論文-基于PLC控制的油田自動化計量系統(tǒng)設(shè)計

1、基于PLC控制的油田自動化計量系統(tǒng)設(shè)計摘 要在分析了低產(chǎn)油井常用的玻璃管人工量液技術(shù)與裝置中所存在的問題的基礎(chǔ)上，介紹了如何將PLC用于一種新型的油井自動計量裝置的設(shè)計思路和實施方案等。對于從站應(yīng)用S7-200型可編程控制器，通過自動切換模塊、檢測模塊、控制模塊和報警處理模塊，解決了油井生產(chǎn)過程中低產(chǎn)間歇出油情況下的計量問題，并用S7-300作為主站通過PROFIBUS-DP總線實時采集各個油井的計量信息并將這些信息經(jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)傳給上位機，經(jīng)過上位機的處理把相關(guān)信息在WinCC組態(tài)畫面中顯示出來。實現(xiàn)了對各個油井計量信息的實時監(jiān)控，并在實際生產(chǎn)中獲得了成功的試用。實現(xiàn)了油井計量自動化，提高了

2、計量精度。關(guān)鍵詞 檢測模塊 低產(chǎn)油井 自動計量 PROFIBUS總線技術(shù) 工業(yè)以太網(wǎng)1 緒論1.1 選題背景油井產(chǎn)量的計量是油田生產(chǎn)管理中的一項重要工作，對油井產(chǎn)量進行準確、及時的計量，對掌握油藏狀況、制定生產(chǎn)方案，具有重要的指導意義。目前國內(nèi)各油田采用的計量方法多種多樣，基本實現(xiàn)了自動計量。但油井計量結(jié)果差別很大，含水率變化從0到100%變化，油氣比變化從不含氣到氣油比達到80%甚至更高，準確的計量油井產(chǎn)量一直是工程技術(shù)人員面臨的一個難題?，F(xiàn)場自動計量裝置雖然形式各異，但很難有一種計量方式能夠滿足油田全部油井計量的需要，所以對各種計量形式進行對比，找出各種計量方式各自的適應(yīng)性及適用范圍，將為

3、油田自動計量裝置的現(xiàn)場使用提供可靠的技術(shù)保證。目前國內(nèi)油田計量站普遍采用玻璃管人工量液，這種計量方式存在以下主要問題：（1）工作量大，效率低。（2）低產(chǎn)油井存在產(chǎn)液間歇現(xiàn)象，間歇時間長短不一短時計量很難得出真實的產(chǎn)量。（3）油井產(chǎn)液含水率高，人工取樣隨機性很強，很難取準，無法得到真實、穩(wěn)定、準確的含水率值。在某些油田，玻璃管人工量液的計量方法已使一些油區(qū)的產(chǎn)量計量誤差達到20的程度。盡管國內(nèi)很多油田在油井計量方面做了大量研究，實現(xiàn)了油井自動計量。但仍存在以下問題：（1）由于采用單罐計量，不能真正實現(xiàn)24h連續(xù)計量。（2）所用檢測液位儀表易發(fā)生掛料、卡死現(xiàn)象，造成電動閥誤動作，計算結(jié)果不準確。（

4、3）在線含水分析儀現(xiàn)場使用效果不理想。（4）分離器壓油比較困難。1.2 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展概述國外油田油井產(chǎn)量的計量自動化程度高，前端采用多通閥或三通閥自動選井，計量設(shè)備多采用臥式分離器或不分離式多相流量計計量。計量設(shè)備一次到位，后期改造很少，設(shè)備造價較高，很難直接引進。國外油田生產(chǎn)管理中對檢測結(jié)果要求不高，油井產(chǎn)量穩(wěn)定，測量周期長，與國內(nèi)生產(chǎn)組織方式存在較大差別。一般是國內(nèi)產(chǎn)品借鑒國外技術(shù)，改造后在現(xiàn)場應(yīng)用，相比而言國內(nèi)油井計量技術(shù)分類更加繁多。工程師站W(wǎng)inCC主站S7-3001號從站S7-2002號從站S7-2003號從站S7-2004號從站S7-200n號從站S7-2001號油井2號油

5、井3號油井4號油井n號油井PROFIBUS-DP工業(yè)以太網(wǎng)圖1-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖國內(nèi)油田油井自動化水平參差不齊，一個油田內(nèi)部各采油廠之間從自動化實施程度和具體的技術(shù)應(yīng)用差別較大，總體上講還是向自動化水平逐步提高的方向發(fā)展，以不分離三相流量儀、兩相分離撬裝計量站、旋流分離質(zhì)量流撬裝設(shè)備以及功圖量油為代表的各種量油技術(shù)在現(xiàn)場得到了一定成都的應(yīng)用。作為生產(chǎn)配套技術(shù)，油井自動化實施水平主要取決于生產(chǎn)管理需求，但油井自動化計量技術(shù)的提高也能反過來優(yōu)化工藝，比如近期大量實施的功圖法量油，采用環(huán)形工藝，不再建設(shè)計量間。1.3 系統(tǒng)設(shè)計概要本系統(tǒng)為油井的自動計量系統(tǒng)，它采用S7-200作為從站的核心控制器對單個油

6、井的采油量信息進行實時采集，并將采集到的信息傳給主站，經(jīng)過主站的處理再傳給上位機。通過WinCC組態(tài)畫面將各個油井的計量信息實時顯示出來。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見圖1-1.1.4 系統(tǒng)設(shè)計思想對于每個從站，整個裝置采用兩個相同的分離器，高6000mm、直徑400mm的分離器由調(diào)節(jié)閥分成緩沖室和量油室。量油室安裝有上下位兩個射頻導納液位控制器，水包上裝有磁伸縮液位計。一個進油計量，一個壓油(利用進油分離器分離出的氣及自身高度)，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)和計量；利用連通器原理，根據(jù)油、水密度差間接計算含水，從而實現(xiàn)液量和含水的準確計量。當油水混合液的液位到達下位控制器探頭時，計時器開始計時，記下磁伸縮液位計的液位L

7、1；當混合液液位上升到上位控制器探頭時，計時結(jié)束，記錄時間T1，記下磁伸縮液位計的液位L2。上下位射頻導納液位控制器探頭之間的距離為S，容積為標準計量容積Q，油水混合液從下位射頻導納液位控制器到上位射頻導納液位控制器的時間為T1，磁伸縮液位計計量的水的高度為L(L=L2-L1)。設(shè)：水的密度為X水；油水混合物的密度為X混合物；含水比率為P。則： (1)得： (2) (3) (4) (5)代入 (6)得 (7)兩臺分離器依次循環(huán)計量N次，最終得出產(chǎn)量 (8)含水比率 (9)主站實時采集從站的計量信息，并將采集到信息傳給上位機，通過上位機的處理在WinCC組態(tài)畫面中將各個從站的信息顯示出來。2 硬

8、件系統(tǒng)設(shè)計2.1 從站PLC系統(tǒng)的硬件組成整個從站系統(tǒng)共有9點開關(guān)量輸入，16點開關(guān)量輸出，4點模擬量輸人。選用S7-200型可編程控制器作為本系統(tǒng)控制的核心。由一塊CPU226、一塊EM235模擬量擴展模塊、一塊EM222數(shù)字量擴展模塊。整個從站的硬件組成如圖2-1所示：從站控制器S7-200自動切換模塊檢測模塊報警處理模塊顯示模塊圖2-1從站的硬件組成在從站系統(tǒng)中：自動切換模塊用于手/自動計量方式的切換，系統(tǒng)操作方式分為2種：手動操作方式，自動操作方式。操作方式的設(shè)定由安裝在電控柜面板上的“手動/自動”選擇開關(guān)確定，觸摸屏畫面設(shè)計“本地/遠程”選擇開關(guān)確定參數(shù)選擇方式。（1）手動控制方式

9、手動控制方式通過觸摸屏來完成，一般用于系統(tǒng)檢修狀態(tài)下的“單步操作”；閥件的閥位狀態(tài)；特定功能的管路通路閥位選擇，如回料、清洗、吹干管路等環(huán)節(jié)，可以遵守原有生產(chǎn)習慣選擇手動進行；控制電機啟停等。（2）自動控制方式自動方式能夠保證設(shè)備自動、連續(xù)生產(chǎn)。自動化生產(chǎn)可以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，并且操作方便，可基本不需要人工干預。檢測模塊由溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器等構(gòu)成，對計量裝置的溫度、壓力、液位等進行實時檢測；報警處理模塊用于顯示裝置中報警的量及通過按鈕對報警信息復位等；顯示模塊由TD200中文文本顯示器構(gòu)成，TD200顯示產(chǎn)量、含水，可設(shè)定計量時間、計量次數(shù)和純油密度等相關(guān)參數(shù)。2.2 主站

10、PLC的硬件組態(tài)2.2.1 主站PLC的硬件組態(tài)過程雙擊桌面上的圖標打開STEP7，單擊File New，在Name一欄中輸入工程名如“主站PLC硬件組態(tài)”，Storage一欄為存儲路徑，可自行改動如“G:我的設(shè)計plc 設(shè)計”，點擊OK按鈕。在主站PLC硬件組態(tài)欄的空白處右擊然后點擊Insert New Object選擇SIMATIC 300 Station。雙擊然后雙擊進入硬件組態(tài)畫面，我們先選擇SIMATIC 300中的機架RACK-300然后雙擊Rail進入。在1號機架中放入電源PS 307 10A，選中2號機架然后雙擊CPU 315-2DP。點擊New按鈕進入PROFIBUS DP屬

11、性對話框，設(shè)置如圖所示參數(shù)然后點擊OK按鈕，進入。其中新建DP網(wǎng)絡(luò)的站地址為2，此地址可根據(jù)需要進行設(shè)置。點擊OK按鈕進入圖2-1所示畫面，然后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置進行其他設(shè)備的組態(tài)。圖2-1 組態(tài)信息2.3.2 主站PLC組態(tài)圖主站系統(tǒng)采用S7-300型可編程控制器作為控制系統(tǒng)的核心，由一塊CPU315-2DP、一塊電源PS307 10A、一塊DI16xDC24V、一塊DO16xDC24V/0.5A、一塊AI8x12Bit、一塊AO2x12Bit和一塊CP343-1構(gòu)成，具體如圖2-11所示：其中PS307 10A為電源模塊，它將AC120/230電壓轉(zhuǎn)換為DC24V電壓，為主站控制器S7-300、

12、輸入/輸出模塊、執(zhí)行器等供電；CPU315-2DP具有大中規(guī)模的程序容量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對二進制和浮點數(shù)有較高的處理能力，有DP主站/從站接口或PROFINET接口，可以用于建立大規(guī)模的分布式I/O結(jié)構(gòu)；CP343-1是用于S7-300的全雙工以太網(wǎng)通信處理器，傳輸速率為10Mbit/s或100Mbit/s。CP343-1的15針D形插座用于連接工業(yè)以太網(wǎng)，允許AUI和雙絞線接口之間的自動轉(zhuǎn)換。RJ-45插座用于工業(yè)以太網(wǎng)的快速鏈接，可以使用電話線通過ISDN連接互聯(lián)網(wǎng)。CP343-1在工業(yè)以太網(wǎng)上獨立處理數(shù)據(jù)通信，有自己的處理器。通過它們S7-300可以與編程器、計算機、人機界面裝置和其他S7和

13、S5 PLC進行通信。圖2-2主站系統(tǒng)硬件組態(tài)圖2.4 整個系統(tǒng)硬件的上位機組態(tài)圖由于石油為易燃易爆行業(yè)，對安全性的要求很高，故在設(shè)計系統(tǒng)時應(yīng)考慮足夠的冗余。在本系統(tǒng)中設(shè)置了S7-300冗余主站，通常情況下它處于非工作狀態(tài)，只有當主站PLC處于故障狀態(tài)時它才進入工作狀態(tài)，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。在整個系統(tǒng)中工程師站用于監(jiān)控各個油井的計量信息并擁有對各個從站進行遠程操控的權(quán)限。整個系統(tǒng)的硬件組態(tài)如圖2-3：圖2-3 整個系統(tǒng)的硬件組態(tài)圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 從站的PLC控制程序設(shè)計從站系統(tǒng)的計量工藝流程為：首先將計量裝置進行初始化并檢測緩沖室內(nèi)的壓力是否達到500KP。若達到500KP則高氣壓

14、井壓油閥關(guān)閉，進油閥、隔離閥打開，根據(jù)連通器的原理知：計量室內(nèi)的油面將和緩沖室內(nèi)的油面相平。當計量室內(nèi)的油面上升到下射頻導納液位控制器控制器時，記下油面的高度L1同時定時器開始計時,當計量室內(nèi)的油面上升到上射頻導納液位控制器時，記下油面高度L2同時定時器停止工作,此時出油閥打開同時隔離閥關(guān)閉。當計量室內(nèi)液面下降到下射頻導納液位控制器時延時20S關(guān)閉出油閥同時打開分離閥，如此進行循環(huán)計量。在計量室排油過程中如果緩沖室內(nèi)的液面上升到上液位控制器時（一般未到出現(xiàn)這種情況時計量室內(nèi)的油已排盡），緩沖室上液位控制器報警燈亮同時進油閥關(guān)閉，直至計量室內(nèi)油排盡再次進入正常計量狀態(tài)；如果緩沖室內(nèi)的壓力未達到5

15、00KP，則打開高氣壓井壓油閥進行沖壓直至達到500KP再關(guān)閉，然后進入正常計量狀態(tài)。從站系統(tǒng)控制流程圖見附錄1。.3.2 主站PLC程序設(shè)計當主站PLC從WinCC接收到它的參數(shù)配置后，就開始同從站進行通信了。主站的參數(shù)配置包括參數(shù)化/組態(tài)數(shù)據(jù)，以及它所控制和聯(lián)系的從站地址。主站PLC正是通過參數(shù)化/組態(tài)數(shù)據(jù)這兩個報文識別屬于它的從站的。本系統(tǒng)中主站PLC主要用來讀取各個從站的數(shù)據(jù)信息，并將信息經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)傳給上位機。將上位機處理過的信息反饋給從站從而達到控制從站的目的，其中工業(yè)以太網(wǎng)實用的通信協(xié)議為TCP/IP。當從站系統(tǒng)有報警信息時，WinCC主畫面中相應(yīng)序號的從站報警指示燈開始閃爍，從

16、而我們可以直觀的觀察各個從站的計量狀況。其控制流程圖見附錄2。3.3 系統(tǒng)的WinCC組態(tài)3.3.1 WinCC軟件的相關(guān)介紹及其使用WinCC組態(tài)軟件是在生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中性系統(tǒng)。它提供了是用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板。高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的實用性。除此WinCC還可以實現(xiàn)信息的查詢、曲線擬合、參數(shù)設(shè)定、故障信息報警等功能。其使用過程如下：（1）新建工程項目雙擊桌面上的WinCC快捷圖標，打開WinCC界面，在WinCCExplorer界面中單擊“文件新建”或單擊工具欄中的按鈕，彈出“項目管理器”對話

17、框，選擇“單用戶項目”，單擊“確定”。在隨后彈出的對話框中的“項目名稱”一欄中，輸入新建項目的名稱，例如“整個系統(tǒng)的WinCC組態(tài)圖”，在右邊的“項目路徑”中，設(shè)定新建項目的保存路徑，單擊“創(chuàng)建”按鈕，完成新建項目的創(chuàng)建。（2）建立PROFIBUS-DP的連接通道在WinCCExplorer界面的左邊窗口中右鍵單擊“變量管理”，在彈出的菜單中選擇“添加新的驅(qū)動程序”，進入對話框中，單擊“SIMATIC S7 Protocol Suite.chn”，并單擊“打開”按鈕，完成驅(qū)動程序的添加。在WinCCExplorer界面的左邊窗口中的“變量管理”文件夾下會顯示剛才所添加的驅(qū)動程序，右鍵單擊“MP

18、I”通道的圖標。單擊“新驅(qū)動程序的連接”，進入“連接屬性”對話框，可以在“名字”框中為新建的連接重新命名，單擊“屬性”按鈕，進入“連接參數(shù)”對話框，根據(jù)CPU315-2DP組態(tài)的信息，設(shè)定“站地址”（CPU315-2DP的站地址）、“段ID”、“機架號”（CPU315-2DP的機架號）、“插槽號”（CPU315-2DP的插槽號），然后單擊“確定”按鈕。單擊“系統(tǒng)參數(shù)”，進入系統(tǒng)參數(shù)對話框，在“邏輯設(shè)備名稱”中選擇“CP5611（MPI）”。在WinCCExplorer界面的左邊窗口中的“變量管理SIMATIC S7 Protocol SuiteMPI”文件夾下會顯示剛才所添加的驅(qū)動連接，右鍵單

19、擊此驅(qū)動連接，在彈出的菜單中單擊“新建變量”，會彈出對話框，設(shè)定變量的名稱（例如Var1）和數(shù)據(jù)類型（浮點數(shù)）。單擊“選擇”設(shè)定新建變量對應(yīng)的PLC中的地址（例如MD10），這樣Wincc中的變量Var1對應(yīng)PLC中的地址就是MD10。（3）建立畫面在WinCCExplorer界面的左邊窗口中，右鍵單擊“圖形編輯器”，在彈出的菜單中單擊“新建畫面”，新建一個畫面，進入畫面編輯界面“Graphics Designer”。（4）通過輸入/輸出域控制變量在Graphics Designer界面中，找到“對象選項板智能對象”，打開“智能對象”文件夾，單擊“輸入/輸出域”，在畫面區(qū)中鼠標會變成，將鼠標指

20、向放置智能對象的地方，拖動至所需要的大小后釋放，會彈出對話框，在“變量”框中輸入變量的名稱（此名稱必須首先在 “變量管理”中創(chuàng)建，例如上面建立的外部變量“Var1”）。在畫面窗口中右鍵單擊任意一個對象（例如新建的輸入/輸出域1），在彈出的菜單中單擊“屬性”，會彈出屬性對話框，可以更改對象的屬性。用同樣的方法在畫面區(qū)添加窗口對象“按鈕”，打開屬性對話框，選擇“事件”窗口，單擊左面窗口中的“按鈕鼠標”，選擇鼠標對應(yīng)的動作（例如按左鍵的動作）右鍵單擊，會彈出提示選擇腳本語言的菜單。例如讓變量Var1的值為1.23，在C動作編輯器中可以輸入“SetTagFloat("Var1",1

21、.23);”，在VBS動作編輯器中可以輸入“hmiruntime.Tags ("Var1").Write 1.23”，在“直接連接”對話框中可以進行設(shè)置。（5）通過按鈕控制變量（6）通過曲線和表格的形式實時顯示變量的變化在“對象選項板”中，找到“Wincc Online Table Control”控件，將此控件添加到畫面區(qū)，在彈出的對話框中，在“常規(guī)”選項下，設(shè)定趨勢曲線控件的名稱、數(shù)據(jù)源（在線變量指當前實時顯示的變量，歸檔變量指Wincc歷史數(shù)據(jù)庫中的變量數(shù)據(jù)）、及顯示的狀態(tài)。同樣通過控件“Wincc Online Trend Control”可以以表格的形式顯示變量。

22、3.3.2 整個系統(tǒng)的WinCC組態(tài)整個系統(tǒng)的WinCC組態(tài)分為系統(tǒng)主畫面（如圖3-1）和各個從站的組態(tài)畫面（如圖3-2）。在系統(tǒng)主畫面中集成了整個油田系統(tǒng)的所有從站以及各自的報警指示燈，如果在系統(tǒng)運行過程中某個從站出現(xiàn)了報警信息（如壓力、溫度或液位超高等）則相應(yīng)的報警指示燈就會閃爍起來，我們可以根據(jù)指示燈點擊相應(yīng)的從站按鈕從而進入從站系統(tǒng)，根據(jù)相應(yīng)值及從站報警系統(tǒng)來確定故障源，進而消除故障。圖3-1系統(tǒng)主畫面在從站系統(tǒng)組態(tài)畫面中我們對計量系統(tǒng)實物進行了圖形化模擬并集成了各個變量的報警指示燈，若有變量超出額定范圍時相應(yīng)的報警指示燈將會閃爍，除此之外我們還對緩沖室液位和計量室液位設(shè)置了棒圖顯示系

23、統(tǒng)，實現(xiàn)了對緩沖室和計量室油面高度的實時監(jiān)控。通過I/O域?qū)⒕彌_室和計量室的壓力和溫度值實時顯示出來，以便我們更好的控制計量系統(tǒng)。按下主畫面按鈕我們將返回系統(tǒng)主畫面。圖3-2 從站系統(tǒng)組態(tài)畫面4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計4.1 相關(guān)技術(shù)簡介4.1.1 PROFIBUS概述（1）PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其他領(lǐng)域自動化。（2）PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、PROFIBUS-PA(ProcessAutomation)、PROF

24、IBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification)。（3）PROFIBUS-DP:是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號傳輸。（4）PROFIBUS-PA:專為過程自動化設(shè)計，可使傳感器和執(zhí)行機構(gòu)連在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。（5）PROFIBUS-FMS:用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實時多主網(wǎng)絡(luò)。（6）PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動

25、化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。4.1.2 PROFIBUS傳輸技術(shù)PROFIBUS提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型:（1）用于DP和FMS的RS485傳輸。（2）用于PA的IECI158-2傳輸。（3）光纖。 用于DP/FMS的RS485傳輸技術(shù)。由于DP與FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因而，這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時操作。RS-485傳輸是PROFIBUS最常用的一種傳輸技術(shù)。這種技術(shù)通常稱之為H2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。RS-485傳輸技術(shù)基本特征:4.1.3 PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)在需要快速響應(yīng)和數(shù)據(jù)交換量不大的現(xiàn)場級，適宜應(yīng)用PROFIBBUS-DP現(xiàn)場總

26、線。PROFIBUS-DP是開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng)，符合歐洲標準和國際標準。這種現(xiàn)場總線也是用于過程自動化現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP的基礎(chǔ)。PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線有以下特性:（1）符合于歐洲標準EN50170（2）符合于IEC61158-3標準品種齊全的現(xiàn)場總線部件經(jīng)過雙絞線或光纜的數(shù)據(jù)傳輸能進行自動化系統(tǒng)的柔性和模塊化設(shè)計并能與執(zhí)行器傳感器接口相連節(jié)省接線費用，最多可連接125個節(jié)點，沒個總線段最多32個節(jié)點；傳輸速率最大為12Mbit/s，響應(yīng)時間短；傳輸距離可達23.8km；通過各種專用集成電路(ASIC)和接口模塊，簡化設(shè)備的連接。PROFIBUS-DP區(qū)分主動和被動兩種總線節(jié)

27、點。其各自的特點如下：主動節(jié)點：（1）主設(shè)備，可編程序控制器，如S7-300/S7-400，M7-300/M7-400（2）基于PC的控制系統(tǒng)，例如WinAC（3）SIMATIC編程設(shè)備和PC（4）HMI設(shè)備（5）機器控制器，例如SINOMERIK（6）控制系統(tǒng)，例如SIMADYN（7）第三方PLC被動節(jié)點（從設(shè)備）：（1）分布式I/O SIMATIC ET200（2）控制器，例如S7-200/S5-300和S5-95U/DP；（3）驅(qū)動器或人-機界面等現(xiàn)場設(shè)備；（4）過程技術(shù)的現(xiàn)場設(shè)備，例如SITRANS（5）第三方現(xiàn)場設(shè)備；PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線可用雙絞線電纜，光纜或混合配置方式安

28、裝。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點共享傳輸介質(zhì)。因此，系統(tǒng)需要控制對網(wǎng)絡(luò)的訪問。PROFIBUS-DP按“主/從令牌通行”訪問網(wǎng)絡(luò)，只有主動節(jié)點才能接受訪問網(wǎng)絡(luò)的權(quán)利。通過從一個主站將令牌傳送給下一個主站來傳遞訪問網(wǎng)絡(luò)的權(quán)利。如果不需要發(fā)送，令牌就傳給下一個主站。被動的總線節(jié)點是直接通過主模塊的輪詢來分配的。最大的電纜長度取決波特率(傳輸速度),最大的電纜長度可以通過使用中繼器來增加，但是串聯(lián)起來聯(lián)結(jié)的中繼器最多不能超過3個。最大的電纜長度在下表中被給出，它僅保證在使用PROFIBUS電纜的前提下有效。(例如，西門子PROFIBUS電纜 MRPD 6XV IB3O-OAHIO)電纜長度一覽表如表4-1所示:表4

29、-1 電纜長度一覽表波特率在一段中最大的電纜長度（m）在兩個站之間的最大距離(m)9.6K-187.5K100010000500K40040001.5K20020003到12M1001000PROFIBUS接口模塊：總線連接器。西門子提供了兩種網(wǎng)絡(luò)連接器，一種連接器僅提供連接到CPU的接口，而另一種增加了一個編程接口。利用西門子提供的兩種網(wǎng)絡(luò)連接器可以把多個設(shè)備很容易的連接到網(wǎng)絡(luò)中。兩種連接器都有兩組螺制絲端子，可以連接網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出。4.1.4 系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE802.3的強大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)。利用工業(yè)以太網(wǎng)，SIMATIC NET提供了個無縫集成到新的多媒體世界

30、的途徑。通過交換技術(shù)提供實際上沒有限制的通訊性能。各種各樣聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，例如辦公室環(huán)境和生產(chǎn)應(yīng)用環(huán)境的聯(lián)網(wǎng)。通過接入WAN(廣域網(wǎng))可實現(xiàn)公司之間的通訊，例如，ISDN或Intemet的接入。SIMATICNET基于經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用驗證的技術(shù)，SIMATIC NET已供應(yīng)多于400，000個節(jié)點，遍布世界各地，用于嚴酷的工業(yè)環(huán)境，包括有高強度電磁干擾的區(qū)域。4.1.5 工業(yè)以太網(wǎng)的構(gòu)成一個典型的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，有以下三類網(wǎng)絡(luò)器件：（1）網(wǎng)絡(luò)部件（2）連接部件:FC快速連接插座；ELS(工業(yè)以太網(wǎng)電氣交換機)；ESM(工業(yè)以太網(wǎng)電氣交換機)；SM(工業(yè)以太網(wǎng)光纖交換機)；MCTPII(工業(yè)以太網(wǎng)光纖電

31、氣轉(zhuǎn)換模塊)。（3）通信介質(zhì):普通雙絞線，工業(yè)屏蔽雙絞線和光纖SIMATIC PLC控制器上的工業(yè)以太網(wǎng)通訊外理器。用于將SIMATIC PLC連接到工業(yè)以太網(wǎng)。PG/PC上的工業(yè)以太網(wǎng)通訊外理器。用于將PG/PC連接到工業(yè)以太網(wǎng)。4.1.6 工業(yè)以太網(wǎng)的重要性能為了應(yīng)用于嚴酷的工業(yè)環(huán)境，確保工業(yè)應(yīng)用的安全可靠，SIMATICNET為以太網(wǎng)技術(shù)補充了不少重要的性能，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)上與IEEE802.3/802.3u兼容，使用ISO和TCP/IP通訊協(xié)議。通過帶有RJ45技術(shù)、工業(yè)級的Sub-D連接技術(shù)和安裝專用屏蔽電纜的FastConnect連接技術(shù)，確?，F(xiàn)場電纜安裝工作的快速進行；簡單高效的

32、信號裝置不斷地監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)元件；符合SNMP(簡單的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)；可使用基于web的網(wǎng)絡(luò)管理。使用VB/VC或組態(tài)軟件即可監(jiān)控管理網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)總線正因為有諸多的優(yōu)點，在國內(nèi)外逐步得到了迅速的普及，現(xiàn)在已經(jīng)有大量的配套產(chǎn)品在使用中。如工業(yè)以太網(wǎng)HUB，工業(yè)以太網(wǎng)防火墻產(chǎn)，工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)，以太網(wǎng)轉(zhuǎn)RS232/RS485設(shè)備，以太網(wǎng)A/D模塊，以太網(wǎng)D/A模塊，以太網(wǎng)AI模塊，以太網(wǎng)AO模塊，以太網(wǎng)DI模塊，以太網(wǎng)DO模塊及復合功能模塊。4.2 主站與從站系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計PROFIBUS-DP從站模塊EM277用于將S7-200 CPU連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中，波特率為9.6Kbit/

33、s12Mbit/s。EM277是智能模塊，能適應(yīng)通信速率，其RS-485接口是隔離型的。作為DP從站，EM277接收來自主站的I/O組態(tài)，向主站發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。主站可以讀寫S7-200的V存儲區(qū)，每次可以與EM277交換1128B的信息，EM277只能作從站。不需要在S7-200一側(cè)對PROFIBUS-DP通信組態(tài)和編程。但需要在STEP7中對S7-300和EM277組態(tài)，在S7-200中，只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到組態(tài)時指定的V存儲區(qū)或者在組態(tài)時指定的V存儲區(qū)中讀取接收的數(shù)據(jù)就可以了。在STEP 7的SIMATIC管理器中，生成一個項目，CPU模塊的型號為CPU315-2DP。選中該站點后，點

34、擊右邊窗口的“硬件”圖標，打開硬件組態(tài)工具如圖2-11所示。雙擊“DP”所在的行，點擊打開的對話框的“常規(guī)”選項卡中的“屬性”按鈕(如圖4-1所示)，在出現(xiàn)的對話框的“參數(shù)”選項卡中設(shè)置站地址，默認站地址為2。點擊“新建”按鈕，生成一條PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。點擊“確定”按鈕返回HW Config。圖4-1 DP屬性對話框在右側(cè)窗口的設(shè)備列表中找到EM277從站“EM277 PROFIBUS-DP”用鼠標左鍵將它“拖放”到左邊窗口中的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)上。用鼠標選中EM277從站，打開右邊窗口的設(shè)備列表中的“EM277 PROFIBUS-DP”文件夾，根據(jù)實際系統(tǒng)的需要選擇傳送的通

35、信字節(jié)數(shù)。雙擊網(wǎng)絡(luò)上的EM277從站，打開DP從站屬性對話框（如圖4-2）。點擊“常規(guī)”選項卡中的“PROFIBUS”按鈕，在打開的接口屬性對話框中，設(shè)置EM277的站地址為3。在“參數(shù)賦值”選項卡中（如圖4-3所示），設(shè)置“I/O Offset in the V-memory”（V存儲區(qū)中的I/O偏移量）為100，即用S7-200的VB100VB115與S7-300的IB0IB7和QB0QB7交換數(shù)據(jù)。圖4-2 DP從站屬性對話框圖4-3 DP參數(shù)屬性設(shè)置4.3 主站和WinCC之間的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計首先在STEP 7中進行主站PLC的硬件組態(tài)，組態(tài)圖見圖2-11。修改CP343-1的參數(shù)，增加

36、一個以太網(wǎng)絡(luò)，因為在WinCC中使用的通道是Industrial Ethernet，故激活復選框Set MAC address/user ISO protocol，并設(shè)定MAC地址。由于網(wǎng)絡(luò)使用的是TCP/IP通信協(xié)議，則激活復選框IP Protocol is being used，并設(shè)定IP地址及子網(wǎng)掩碼。將組態(tài)好的配置下載到PLC中。打開WinCC并添加驅(qū)動程序SIMATIC S7 Protocol Suite，如圖3-4所示，在通道單元Industrial Ethernet的快捷菜單中選擇“新驅(qū)動程序的鏈接”菜單項，打開“連接屬性”對話框，輸入連接名稱，如圖4-4所示。圖4-4“連接”屬

37、性對話框單擊“屬性”按鈕，打開“連接參數(shù)-Industrial Ethernet”對話框，在“以太網(wǎng)地址”文本框中按格式輸入所要連接的PLC上的通訊處理器地址。此地址應(yīng)和前面設(shè)置的MAC地址相同。在“機架號”文本框中輸入CPU所在的機架號，在“插槽號”文本框中指定CPU所在的插槽號。此處應(yīng)輸入的是CPU的插槽號。不是通訊處理器的插槽號。如果通訊處理器不是集成在PLC的CPU上，則CPU與通訊處理器的插槽號不同。5 系統(tǒng)的安裝及相關(guān)接地概述5.1 系統(tǒng)的安裝5.1.1 PROFIBUS電纜的連接和安裝PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)選用專用的DP電纜，按照網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，使用專用的安裝工具連接接頭，組成若

38、干段PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)。在安裝連接過程中應(yīng)當注意以下幾個方面：（1）每個網(wǎng)段的開始和結(jié)束，DP接頭都是“Incoming”；（2）每個網(wǎng)段的開始和結(jié)束，終端電阻都打到“on”的狀態(tài)；（3）在一個PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)里，使用中繼器最多可以擴展4個網(wǎng)段；（4）紅色電線為“”，綠色電線為“”；（5）系統(tǒng)可靠的接地，電纜屏蔽層的連接；（6）A、B兩線電纜不能結(jié)反；（7）使用專用的剝線工具進行安裝；（8）使用標準的DP電纜；（9）使用專用的檢測工具檢測連接情況；（10）信號電纜和電源電纜分開走線等。5.1.2 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的連接用DP連接器把剝制好的電纜按照PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)

39、正確的拓撲結(jié)構(gòu)（如圖5-1所示）形式連接起來。此時應(yīng)注意：A、紅色電線和綠色電線在連接器中的位置；B、整個網(wǎng)絡(luò)兩端連接器的電纜的進線方向；C、網(wǎng)絡(luò)的主、從站配置等情況。5.1.3 終端電阻配置使用連接好的電纜段，按照PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的連接規(guī)則設(shè)計DP網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)中包含一個主站和幾個從站，主站可以放在網(wǎng)絡(luò)的任何位置，根據(jù)需要也可以配置有關(guān)的中繼器，然后在每個網(wǎng)段正確配置終端電阻。（a）PROFIBUS-DP單主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1類主站2類主站從站從站從站1類主站2類主站從站從站1類主站從站從站中繼器DP/PA耦合器（b）PROFIBUS-DP多主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖從站從站從站DPDPDPPAP

40、A圖5-1 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖5.1.4 BT200的使用BT200是西門子公司為檢測PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的連線及從站情況開發(fā)的檢測工具。在使用過程中，需要有一個測試終端塊（Test Plug or Dongle）配合使用。測試線路時，把終端塊放在線路的一端，把BT200接在線路中的總線連接器上，然后一段一段地向后測試，直到把線路全部測試完。如圖5-2所示為BT200測試線路的過程示意圖。圖5-2 BT200測試線路的過程示意圖使用BT200對線路測試時必須像逐段測試，以避免當錯誤同時存在于2個連接器上時出現(xiàn)漏檢，例如當A、B信號線在2個鄰近的連接器上同時接反的情況。BT200可

41、以測試到網(wǎng)段DP電纜的長度，A、B兩相的接線情況，終端電阻的情況，反射的情況，屏蔽層的情況等等，輔助電氣工程師正確完成現(xiàn)場接線。同時BT200還可以檢測DP網(wǎng)絡(luò)上從站的情況，可以檢測到整個網(wǎng)絡(luò)上DP從站的地址以及每個DP從站的RS-485通訊接口是否良好等。5.2 相關(guān)接地概述5.2.1 接地的作用 （1）給計算機控制系統(tǒng)故障電流提供一個低阻抗的入地通道，防止人身觸電傷亡和設(shè)備損壞故障。（例如：電源線與設(shè)備外殼短路；雷電電擊設(shè)備外殼） （2）消除各電路電流流經(jīng)一個公共地阻抗是產(chǎn)生噪聲電壓，避免電磁場和地電位差的影響，使其不能形成地環(huán)路，提高抑制干擾能力。 （3）給控制系統(tǒng)建立一個基準電壓，保證

42、系統(tǒng)穩(wěn)定、正常工作。5.2.2 接地的種類 （1）安全保護地：控制系統(tǒng)金屬外殼的接地。（2）屏蔽地：防止電磁輻射的接地。 （3）交流地：交流電的零線，應(yīng)與保護地嚴格的區(qū)分開。 （4）直流地：直流電“地”零電位參考點。 （5）模擬地：模擬器件（如放大器、A/D，比較器等）的零電位參考點。 （6）數(shù)字地（邏輯地）：數(shù)字電路的零電位參考點。 第1，2種地必須接大地電位；第3種接電力系統(tǒng)的零線；第4，5，6種接系統(tǒng)地（工作地，參考地），它們可以是大地電位，也可以不是大地電位，僅是零電位的參考點。5.2.3 接地技術(shù) （1）安全保護地安全保護地的接線示意圖見如圖5-3。圖5-3 保護地（2）屏蔽地 為防

43、止電磁干擾，金屬罩，屏蔽的雙絞線的金屬層，變壓器初/次間的金屬屏蔽層等都應(yīng)接保護地。至于一點還是多點接地視具體情況而定。 （3）交流地 交流地就是電工的接零 N，有企業(yè)配電系統(tǒng)提供。 5.2.4 S7-300 接地（1）CPU接地圖5-4參考電位接地的S7-300組態(tài)如果要實現(xiàn)參考電位接地，則一定不能將跨接線從CPU上扯下。圖5-5參考電位接地的CPU（2）CPU浮地如果沒有安裝跳線，那么S7-300的參考電位是通過RC電路和導軌與保護性接地導體內(nèi)部相連接的。這樣將寄生的高頻電流放電并將靜電放掉。為了建立浮動參考電勢，將CPU上的M端子和功能地上的跨接線去掉。圖5-5 CPU浮地連接（CPU3

44、13至318-DP）（3）系統(tǒng)部分接地舉例（主站PLC部分如圖5-6）圖5-6主站PLC接地結(jié)論經(jīng)過自己不懈地努力，基于PLC控制的油田自動計量系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)成型。鑒于水平有限，其中難免會有很多不完美的地方，但是相信以這次設(shè)計為起點，自己在以后的學習中會有很大的進步。首先，通過與老式計量系統(tǒng)的比較，采用PLC控制后，油田計量系統(tǒng)真正實現(xiàn)了自動化，特別是針對低產(chǎn)間歇油井的計量問題，我將系統(tǒng)設(shè)計成了具有緩沖室和計量室的綜合計量系統(tǒng)，利用連通器的原理保持量油室液面的平穩(wěn)，并采用射頻導納液位控制器，很好地解決了探頭掛料、卡死等現(xiàn)象，從而徹底解決了低產(chǎn)間歇油井的產(chǎn)油量低以及間隔時間不定等計量難題。系統(tǒng)的技術(shù)特點為：（1）可自動連續(xù)24h計量；（2）具有“單