油田注水泵站监控系统设计-变频调速

1西安石油大学课程设计电子工程学院自动化专业自动1202班题目油田注水泵站监控系统设计变频调速学生指导老师阮岩二○一五年六月

《自动化仪表与过程控制》课程设计任务书题目油田注水泵站监控系统设计变频调速学生姓名学号专业班级自动化设计内容与要求本次课程设计的目的是熟悉过程控制系统的组态和调试，掌握自动化仪表与过程控制的基本应用，加深和巩固本课程及相关课程的知识，要求完成如下内容:1．熟悉油田注水泵站的工艺流程,，并对洗井水压力控制（执行器为洗井水泵的变频调速电机，控制器即变频调速控制器）的工作过程进行分析。2.依据工艺流程和基本数据,对所用仪表作出选型；3.对控制回路画出方框图，写出所选控制规律，及参数整定方法；4.了解组态软件的历史、发展及国内外现状，熟悉组态软件的应用，利用力控组态软件做出油田油田注水泵站监控系统的组态设计，并在报告中写出组态过程如：I/O端口分配、I/O点组态参数说明、控制回路组态说明等。最终要求做出工艺流程画面、趋势画面、报警画面，并利用软件提供的模拟对象，实现系统的自动控制。5．完成课程设计报告。起止时间2015年月日至2015年月日指导教师签名2015年月日系（教研室）主任签名2015年月日学生签名2015年月日目录一、 组态软件的历史发展 31、 组态软件产生的背景 32、 组态软件在我国的发展 3二、 基本工艺流程 4三、 工艺介绍 4四、 系统分析 5五、 控制规律的选择 51、 比例(P)控制 52、 比例积分(PI)控制 63、 比例微分(PD)控制 64、 比例积分微分(PID)控制 65、 PID参数的整定 6六、仪表选型 71、 产品型号 72、 产品用途 73、 产品特点 74、 功能规范 8七、组态软件运行画面 91.实时趋势画面 92.工艺流程画面 103.实时报警画面 104.策略管理画面 11八、设计总结 11九、参考资料 12组态软件的历史发展组态软件产生的背景“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（DistributedControlSystem简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已臻成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们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，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应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，HumanMachineInterface）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，或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。组态软件在我国的发展组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入我国。但在90年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。究其原因，大致有以下几点：①、国内用户还缺乏对组态软件的认识，项目中没有组态软件的预算，或宁愿投入人力物力针对具体项目做长周期的繁冗的上位机的编程开发，而不采用组态软件；②、在很长时间里，国内用户的软件意识还不强，面对价格不菲的进口软件（早期的组态软件多为国外厂家开发），很少有用户愿意去购买正版。③、当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高，组态软件提供了对大规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并可以将处理的结果生成管理所需的数据，这些需求并未完全形成。随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式。对项目来说是费时费力、得不偿失的，同时，MIS（管理信息系统，ManagementInformationSystem）和CIMS（计算机集成制造系统，ComputerIntegratedManufacturingSystem）的大量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。因此，在1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。基本工艺流程从水源送来的工业用水，经过过滤器过滤后进入注水储罐。洗井泵抽取注水储罐中的水，加压到1.5MPa后送出，用于洗井作业，压力由压力检测—变频控制器—电机进行变频控制。注水泵组站抽取注水储罐中的水，经两级加压到约20MPa后送出，用于注水作业。设计储水量为3*3000立米，最大注水量为1.5万吨/日，洗井用水量为1000吨/日。工艺介绍从水源送来的工业用水，经过过滤器过滤后进入注水储罐。洗井泵抽取注水储罐中的水，加压到1.5MPa后送出，用于洗井作业，压力由压力检测—变频控制器—电机进行变频控制。注水泵组站抽取注水储罐中的水，经两级加压到约20MPa后送出，用于注水作业。设计储水量为3*3000立米，最大注水量为1.5万吨/日，洗井用水量为1000吨/日。系统分析二级泵输出管道使用流量计测量流量，将测量值与给定值进行对比后，得到的偏差值，经变频器后转换电机的调节信号，当测量流量大于给定值时，需要给电机一个负的调节信号，使流量减小，当测量值小于给定流量时，需要给电机一个正的调节信号，来增大输出流量，因此选用负反馈。由于PID调节器具有动作速度，减小超调，克服震荡，和消除静差等优势，它综合了各类调节器的优点，所以又更高调节质量，不管对象之后，负载变化，反应速度如何基本都能适应，故在此系统中我们采用PID规律。根据已知的工艺流程可以画出单回路系统的系统方框图，如图1-1单回路系统方框图所示，图1-1单回路系统方框图控制规律的选择尽管不同类型的控制器，其结构、原理各不相同，但是基本控制规律只有三个：比例(P)控制、积分(I)控制和微分(D)控制。这几种控制规律可以单独使用，但是更多场合是组合使用。如比例(P)控制、比例-积分(PI)控制、比例-积分-微分(PID)控制等。比例(P)控制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。单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高。比例积分(PI)控制比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。比例微分(PD)控制比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。尤其是对容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。比例积分微分(PID)控制最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。考虑到本实验的实际具体情况，最后选择比例积分微分(PID)控制作为供水控制，以下是PID的参数整定。PID参数的整定在选择了调节规律和调节器之后，下一步的问题就是整定参数，以得到某种意义上的最佳过渡过程，和最佳过渡过程相对应的调节器参数值称为最佳整定参数。一般较通用的标准是上面所述的典型最佳过程，即要求在阶跃扰动下被调量得波动具有衰减率在0.75左右，在这前提下尽量满足准确性和快速性，即绝对误差的积分时间最小。在这里我们选用衰减曲线法进行参数的整定，衰减曲线法是在总结“稳定边界法”和其他一些基础方法的基础上，经过反复试验得出来的。这种方法不需要得到临界振荡过程即可求得比例度，步骤简单，比较安全。假定是要求衰减率达到0.75的过程，先把调节器改成比例作用（Ti=∞，Td=0），放在某一比例度，由手动投入自动，在达到稳定状态后，适当改变给定值，观察调节过程的衰减比，如果达不到衰减比1/4，则相应改变比例度，直到达到规定衰减比为止，记下此时的比例度Ps以及周期Ts1,然后根据相应的经验值公式选取参数。在采用PID调节规律时，为了避免在切换时由微分作用引起初始振荡，可先将比例度放在稍大的数值，然后放积分时间，再慢慢放上微分时间，最后再把比例度减小到计算值。PID调节规律下的公式如下P=0.8PsTT=0.3Ts1Td=0.1Ts1设定值 35 P 4测量值 35 I 1输出值 35 D 0经整定后的参数为：P=1.5

Ti=8.0

T=1.0仪表选型产品型号：LRS51型高温差压变送器。上海自动化仪表股份有限公司。如图1-2LRS51型高温差压变送器所示。图1-2LRS51型高温差压变送器产品用途：高温液位变送器就是LRS51型高温差压变送器,在石油、化工、冶金、电力、食品、采矿、造纸、医药、纺织等工业生产过程检测控制系统中，LRS51型高温型液位/差压变送器配用节流装置可检测液体、气体和蒸汽的流量，也可以直接用来检测差压，以及开口或密闭容器内液体的液位。LRS51型高温型液位/差压变送器将被测信号转换成4～20mADC输出信号（智能型变送器可带Hart协议通讯），与其他单元组合仪表或工业控制计算机配合，组成检测、记录、控制等工业自动化系统。产品特点1）法兰连接，高温液位变送器2）可定制螺纹连接（毛细管带平齐膜螺纹型）3）毛细导压管填充高温硅油（-40～375℃）4）连接法兰、螺纹尺寸规格可定做5）高精度；智能型±0.1%FS，6）阻尼时间：0.1s～16s（按每次0.1s可调）7）可用远程手操器或上位机对变送器内部进行管理与控制信息组态，使变送器处于所需的工作状态。8）可选智能数字液晶显示器，现场显示差压/压力值、输出电流值与输出百分数值。9）故障报警：故障报警信号可由用户选择，3.8mA或22mA10）具有连续自诊断功能，并能显示自诊断信息。11）具有线性补偿与数字微调功能。12）可实现就地调整零位、量程，也可通过手操器、台式、便携式电脑实现远程调整。13）可根据不同的应用场合选择线性或方根输出。14）可实现液位值单位在kPa,Pa,inH2O,bar,MPa等之间的转换。15）可通过拨动失效/安全开关，设置失效与安全模式。16）具有单点、多点与阵发模式。17）具有断电保护功能，断电时可自动保存其工作数据。18）量程、零点外部连续可调（智能型需配Hart手操器/软件或壳内调整）19）正迁移可达500％，负迁移可达600%；智能型量程比为10∶1功能规范使用对象：液体/浆体测量范围：0—25Pa～40MPa输出信号：4～20mADC，智能型支持Hart协议通讯供电电源：12～45VDC，一般建议24VDC负载特性：与供电电源有关，典型数值为500Ω，在某一电源电压时带负载能力、载阻抗RL与电源电压Vs关系式为：RL≤50（Vs－12）指示表：现场输出指示可用电流表，本公司可配线性指示0～100%和平方根指示0～100%表头量程和零位：外部连续可调，智能型需配Hart手操器/软件或壳内调整正负迁移：差压变送器最大正迁移量为500％，最大负迁移量为600%；工作温度：－29～＋93℃（普通型变送器）、20～＋60℃（防爆型变送器）传感部件：－40～＋375℃（灌充高温硅油）环境湿度：0～100%RH。贮藏温度：－40～＋100℃过载压力：不超过最大静压压力的1.15倍容积变化量：＜0.16cm3阻尼时间：在0.2～1.67秒（智能型为0.1～16秒）内连续可调，微、低差压和法兰变送器。安装位置影响：当工作膜片未垂直安装时，可能会产生约0.24kPa的零位系统误差，此误差可通过调整零位来消除，对量程无影响。外壳防护等级：IP67导压连接件：在压力容室上本身有1/4—18NPT阴螺纹连接螺孔；引压接头的连接螺孔有1/2—14NPT内螺纹、M20×1.5外螺纹、G1/2”阳螺纹、各种法兰规格信号线（电缆）连接孔：G1/2”、M20×1.5等重量：约15.6kg（特殊定做的法兰规格除外）组态软件运行画面1.实时趋势画面图1-3实时趋势画面2.工艺流程画面图1-4工艺流程画面3.实时报警画面图1-5实时报警画面4.策略管理画面图1-6策略管理设计总结通过对本次的课程设计,让我对工业流程以及工业控制有了初步