 输油联合站沉降工艺92.4 输油联合站脱水工艺11本章小结12第3章 联合站相关参数监控133.1联合站液位参数

6、及监控方法133.2 温度参数以及监控方法173.3 数据监控组态18本章小结19第4章 油罐液位的PID控制204.1立罐油量检测系统设计方案204.2 PID控制原理214.3 PID控制流程224.4 PID控制组态24本章小结27结论28参考文献29致谢30东北石油大学本科生毕业设计第1章 概述1.1 研究背景意义联合站是油田油气集输过程中的重要生产环节，是集油气分离、原油脱水、原油计量、稳定外输、油田注水、污水处理、消防即热力系统等为一体的综合生产过程。功能是：将分散在油田各处的油井产物加以收集；分离成原油、伴生天然气和采出水；进行必要的净化、加工处理、使之成为油田商品、以及这些商品

7、的储存和外输。同时油气集输系统还为油藏工程提供油藏动态的基础信息，如：各油井汽水产量、汽油比、气液比、井油压和回压、井流温度等参数及随生产延续各种参数的变化情况等，使油藏工作者能加深对油藏的认识，适时调整油田开发设计和各油井的生产制度。因而油气集输系统不但将油井生产的原料集中、加工成油田产品，而且还为不断加深对油藏的认识、适时调整油藏开发设计方案、正确经济地开发油藏提供科学依据。联合站设计是油气集输工艺设计的重要组成部分，对它的要求是使其最大限度的满足油田开发和油气开采的要求，做到技术先进、经济合理，生产安全可靠，保证为国家生产符合数量和质量的油田产品。所以联合站工艺流程的每一步都关系到是否能

8、有效的利用石油资源、提高能源的开发率和利用率，使联合站能够安全高效的运行。联合站的研究具有重大的现实意义和应用前景。油田中转站储运系统的油品移动量为加工量的五倍，油库的收付油业务量也很大。可见罐区油品的进出、收付是非常频繁的，由此引发的事故也较多，特别是油罐的油品溢出事故更为屡见不鲜。油品的溢出不仅造成经济损失，污染环境，而且还可能引发失火、爆炸等恶性事故，因此油田中转站液位是极为重要的工艺参数。联合站计算机控制系统，大都采用的是单回路给定点的PID控制算法。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，按偏差的比例积分和微分进行控制的调节器称为PID控制器，它是连续系统中技术成熟，应用最广泛的一种

9、调节器1。联合站原油计量监控系统的应用具有重要意义，计量结果直接影响油田的效益和信誉，这套监控系统的研发具有以下重要意义： (1)  将人工计量改为自动连续计量，人工取样化验改为自动连续检测，能够提供更及时、准确的信息。 (2)  实现计量站无人值守，减员增效，彻底改变计量站生产作业制度，改善了劳动条件。 (3)  在现场生产自动化的基础上，实现中控室信息处理自动化，提高了联合站生产过程自动化生产管理水平。 (4)  为保证油气田生产安全、平稳、优化运行提供了有力手段。外输过

10、程，必须在安全生产的前提下安排优化运行，以求得最好的经济效益。1.2 国内外发展概况在我国，原油计量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。但这些常规仪表组成的控制系统在处理复杂控制系统、集中监控和控制精度等方面具有局限性。随着计算机在石油工业过程控制中的广泛应用，尤其是西部塔里木、吐哈、准噶尔三大盆地的开发和建设，油田生产过程中的自动控制和管理得到了明显、迅速的发展。 在油田生产过程中，要求外输计量系统有高准确度和高可靠性。原油产量的计量是油田开发中最基础的工作，原油计量是油田集输工艺中必要的计量环节，也是考核原油生产任务完成的依据。为此，1990年起，国内应

11、用了高新技术与油田集输工艺相配套的油汽密闭在线计量工艺技术，解决了油田多年来未能解决原油产量不清、集输系统无法密闭运行的问题。原油动态计量技术，主要应用了密闭集输工艺与双容积自动计量分离器、涡轮气体流量计、立式金属计量罐、系列原油腰轮流量计、FSH-K型原油含水率监测仪和微机自动采集处理相结合，成功地解决了油、气、水分级计量技术问题。通过几年的实践，仪器、仪表性能稳定，结构合理，计量准确，将计量误差控制在0.5%以下，弄清了原油外输的产量，从而有效地指导了各阶段的生产组织工作，原油损耗由2%下降到0.5%，提高了经济效益。 目前，按照原油天然气稳定轻烃交接计量站计量器具配备规范，原油

12、外输计量必须采用容积式流量计作为体积计量器具。在国内众多的容积式流量计中，腰轮流量计，属刮板流量计和双转子流量计因其生产和应用技术比较成熟，在石油、石化企业得到了广泛的应用。 国内油田联合站原油计量多用容积式计量，计量出体积流量后，再结合原油化验所得的原油密度计算出流量，贸易结算以质量流量进行交易，油田计量交接油量计算执行标准原油动态计量油量计算。 大庆石油管理局总外输计量站于1992年投用了一套由工业控制计算机和计量仪表组成的成套原油仪表计量系统，取得了良好的社会经济效益。大庆原油总外输计量站承担着大庆油田85%的原油外输计量任务，属国家一级计量单位。大庆石油管理局为了提

13、高原油外输的计量精度，应新时期的管理需求，原油总外输计量站成套计量仪表进行更新换代，采用上海自动化仪表公司自动化仪表九厂开发的总线型微机控制装置，提高了计量水平。 我国参与投资的苏丹1/2/4油田原油外输两级计算机计量及自动标定系统，采用法国FURHMAN公司生产的整装计量模块，不仅准确度高、可靠性好，而且可在线对流量计进行标定，并根据压力、温度和流量等参数实时进行流量补偿计算，给生产和管理带来极大方便。国外早在上世纪五十年代，美国海湾公司就建成了第一套自动化监控输送系统（LACT），解决了原油的自动收集、处理、计量、输送问题。国外有些油田SCADA系统还实现了注气、注水的优化控制运

14、行。随着DCS系统采用一些先进的控制策略，使部分生产过程的控制得到了进一步优化。HONEYWELL公司的非线性液位控制可以适合进液的波动。美国通用公司的无模型控制器可以适合大滞后、时变温度控制等将检测与控制技术集一体，为油田集输控制提供了一体化解决方案。 目前国外已将自动化技术提升到对原油的生产、储运、销售等环节进行全面监控的现代化管理水平的高度。比如英国石油公司建立的自动化监控系统可以根据地质情况自动的控制油井的产量，确保底层原油达到最大采收率。美国油田甚至将销售过程中温度影响体积的销售差额，也考虑设置到自动化管理系统中2。在上世纪70年代末到80年代初，苏联已有大量油井计量自动装

15、置在全国推广，具有代表性的，应用比较普遍的是“卫星A0”、“卫星B0”型油井计量装置。科氏力质量流量计在原油计量中得到了适量的应用，其中大部分应用是与原油两相分离器配套使用，这一方法使原油计量工艺简化，虽然与分离器配套仍没有脱离传统的计量模式，但也有一些公司将分离器小型化或简化，使这一系统向多相流量计过渡。 关于原油计量的测量不确定度问题一直是人们关注的问题。根据收集的资料分析，前苏联大多采用两相计量分离系统，根据配备的仪表，原油计量不确定度可望在5%10%范围内；美国大多采用三相油井计量系统，原油计量不确定度可望达到5%；另外，根据英国贸易与工业部石油天然气局石油计量标准指南指出：

16、油井产量计量的目标不确定度要求为5%，而用于储量管理的油井测试分离器的测试，期望的不确定度是5%10%。1.3 论文研究内容本次设计主要完成输油联合站监控系统的设计。油田自控技术主要应用于原油集输处理、天然气处理、水处理、注水、聚合物配制、聚合物注入等生产工艺系统，主要检测和控制参数有液位、流量等，目前控制方案主要采用由常规仪表或工控机系统为调节单元实现的单回路调节系统。因此本文研究内容主要包括联合站立式金属罐参数监控。根据立式金属罐的系统构成和工艺流程，确定立式金属罐装置的测量点、控制点及符合工艺性要求的各种参数，进行控制方案的选择及论证，提出对液位、流量等参数的测量方案，进行计算机系统、各

17、类板块、传感器及元器件选型。通过对立罐油量检测监控系统的设计，熟悉并掌握自动控制领域工程设计的基本过程及要求，运用所学相关专业课程的知识，如自动控制原理、过程控制工程、测控仪表及装置、控制方案选择及论证、传感器原理及应用、仪表选型、计算机控制技术等，完成自动控制系统的初步设计。在实际的生产过程中，井产物包括原油、气、水、砂、盐、泥浆等，为了便于处理，必须先对它们进行初步分离。可利用离心力、重力等机械方法，将井产物分离成气、液两相；并且在出砂的井中，还要除掉固体混合物。因此输油联合站需要进行水处理。输油联合站的水处理包括沉降流程，脱水流程。因此本次设计还包括输油流程组态，沉降流程组态以及脱水流程

18、组态。14 论文的安排本文通过对输油联合站的工业生产工艺进行组态，描述输油联合站的生产工艺过程，以及设计对联合站的自动控制。论文内容安排如下：第二章将介绍联合站的工艺流程以及组态，第三章介绍联合站监控基本参数及监控方法，第四章内容为联合站工艺参数自动控制的组态。第2章 输油联合站工艺组态2.1 组态的意义与方法“组态(Configure)”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。“监控（Supervisory Contro

19、l）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。简单地说，组态软件能够实现对自动化过程和装备的监视和控制。它能从自动化过程和装备中采集各种信息，并将信息以图形化等更易于理解的方式进行显示，将重要的信息以各种手段传送到相关人员，对信息执行必要分析处理和存储，发出控制指令等等。组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中。如DCS(集散控制系统)组态，PLC（可编程控制器）梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。其实在其他行业也有组态的概念，人们只是不这么叫而已。如AutoCAD，PhotoShop，办公(

20、PowerPoint)都存在相似的操作，即用软件提供的工具来形成自己的作品，并以数据文件保存作品，而不是执行程序。组态形成的数据只有其制造工具或其他专用工具才能识别。但是不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。组态工具的解释引擎，要根据这些组态结果实时运行。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务4。紫金桥监控组态软件（RealInfo）是紫金桥软件技术有限公司在长期的工程实践中逐步开发的一套主要应用于工业生产监视和控制的计算机监控软件。紫金桥监控组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，它是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供

21、快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用的软件工具。紫金桥监控组态软件在实际应用中，以其可靠性、方便性和强大的功能得到用户的高度评价，已经广泛应用于石化、炼油、汽车、化工、冶金、制药、建材、轻工、造纸、采矿、环保、电力、交通、智能楼宇、仓储、物流、水利等多个行业和领域的过程控制、管理监测、现场监视、远程监视、故障诊断、企业管理、资源计划等系统。紫金桥监控组态软件（RealInfo）支持各种工控设备和常见的通信协议，并且提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或

22、开发环境。把用户从开发时间长，效率低，稳定性差等困境中解脱出来。用户可以利用紫金桥监控组态软件构建一套最适合自己的应用控制系统。它提供了许多的功能组件，使得用户可以使用搭积木的方式来构建自己的系统。和传统方式相比，紫金桥监控组态软件降低了构建控制系统的门槛，极大的提高了工作效率。应用本软件的集成的驱动，可以直接对硬件进行监视和控制，方便又简洁。有效的节省了人力、物力以及财力等资源。实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持成为它的主要内容。在科技飞速发展的今天，为满足不断膨胀的用户需求，紫金桥监控组态软件正在快速更新之中。2.2 输油联合站基本工艺联合站

23、站内包括原油处理系统，转油系统，原油稳定系统，污水处理系统，注水系统，天然气处理系统等。它是油气集中处理联合作业站的简称。联合站的生产过程主要包括油气集中处理(原油脱水、天然气净化、原油稳定、轻烃回收等)、油田注水、污水处理、供变电和辅助生产设施等部分。联合站（库）是油田原油集输和处理的中枢。联合站（库）设有输油，脱水，污水处理，注水，化验，变电，锅炉等生产装置，主要作用是通过对原油的处理，达到三脱(原油脱水，脱盐，脱硫；天然气脱水，脱油；污水脱油)三回收（回收污油，污水，轻烃），出四种合格产品（天然气，净化油，净化污水，轻烃）以及进行商品原油的外输。输油联合站布局如图2-1所示。图2-1 输

24、油联合站平面示意图 联合站（库）主要岗位及任务介绍：1.脱水岗（沉降岗）：脱水（沉降）岗主要任务是将高含水原油，通过热化学脱水（即游离水预处理），沉降脱水和电脱水处理，并将脱水后的净化油转输到输油岗，把含油污水转输到污水处理岗。2.输油岗：输油岗将脱水岗的净化油输送到缓冲罐（或大罐），再经输油泵加压，经流量计计量外输后外输到油库或长输管道。3.污水岗：污水岗把一段，二段，电脱水器和站内的其他污水收集起来进行处理，达到回注水质量标准后，送往注水站进行回注。4注水岗：注水岗把本站经净化处理和外来质量合格的水，根据地址的需要经注水泵加压输送到配水间，通过注水井注入到油层。5.集气岗：集气岗主要任务是

25、将中转站来气，经增压机加压，经流量计（微机显示）计量后输送到供输油站或气处理厂。6.变电岗：变电岗把35Kv,110Kv,220Kv高压电，经变压器及其他设备降压，向联合站（库）各用电设备配电。7.仪表岗：仪表岗对本站各岗位使用的一，二次仪表，流量计进行投产运行时的调试和正常生产时的维护保养，调试，标定。8.化验岗：化验岗一般设三个岗（1）原油化验岗：负责本站进站原油含水，外输原油含水以及原油脱水过程中的质量监护化验和原油密度的测定。（2）污水化验岗：负责本站进站原油含水，外输原油含水以及原油脱水过程中的质量监护化验和原油密度的测定。（3）锅炉化验岗：负责锅炉用水水质的化验。9.锅炉岗，维修岗

26、等岗位。联合站输油系统流程：中转站来油->进站阀组->游离水脱除器->一段加热炉->沉降罐->含水油缓冲罐->脱水泵->二段加热炉->脱水器->净化油缓冲罐->外输泵->计量->外输。输油工艺流程如图2-2。图2-2 实际输油流程图本次设计是基于紫金桥组态软件的输油监控系统的设计，因此，首先要进行输油工艺流程的组态，在组态软件中画出工艺流程。由于联合站内储罐繁多，因此逐一绘制是几乎不可能的，因此先对已有的工艺流程图进行简化。使用紫金桥软件可以建立工程，在工程创建画面，运用软件自带的简单精灵和原件库绘制出联合站输油管线的输油

27、流程图如图2-3所示。通过紫金桥组态软件对输油流程进行动态仿真如图2-4。图2-3 绘制出的流程图 图2-4 输油工艺流程组态2.3 输油联合站沉降工艺沉降工艺主要利用了含水油中各种成分密度不同，在沉降罐中对含水油进行初步物理分离。联合站水处理系统流程：游离水脱除器-污水站-注水站沉降罐-污水缓冲罐-污水泵-污水站脱水器-污水站。在联合站自控工艺流程中，中转站来油先经过游离水脱除器进行初步沉降处理，每个游离水脱除器有一个进油管口，一个出油管口，一个污水排放管口。其中进油管口位于游离水脱除器的一侧，出油管口位于游离水脱除器的上方，污水排放管口位于游离水脱除器的最下方。污水管口排放的污水送入300

28、0立污水沉降罐，然后由污水沉降罐送去污水站处理。每个游离水脱除器出油管口输出的油汇入出油汇管，送到两个加热炉中，经加热炉加热后送去脱水岗。在脱水岗，来油送入复合电脱水器中，经复合电脱水处理，即可得到净化油，同样，净化油从复合电脱水器上方出油管口送出，输入到净化油缓冲罐供人们使用。沉降工艺流程图如图2-5所示。图2-5 沉降工艺流程经过工艺分析简化，利用紫金桥组态软件绘制出联合站脱水工艺流程的组态图如图2-6。图2-6 沉降脱水工艺流程利用紫金桥组态软件进行动态组态仿真，脱水工艺流程流程动态仿真效果如图2-7所示。图2-7 沉降工艺流程组态2.4 输油联合站脱水工艺沉降罐输送过来的原油首先要送到

29、加热炉，经过加热以利于原油的输送，然后再送到脱水器进一步脱水。在脱水岗，加热炉来油平均送到三个复合电脱水器中，同样，来油从一侧进入复合电脱水器。在复合电脱水器中，有6000V的高压直流电场，在电场作用下油往正极去，水往负极去。经复合电脱水作用，由复合电脱水器下部排出的污水送往污水沉降罐，再送去污水站处理。净化油从复合电脱水器上部出油管口汇入出油汇管，如果复合电脱水器均无故障，出油合格的话（含水在0.5%以下），在脱水岗，加热炉来油平均送到三个复合电脱水器中，同样，来油从一侧进入复合电脱水器。电脱水是通过直流或交流电所形成的电场强度（两者的混合）使原油进一步脱水，使其达到含水在0.5%以下的合格

30、净化油的电器设备。原油从进油管进入预降室，沉降泥沙及部分游离水，在预降室左右两侧进入进油槽，然后以进油槽上的布油孔进入油水界面下部的水相空间，进行水洗脱除残余游离水。利用水的浮力使水洗后的油流方向垂直于电极面，并且自下而上地经过油水界面的上部电场空间，在高压电场的作用下水颗粒发生碰撞，聚结合并，水靠油水密度差分离沉降到脱水器底部，流入集水室，经排水放出。脱后净化油汇于脱水器顶部集油管，经出油管排出。在复合电脱水器中，有6000V的高压直流电场，在电场作用下油往正极去，水往负极去。经复合电脱水作用，由复合电脱水器下部排出的污水送往污水沉降罐，再送去污水站处理。净化油从复合电脱水器上部出油管口汇入

31、出油汇管，如果复合电脱水器均无故障，出油合格的话（含水在0.5%以下），则关闭通往净化油事故罐的调节阀，出油送入净化油缓冲罐，如果某个复合电脱水器出现故障，出油不合格的话，则关闭通往净化油缓冲罐的调节阀，打开通往净化油事故罐的调节阀，出油全部打入净化油事故罐进行其它处理。净化油缓冲罐中的油即可供人们使用，在净化油缓冲罐的上部有两个出口，一个用于向外输油，另一个用于向外输送天然气。下面给出了脱水段工艺流程简图如图2-8所示。图2-8 脱水工艺流程图图2-9 脱水工艺流程组态本章小结本章主要介绍了组态的意义、方法和输油联合站的工艺流程。沉降和脱水是联合站生产中的主要工艺，重点介绍了这两个工艺流程，

32、并且对生产流程做了组态和仿真。第3章 联合站相关参数监控3.1联合站液位参数及监控方法输站库主要设施有沉降罐、净化罐、除油罐，是最基本的原油处理、污水处理设施。而沉降罐是其中最具代表性、广泛性、普遍性的一个原油初步处理的功能设施，了解其相关知识，便于我们正确操作维护，指导生产实践工作，确保生产平稳运行。含水原油由进口管线，经配液管中心汇管和辐射状配液管流入沉降罐底部的水层内，在水层内进行水洗。破乳剂作为一种表面活性剂，主要作用是降低油水界面的表面张力，由于油水密度的差异，使部分含水油在上升的过程中，较小粒径的水滴向下运动，油向上运行，实现了油水分离。在原油上升到沉降罐集油槽的过程中，其含水率逐

33、渐减小。经沉降分离后的原油进入集油槽后，经原油溢流管流出沉降罐；分离后的污水经上部水箱，由脱水立管排出。而在沉降过程中，沉降罐的液位是一个很重要的参数。沉降罐的液位需要进行实时数据监控，否则如果沉降罐内的液位过高，发生外溢会导致严重污染甚至发生火灾爆炸等事故。因此，必须实时监控沉降罐内液体液位的情况。要想监控液位就必须要有合适的仪表5。3.1.1 浮子钢带式油罐液位计浮子钢带式液位计的原理如图3.5所示。整个系统采用了力平衡原理，但对浮子本身而言仍为恒浮力原理。浮子吊在钢带的一端，敢带对浮子施以拉力（约3.5N左右），钢带可以自由伸缩，当浮子在测量范围内变化时，钢带对浮子的拉力基本不变。为防止

34、浮子受被测液体流动影响而偏离垂直位置，使测量精度受到影响，可增加一个导向机构。导向机构是由悬挂的两根钢丝所组成，靠下端的重锤进行定位，浮子沿导向钢丝随液位变化上下移动。如果罐内液体表面流速不大，可以省略导向系统。浮子钢带式液位计的测量范围一般为0-20m，测量精度可以达到0.03%。若采用远传信号方式，不仅可以提供远传标准信号，还可以现场提供液位的液晶数字显示。这种液位计国外由30年代开始使用，至今仍有较高的市场占有率。其优点是观测比较直观、价格便宜；缺点是传动部件多，易发生故障，维护量大，对安装要求比较高，需生产厂家现场指导安装。1浮子；2钢带；3滑轮；4钉轮；5指针；6计数器；7收带轮；8

35、轴；9恒力弹簧轮；10导向钢丝图3-1 浮子钢带液位计对于投资有限的项目，中、小型罐仍可考虑选用该液位计，但高度16m 以上的油罐不宜采用，因为罐越高，对安装平行度、垂直度以及盘簧的质量要求越高；外浮顶罐也不宜采用，因为易受风的影响。使指针不停摆动，指示不稳定并容易破坏衡力盘簧。3.1.2磁致伸缩式液位计  磁致伸缩液位传感器是采用磁致伸缩原理开发出的新一代高精度液位测量产品。传感器采用非接触测量方式，不会因为磨损而降低传感器的使用寿命。测量精度高，其误差仅为全量程的0.01%，最大误差不超过1.27mm。在罐顶或罐侧安装，其整体化的安装方式方便、简单，现场调校容易，在石油

36、、化工、制药、食品、饮料等各种液罐的液位计量和控制中得到迅速推广应用。磁致伸缩式液位计还可同时测量出油水界面高度和油品密度，其密度测量精度为0.05%。磁致伸缩液位传感器结构如图3-2示它是由防爆接线盒、变送器头、法兰盘、蛇皮软管、油面浮子、密度浮子、水浮子和重锤组成。图3-2 磁致伸缩液位传感器结构 磁致伸缩式液位计具有精度高、安装方便等特点，且具有多种信号输出方式，可方便与计算机监控系统联结构成罐区监控系统。但目前价格较高，尤其是在量程增加时，价格增加较多6。3.1.3雷达式液位计工作原理：雷达液位计的工作原理类似超声波式的测量方法。以光速c传播的超高频电磁波，经天线向被探测容器液面发射，

37、当电磁波碰到液面后反射回来，雷达液位计是通过测量发射波导反射波之间的延时来确定天线与反射面之间的高度（空高h），= 。由于光速c不受介质环境的影响，传播速度稳定，测得延迟时间则可获得高度h。但经天线发射的电磁波的传播速度c太快，延迟时间及其微小，直接测量非常困难。实际应用时，雷达系统不断地发射线性调频（频率与时间成线性关系）信号，得到的反射信号是经过时间延迟的线性调频信号。发射信号频率与反射信号在同一时刻上的频率，因时间延迟而不同。它们之间的差频率f，正比于延迟时间，即正比于空高h。差频信号经过数据处理，可获得空高值h。罐高值与空高值之差即为液位高度值。图3-3 雷达液位计 

38、0;雷达液位计是通过计算电磁波到达液体表面并反射回接收天线的时间来进行液位测量的。与超声波液位计相比，电磁波的传播速度受气体的性质及状态的影响较小。  雷达液位计采用了非接触测量的方式，没有活动部件，可靠性高，平均无故障时间长，安装方便。适用于高粘度、易结晶、强腐蚀及易燃易爆介质，特别适用于大型立罐和球罐等液位的测量。  雷达液位计按天线形状分为喇叭口型和导波型两类。喇叭口型天线主要用于液面波动小、介质泡沫少、介电常数高的液位测量；导波型天线是在喇叭口型的基础上增加了一根导波管，可使电磁波沿导波管传播，减少障碍物及液位波动或泡沫对电磁波的散射影响，用于波

39、动较大、介电常数低的非导电介质（如烃类液体）的液位测量。 雷达液位计的特点(1)雷达液位计采用一体化设计，无可动部件，不存在机械磨损，使用寿命长。(2)雷达液位计测量时发出的电磁波能够穿过真空，不需要传输媒介，具有不受大气、蒸气、槽内挥发雾影响的特点，能用于挥发的介质如粗苯的液位测量。(3)雷达液位计几乎能用于所有液体的液位测量。电磁波在液位表面反射时，信号会衰减，当信号衰减过小时，会导致雷达液位计无法测到足够的电磁波信号。导电介质能很好地反射电磁波，对VEGAPULS雷达液位计，甚至微导电的物质也能够反射足够的电磁波。介电常数大于1.5的非导电介质(空气的介电常数为1.0)也能够保证足够的反

40、射波，介电常数越大，反射信号越强。在实际应用中，几乎所有的介质都能反射足够的反射波。(4)采用非接触式测量，不受槽内液体的密度、浓度等物理特性的影响。(5)测量范围大，最大的测量范围可达035m，可用于高温、高压的液位测量。(6)天线等关键部件采用高质量的材料，抗腐蚀能力强，能适应腐蚀性很强的环境7。由于雷达液位计由于测量精确，结构简单，使用寿命长，可靠性高等优点,适合在储罐内部安放，因此本次的联合站也为监控设计采用雷达式液位计，进行对储罐内的液位进行实时数据采集。3.2 温度参数以及监控方法温度同样是上产过程中的重要参数，在脱水流程中需要进行加热炉加热，如果温度控制不当则可能造成达不到脱水的

41、效果或者燃油变质甚至引发火灾和爆炸。温度传感器热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻9。典型的温度传感器包括（1）精通型温度传感器从温度传感器热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过温度传感器热电阻阻值的变化来测量的，因此，温度传感器热电阻体的引出线等各种导线电阻

42、的变化会给温度测量带来影响。    （2）铠装温度传感器 铠装温度传感器热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体。与普通型温度传感器热电阻相比，它有下列优点：体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；机械性能好、耐振，抗冲击；能弯曲，便于安装使用寿命长。    （3）端面温度传感器 端面温度传感器热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向温度传感器热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

43、    （4）隔爆型温度传感器隔爆型温度传感器热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引起爆炸。隔爆型温度传感器热电阻可用于BlaB3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。由于脱水流程中要将含水油送进加热炉，因此加热炉也属于易燃易爆场所。为了安全起见，对加热炉内的温度监控选择隔爆型温度传感器以免发生爆炸。3.3 数据监控组态由于联合站的沉降罐，脱水罐等工业设施数量很多，如果分别进行独立监控不仅费时费力而且容易顾此失彼。因此在输油联合站中多设立大型监控室以便进行统一集成化监控，使操作

44、者可以同时监控多组实时数据。在沉降过程和脱水过程中，储罐液位和加热炉温度都是要被进行实时监控的重要参数。利用紫金桥组态软件分别对沉降站和脱水站的监控室内部仪表数据进行实时组态仿真，并显示数据如图3-4和图3-5所示。图3-5 沉降流程监控室数据监控图3-5 脱水流程数据监控本章小结对生产过程数据的监控不仅大大节约了人力物力，还提升了生产效率，并且提高了上产过程的安全性和可靠性。本章主要介绍了输油联合站的主要参数及其监控和测量方法,以及对系统参数监控情况的组态仿真。第4章 油罐液位的PID控制4.1立罐油量检测系统设计方案4.1.1 油量测量原理通过测得油品液柱高度产生的静压力可以实现油位高度的

45、测量。由于本文所涉及立式金属罐圈板焊接方式为对接，故罐内油品横截面积（s）相同。于是我们设想，若测出油品的静压力、液位高度便可得到油品质量。具体理论推导如下。G = m·g =P·s 等式两边同时乘以液位高度h，有m·g·h =P·s·h 由于体积V = s·h ,故有m·g·h =P·V 整理得，m =P.V/g.h 式中，中G表示油品所受重力，单位为N；P表示油品静压力单位为Pa；m表示油品的质量，单位为g；s表示罐内油品横截面积，单位为m2；h表示油品液位，单位为m；g表示重力加速度，单位

46、为m/s2。其中，罐内油品体积V可由测得液位并查容积表得出。由上述理论可知，对油罐油量进行检测只需测出罐内油品的静压力和液位即可。这样就摆脱了传统油量测量对油品密度测量的依赖性10。4.1.2 静压力测量点根据上文介绍可知，选用雷达液位计测量罐内油品液位。而静压力则可使用投入式液位变送器测得。关于静压力测量点的确定，亦即投入式压力变送器的投入位置的确定作如下讨论。油罐体积一般较大，圈板内径很大，致使罐内油品横截面较大。所以压力测量点只选取一个是不够的。油品横截面为一个圆形，如图4-1所示，在圆心处以及按下图方式在从圆心到边的半径的中心点处共选取5个点作为测量点。将投入式压力变送器按如图位置安装

47、。把测得的静压力数据传入计算机，由计算机求出其算术平均值，做为罐内油品质量的测量值。图4-1 静压力测量点4.2 PID控制原理当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参

48、数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的11。比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积

49、分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够

50、的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分控制器能改善系统在调节过程中的动态特性12。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口

51、、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等

52、等。可编程控制器（PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器（PLC）可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现 PID控制功能的控制器，如Rockwel的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能13。4.3 PID控制流程油罐原油的液位是被控量。液位值由液位传感器检测得来，液位检测值转换为相应的电信号后作为反馈量，与己设定的液位信号作比较。控制器采用EV2000 变频器实现，执行器采用电机或阀门实现。当输入油量波动引起罐内液位高度变化时，通过液位传感器，将检测的液位值与给定值比较，变频器根

53、据其差值进行反馈调节，改变电机转速，调节排出量的多少，从而引起储油罐液位高度的变化，实现油罐液位动态平衡14。控制原理为:液位传感器与液位计作用于同一系统中。当储油罐中液位发生变化时，液位计中浮子随液位同步移动，其磁力同时使液位传感器中的干簧管同步变化，并将其转换为电阻信号，从而实现通过监测阻值的大小而测知液位高低。将所测定的液位与给定值相比较，如有偏差，则通过变频器，使电机旋转，带动减速器的输出轴朝着减少这一偏差信号的方向转动，直到这种偏差信号小于电位比较电路死区范围为止。此时输出轴就稳定在当两输入信号偏差为零的位置上，从而实现液位的控制。图4-2是液位控制系统的原理框图： 输油管液位传感器

54、器控制阀+设定值 实际液位 液位控制器图4-2 液位负反馈控制系统原理方框图 油罐作为存储油品的设备，其工艺流程相对比较简单。就油量检测监控来说，其主要工艺流程为：油品通过进油管进入油罐；罐内仪器检测油品液位等参数；油品通过出油管流出油罐。就液位而言，其简单的单回路PID控制系统原理图如图4-3。图4-3 单回路PID控制系统原理图4.4 PID控制组态在一些系统中，需要进行PID控制，如一些板卡采集系统，甚至在一些DCS和PLC的系统中有时要扩充系统的PID控制回路，而由于系统硬件和回路的限制需要在计算机上增加PID控制回路。在紫金桥系统中，实时数据库提供了PID控制点可以满足PID控制的需

55、要。进入到实时数据库组态，新建点时选择PID控制点，如图4-4。图4-4 建立PID控制点在PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数。增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。首先整定比例部分。将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可 。如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小(