油田工业污水处理站监控系统规划—变频调速 17页

西安石油大学课程设计电子工程学院自动化专业1002班题目油田工业污水处理站监控系统设计——变频调速学生张荣指导老师阮岩二○一三年六月17/17\n《自动化仪表与过程控制》课程设计任务书题目油田工业污水处理站监控系统设计——变频调速学生姓名学号508专业班级自动化1002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.熟悉油田工业污水处理站的工艺流程,并对外输清水压力进行控制（执行器为变频调速电机，控制器即变频调速控制器）。请分析其工作过程。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工业污水处理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2013年6月17至2012年6月23指导教师签名2013年6月18日系（教研室）主任签名2013年6月18日学生签名2013年6月1817/17\n目录一.组态软件的发展历程............................................................4资料个人收集整理，勿做商业用途1.1组态软件发展背景..................................................................4资料个人收集整理，勿做商业用途1.2组态软件的发展趋势...............................................................5资料个人收集整理，勿做商业用途1.3典型组态软件简介...................................................................7资料个人收集整理，勿做商业用途1.4组态软件国内外现状..............................................................8资料个人收集整理，勿做商业用途二.基本工艺流程..........................................................................9资料个人收集整理，勿做商业用途2.1方框图...............................................................................10资料个人收集整理，勿做商业用途2.2调节规律...........................................................................10资料个人收集整理，勿做商业用途三.实验设计过程.........................................................................10资料个人收集整理，勿做商业用途四.控制规律，参数整定方法...................................................13资料个人收集整理，勿做商业用途五．基本工艺流程.........................................................................14资料个人收集整理，勿做商业用途六.心得体会...................................................................................15资料个人收集整理，勿做商业用途七．元器件清单...............................................................................16资料个人收集整理，勿做商业用途八.参考资料....................................................................................16资料个人收集整理，勿做商业用途17/17\n1．组态软件的发展历程1.1组态软件发展背景组态英文是“Configuration”，是用“应用软件”中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，是面向监控与数据采集(SupervisoryControlandDateAcquisition,SCADA)的自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。资料个人收集整理，勿做商业用途在“组态”概念出现之前，是通过编写程序(如使用BASIC、C、FORTRAN等)来实现某一任务的，编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。“组态”的概念是伴随集散型控制系统(DistributedControlSystem简称DCS)的应用产生的，如DCS组态，PLC梯形图组态。在其他行业也有组态的概念，如AutoCAD，Photoshop，办公软件(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。资料个人收集整理，勿做商业用途组态形成的数据只有其制造工具或其他专用工具才一能识别。由于个人计算机的普及和技术的逐渐成熟，如何利用PC进行工业监控，成为工业控制领域的重要研究方向，市场的发展使很多DSC和PLC厂家主动公开通信协议，向“PC”监控完全开放，这不仅降低了监控成本，也使市场空间得以扩大，智能仪器、嵌入式系统和现场总线的出现，更使组态软件成为工业自动化系统中的灵魂。资料个人收集整理，勿做商业用途1.1.1组态软件的功能特点17/17\n(l)功能多样。组态软件提供工业标准数学模型库和控制功能库，组态模式灵活，能满足用户所需的测控要求。对测控信息的历史记录进行存储、显示、计算、分析、打印，界面操作灵活方便，具有双重安全体系，数据处理安全可靠。资料个人收集整理，勿做商业用途(2)丰富的画面显示组态功能。提供给用户丰富方便的常用编辑工具和作图工具，提供工业设备图符、仪表图符，还提供趋势图、历史曲线、组数据分析图等提供十分友好的图形化用户界面，包括Windows风格的窗口、弹出菜单、按钮、消息区、工具栏、滚动条、监控画面等。画面丰富多彩，为设备的正常运行、资料个人收集整理，勿做商业用途操作人员的集中监控提供了极大的方便。(3)通信功能和良好的开放性。组态软件向下可以通过WinteligentLINK，OPC,OFC等与数据采集硬件通信；向上通过TCP/IP，Ethernet资料个人收集整理，勿做商业用途与高层管理网互联。(4)多任务的软件运行环境、数据库管理及资源共享。利用面向对象的技术和ActiveX动态连接库技术，丰富了控制系统的显示画面和编程环境，从而方便灵活地实现多任务操作。DDE(DynamicDataExchange)技术，与Windows应用程序间进行数据交换，实现本地控制单元与上位机之间数据和信息的共享，从而为用户提供更为集中的数据操作环境，实现信息集中管理，并向上层系统提供开放式数据库接口ODBC。资料个人收集整理，勿做商业用途1.2组态软件的发展趋势组态软件是工业应用软件的一个组成部分，其发展受到很多因素的制约，但应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用.未来，组态软件的发展将主要表现为如下一些特征：资料个人收集整理，勿做商业用途(1)开放性技术组态软件正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统，无论是用户还是硬件供应商都将组态软件作为制造范围内信息收集和集成的工具，这就要求组态软件大量采用“17/17\n标准化技术，这便于将局部的功能进行互连，如OPC、DDE、A以ActiveX控件、COM/DCOM等，这样使得组态软件演变成软件平台，由单一的人机界面朝数据处理机方向发展，管理的数据量越来越大。当软件功能不能满足用户特殊需要时，用户可以根据自己的需要进行二次开发。现在大部分自动化系统的硬件和软件不是由同一个厂商提供，软件部分与硬件发生分离，不同厂家的软件也需要实现互连，这样就为组态软件的发展提供了可以充分发挥作用的舞台。资料个人收集整理，勿做商业用途(2)构造信息平台生产实时数据库存储和检索是连续变化的过程数据，现在越来越多的用户通过实时数据库来分析生产情况、汇总和统计生产数据，作为指挥、决策的依据，如何使实时历史数据能够进入企业信息管理系统，是现代信息工厂迫在眉睫的需求。组态软件正向着生产制造和管理的信息系统方向发展，成为构造企业信息平台的承上启下重要组成部分。组态软件将成为中间件，因为它既能满足企业工艺、控制、生产制造需求，又能完成现场历史数据的记录、存储及为企业信息管理系统提供生产实时数据。资料个人收集整理，勿做商业用途(3)根据用户需求大规模定制如何站在客户的角度来设计软件是所有组态软件厂商都要面对的挑战，组态软件的专用系统所占比例日益提高。组态软件的灵活程度和使用效率是一对矛盾，虽然组态软件提供了很多灵活的技术手段，但是在多数情况下，用户只使用其中的一小部分，而使用方法的复杂化又给用户熟悉和掌握软件带来的很多不必要的麻烦。所以，个性化方案和服务在竞争中日益重要。随着现代工业“小批量、多品种”特征的形成，今后的组态软件将朝着针对特殊行业和生产过程的大规模定制方向发展。即用特殊定制的产品来代替标准化的产品。如力控针对电力输配电行业的特殊需求开发了“力控电力版”。资料个人收集整理，勿做商业用途(4)向更多的应用领域拓展和渗透目前的组态软件均产生于过程工业自动化，很多功能没有考虑其他应用领域的需求。例如化验分析、虚拟仪器、测试、信号处理等。这些领域大量地使用实时数据处理软件而且需要人机界面，但是由于现有组态软件为这些应用领域考虑得太少，不能充分满足系统的要求，资料个人收集整理，勿做商业用途因而目前这些领域仍然是专用软件占统治地位。组态软件应该更多地总结这些领域的需求，设计出符合应用要求的开发工具，更好地满足这些行业对软件的需求，进一步减少这些行业在自动测试、数据分析方面的软件成本，提高系统的开放程度。资料个人收集整理，勿做商业用途(5)嵌入式应用进一步发展在过去的十年间，工业PC及其相关的数据采集、监控系统硬件的销售额一直保持高额增长。工业PC的成长是因为软件开发工具丰富，比较容易上手，而17/17\n用户接受工业PC的主要原因是一次性硬件成本得到了降低，但是后续的维护和升级费用明显高昂，经常带来一些间接损失。商品化嵌入式组态软件将有效地解决工业PC监控系统的工作效率、维护和升级等问题，彻底摆脱个人行为的束缚，使工业PC监控系统大踏步走入自动化系统高端市场。资料个人收集整理，勿做商业用途(6)未来技术走势一种称为“软总线”的技术将被广泛采用。在这种体系结构下，应用软件以中间件或插件的方式被“安装”在总线上，并支持热插拔和即插即用。这样做的优点是：所有插件遵从统一标准，插件的专用性强，每个插件开发人员之间不需要协调，一个插件出现故障不会影响其他插件的运行。XML技术将被组态软件厂商善加利用，来改变现有的体系结构，它的推广也将改变现有组态软件的某些使用模式，满足更为灵活的应用需求。运行时组态是组态软件新近提出的新的概念。资料个人收集整理，勿做商业用途运行时组态是在运行环境下对已有工程进行修改，添加新的功能。它不同于在线组态，在线组态是在工程运行的同时，进入组态环境，在组态环境中对工程进行修改。而运行时组态是在运行环境中直接修改工程。行业程师可以在组态环境下构建其应用领域所裔模件，然后让专业技术人员运用自己熟知的构件在运行时搭建自己的应用。这样就使组态软件形成三级应用模式软件工程师—行业工程师—专业技术人员。软件工程师注重的是给行业工程师提供灵活的手段，行业工程师构件行业模件，专业技术人员构件最终的应用。运行时组态改变了已往必须进入复杂的组态环境修改工程应用的历史，给组态软件带来了新的活力，并预示着组态软件新的发展方向。资料个人收集整理，勿做商业用途1.3典型组态软件简介随着工业控制的应用的深入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。19年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。下面是几种组态软件的介绍：资料个人收集整理，勿做商业用途①InTouch:Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch软件曾让我们耳目一新，并且InTouch提供了丰富的图库。但是，早期的InTouch软件采用DDE方式与驱动程序通信，性能较差，InTouch7.0版己经完全基于32位的Windows平台，并且提供了OPC支持。’资料个人收集整理，勿做商业用途②17/17\nFix:Intellution公司以Fix组态软件起家，1995年被爱默生收购，现在是爱默生集团的全资子公司，Fix6.x软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序。Intellution新的产品系列为iFIX，在iFIX中，Intellution提供了强大的组态功能，但新版本与以往的6.x版本并不完全兼容。原有的Script语言改为VBA(VisualBasicForApplication)，并且在内部集成了微软的VBA开发环境。在iFix中，Intellution的产品与Microsoft的操作系统、网络进行了紧密的集成。资料个人收集整理，勿做商业用途③WinCC:Simens的WinCC也是一套完备的组态开发环境，Simens提供类C语言的脚本，包括一个调试环境。WinCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。但WinCC的结构较复杂，较难以掌握WinCC的应用。资料个人收集整理，勿做商业用途④组态王组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司。组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态王也提供多种硬件驱动程序。资料个人收集整理，勿做商业用途⑤ForceControl(力控):北京三维力控公司的ForceControl（力控）也是国内较早就已经出现的组态软件之一。力控组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台，它能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，来实现“第三方”的软、硬件系统来进行集成。其他常见的组态软件还有GE的Cimplicity，Rockwell的Rsview，Ni的oLokout，Pcsoft的Wizcon以及国内一些组态软件通态软件公司的Mcgs，也都各有特色。资料个人收集整理，勿做商业用途1.4组态软件国内外现状目前中国市场上的组态软件产品按厂商可大致划分为三类，即国外专业软件厂商提供的产品，国外硬件或系统厂商提供的产品，以及国内自行开发的国产化产品。从近几年的调查结果来看，国内组态软件市场大部分份额仍被国外几家组态软件占据。（1）  美国Wonderware公司的InTouch InTouch堪称组态软件的“鼻祖”，率先推出的16位Windows环境下的组态软件，在国际上曾得到较高的市场占有率。InTouch软件的图形功能比较丰富，使用较方便，但控制功能较弱。其I/O硬件驱动丰富，但只是使用DDE连接方式，实时性较差而且驱动程序需单独购买。它的5.6版（16位）很稳定，在中国市场也普遍受到好评。7.0版（32位）在网络和数据管理方面有所加强，并实现了实时关系数据库，但其实只是在SQL Server上增加了数据传输插件。在32位Windows环境下，InTouch已受到其他产品的猛烈冲击。（2）美国Intellution公司的FIX FIX产品系列较全，包括DOS版、16位Windows版、32位Windows版、OS/2版和其他一些版本，功能较InTouch强，但实时性仍欠缺，总体技术一般。其I/O硬件驱动丰富，只是驱动程序也需单独购买。最新推出的iFIX是全新模式的组态软件，思想和体系结构都比较新，提供的功能也较为完整。（3） 澳大利亚CIT公司的Citect Citect17/17\n是组态软件中的后起之秀，在世界范围内扩展得很快。Citect产品包括16位和32位Windows版，它的计算机味道很浓，与其他软件有很多不同的地方，界面部分很漂亮，很吸引人，但使用的方便性和图形功能不及InTouch，且版本升级较慢，一直没有很大的体系改变。其控制算法比较好，I/O硬件驱动相对比较少，但大部分驱动程序可随软件包提供给用户。（4）  德国西门子公司的WinCC 新版软件有了很大进步，但体系结构还是比较老的思想，在网络结构和数据管理方面要比iFIX差，但也属于比较先进的产品之一。西门子似乎仅是想把这个产品当作其硬件的陪衬，对第三方硬件的支持也不热衷，若选用西门子硬件，能免费得到WinCC，所以对于使用其他硬件的用户，不是个好选择。中国市场常见的其他国外专业软件公司的组态软件产品还有原美国Heuristics公司的ONSOPEC，原美国Intec Control公司的PARAGON，美国Iconics公司的Genesis，以色列PC SOFT公司的WIZCON以及美国U.S.Data公司的Factory Link等。然而这些产品由于种种原因，目前所占有的市场份额相对都比较小。近年来一些国外著名硬件或系统厂商推出了日趋成熟的组态软件产品，如美国GE公司的Cimplicity，美国AB公司（Rockwell自动化）的RSView。这些组态软件一改过去仅为其本身硬件配套的OEM形式，通过大力加强对其他硬件产品的驱动支持和软件内部的各种功能，而发展成为专业化的通用组态软件。资料个人收集整理，勿做商业用途国产化的组态软件产品也正在成为市场上的一支生力军，近年来已有一定影响力的产品有组态王、SYNALL、MCGS、天工、ControlX、虎翼、力控等。国内有不少单位，如一些高校、研究所、公司，甚至一些个人正在积极地搞组态软件产品的开发。国产化的组态软件具有较强的价格竞争优势，但总的来讲，由于资金来源缺乏，软件工程的组织薄弱，因此软件商品化的程度还比较差。目前国产化组态软件主要应用于一些小型的、非重要性的项目中。下面列举并介绍一些有代表性的国内组态软件。（1） 北京亚控公司的组态王 组态王是国内较早出现的组态软件产品之一。早期的组态王仿照InTouch，只是个人机接口，到了5.1版本，在数据管理和开放性方面有了一些改进。但体系结构却没有实质性地突破。没有摆脱早期形成的不合理的程序构架。其网络功能较为薄弱，支持不了真正意义上的分布式系统。6系列版本的结构从广告宣传上看应该很不错。（2） 北京昆仑通态公司MCGS 其思想比较独特，属于很另类的产品，有很多特殊的概念和使用方式。（3）SYNALL是独特的产品，但使用起来有点别扭，网络方面有独到之处，但效率和稳定性还有待提高。（4）哈尔滨华富公司的ControX2000是比较新的组态软件 其产品体系结构非常象iFIX，界面漂亮，使用起来也比较方便，有许多自己的特色。但从它DEMO版运行效果来看，执行代码的运行效率不是很高，特别是图形处理环节，似乎有些缺陷。DEMO17/17\n运行也不十分稳定。用一些分析工具观察其执行的结构，感觉其程序结构设计不十分合理，代码重用率低。资料个人收集整理，勿做商业用途二．基本工艺流程从各计量站、联合站送来的含油工业污水，经入口计量后进入暴汽沉砂池，经稳定沉降，脱除油、气、砂的大部分，然后泵送到过滤池，经三级过滤后进入清水池，最后由取水泵送往各注水站。设计沉砂池容积为6*5000立方米，深度4m，过滤池容积为4*500，深度4m。设计系统日处理量为10000吨/日。资料个人收集整理，勿做商业用途222222.1方框图2.2调节规律不同类型的控制器，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。资料个人收集整理，勿做商业用途比例(P)控制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17/17\n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。资料个人收集整理，勿做商业用途所以控制规律为比例-积分-微分（PID）控制规律。三.实验设计过程1，创建应用程序；打开工程管理器，新增应用“张荣”，进入开发系统。2，创建窗口；创建“工艺画面”，“趋势画面”，“报警画面”（如下图1，2，3所示），在工艺画面中设计工艺流程图，再设计其他两个画面。资料个人收集整理，勿做商业用途图117/17\n图2图33，建立实时数据库;在数据库组态中创建点“leavl”，在控制策略生成器中创建策略。17/17\n图示，策略生成图4，建立动画连接。5，进入运行，全部编译，更改设定值，看运行结果。四．控制规律，参数整定方法1、控制规律：比例积分微分调节（PID调节）比例调节器对控制作用和扰动作用的响应都很迅速，调节整定简便，但是存在静态误差；积分调节可以消除静差，但是它的动态误差最大，而且调节时间也最长；微分调节可以调节系统的稳定度，使系统比例系数增大而加快调节过程，减小动态偏差。这个实验是对压力的调节，采用比例积分微分控制，可以达到更高的调节质量，减小对象迟滞，使反应速度加快，而且系统稳定。资料个人收集整理，勿做商业用途2、参数整定方法：临界比例度法参数整定步骤：  （1） 让调节器参数积分系数S0=0，实际微分系数k=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数S1，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。 （2） 取比例系数S1为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数S0，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。 17/17\n（3）积分系数S0保持不变，改变比例系数S1，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数S1增大一些，再调整积分系数S0，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数S1和积分系数S0为止。 （4） 引入适当的实际微分系数k和实际微分时间Td，此时可适当增大比例系数S1和积分系数S0。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。 资料个人收集整理，勿做商业用途技术数据：1．测量范围：      表压：-100kPa~0~1kPa~260MPa                     差压：  0~500Pa~3.5MPa            绝压：  0~10kPa~60MPa 2．精度等级：         0.05级、0.1级、0.2级、0.5级3．显示方式：         5位数字动态显示，百分比棒形图4．过载压力：         1.5-3倍的量程，视测量范围而定5．内置电源：         3.6V高能锂电池6．介质温度：         -40℃～85℃7．工作环境：         温度：-30℃～60℃；湿度：＜90%             温度：0℃～50℃（0.05级使用温度）；湿度：＜90%             校正参比环境:20℃±2℃8． 防爆级别：      ExiaIIBT49．过程连接：       M20×1.5（外螺纹）或根据用户要求10．可选附件：   高档铝合金手提箱五．基本工艺流程工艺画面：17/17\n趋势画面：报警画面：17/17\n六.心得体会.通过这次课程设计综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，自动化控制已经成为当今较为前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此在我们学习书面知识的同时，我们更应该加强实际中的知识的应用。资料个人收集整理，勿做商业用途回顾起此次自动化课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在整整一个多星期的日子里，可以说得是苦多于甜，学到了很多很多的书本中不曾有的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的理论知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。资料个人收集整理，勿做商业用途通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正明白上课所学知识的具体运用方法和重要性，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这虽然不是第一次做自动化的课程设计，但依然会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，但是通过努力，克服一个一个困难，最终得到了自己想要的成果。资料个人收集整理，勿做商业用途通过这次自控系统关于油田工业污水处理站监控系统设计——变频调速部分的课程设计，还对自控的软件组态软件的使用进行了进一步的学习，初步掌握了对自控系统控制中软件的使用，在此，还要感谢我的同学和老师的帮助！资料个人收集整理，勿做商业用途17/17\n七.元器件清单序号器件名称数量备注1阀门42水泵33管道若干4池65八.参考资料1.自动化仪表与过程控制（第五版）施仁刘文江著2.中国自动化网3.自动化学报17/17