油田注水泵站監(jiān)控系統(tǒng)設計-變頻調速

1西安石油大學課程設計電子工程學院自動化專業(yè)自動1202班題目油田注水泵站監(jiān)控系統(tǒng)設計變頻調速學生指導老師阮巖二○一五年六月

《自動化儀表與過程控制》課程設計任務書題目油田注水泵站監(jiān)控系統(tǒng)設計變頻調速學生姓名學號專業(yè)班級自動化設計內容與要求本次課程設計的目的是熟悉過程控制系統(tǒng)的組態(tài)和調試，掌握自動化儀表與過程控制的基本應用，加深和鞏固本課程及相關課程的知識，要求完成如下內容:1．熟悉油田注水泵站的工藝流程,，并對洗井水壓力控制（執(zhí)行器為洗井水泵的變頻調速電機，控制器即變頻調速控制器）的工作過程進行分析。2.依據(jù)工藝流程和基本數(shù)據(jù),對所用儀表作出選型；3.對控制回路畫出方框圖，寫出所選控制規(guī)律，及參數(shù)整定方法；4.了解組態(tài)軟件的歷史、發(fā)展及國內外現(xiàn)狀，熟悉組態(tài)軟件的應用，利用力控組態(tài)軟件做出油田油田注水泵站監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)設計，并在報告中寫出組態(tài)過程如：I/O端口分配、I/O點組態(tài)參數(shù)說明、控制回路組態(tài)說明等。最終要求做出工藝流程畫面、趨勢畫面、報警畫面，并利用軟件提供的模擬對象，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制。5．完成課程設計報告。起止時間2015年月日至2015年月日指導教師簽名2015年月日系（教研室）主任簽名2015年月日學生簽名2015年月日目錄一、 組態(tài)軟件的歷史發(fā)展 31、 組態(tài)軟件產生的背景 32、 組態(tài)軟件在我國的發(fā)展 3二、 基本工藝流程 4三、 工藝介紹 4四、 系統(tǒng)分析 5五、 控制規(guī)律的選擇 51、 比例(P)控制 52、 比例積分(PI)控制 63、 比例微分(PD)控制 64、 比例積分微分(PID)控制 65、 PID參數(shù)的整定 6六、儀表選型 71、 產品型號 72、 產品用途 73、 產品特點 74、 功能規(guī)范 8七、組態(tài)軟件運行畫面 91.實時趨勢畫面 92.工藝流程畫面 103.實時報警畫面 104.策略管理畫面 11八、設計總結 11九、參考資料 12組態(tài)軟件的歷史發(fā)展組態(tài)軟件產生的背景“組態(tài)”的概念是伴隨著集散型控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem簡稱DCS）的出現(xiàn)才開始被廣大的生產過程自動化技術人員所熟知的。在工業(yè)控制技術的不斷發(fā)展和應用過程中，PC（包括工控機）相比以前的專用系統(tǒng)具有的優(yōu)勢日趨明顯。這些優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：PC技術保持了較快的發(fā)展速度，各種相關技術已臻成熟；由PC構建的工業(yè)控制系統(tǒng)具有相對較低的擁有成本；PC的軟件資源和硬件資豐富，軟件之間的互操作性強；基于PC的控制系統(tǒng)易于學習和使用，可以容易地得到技術方面的支持。在PC技術向工業(yè)控制領域的滲透中，組態(tài)軟件占據(jù)著非常特殊而且重要的地位。組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件應該能支持各種工控設備和常見的通信協(xié)議，并且通常應提供分布式數(shù)據(jù)管理和網絡功能。對應于原有的HMI（人機接口軟件，HumanMachineInterface）的概念，組態(tài)軟件應該是一個使用戶能快速建立自己的HMI的軟件工具，或開發(fā)環(huán)境。在組態(tài)軟件出現(xiàn)之前，工控領域的用戶通過手工或委托第三方編寫HMI應用，開發(fā)時間長，效率低，可靠性差；或者購買專用的工控系統(tǒng)，通常是封閉的系統(tǒng)，選擇余地小，往往不能滿足需求，很難與外界進行數(shù)據(jù)交互，升級和增加功能都受到嚴重的限制。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，把用戶從這些困境中解脫出來，可以利用組態(tài)軟件的功能，構建一套最適合自己的應用系統(tǒng)。隨著它的快速發(fā)展，實時數(shù)據(jù)庫、實時控制、SCADA、通訊及聯(lián)網、開放數(shù)據(jù)接口、對I/O設備的廣泛支持已經成為它的主要內容，隨著技術的發(fā)展，監(jiān)控組態(tài)軟件將會不斷被賦予新的內容。組態(tài)軟件在我國的發(fā)展組態(tài)軟件產品于80年代初出現(xiàn)，并在80年代末期進入我國。但在90年代中期之前，組態(tài)軟件在我國的應用并不普及。究其原因，大致有以下幾點：①、國內用戶還缺乏對組態(tài)軟件的認識，項目中沒有組態(tài)軟件的預算，或寧愿投入人力物力針對具體項目做長周期的繁冗的上位機的編程開發(fā)，而不采用組態(tài)軟件；②、在很長時間里，國內用戶的軟件意識還不強，面對價格不菲的進口軟件（早期的組態(tài)軟件多為國外廠家開發(fā)），很少有用戶愿意去購買正版。③、當時國內的工業(yè)自動化和信息技術應用的水平還不高，組態(tài)軟件提供了對大規(guī)模應用、大量數(shù)據(jù)進行采集、監(jiān)控、處理并可以將處理的結果生成管理所需的數(shù)據(jù)，這些需求并未完全形成。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)應用的深入，在面臨規(guī)模更大、控制更復雜的控制系統(tǒng)時，人們逐漸意識到原有的上位機編程的開發(fā)方式。對項目來說是費時費力、得不償失的，同時，MIS（管理信息系統(tǒng)，ManagementInformationSystem）和CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)，ComputerIntegratedManufacturingSystem）的大量應用，要求工業(yè)現(xiàn)場為企業(yè)的生產、經營、決策提供更詳細和深入的數(shù)據(jù)，以便優(yōu)化企業(yè)生產經營中的各個環(huán)節(jié)。因此，在1995年以后，組態(tài)軟件在國內的應用逐漸得到了普及?；竟に嚵鞒虖乃此蛠淼墓I(yè)用水，經過過濾器過濾后進入注水儲罐。洗井泵抽取注水儲罐中的水，加壓到1.5MPa后送出，用于洗井作業(yè)，壓力由壓力檢測—變頻控制器—電機進行變頻控制。注水泵組站抽取注水儲罐中的水，經兩級加壓到約20MPa后送出，用于注水作業(yè)。設計儲水量為3*3000立米，最大注水量為1.5萬噸/日，洗井用水量為1000噸/日。工藝介紹從水源送來的工業(yè)用水，經過過濾器過濾后進入注水儲罐。洗井泵抽取注水儲罐中的水，加壓到1.5MPa后送出，用于洗井作業(yè)，壓力由壓力檢測—變頻控制器—電機進行變頻控制。注水泵組站抽取注水儲罐中的水，經兩級加壓到約20MPa后送出，用于注水作業(yè)。設計儲水量為3*3000立米，最大注水量為1.5萬噸/日，洗井用水量為1000噸/日。系統(tǒng)分析二級泵輸出管道使用流量計測量流量，將測量值與給定值進行對比后，得到的偏差值，經變頻器后轉換電機的調節(jié)信號，當測量流量大于給定值時，需要給電機一個負的調節(jié)信號，使流量減小，當測量值小于給定流量時，需要給電機一個正的調節(jié)信號，來增大輸出流量，因此選用負反饋。由于PID調節(jié)器具有動作速度，減小超調，克服震蕩，和消除靜差等優(yōu)勢，它綜合了各類調節(jié)器的優(yōu)點，所以又更高調節(jié)質量，不管對象之后，負載變化，反應速度如何基本都能適應，故在此系統(tǒng)中我們采用PID規(guī)律。根據(jù)已知的工藝流程可以畫出單回路系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖，如圖1-1單回路系統(tǒng)方框圖所示，圖1-1單回路系統(tǒng)方框圖控制規(guī)律的選擇盡管不同類型的控制器，其結構、原理各不相同，但是基本控制規(guī)律只有三個：比例(P)控制、積分(I)控制和微分(D)控制。這幾種控制規(guī)律可以單獨使用，但是更多場合是組合使用。如比例(P)控制、比例-積分(PI)控制、比例-積分-微分(PID)控制等。比例(P)控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。單純的比例控制適用于擾動不大，滯后較小，負荷變化小，要求不高。比例積分(PI)控制比例控制規(guī)律是基本控制規(guī)律中最基本的、應用最普遍的一種，其最大優(yōu)點就是控制及時、迅速。比例積分控制器是目前應用最為廣泛的一種控制器，多用于工業(yè)生產中液位、壓力、流量等控制系統(tǒng)。由于引入積分作用能消除余差，彌補了純比例控制的缺陷，獲得較好的控制質量。但是積分作用的引入，會使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。對于有較大慣性滯后的控制系統(tǒng)，要盡量避免使用。比例微分(PD)控制比例和微分作用結合，比單純的比例作用更快。尤其是對容量滯后大的對象，可以減小動偏差的幅度，節(jié)省控制時間，顯著改善控制質量。比例積分微分(PID)控制最為理想的控制當屬比例-積分-微分控制規(guī)律。它集三者之長：既有比例作用的及時迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。考慮到本實驗的實際具體情況，最后選擇比例積分微分(PID)控制作為供水控制，以下是PID的參數(shù)整定。PID參數(shù)的整定在選擇了調節(jié)規(guī)律和調節(jié)器之后，下一步的問題就是整定參數(shù)，以得到某種意義上的最佳過渡過程，和最佳過渡過程相對應的調節(jié)器參數(shù)值稱為最佳整定參數(shù)。一般較通用的標準是上面所述的典型最佳過程，即要求在階躍擾動下被調量得波動具有衰減率在0.75左右，在這前提下盡量滿足準確性和快速性，即絕對誤差的積分時間最小。在這里我們選用衰減曲線法進行參數(shù)的整定，衰減曲線法是在總結“穩(wěn)定邊界法”和其他一些基礎方法的基礎上，經過反復試驗得出來的。這種方法不需要得到臨界振蕩過程即可求得比例度，步驟簡單，比較安全。假定是要求衰減率達到0.75的過程，先把調節(jié)器改成比例作用（Ti=∞，Td=0），放在某一比例度，由手動投入自動，在達到穩(wěn)定狀態(tài)后，適當改變給定值，觀察調節(jié)過程的衰減比，如果達不到衰減比1/4，則相應改變比例度，直到達到規(guī)定衰減比為止，記下此時的比例度Ps以及周期Ts1,然后根據(jù)相應的經驗值公式選取參數(shù)。在采用PID調節(jié)規(guī)律時，為了避免在切換時由微分作用引起初始振蕩，可先將比例度放在稍大的數(shù)值，然后放積分時間，再慢慢放上微分時間，最后再把比例度減小到計算值。PID調節(jié)規(guī)律下的公式如下P=0.8PsTT=0.3Ts1Td=0.1Ts1設定值 35 P 4測量值 35 I 1輸出值 35 D 0經整定后的參數(shù)為：P=1.5

Ti=8.0

T=1.0儀表選型產品型號：LRS51型高溫差壓變送器。上海自動化儀表股份有限公司。如圖1-2LRS51型高溫差壓變送器所示。圖1-2LRS51型高溫差壓變送器產品用途：高溫液位變送器就是LRS51型高溫差壓變送器,在石油、化工、冶金、電力、食品、采礦、造紙、醫(yī)藥、紡織等工業(yè)生產過程檢測控制系統(tǒng)中，LRS51型高溫型液位/差壓變送器配用節(jié)流裝置可檢測液體、氣體和蒸汽的流量，也可以直接用來檢測差壓，以及開口或密閉容器內液體的液位。LRS51型高溫型液位/差壓變送器將被測信號轉換成4～20mADC輸出信號（智能型變送器可帶Hart協(xié)議通訊），與其他單元組合儀表或工業(yè)控制計算機配合，組成檢測、記錄、控制等工業(yè)自動化系統(tǒng)。產品特點1）法蘭連接，高溫液位變送器2）可定制螺紋連接（毛細管帶平齊膜螺紋型）3）毛細導壓管填充高溫硅油（-40～375℃）4）連接法蘭、螺紋尺寸規(guī)格可定做5）高精度；智能型±0.1%FS，6）阻尼時間：0.1s～16s（按每次0.1s可調）7）可用遠程手操器或上位機對變送器內部進行管理與控制信息組態(tài)，使變送器處于所需的工作狀態(tài)。8）可選智能數(shù)字液晶顯示器，現(xiàn)場顯示差壓/壓力值、輸出電流值與輸出百分數(shù)值。9）故障報警：故障報警信號可由用戶選擇，3.8mA或22mA10）具有連續(xù)自診斷功能，并能顯示自診斷信息。11）具有線性補償與數(shù)字微調功能。12）可實現(xiàn)就地調整零位、量程，也可通過手操器、臺式、便攜式電腦實現(xiàn)遠程調整。13）可根據(jù)不同的應用場合選擇線性或方根輸出。14）可實現(xiàn)液位值單位在kPa,Pa,inH2O,bar,MPa等之間的轉換。15）可通過撥動失效/安全開關，設置失效與安全模式。16）具有單點、多點與陣發(fā)模式。17）具有斷電保護功能，斷電時可自動保存其工作數(shù)據(jù)。18）量程、零點外部連續(xù)可調（智能型需配Hart手操器/軟件或殼內調整）19）正遷移可達500％，負遷移可達600%；智能型量程比為10∶1功能規(guī)范使用對象：液體/漿體測量范圍：0—25Pa～40MPa輸出信號：4～20mADC，智能型支持Hart協(xié)議通訊供電電源：12～45VDC，一般建議24VDC負載特性：與供電電源有關，典型數(shù)值為500Ω，在某一電源電壓時帶負載能力、載阻抗RL與電源電壓Vs關系式為：RL≤50（Vs－12）指示表：現(xiàn)場輸出指示可用電流表，本公司可配線性指示0～100%和平方根指示0～100%表頭量程和零位：外部連續(xù)可調，智能型需配Hart手操器/軟件或殼內調整正負遷移：差壓變送器最大正遷移量為500％，最大負遷移量為600%；工作溫度：－29～＋93℃（普通型變送器）、20～＋60℃（防爆型變送器）傳感部件：－40～＋375℃（灌充高溫硅油）環(huán)境濕度：0～100%RH。貯藏溫度：－40～＋100℃過載壓力：不超過最大靜壓壓力的1.15倍容積變化量：＜0.16cm3阻尼時間：在0.2～1.67秒（智能型為0.1～16秒）內連續(xù)可調，微、低差壓和法蘭變送器。安裝位置影響：當工作膜片未垂直安裝時，可能會產生約0.24kPa的零位系統(tǒng)誤差，此誤差可通過調整零位來消除，對量程無影響。外殼防護等級：IP67導壓連接件：在壓力容室上本身有1/4—18NPT陰螺紋連接螺孔；引壓接頭的連接螺孔有1/2—14NPT內螺紋、M20×1.5外螺紋、G1/2”陽螺紋、各種法蘭規(guī)格信號線（電纜）連接孔：G1/2”、M20×1.5等重量：約15.6kg（特殊定做的法蘭規(guī)格除外）組態(tài)軟件運行畫面1.實時趨勢畫面圖1-3實時趨勢畫面2.工藝流程畫面圖1-4工藝流程畫面3.實時報警畫面圖1-5實時報警畫面4.策略管理畫面圖1-6策略管理設計總結通過對本次的課程設計,讓我對工業(yè)流程以及工業(yè)控制有了初步