畢業(yè)設(shè)計（論文）-稱重式油井產(chǎn)量計量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集與控制單元設(shè)計

遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計〔論文〕GraduationProject(Thesis)forUndergraduateofLSHU題目稱重式油井產(chǎn)量計量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集與控制單元設(shè)計TITLETheoutputmeasurementsystemofweightingpetroleum-wellandthedataacquisitionandthedesignofthecontrolunit學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院SchoolInnovationandentrepreneurshipCollege專業(yè)班級實驗1202Major&ClassExperiment1202姓名Name指導(dǎo)教師Supervisor2021年6月10日論文獨創(chuàng)性聲明本人所呈交的論文，是在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，獨立進行研究和開發(fā)工作所取得的成果。除文中已特別加以注明引用的內(nèi)容外，論文中不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的工作做出重要奉獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明并致謝。本聲明的法律結(jié)果由本人承當(dāng)。特此聲明。論文作者〔簽名〕：年月日摘要隨著經(jīng)濟的飛速開展，能源問題日益成為一個世界性的難題，也一直是中國經(jīng)濟開展中的熱點和難點問題。石油對經(jīng)濟建設(shè)的重要性，決定了石油企業(yè)在國民經(jīng)濟中的重要地位。而石油企業(yè)的競爭力又決定于油田的產(chǎn)量及綜合管理水平，因此，做好油井的產(chǎn)量計量工作具有重要的意義。及時、準(zhǔn)確的計量油井產(chǎn)量，并根據(jù)產(chǎn)量變化及時掌握和分析油井生產(chǎn)情況，是油井計量工作的根本目標(biāo)，對于制定生產(chǎn)方案和油井管理水平的提高具有重要的指導(dǎo)意義。目前，常規(guī)油井產(chǎn)量計量的方法受環(huán)境影響大，且未全面實現(xiàn)對多井全自動連續(xù)計量，對此本文提出了一種新的計量方案，這種新的計量方案可對多路來油進行自動選井計量，并且能消除稠油粘結(jié)帶來的影響。本文主要完成的工作如下：(1)對國內(nèi)外相關(guān)油田、油井的計量技術(shù)和方法的優(yōu)缺點進行比擬，同時對相關(guān)技術(shù)在實際工程的應(yīng)用和開展前景進行論述。(2)根據(jù)常規(guī)油井計量方法的缺乏，在現(xiàn)有的翻斗式原油計量方法的根底上，本文研究了一種新型的油井計量方案，方案中提出了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與自動控制方面的要求及一種新型油井計量原理——力矩平衡原理。并且設(shè)計了一套多口油井共用的計量裝置；并對新型的計量原理在理論上進行了研究，分析了誤差來源及計量精度，驗證了方案的可行性。(3)對計量裝置的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，根據(jù)已提出的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，對計量裝置的各部件進行了設(shè)計。設(shè)計內(nèi)容包括主要局部機械結(jié)構(gòu)的作用分析、部件選材、部件尺寸確定及各局部結(jié)構(gòu)之間的相對位置。(4)根據(jù)已提出的自動控制要求，對自動控制系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計與選型，包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計、PLC與儀表的選型及硬件接線。(5)通過對計量過程的分析，確定了計量系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的功能，并由PLC和工控機分別完成。在工控機上開發(fā)監(jiān)控畫面、對數(shù)據(jù)進行必要的計算處理，PLC采集現(xiàn)場設(shè)備信號，利用PPI電纜實現(xiàn)PLC與工控機的通訊。在監(jiān)控畫面上，通過簡單的人機交互，實現(xiàn)必要參數(shù)的設(shè)置，從而實現(xiàn)計量裝置的全自動計量過程。關(guān)鍵詞：翻斗式計量裝置;計量原理;自動選井;PLC通訊AbstractWiththerapiddevelopmentofeconomy,theenergyissuehasbecomeaworldwideproblem,andhasalsobeenahotanddifficultprobleminthedevelopmentofChineseeconomy.Theimportanceofoilontheeconomicconstruction,decidedtheoilcompaniesareontheimportantpositioninthenationaleconomy.Becausethecompetitionabilityofoilenterprisebasesontheiroilproductionandthecomprehensivemanagementlevel,sotheoutputofoilWellsmeasurementisofgreatsignificance.Thebasicgoalofoilwellmeasurementworkisaccuratemeasurementoftheoilwellproductionontime,changecontrolintimeandanalysetheoilwellproductionsituationaccordingtotheproduction,whichhasimportantguidingsignificanceformakingtheproductionplanandraisethelevelofmanagement.Atpresent,theconventionalmethodsofoilproductionmeasurementareaffectedlargelybyenvironmental,andcannotrealizecontinuouslyandautomaticallymeasuremanyoilwells,soastosolvethisproblem,thisarticleputsforwardanewmeasurementsolutions.Thisnewmeasurementschemescanautomaticallychooseanoilwellmeasurement,andcaneliminatetheeffectsofheavyoilbond.Thispapermainlycompletedworkareasfollows:Firstly,itcomparedtheadvantagesanddisadvantagesofmeasuringtechnologyandmethodrelatedtotheoilfieldandoilwellsintheinlandandforeigncountries,then,discussedtheapplicationinpracticalengineeringanddevelopmentprospectsofrelevanttechnology.Secondly,accordingtoconventionalmethod'sshortcomingsofmeasureoftheoilwellsandonthebasisofexistingtipper-hoppercrudeoilmeasurementmethods,thispaperstudiesanewtypeofoilwellmeasuringscheme,whichputsforwardseveralrequirementsonthemechanicalstructuredesignandautomaticcontrol,presentanewoilwellsmeasuringprinciple—momentbalanceprinciple,anddesignsasetofcommonmeasurementdeviceshowsbyoilwells;Thispaperalsostudiesthenewmeasuringprincipleintheory,analyzestheerrorsourcesandmeasurementprecision,andverifiesthefeasibilityofthescheme.Thirdly,Idesignthemechanicalstructureofmeteringdevice,accordingtothemechanicalstructuredesignrequirementsputforwardbefore,anddesigncomponentsofthemeteringdevice.Thedesigncontentincludingthefunctionanalysisofmainpartsofmechanicalstructure,choosingmaterialsformechanicalcomponents,andtodeterminethesizeoftherelativepositionbetweeneverystructure.Fourthly,accordingtotheautomaticcontrolrequirementsputforwardbefore,dohardwaredesignfortheautomaticcontrolsystemandthehardwareselection,includingthenetworkstructuredesign,PLCandinstrumentsselectionandhardwareconnection.Fifthly,gettingthroughtheanalysisofmeasurementprocess,determinethefunctionthemeasurementsystemshouldberespectivelyrealizedbyPLCandindustrialPC.Ontheindustrialcomputerwedevelopmonitorscreen,performnecessarydatacalculation;PLCcollectslocalequipmentsignal;buildsthecommunicationbetweenPLCandindustrialPCbyusingofPPIcable.Onthemonitorscreen,throughthesimplehuman-computerinteraction,wecansetnecessaryparameters,soastorealizethemeteringdevice'sautomaticmeasuringprocess.Keywords:Tipper-hoppermeasuringdevice,Measuringprinciple,Automaticallyselectingwell,PLCcommunication目錄1緒論 11.1油井產(chǎn)量計量的現(xiàn)狀 11.2國內(nèi)外技術(shù) 11.3油井計量技術(shù)存在的問題 31.4主要研究內(nèi)容 42總體方案設(shè)計 62.1機械結(jié)構(gòu)簡介 62.1.1多通閥 72.1.2傘形氣液別離器 82.1.3承液盤 82.1.4計量料斗 92.1.5連通管 102.1.6浮子調(diào)節(jié)閥 102.2主要性能參數(shù)確實定 112.3控制系統(tǒng)的設(shè)計方案 112.3.1計量裝置機械結(jié)構(gòu) 112.3.2自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 112.4控制系統(tǒng)的設(shè)計要求 122.5工作原理 133計量系統(tǒng)的硬件設(shè)計 153.1PLC根本結(jié)構(gòu)與性能 153.1.1PLC的產(chǎn)生背景 153.1.2PLC的特點 153.1.3PLC的硬件組成 16的主要性能指標(biāo) 183.2控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 193.2.1自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計 193.2.2自動控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能 213.3自動控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的要求 223.4上位機的硬件設(shè)計〔工控機〕 233.5下位機〔plc〕選型及模塊配置 243.5.1PLC的機型選擇 243.5.2確定I/O點數(shù) 243.5.3容量估算 253.5.4模塊選型 263.6傳感器選型 273.6.1稱重力傳感器的選型 303.6.2溫度變送器選型 303.6.3壓力變送器與差壓變送器選型 313.6.4接近開關(guān)選型 324控制系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)與通信 334.1網(wǎng)絡(luò)概述 33聯(lián)網(wǎng)目的 33網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 33通信方式 34網(wǎng)絡(luò)配置 354.2WinCC組態(tài)軟件 364.2.1WinCC組態(tài)軟件簡介 36組態(tài)過程的實現(xiàn) 374.3網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議 414.4PLC與上位機通訊 415結(jié)論 43參考文獻 45謝辭 47TOC\o"1-3"\p""\h\z\u1緒論1.1油井產(chǎn)量計量的現(xiàn)狀油井產(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(zhǔn)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(dǎo)意義。目前國內(nèi)各油田采用的油井產(chǎn)量計量方法主要有玻璃管量油孔板測氣、翻斗量油孔板測氣、兩相別離密度法和三相別離計量方法等。隨著技術(shù)的進步,油田越來越需要功能強、自動化程度高的油井計量設(shè)備以提高勞動生產(chǎn)率和油田的管理水平。油井產(chǎn)量的準(zhǔn)確及時計量是油田生產(chǎn)管理中的一項重要工作,對掌握油藏狀況和制定生產(chǎn)方案,具有積極的作用。傳統(tǒng)的油井產(chǎn)量計量設(shè)備簡單、耗資少，且無法實現(xiàn)油井產(chǎn)量的連續(xù)計量，只能近似的求出油井產(chǎn)量，原油系統(tǒng)誤差比擬大。例如兩相別離儀表計量裝置中使用的質(zhì)量流量計往往會受計量裝置中的氣體含量、安裝位置以及結(jié)蠟等因素影響，從而使計量精度存在一定的誤差。而三相別離裝置比擬麻煩，不僅需要的設(shè)備多、儀表多，而且操作難度大、流程復(fù)雜、難于管理且維修費用高。其精度性、可靠性及適應(yīng)性等方面難以到達要求。而稱重式油井計量裝置是一種集別離與計量功能于一身的裝置,具有占地面積小、投資省、計量精度高、操作簡便、能耗小、勞動強度低等特點,能夠替代傳統(tǒng)立式油井計量別離器量油。1.2國內(nèi)外技術(shù)目前油井生產(chǎn)系統(tǒng)流程為延續(xù)了40多年傳統(tǒng)的“單井一計量站一接轉(zhuǎn)站〔或聯(lián)合站〕〞的“三級布站〞模式。國內(nèi)所采用的計量方式主要有立、臥式兩相別離器。人工取樣化驗含水率，智能渦輪測氣儀測氣。與國內(nèi)相比，在采出過程，轉(zhuǎn)油站，聯(lián)合站，油氣輸送網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)的自動化程度與使用的技術(shù)根本相同，只是某些設(shè)備比國內(nèi)先進。外輸與計量系統(tǒng)的控制主要包括精度計量系統(tǒng)的控制、罐區(qū)自動控制、換熱及泵或壓縮機的自動控制，其他輔助設(shè)備的控制，平安系統(tǒng)的自動控制等。這些自動控制系統(tǒng)從技術(shù)方面講都比擬常規(guī)，只是國外主要設(shè)備先進，自動化程度較高。國內(nèi)的計量系統(tǒng)的控制可以實現(xiàn)自動計量過程，但自動化程度不高，設(shè)備不夠先進，與國外的計量系統(tǒng)存在差距[1]。美國、蘇聯(lián)的油井計量裝置整體自動化水平比我們高。其計量裝置中選井控制，界面、液位控制，計量過程都實現(xiàn)了自動化；選井閥有多通閥也有三通閥，而我國選井多采用手動，這就使自動化水平降低很多。美國的微機應(yīng)用水平高，性能穩(wěn)定可靠，而我們的微機在油井計量中的應(yīng)用才剛剛開始，其可靠性、穩(wěn)定性、技術(shù)水平等都不理想[2]。在油井計量中，采用多通閥選井，整個計量過程中針對不同階段，采用不同的計量方法。按照最惡劣的情況建設(shè)設(shè)計油田，即采用三相別離計量法，隨著開采進行原油中含水率的升高，由最初的兩相別離法逐漸過渡到采用三相別離法。為了實現(xiàn)在線連續(xù)計量，可以結(jié)合一些儀表配套使用[3]。隨著世界自動化技術(shù)的飛速開展，我國油氣田自動化技術(shù)也得到了快速提高。在采油井的產(chǎn)液量、含水率和產(chǎn)氣量的計量上，為適應(yīng)低產(chǎn)油井的需要，提出了許多新的計量方法，研制了相應(yīng)設(shè)備，如三相不別離計量、功圖法量油；生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)PLC、DCS和SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用。另外，隨著老油田進入高含水期，油井計量的難度越來越大，提高目前井口計量精度和管理水平，已成為油田生產(chǎn)中亟待解決的一個重要課題。油氣田生產(chǎn)過程監(jiān)測控制和企業(yè)管理一體化信息技術(shù)，是未來油氣田自動化開展的主要方向[4]。(1)向儀表化方向開展。隨著技術(shù)的進步及各種氣體和液體流量計的廣泛應(yīng)用，油井產(chǎn)量計量中采用操作讀數(shù)方便簡單的儀表成為必然趨勢。(2)向高精度方向開展。隨著油田開發(fā)的進行，生產(chǎn)狀況越來越難以掌握，為了及時的掌控油田生產(chǎn)情況，高精度儀表的使用成為必須的條件。另外高精度儀表的本錢隨著技術(shù)的不斷成熟，本錢越來越低，促使其應(yīng)用范圍不斷擴大。(3)向快速化方向開展。隨著經(jīng)濟開展的加速，為了及時掌控油田油井的生產(chǎn)裝況，必須縮短油井產(chǎn)量的計量周期，提高計量速度。(4)向自動化方向開展。自動化技術(shù)的應(yīng)用降低了人工勞動強度，提高了勞動生產(chǎn)效率。在油井產(chǎn)量的計量過程實現(xiàn)自動化生產(chǎn)既是現(xiàn)下的目標(biāo)，也是將來開展的唯一方向。1.3油井計量技術(shù)存在的問題(1)計量時間短，誤差大傳統(tǒng)油井計量流程復(fù)雜、投資大，“三天量一回，以點代面〞計量方式導(dǎo)致單井日累計液量存在較大的誤差，使得單井日報表液量不能真實地表現(xiàn)油井的實際產(chǎn)能狀況；例如，玻璃管量油在進入高含水期后，由于單位時間內(nèi)液量的增加，量油時間縮短到1～2min，甚至更短。用如此短時間內(nèi)的產(chǎn)量代表24h的產(chǎn)量，造成的誤差往往到達10％以上。(2)人工測定原油含水率誤差大要準(zhǔn)確測量油井的產(chǎn)油量，就必須準(zhǔn)確測出原油平均含水率。當(dāng)前油田自動化和生產(chǎn)分析設(shè)計工作沒有有機地結(jié)合，沒有利用自動采集了的實時數(shù)據(jù)來建立以提高油井產(chǎn)量和系統(tǒng)效率為目標(biāo)的工況診斷、優(yōu)化設(shè)計、功圖法量油計算分析系統(tǒng)；由于目前采用人工取樣的方式測定原油含水率的精度與操作者的技能狀況有很大關(guān)系，測量誤差較大，有時幾次測量值的平均差值率高達20％～30％在這種狀況下單井的產(chǎn)油量與產(chǎn)水量計量值很難反映真實狀況。而且建站時建有的在線含水分析儀，實際生產(chǎn)過程，從未使用過而全部報廢撤除了。(3)產(chǎn)氣量流量計多未運行盡管配置了計量油井產(chǎn)氣量的流量計，但實際上使用情況并不好，尤其是低氣液比的井經(jīng)常發(fā)生氣管線竄液現(xiàn)象，造成計量裝置失靈，最終結(jié)果是計量誤差較大。大局部未能正常運行，許多計量站甚至從未用過。加之孔板多年不檢定，即使在用也很難說清其計量的準(zhǔn)確度。(4)建站投資高、設(shè)備占地面積大。國內(nèi)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。但仍存在諸多問題，當(dāng)前的油井自動化主要是將功圖、電參數(shù)等數(shù)據(jù)傳回中心控制室，主要是采集而沒有控制功能，沒有利用數(shù)據(jù)深度加工分析結(jié)果實現(xiàn)工藝控制，不能進行完整意義上的實時優(yōu)化、智能控制。如：由于采用單罐計量，不能真正實現(xiàn)24h連續(xù)計量；用于液位檢測的儀表易發(fā)生掛料、卡死現(xiàn)象，造成電動閥誤動作，計算結(jié)果不準(zhǔn)確;在線含水分析儀現(xiàn)場使用效果不理想；別離器壓油比擬困難等[5-8]?？傊?，我國目前的油井計量技術(shù)還需向高精度、高速率、高自動化的方向開展。因此，深化油井實時動態(tài)監(jiān)測分析優(yōu)化技術(shù)的研究與應(yīng)用，對提高油井整體技術(shù)管理水平有著較大的技術(shù)空間和實際意義[9]。為了有效克服以上問題，本次設(shè)計將引用PLC技術(shù)。PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。對于油田計量的具體工作來說，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的順序進行自動地循環(huán)、計算和控制，也可以人為地中斷機器的工作并進行適時調(diào)整。計量的控制主要分為自動、指定、停止3個過程。采用這種裝置不僅提高了作業(yè)的連續(xù)性，降低了工作本錢，提高了作業(yè)效率，并且比以前的傳統(tǒng)技術(shù)更具有可持續(xù)開展性，測量精度也得到進一步的提升，提高了油田各項指標(biāo)資料的準(zhǔn)確性。1.4主要研究內(nèi)容本課題研究的新型油井自動計量系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于，一是采用了力矩平衡原理，實現(xiàn)了油井真正意義上的稱重計量；二是在翻斗式稱重計量的根底上，采用PLC自動進行數(shù)據(jù)的采集、傳輸與井位選擇控制。利用PLC與上位機PC機通訊,進行遠程控制，實現(xiàn)自動控制多井連續(xù)計量等多種計量方式。翻斗式稱重計量通過兩個計量料斗輪流翻轉(zhuǎn)稱重的方式實時在線計量油井原油的產(chǎn)量，消除了油氣別離效果差、稠油沾粘帶來的計量誤差。其計量原理是在兩個計量料斗上各安裝一個稱重力傳感器，計量目標(biāo)油井原油〔含油氣〕，由計量罐頂部進入計量罐，經(jīng)過罐內(nèi)的別離器進行油氣別離后，油氣從罐的上部出口流出，原油進入左料斗〔假設(shè)〕，隨著左料斗承重的增加，當(dāng)增加到一定量時，平衡被破壞，左右料斗圍繞軸心翻轉(zhuǎn)，右料斗開始對原油進行計量，左料斗開始瀉油，同時右料斗開始承載原油。這樣左右料斗不斷輪流工作，對原油計量。PLC采集稱重力傳感器數(shù)據(jù)，并通過通信線路傳輸?shù)缴衔坏腜C機，PC機對其接受的數(shù)據(jù)進行處理，計算出在一定時間內(nèi)料斗稱量的原油重量，即可得到該口油井在這一時間的產(chǎn)量。采用這種自動計量系統(tǒng)，不僅消除了油氣別離效果差、稠油沾粘帶來的計量誤差，還克服了由手動選井進行原油產(chǎn)量的計量給工業(yè)生產(chǎn)帶來的不便。具有人機交互方便、顯示畫面直觀、傳輸數(shù)據(jù)可靠、計量結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點，實現(xiàn)了油井的液、氣、兩相計量，具有本錢低、自動化程度高、計量精度高等特點。具體研究內(nèi)容包括以下幾個方面：〔1〕設(shè)計油井自動計量系統(tǒng)；〔2〕硬件設(shè)備的原理及選型；〔3〕控制系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)與通信。2總體方案設(shè)計油井計量裝置由多通閥、儲罐、S7-200PLC、計量罐、泵、加熱源、氣體流量計、溫度和壓力傳感器以及工控機組成。原油計量的過程是在計量罐中進行的，它是油井自動計量裝置的主要局部，它由罐體、傘形別離器、承液盤、翻斗、降液管、加熱盤管、稱重力傳感器、側(cè)裝浮球液位開關(guān)等部件構(gòu)成，其中主要的計量部件是翻斗(其中稱重力傳感器是該計量裝置的主要部件，能夠得到一系列的讀數(shù)，進而求得原油的產(chǎn)量)。2.1機械結(jié)構(gòu)簡介計量裝置的機械結(jié)構(gòu)局部包括：計量罐、傘狀油氣別離器、降液管、承液盤、連通管、計量料斗、稱重力傳感器、支架鋼絲網(wǎng)、浮子調(diào)節(jié)器、進出油管線等。這些部件結(jié)構(gòu)按一定布局安裝在計量罐內(nèi)，與計量罐外的多通閥一起構(gòu)成的機械整體成為計量系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，如圖2.1所示。圖2.1計量裝置的組成2.1.1多通閥數(shù)控多通閥主要由多通閥體、電動執(zhí)行器及控制器等組成?！?〕多通閥的結(jié)構(gòu)原理主要由閥體、閥蓋、閥芯組件、連接架組成。閥側(cè)體上有多口油井來油入口，一個集輸匯口，一個計量出口。閥芯有一個水平入口，一個向下的出口，水平入口與要計量的油井入口相通，向下的出口與計量出口相通，閥芯的水平入口與閥體上周圍來油入口的密封是借助彈簧預(yù)緊力壓緊密封環(huán)來實現(xiàn)的。當(dāng)多通閥在電動執(zhí)行器的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動閥芯時，閥芯的水平入口順次與來油的入口相通。圖2.2多通閥〔2〕多通閥的特點多通閥的計量選井是在控制器軟件的控制下工作的，控制器發(fā)出選井計量指令后，電動執(zhí)行器開始帶動多通閥轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動到選井指令要求的井號時，多通閥會自動停止轉(zhuǎn)動，被選定的油井來油會從計量出口流出，其余井的來油會聚從集輸出口流出。多通閥計量是在傳統(tǒng)計量工藝管匯配套立式別離器計量的根底上，將人工切換流程〔上、下排閘門〕改變?yōu)槔枚嗤ㄩy自動切換，通過手動或者自動方式選擇某口油井的來液進入別離器，在別離器配套裝置上設(shè)計自動液位采集系統(tǒng)，利用別離器量油計量原理自動計量單井產(chǎn)液量。多通閥計量優(yōu)點為：第一，操作簡單、方便，勞動強度低。操作中只需輕輕點擊控制箱的按鍵，將計量井根本數(shù)據(jù)輸入控制箱，計量操作通過集輸計量選通裝置控制箱來控制集輸計量選通裝置的操作，無需進行十幾次閥門的操作；操作程序化、流程化、自動化，大大降低了員工的勞動強度。第二，實現(xiàn)全天候計量，保證油井產(chǎn)量客觀、真實、準(zhǔn)確。該自動計量技術(shù)可以根據(jù)需要設(shè)定計量周期，它可以按照設(shè)定的時間進行自動計量，微機隨時記錄量油結(jié)果；可以每天對油井進行屢次計量，跟蹤1口油井任意時間段的出油情況，保證了油井計量的準(zhǔn)確性。第三，低本錢投入，操作所需空間小。使用集輸計量選通裝置，1個計量站一般只需要使用1套或者2套集輸計量選通裝置，占地面積小，投資僅為傳統(tǒng)計量裝置的40%～60%。多通閥的結(jié)構(gòu)特點，決定了采用多通閥的計量站工藝管匯實際操作所需空間相對較小，配套房間設(shè)施或保溫設(shè)施規(guī)模小，可實現(xiàn)簡易配套防護、保溫。雖然多通閥計量裝置改變了人工切換流程〔上、下排閘門〕的操作方法，但它的計量根底仍然是別離器計量原理，所以對處于高含水期特別是特高含水期且氣液比低的油井計量后的排液十分困難。多通閥的使用，可以實現(xiàn)由同一個計量罐分時、循環(huán)計量多口油井。多通閥的應(yīng)用可以實現(xiàn)多井的全自動選井與計量。這不僅克服了手動操作帶來的不便，而且工作效率也能得到很大提高。2.1.2傘形氣液別離器稠油的油氣比低，產(chǎn)氣量少，油井產(chǎn)出的油氣混合物，經(jīng)進油口進入計量罐上部的油氣別離器，落在散油帽上進行擴散，相對密度較大的油沿壁下滑到別離器的下部，經(jīng)承液盤緩沖后從出油管〔降液管〕排出。氣體由于相對密度較小，在傘面上與液體別離后集中上升，同時氣體中的小油滴附在傘壁上聚集，附著壁上而流下，氣由出氣口排出。傘斜面的另一作用是使進入別離器的油散附壁上滑下，起到穩(wěn)定油、水界面的作用，進而使計量準(zhǔn)確。2.1.3承液盤承液盤的作用是收集經(jīng)過油氣別離器別離出來的原油和水，集中由降液管落入到計量料斗中計量，同時也起到對落下的原油緩沖作用，減少原油起沫以及原油進入計量料斗時產(chǎn)生的沖擊。2.1.4計量料斗計量料斗時計量裝置的核心部件，其中一個料斗進油到達設(shè)定值時，料斗翻轉(zhuǎn)倒油，同時另一個料斗進油，當(dāng)?shù)竭_預(yù)設(shè)值時又翻轉(zhuǎn)倒油，另一個同時進油，如此反復(fù)循環(huán)工作完成計量過程。料斗中承油的重量那么通過各自的稱重傳感器讀取。計量料斗如圖2.3所示?；诹仄胶庠淼牟捎途彤a(chǎn)量計量裝置的工作原理是:通過多通閥選井后將采油井原油輸送至計量罐，原油途經(jīng)油氣別離設(shè)備、緩沖裝置和集液盤后，以穩(wěn)定的液態(tài)流進一個計量料斗(假設(shè)為右料斗進油)。在布置計量料斗的位置時，要滿足兩個條件:一是保證料斗的上、下外表都在水平面上，但由于加工制造方面上的誤差，料斗上、下外表可能并不平行，此時要保證料斗下外表處于水平位置上，這樣才使來油的重心鉛垂線始終與料斗中心線重合;二是保證三角形回轉(zhuǎn)支撐板的側(cè)面回轉(zhuǎn)中心O1O2在鉛垂方向上，這樣能保證右料斗重心線到O1O2連線的距離L2是一個定值，減小重心偏移誤差。當(dāng)傳感器與料斗連接后，左、右料斗只能圍繞O1O2有轉(zhuǎn)動趨勢，但不能真正回轉(zhuǎn).圖2.3為計量料斗示意圖圖2.3計量料斗2.1.5連通管連同計量罐腔體，保證灌頂與罐底產(chǎn)生一定的壓力差，這個壓力差作為罐底出油口排油的動力，并配合浮子調(diào)節(jié)器保持罐底的液位高度。2.1.6浮子調(diào)節(jié)閥浮子調(diào)節(jié)器是油氣別離器上必不可少的液面控制機構(gòu)，它能將設(shè)備內(nèi)的液位自動控制在一定的范圍內(nèi)，防止設(shè)備發(fā)生抽空或冒頂事故，保證設(shè)備平安運行。油氣兩相別離器將油氣混合物來液別離成液態(tài)〔原油和水〕和氣態(tài)〔天然氣〕，壓力由天然氣出口處的壓力控制閥控制，液面由控制器〔浮子調(diào)節(jié)器〕控制的出油閥調(diào)節(jié)。同時在本設(shè)計中還采用差壓變送器測量罐底液體的液面高度，與浮子調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)一起構(gòu)成冗余形式的罐底液體液面監(jiān)控系統(tǒng)。油氣三通調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)主要由閥體、閥芯、閥蓋、轉(zhuǎn)臂、轉(zhuǎn)軸、閥桿、導(dǎo)向盤及閥座等組成。作用方式為合流,能夠滿足油氣別離后,對油和氣分別進行調(diào)節(jié)與測量,并再重新混合進入混輸集油流程的工藝要求。該閥有兩個進口和一個出口,上面的閥芯用來調(diào)節(jié)天然氣的流量,下面的閥芯用來調(diào)節(jié)原油的流量。兩個閥芯作用相反,當(dāng)上面的閥芯關(guān)小的同時,下面的閥芯就開大。原油和天然氣的流向總是使各自的閥芯處于流開狀態(tài),這種結(jié)構(gòu)能使調(diào)節(jié)閥處于比擬穩(wěn)定的狀態(tài)之中。由此可見,該閥是一種油氣合一的合流調(diào)節(jié)閥。圖2.4浮子調(diào)節(jié)閥2.2主要性能參數(shù)確實定在確定了計量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能后，經(jīng)過分析、調(diào)研，確定的本研究開發(fā)的計量系統(tǒng)主要性能參數(shù)如下：〔1〕罐內(nèi)介質(zhì)溫度：50～200℃〔2〕工作環(huán)境溫度：-20～35℃〔3〕工作壓力：1.6MPa〔4〕介質(zhì)：原油〔5〕測量精度：±3.5%〔6〕測量通道數(shù)量：24通道〔7〕量程：0～960T/d〔8〕最大循環(huán)測量次數(shù)：12次/d本次設(shè)計時，初步確定一口井的計量時間為5分鐘，24口井循環(huán)計量一次需要2小時，每天〔24小時〕循環(huán)12次。每分鐘兩個料斗各翻轉(zhuǎn)3次，即稱重6斗，每個料斗設(shè)計最大容積量為120kg，那么每口井每分鐘可以計量重量為720kg。測量通道數(shù)指利用一套計量系統(tǒng)可以對24口油井產(chǎn)量進行計量管理。最大循環(huán)測量次數(shù)指在24小時內(nèi)，對24口井可以循環(huán)進行12次測量，當(dāng)管理的油井?dāng)?shù)小于24時，循環(huán)測量次數(shù)可以適當(dāng)提高。2.3控制系統(tǒng)的設(shè)計方案2.3.1計量裝置機械結(jié)構(gòu)總體方案的機械結(jié)構(gòu)局部主要包括計量罐與多通閥。計量罐主要由罐體、傘狀油氣別離器、計量料斗、稱重力傳感器、浮子液位調(diào)節(jié)器、加熱盤管等主要部件構(gòu)成。2.3.2自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本設(shè)計計量系統(tǒng)采用通用手段，使用PLC作為下位機，工控機作為上位機，同時使用組態(tài)軟件作為上位機軟件進行監(jiān)控。這里采用的是西門子S7-200PLC與WinCC組態(tài)軟件，基于PPI協(xié)議實現(xiàn)對油井的自動計量系統(tǒng)的設(shè)計。下位機主要負責(zé)實現(xiàn)原油計量系統(tǒng)各項指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集、暫存及短期存儲、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及根本計算等功能。上位機主要負責(zé)實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析及長期存儲，畫面監(jiān)控，報表打印及遠程傳輸?shù)裙δ?。在本系統(tǒng)中，采用PC/PPI協(xié)議實現(xiàn)上下位機的數(shù)據(jù)通信[10]，如圖2.2所示。這樣的控制系統(tǒng)省去了人工記數(shù)的麻煩，控制精確，顯示畫面直觀?！?〕上位機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上位機采用研華工控機，監(jiān)控軟件采用WinCC組態(tài)軟件；編程軟件采用V4.0STEP7MicroWINSP6。(2)下位機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考慮到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與以后的可擴展性，下位機系統(tǒng)由西門子S7-200PLC假設(shè)干現(xiàn)場與遠傳的儀表和傳感器〔溫度傳感器、壓力傳感器、差壓變送器以及力傳感器〕、PPI通訊電纜、24V直流電源等構(gòu)成，作為原油計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。(3)上下位機通訊上、下位機通訊采用PPI通訊協(xié)議，利用PC/PPI電纜建立通訊。采用一個RS232，一個RS485作為通訊端口。2.4控制系統(tǒng)的設(shè)計要求〔1〕對計量罐罐底原油液位高度進行控制，以保證罐底出油口始終在原油液面之下，防止天然氣隨原油一起輸送。同時還要保證料斗始終位于原油液面之上，以免料斗受到浮力，影響計量精度。在計量罐上設(shè)置差壓傳感器，測量罐底原油液位高度。當(dāng)計量罐內(nèi)壓力足夠時，依靠該壓力可以將原油壓出計量罐，進入計量站的儲罐，完成脫水等工藝過程。依靠浮子調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動維持計量罐內(nèi)一定高度的原油液面。當(dāng)罐內(nèi)壓力較低、缺乏以克服管道等外部阻力時，原油無法排除計量罐，此時，要啟動罐外的油泵，強制排油。另外，考慮到微差壓傳感器的可靠性，可以在計量罐底部，沿高度方向布置假設(shè)干個液位開關(guān)，對原油液面進行不連續(xù)監(jiān)測?！?〕對罐內(nèi)〔罐頂〕天然氣壓力、溫度進行測量，監(jiān)測罐內(nèi)壓力。這樣保證計量罐內(nèi)壓力不超過設(shè)計壓力，防止重大事故發(fā)生。對溫度監(jiān)測目的是將罐內(nèi)溫度控制在一個合理范圍，既要保證原油的流動性，又要防止由于溫度過高造成輕質(zhì)組分隨氣體排出。測量結(jié)果分為現(xiàn)場顯示和遠傳計算機顯示。〔3〕對罐底壓力、溫度進行測量，監(jiān)測罐底壓力。測量結(jié)果分為現(xiàn)場顯示和遠傳計算機顯示。當(dāng)差壓傳感器出現(xiàn)故障時，可以利用罐底壓力與罐內(nèi)壓力的差值對罐內(nèi)原油液位高度進行監(jiān)測。一般這種監(jiān)測原油液位高度方法不是很好，測量精度不高，其原因是罐內(nèi)和罐底的壓力是以兆帕級單位表示，而原油液位高度產(chǎn)生的差壓是千帕級的。利用罐底溫度監(jiān)測可對罐內(nèi)原油溫度進行監(jiān)測，以控制加熱熱源，保證罐內(nèi)原油不凝結(jié)?！?〕多通閥位于罐外，被選中的油井的原油通過管路送入到計量罐的上部，經(jīng)過油氣別離后，進行原油計量。多通閥接受PLC送來的開關(guān)量信號〔4位8421碼〕，反響閥位開關(guān)量信號〔4位8421碼〕又送回到PLC，以控制所選油井是否到位。多通閥自己有單獨的控制柜，它接受PLC指令控制閥位變化?！?〕計量料斗采用兩個稱重力傳感器，輸出4～20mA信號送入到PLC，以實時測量料斗內(nèi)原油重量。另外在料斗回轉(zhuǎn)軸上設(shè)置兩個觸點，分別控制兩個位置開關(guān)，當(dāng)料斗翻轉(zhuǎn)到位置時，該開關(guān)被閉合，PLC時刻監(jiān)測這兩個開關(guān)量信號，以判斷料斗是否翻轉(zhuǎn)，計算計量時間，并據(jù)此開關(guān)量信號采集力傳感器信號，得到料斗翻轉(zhuǎn)時的重量。根據(jù)料斗翻轉(zhuǎn)時得到的重量值進行計算，得到原油重量和產(chǎn)量。2.5工作原理單井來液進入計量站內(nèi)的多通閥裝置后，通過閥內(nèi)光電開關(guān)傳感器使閥芯處于某一井位，同時將井位信號傳遞至PLC。PLC控制電動機帶動閥芯旋轉(zhuǎn)，當(dāng)閥芯到達目標(biāo)井后，目標(biāo)井的來液通過閥芯從計量口管路輸出，經(jīng)氣液別離后，液相進入質(zhì)量流量計進行計量，氣相通過氣體流量計進行計量。質(zhì)量流量計測出液相的密度、溫度和質(zhì)量流量等參數(shù)，氣體流量計測出氣相流量。PLC自動按照用戶設(shè)定的采集時間間隔，將采集的溫度、壓力、流量、氣量等參數(shù)經(jīng)過運算后，通過人機交互界面進行顯示，同時通過GPRS無線通訊模塊將采集的計量數(shù)據(jù)實時傳送至上位機的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)在計量完一口油井后，會自動轉(zhuǎn)至下一口油井繼續(xù)進行計量，直至完成多口油井的自動計量與遠程監(jiān)控。圖2.5工作原理圖3計量系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1PLC根本結(jié)構(gòu)與性能3.1.1PLC的產(chǎn)生背景在可編程控制器問世以前，繼電器在工業(yè)控制中占據(jù)主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)的繼電器、接觸器與PLC比擬起來具有明顯的缺陷，比方體積龐大、運行緩慢、可靠性低，更為嚴(yán)重的是其只能適用于固定的接線方式，一旦生產(chǎn)工藝或?qū)ο笮枰淖儠r，原有的接線就需要更換，實用時很麻煩，所以本課題將采用PLC。PLC是可編程邏輯控制器〔ProgramLogicController〕的簡稱。1968年，美國通用汽車公司為其提出了著名的“GM十條〞[11]，其主要內(nèi)容是：(1)編程方便，可現(xiàn)場修改程序。(2)維修方便，可采用插件式結(jié)構(gòu)(3)可靠性高于繼電器系統(tǒng)(4)體積小于繼電器系統(tǒng)(5)可將數(shù)據(jù)直接送到管理計算機(6)本錢可與繼電控制盤競爭(7)輸入的是AC115V(8)輸出可以是AC115A/2A以上(9)擴展時原系統(tǒng)改變最小(10)用戶程序存儲器容量至少能擴展到4kb3.1.2PLC的特點(1)抗干擾能力強，可靠性高在硬件設(shè)施上，對電源變壓器、CPU、編程器等主要部件均采用嚴(yán)格的措施進行屏蔽以防外界干擾；在軟件上設(shè)置監(jiān)控程序定期檢查外界環(huán)境，一旦發(fā)現(xiàn)故障立即把現(xiàn)狀態(tài)存入存儲器，待故障修復(fù)外界環(huán)境正常后，恢復(fù)到故障發(fā)生前的狀態(tài)繼續(xù)工作。〔2〕靈活通用與繼電器比起來，接線非常簡單，只需修改程序就可以改變控制功能。同一臺PLC也可以用于不同的控制對象，因此具有很大的靈活性、通用性。此外，PLC產(chǎn)品還具有多樣化、系列化的特點，結(jié)構(gòu)形式多樣。同一系列又有高中低檔之分，能夠滿足不同規(guī)模、要求的工業(yè)控制?！?〕編程簡單、使用方便PLC的編程語言通常有梯形圖、指令表、順序功能圖等。但是，目前大多數(shù)的PLC采用的是梯形圖語言編程。梯形圖語言與繼電器電路原理圖非常接近，繼承了傳統(tǒng)繼電器控制線路的清晰直觀，易學(xué)易懂，這是選用PLC最重要的原因之一?！?〕設(shè)計、安裝、調(diào)試方便用程序〔軟接線〕代替硬接線。PLC采用軟件編程取代繼電器硬件接線實現(xiàn)控制功能。由于其硬軟件齊全，使得設(shè)計安裝及接線工作量大為減少。其用戶程序可以先模擬調(diào)試，調(diào)試好再到現(xiàn)場聯(lián)機統(tǒng)調(diào)。(5)體積小、重量輕、功耗低在體積上PLC是繼電控制系統(tǒng)的五分之一；在耗電方面，比繼電器控制系統(tǒng)節(jié)能50%以上；能夠迅速排除故障，維修方便。3.1.3PLC的硬件組成PLC是基于計算機技術(shù)和自動控制理論開展而來，實際上是一種專用于工業(yè)控制的計算機。其種類繁多生產(chǎn)廠家也很多，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也各不相同。但其組成和工作原理根本相同，都采用典型的計算機結(jié)構(gòu)。PLC主要由中央處理器〔CPU〕、存儲器、輸入輸出接口、電源和編程工具組成。PlC硬件結(jié)構(gòu)如圖3.1圖3.1PLC的硬件結(jié)構(gòu)圖(1)CPUCPU是中央處理器〔CentreProcessingUnit〕的英文縮寫。CPU一般由控制電路、運算器和存放器組成。它作為整個PLC的核心，起著總指揮的作用。主要完成以下功能：a將輸入信號送入PLC中存儲起來b按存放的先后順序取出用戶指令，進行編譯c完成用戶指令的各項操作d將結(jié)果送到輸出端e響應(yīng)各種外圍設(shè)備的請求(2)存儲器存儲器是具有記憶功能的半導(dǎo)體電路、用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和一些其他信息。(3)輸入輸出接口對于PLC來說，輸入輸出接口是PLC與外界連接的接口，相當(dāng)于PLC的“眼〞、“耳〞、“舌〞。輸入接口用來采集開關(guān)量輸入信號和模擬量輸入信號，而輸出用來連接被控對象中各種執(zhí)行元件。(4)電源PLC電源是指外部的交流電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換成滿足PLC中的CPU、存儲器、等內(nèi)部電路工作所需要的直流電源或電源模塊。(5)編程工具編程工具供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。它是PLC最重要的外圍設(shè)備，實現(xiàn)了人與PLC的連系對話3.1.4PLC的主要性能指標(biāo)(1)I/O點數(shù)這是PLC最重要的一項技術(shù)指標(biāo)。所謂I/O點數(shù)即PLC面板上連接輸入輸出信號用的端子的個數(shù)，常稱為點數(shù)，用輸入點數(shù)與輸出點數(shù)之和表示。I/O點數(shù)越多，外部可接入的輸入部件和輸出部件就越多，控制的規(guī)模就越大。因此，I/O點數(shù)是衡量PLC性能的重要指標(biāo)之一。(2)程序容量系統(tǒng)程序存放在系統(tǒng)程序存儲器中。這里說的存儲容量指的是用戶程序存儲器的容量。，用戶程序存儲容量決定了PLC可以容納的用戶程序的長短，一般以字節(jié)為單位來計量。(3)掃描速度掃描速度是指PLC執(zhí)行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指標(biāo)。一般以執(zhí)行一字節(jié)所用的時間來衡量掃描速度。(4)指令條數(shù)這是衡量PLC軟件功能強弱的主要指標(biāo)。PLC具有的指令種類越多，說明其軟件功能越強。PLC指令一般分為根本指令和高級指令兩局部。(5)內(nèi)部繼電器和存放器內(nèi)部繼電器和存放器對的額配置情況是衡量PLC硬件功能的一個主要指標(biāo)。它用于存放變量狀態(tài)、中間結(jié)果、數(shù)據(jù)等，還提供許多輔助繼電器和存放器。如定時器、計數(shù)器、系統(tǒng)存放器、索引存放器等以便用戶編程使用。(6)編程語言及編程手段編程語言是PLC廠家為用戶設(shè)計的用于實現(xiàn)各種控制功能的編程工具。避開I安城語言一般分為梯形圖、語句表、順序功能圖得等幾類，不同廠家的PLC編程語言類型有所不同，語句也各異。(7)高級模塊PLC除了主控模塊外還可以配置各種高級模塊。主控模塊實現(xiàn)根本控制功能，高級模塊這可實現(xiàn)某些特殊功能。高級模塊的配置反映了PLC功能的強弱，是衡量PLC產(chǎn)品檔次上下的一個重要標(biāo)志，主要由A/D、D/A、高速計數(shù)、高速脈沖輸出、PID控制、速度控制、液位控制、溫度控制等。3.2控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用工控機和PLC組成一個上下位式控制系統(tǒng)。使用PLC作為下位機，同時使用WinCC組態(tài)軟件作為上位機軟件開發(fā)平臺。根據(jù)自動控制系統(tǒng)的設(shè)計要求及要實現(xiàn)的功能，本章將完成工控機和PLC系統(tǒng)以及傳感器的硬件的選型，實現(xiàn)對多口油井的自動控制與產(chǎn)量計量。3.2.1自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計本設(shè)計自動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要分為三層：上位機監(jiān)控層、PLC控制層和電氣設(shè)備執(zhí)行層，如圖3.2所示。本控制系統(tǒng)采用工控機為上位機，其作用就是對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控、調(diào)節(jié)。根據(jù)已經(jīng)設(shè)計好的程序，上位機能夠時時監(jiān)控每一個測點的信號，如計量罐內(nèi)的溫度、壓力和液位、多通閥的選井狀態(tài)和計量井號、報警信息等，并判斷出其所處的狀態(tài)并根據(jù)設(shè)定好的程序進行調(diào)節(jié)。同時可以參與對系統(tǒng)的運行控制，如通過控制面板設(shè)置將要計量的油井號以及計量時間等，還可以對數(shù)據(jù)進行管理，如查看歷史計量結(jié)果、生成數(shù)據(jù)報表并打印等。PLC作為下位機，負責(zé)采集各傳感器傳輸來的信號，同時將控制要求轉(zhuǎn)換成對底層電氣設(shè)備的控制信號。上位機發(fā)出的命令首先給下位機，下位機再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時序信號直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機不時讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號反響給上位機。下位機和上位機一樣都需要編程，都有專門的開發(fā)系統(tǒng)。上位機和下位機的關(guān)系可以理解為主機和從機的關(guān)系電氣設(shè)備執(zhí)行層作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最底層，包括各類傳感器以及電動閥門和動作開關(guān)等設(shè)備。各類傳感器將現(xiàn)場的環(huán)境信息以及設(shè)備的運行狀態(tài)信息經(jīng)信號傳輸電纜傳送到PLC控制層；電動閥門接受PLC控制層的控制，自動啟停，使不同油井的產(chǎn)出液按一定要求進出計量罐。PLC控制層接受電器執(zhí)行層傳輸來的信號，完成對數(shù)據(jù)采集工作，同時將控制要求轉(zhuǎn)換成對底層電氣設(shè)備的控制信號；上位機監(jiān)控層，可實時監(jiān)測和查看系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如計量罐內(nèi)的溫度、壓力和液位、多通閥的選井狀態(tài)和計量井號、報警信息等，同時可以參與對系統(tǒng)的運行控制，如通過控制面板設(shè)置將要計量的油井號以及計量時間等，還可以對數(shù)據(jù)進行管理，如查看歷史計量結(jié)果、生成數(shù)據(jù)報表并打印等。圖3.2控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3.2.2自動控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能現(xiàn)場采集工況數(shù)據(jù)的各類傳感器、數(shù)據(jù)傳輸電纜、PLC控制單元、作為上位機承載編程軟件的工控機，以及WinCC組態(tài)監(jiān)控軟件；現(xiàn)場控制功能由現(xiàn)場指示工況的各類現(xiàn)場儀表，以及手動閥門、開關(guān)等。系統(tǒng)功能的實現(xiàn)如圖3.3所示 。圖3.3系統(tǒng)功能框圖對多井來油自動選井的油井自動計量裝置的控制功能主要包括以下幾個方面：對設(shè)備的運行控制根據(jù)設(shè)定條件，控制油、氣管線閥門的自動啟停，實現(xiàn)計量流程的自動化控制。監(jiān)測功能液量監(jiān)測：監(jiān)測計量罐內(nèi)計量的液體重量，完成產(chǎn)液量的計量；流量監(jiān)測：監(jiān)測別離出來的氣體流量，完成氣體流量的計量；溫度監(jiān)測：監(jiān)測計量罐內(nèi)的原油溫度，保證原油的流動性，同時在溫度過高或過低時，系統(tǒng)發(fā)出報警；如配備加熱裝置，當(dāng)溫度過低時，可啟動加熱裝置對計量罐進行加熱。壓力監(jiān)測：監(jiān)測計量罐的內(nèi)部壓力，在壓力過高時，系統(tǒng)發(fā)出報警；液位監(jiān)測：監(jiān)測計量罐內(nèi)底部液位的高度，保證設(shè)備內(nèi)的液位自動控制在一定的范圍內(nèi)，防止設(shè)備發(fā)生抽空或冒頂事故，同時在液位過高或過低時，系統(tǒng)發(fā)出報警；多通閥運行監(jiān)測：監(jiān)測多通閥的電機運行以及閥芯位置，實現(xiàn)對多井的進油管線進行選井控制；其他設(shè)備的監(jiān)測：監(jiān)測其他電動閥門的運行狀況，根據(jù)各自的運行信息判斷其狀態(tài)。通過監(jiān)測閥門的開、關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)對設(shè)備運行的平安穩(wěn)定性的實時掌控。整套油井的自動計量裝置具備完善的控制與監(jiān)測的功能，既能滿足對流程的控制，同時還能獲得詳細的系統(tǒng)信息。3.3自動控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的要求(1)控制系統(tǒng)設(shè)計的總體要求系統(tǒng)高平安可靠性：控制裝置靠近計量罐及多條輸油管線，要求具有較高的系統(tǒng)的平安可靠性，要求不僅要保證計量的準(zhǔn)確性，而且系統(tǒng)應(yīng)該提供報警提示、應(yīng)急處理等平安措施。操作維護方便：設(shè)計系統(tǒng)的操作應(yīng)直觀便于掌握，維護時易于查找和排除故障，因此，可以采用帶指示燈的繼電器和功能模塊化PLC便于維護人員檢測。高性價比：系統(tǒng)設(shè)計需考慮整體的本錢及其能帶來經(jīng)濟效益?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計的一般步驟控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟如圖3.4所示，先對自動控制系統(tǒng)所要完成哪些任務(wù)，以及功能如何實現(xiàn)進行一個整體評估，根據(jù)評估結(jié)果再去進行各類硬件選型，軟件設(shè)計，編寫程序，最后進行現(xiàn)場調(diào)試，直到能實現(xiàn)預(yù)期的功能，到達控制要求。圖3.4控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟3.4上位機的硬件設(shè)計〔工控機〕工控機配置工控機采用研華工控機610L。硬件配置：P4631CPU，DDR6771G內(nèi)存，SATA160GB硬盤，19in(1in=25.4mm)顯示器；2個RS-232串口。軟件配置：監(jiān)控軟件采用WinCC組態(tài)軟件；編程軟件采用V4.0STEP7MicroWINSP6。圖3.5研華工控機610L3.5下位機〔plc〕選型及模塊配置隨著PLC技術(shù)的開展，PLC產(chǎn)品的種類也越來越多，而且功能也日趨完善。近年來，從美國、德國、日本等引進的PLC產(chǎn)品和國內(nèi)廠家組裝自行研發(fā)的產(chǎn)品，已有幾十個、上百種型號。PLC的品種繁多，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等各有不同。使用的場合也各有側(cè)重。因此，合理的選擇PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)有著重要意義3.5.1PLC的機型選擇PLC選型的根本原那么是在滿足計量要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最正確的性價比。主要根據(jù)整個控制系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能和容量進行選擇，并考慮維護的方便性，是否易于擴展，有無特殊功能要求等[12]。由于本系統(tǒng)以開關(guān)量控制為主并帶有局部模擬量的控制，涉及到溫度、壓力、流量、液位等連續(xù)量，應(yīng)該選用帶有A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊和帶有D/A轉(zhuǎn)換的模擬量輸出模塊，佩接相應(yīng)的傳感器、變送器〔對溫度控制控制系統(tǒng)可選用溫度傳感器直接輸入的溫度模塊〕和驅(qū)動裝置，并且選擇運算功能較強的小型PLC.該控制系統(tǒng)有6個開關(guān)量的輸入，1個開關(guān)量輸出。另外，PLC需要對接收到的模擬量電信號進行進A/D轉(zhuǎn)換，從輸入信號到輸出控制存在著滯后現(xiàn)象，即輸入量的變化，一般要在1~2個掃描周期之后才能反響到輸出端，這在本控制系統(tǒng)中是被允許的，本系統(tǒng)對掃描速度及其它方面無特殊要求。本系統(tǒng)合考慮總體控制要求和可靠性，選用西門子公司的S7-200系列PLC。S7-200PLC的結(jié)構(gòu)小巧但功能強大，在單獨或連網(wǎng)使用時都能很好的實現(xiàn)控制功能。與其它PLC相比具有：高可靠性、高性價比、內(nèi)置集成功能豐富、通訊功能強大、擴展模塊豐富、程序結(jié)構(gòu)先進、尋址方法靈活；編程軟件功能強大且使用方便[13]3.5.2確定I/O點數(shù)在S7-200PLC中，I/O輸入輸出點的地址與設(shè)備在系統(tǒng)中的物理位置有關(guān)。I/O輸入輸出點的種類有數(shù)字量輸入I〔DI〕、數(shù)字量輸出Q〔DO〕、模擬量輸入〔AI〕、模擬量輸出〔AQ〕。各種類型的I/O點的地址按照各自的種類分別排列。本設(shè)計的自動控制系統(tǒng)的I/O有數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入及模擬量輸出。數(shù)字量輸入DI：多通閥閥位反響4個DI、左接近開關(guān)、有接近開關(guān)數(shù)字量輸出DO：多通閥閥位動作接觸器、智能報警器信號〔啟動、停止〕。模擬量輸入AI：稱重力傳感器2個、溫度傳感器2個、壓力變送器2個、差壓傳感器、含水分析儀、氣體流量計。模擬量輸出：泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。重量、溫度、壓力、氣體流量、含水率等模擬量，通過傳感器和變送器轉(zhuǎn)換為或的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，再由PLC的A/D轉(zhuǎn)換器，將這些信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進行內(nèi)部運算。經(jīng)過分析統(tǒng)計共需要數(shù)字量輸入I/O點6個，數(shù)字輸出I/O點1個，模擬量輸入I/O點8個，模擬量輸出I/O點1個。3.5.3容量估算PLC的容量包括I/O點數(shù)和用戶存儲容量兩個方面。I/O點數(shù)的估算I/O點數(shù)PLC的I/O點的價格比擬高，因此應(yīng)該合理的選用PLC的I/O點的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用I/O點最少，但必須留有一定的備用量。根據(jù)被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數(shù)，并考慮到今后調(diào)整和擴充，一般應(yīng)加上10%~15%的備用量。理論設(shè)計的I/O點數(shù)：16個實際需要的I/O點數(shù)：18個用戶存儲器容量的估算用戶存儲容量是指PLC用于存儲用戶程序的存儲器容量。需要的用戶存儲容量由用戶程序的長短決定。用戶應(yīng)用程序占用多少內(nèi)存與許多因素有關(guān)，如I/O點數(shù)、控制要求、運算處理量、程序結(jié)構(gòu)等。因此，只能粗略的估算。一般可按下式估算，再按實際需要留出20%~30%的余量。存儲容量=開關(guān)量*10+模擬量通道數(shù)*100按上式計算后得出存儲容量為1080考慮到備用量后的存儲容量為1350選用2kb內(nèi)存足夠。3.5.4模塊選型模塊選擇的原那么：應(yīng)考慮簡單，方便與通用?？梢詽M足控制要求的模塊規(guī)格往往有多種，選擇時應(yīng)以線路設(shè)計簡化、外部控制元件盡可能少為原那么。例如，輸入應(yīng)優(yōu)先選擇金額直接與外部檢測元件連接的模塊，以防止接口轉(zhuǎn)換；輸出應(yīng)優(yōu)先選擇直接驅(qū)動負載的模塊，以減少中間繼電器等。同時，各模塊應(yīng)盡可能統(tǒng)一，不僅利于采購，減少設(shè)備還可以提高部件的互換性，為設(shè)計、調(diào)試、維修提供幫助。當(dāng)系統(tǒng)還需要配套其他控制裝置時，部件的生產(chǎn)廠家不宜過多，批量訂貨不僅可以降低本錢，更重要的是同一生產(chǎn)廠家的部件兼容性好，技術(shù)要求統(tǒng)一，可為系統(tǒng)設(shè)計維修效勞提供方便。CPU模塊CPU作為中央處理器是PLC的核心部件，控制著對其它所有部件的操作。CPU主要由控制電路、運算器和存放器組成。本設(shè)計中選擇的CPU模塊為CPU224XPCN，它適合于小型控制系統(tǒng)，共有14DI/10DO，滿足開關(guān)量輸入輸出根本要求，并留有余量，另外還有2路模擬量輸入。CPU模塊有一個24VDC傳感器電源，它主要用于為本模塊端子和擴展模塊的繼電器線圈提供24VDC。CPU的I/O地址分配如表3.1。表3.1CPU的I/O地址分配表I/O地址輸入/輸出信號IO地址輸入/輸出信號I0.0多通閥閥位1I0.4左接近開關(guān)I0.1多通閥閥位2I0.5右接近開關(guān)I0.2多通閥閥位3Q0.0多通閥動作接觸器I0.3多通閥閥位4模擬量輸入模塊模擬量采集模塊選用EM231CN，AI4x12bit，支持4通道模擬量輸入，可以是電壓或電流信號。本設(shè)計采用2塊AI4的EM231模擬量輸入模塊，統(tǒng)籌分配I/O地址，完成對溫度、壓力、差壓變送器、氣體流量計、含水分析儀的信號采集。2塊模擬量輸入模塊加上CPU的兩路模擬量輸入通道，分配好模擬量地址，充裕一路模擬量通道備用。EM231I/O點數(shù)分配如表3.2。表3.2模擬量I/O地址分配表I/O地址輸入信號I/O地址輸入信號AIW0左料斗重量AIW10罐底溫度AIW2右料斗重量AIW12罐底壓力AIW4罐頂溫度AIW14含水率AIW6罐頂壓力AIW16氣體流量AIW8罐內(nèi)液位開關(guān)量輸入模塊考慮到工況，開關(guān)量輸入模塊的信號采用交流輸入，接線方式采用匯點式。開關(guān)量輸出模塊考慮到價格因素，以繼電器作輸出的性價比擬高，既可以用于驅(qū)動交流負載，又可以用于直流負載；而且適用的電壓范圍較窄、導(dǎo)通壓降小，同時承受瞬時過電壓和過電流的能力較強。接線方式采用分組式。同時要注意輸出模塊的輸出電流必須大于負載的額定電流，如果出現(xiàn)實際負載電流較大輸出模塊無法直接驅(qū)動，可增加中間放大環(huán)節(jié)。3.6傳感器選型傳感器的選型標(biāo)準(zhǔn)【14】：現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理的選擇傳感器，是在進行某個量測量時首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設(shè)備也就可以確定了。測量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型要進行一個具體的測量工作，首先要考慮如何選用何種原理的傳感器，這方面要分析多方面因素之后才能確定。因為即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可以采用，哪種原理的傳感器更為適宜，需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮如下一些問題：量程大小、被測位置對傳感器體積的要求、測量方式為接觸式還是非接觸式、線的引出方法、國產(chǎn)還是進口、價格是否合理等。靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比擬大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的廠擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對其方向性要求較高那么應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，那么要求傳感器的交叉靈敏度越小越好頻率響應(yīng)特性傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過大的誤差。線性范圍傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，那么其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比擬低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。穩(wěn)定性傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對其使用環(huán)境進行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇適宜的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長時間的考驗。精度要求精度是傳感器的一個重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比擬廉價和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，無法選到適宜的傳感器，那么需自行設(shè)計制造傳感器。自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。本系統(tǒng)計量的設(shè)計精度為不低于5%，故理論上傳感器的精度要求越高越好，但考慮到經(jīng)濟性〔精度越高價格也越高〕，因此，在滿足計量精度要求的前提下，精度盡可能的低一些。工作溫度本系統(tǒng)計量對象是原油，而被計量原油的溫度一般在左右，故而計量罐內(nèi)溫度也在左右。一般油井出口處原油溫度達不到，在進入計量罐之前需加熱，使原油處于良好的流動狀態(tài)，加熱時又要防止原油中的低沸點組分揮發(fā)混入天然氣中被帶走，綜合考慮之后將計量罐內(nèi)溫度定在。工作壓力。3.6.1稱重力傳感器的選型本設(shè)計的料斗稱量裝置安裝在計量罐內(nèi)，安裝稱重傳感器的機械結(jié)構(gòu)適合使用測拉力的稱重傳感器，因此本設(shè)計中選用的是輪輻式測拉力的稱重傳感器，這類稱重傳感器具有低外形、抗偏載、精度高、強度好等特點。由于稱重傳感器處于計量罐內(nèi)部，所以的工作溫度必須在之上。量程范圍：料斗的設(shè)計容積為，取原油密度，那么料斗最大稱油量為，最合理的稱量范圍是量程的，故應(yīng)該選擇稱量上限為的傳感器。綜上所述，本設(shè)計選用了蚌埠傳感器系統(tǒng)工程、型號為JLBU輪輻式拉壓力傳感器。JLBU輪輻式拉壓力傳感器與蚌埠宇航公司的單路BSQ-2變送器配合使用，便于信號遠傳。JLBU輪輻式拉壓力傳感器，彈性體為輪輻、硬芯平膜片結(jié)構(gòu)，外形高度低，用于拉伸力測量，抗偏、抗側(cè)向力強，精度高，安裝使用方便，并經(jīng)特殊設(shè)計后可以用于較高溫度場合。BSQ-2型變送器，將傳感器輸出信號進行精密放大，線路內(nèi)部進行穩(wěn)壓等，將稱重傳感器拉力轉(zhuǎn)換成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出，再直接與PLC連接。3.6.2溫度變送器選型對溫度傳感器的選用標(biāo)準(zhǔn)，主要考慮以下幾個方面：被測對象的溫度是否需要遠傳；測量溫度范圍與精度；傳感器價格滿足經(jīng)濟性要求，使用方便。被計量原油的溫度波動較小，可選用鉑電阻傳感器。鉑熱電阻溫度傳感器，工作原理是在溫度作用下，鉑電阻絲的電阻值隨著溫度的變化而變化。溫度和電阻的關(guān)系接近于線性關(guān)系，電氣性能穩(wěn)定，精度高，可與PLC、計算機配套進行精確的溫度測量和控制。根據(jù)選型標(biāo)準(zhǔn)，綜合實際工作溫度環(huán)境，原油溫度需要遠傳，選擇WZP-231pt100鉑熱電阻，測溫范圍：-200～420℃。WZP系列熱電阻具有結(jié)構(gòu)小，使用范圍廣，可靠性好，熱響應(yīng)時間短，價格廉價等優(yōu)點。3.6.3壓力變送器與差壓變送器選型(1)壓力、差壓變送器的選型標(biāo)準(zhǔn)主要考慮以下幾個方面[15-16]：被測量介質(zhì)：本系統(tǒng)中被測量介質(zhì)為原油，屬于高黏度有腐蝕性的介質(zhì)，這類場合必須選用隔離型變送器。壓力變送器的接觸介質(zhì)局部的材質(zhì)有普通不銹鋼、304不銹鋼、316L不銹鋼等。這里針對原油采用316不銹鋼即可。(2)量程范圍：測量壓力的最大值，一般應(yīng)選擇1.5倍滿量程壓力。變送器測量范圍最好設(shè)在1/4-3/4變送器量程之間，這樣能保證測量的精度，這一點對于微差壓變送器更為重要。(3)溫度范圍：變送器一般會標(biāo)定兩個溫度范圍，即正常操作的溫度范圍和溫度補償范圍。溫度從零點漂移和滿度溫度漂移兩方面影響測量結(jié)果。(4)精度等級：決定精度的主要有非線性，遲滯性，非重復(fù)性等。精度越高，價格就越高。所以要根據(jù)測量環(huán)境恰當(dāng)?shù)倪x擇變送器的精度等級。(5)輸出信號：目前市場上壓力變送器的輸出信號，主要4～20mA，0～20mA，0～10V，0～5V等，最常用的是4～20mA和0～10V兩種。本設(shè)計中壓力與壓差信號需要進行遠距離傳輸，因此，采用mA級輸出，即4～20mA輸出，接線方式為兩線制。(6)防爆以及防護等級：原油屬于易燃易爆介質(zhì)，因此需要慮防爆以及防護等級。本設(shè)計中采用防爆等級ExiaⅡCT6。結(jié)合上述壓力傳感器的選型標(biāo)準(zhǔn)以及實際工作環(huán)境，選擇壓阻式壓力變送器，通過市場價格比擬，最終選擇邁克傳感器生產(chǎn)的MPM489型壓阻式壓力變送器。在MPM489系列中選擇本安型，防爆等級ExiaⅡCT6，二線制輸出4～20mA電流信號，使用螺紋連接，安裝方便。差壓變送器是最常用的液位測量變送器，本系統(tǒng)的工作介質(zhì)密度0.9x103kg/m3，計量罐的罐底液位不超過2m，差壓值小于1kPa，應(yīng)選用微差壓變送器。綜合考慮工作環(huán)境與選型原那么，最終選擇邁克傳感器生產(chǎn)的MDM4951DR型微差壓變送器。3.6.4接近開關(guān)選型西門子S7-200PLC輸入內(nèi)部線路的光電耦合的公共端可以是共陰極或共陽極，因此，在考慮使用NPN或PNP輸入時，可以改變公共端〔COM〕的正極或負極來分別使用。這里選擇NPN型。綜合性能與市場價格，最終選擇西普電氣公司生產(chǎn)的SIPU系列，非埋入式NPN直流三線，常開型J18-D8NK，額定動作距離8mm。4控制系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)與通信PLC通信包括PLC之間、PLC與上位機之間、PLC和其他智能設(shè)備之間通信。PLC相互之間的連接，是眾多相對獨立的控制任務(wù)構(gòu)成一個控制工程整體，形成模塊控制體系；PLC與計算機的連接，將PLC應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備直接控制，計算機用于編程、顯示、打印和系統(tǒng)管理，構(gòu)成“集中管理，分散控制〞的分布式控制系統(tǒng)〔DOS〕，滿足工廠自動化〔FA〕系統(tǒng)開展需要。4.1網(wǎng)絡(luò)概述4.1.1聯(lián)網(wǎng)目的PLC的聯(lián)網(wǎng)就是為了提高系統(tǒng)的控制功能和范圍，將分布在不同位置的PLC之間、PLC與計算機、PLC與智能設(shè)備通過傳送介質(zhì)連接起來，實現(xiàn)通信，以構(gòu)成功能更強的控制系統(tǒng)。兩個PLC之間或一臺PLC與一臺計算機建立連接，一般叫做連接〔link〕，而不能成為聯(lián)網(wǎng)。現(xiàn)場控制的PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，極大地提高了PLC的控制范圍和規(guī)模，實現(xiàn)了多個設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享和協(xié)調(diào)控制，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性，增加了系統(tǒng)監(jiān)控和科學(xué)水平，便于用戶程序的開發(fā)和應(yīng)用。4.1.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)又稱為網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，它主要指如何從物理上把各個節(jié)點連接起來形成網(wǎng)絡(luò)。常用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括連接結(jié)構(gòu)、聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。(1)鏈接結(jié)構(gòu)鏈接結(jié)構(gòu)膠為簡單，它主要指通過通信接口和通信介質(zhì)把兩個節(jié)點鏈接起來。鏈接的結(jié)構(gòu)信息在設(shè)備間的傳送可以分為單工通信方式、辦雙工通信方式、全雙工通信方式。假設(shè)有兩個節(jié)點A和B。單工通信方式是指數(shù)據(jù)傳送只能由A流向B，或只能由B流向A。而辦雙工通信方式是指在兩個方向上都能傳數(shù)據(jù)，即對某節(jié)點A和B既能接受數(shù)據(jù)也能發(fā)送數(shù)據(jù)，但在同一時刻只能朝一個方向傳送。全雙工通信方式是指童年故事在兩個方向上都能傳送數(shù)據(jù)的通信方式。由于全雙工通信方式可現(xiàn)時時雙向數(shù)據(jù)傳輸，故在本通信中被采用(2)聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)指多個節(jié)點的連接形式常用的有星形結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)和環(huán)形結(jié)構(gòu)。①星行結(jié)構(gòu)只有一個中心節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點都分別與中心節(jié)點連接，通信功能由中心節(jié)點進行管理，病通過中心節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。②總線結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)的所有節(jié)點都通過相應(yīng)硬件連接到一條無源公共總線上，任何一個節(jié)點發(fā)出的信息都可沿著總線傳輸，，并被總線上其他人一節(jié)點接收。他的傳輸方向是從發(fā)送節(jié)點向兩端擴散傳送。③環(huán)形結(jié)構(gòu)環(huán)形結(jié)構(gòu)的的個節(jié)點通過有源接口連接在一條閉合的環(huán)形通信線路中，是點對點式結(jié)構(gòu)，即一個節(jié)點只能把數(shù)據(jù)傳送到下一個節(jié)點。如果下一個節(jié)點不是數(shù)據(jù)發(fā)送的目的節(jié)點，那么再向下傳送直到目的節(jié)點接收為止。本文控制系統(tǒng)采用的是第一種結(jié)構(gòu)以上位機為種信念節(jié)點4.1.3通信方式(1)串行數(shù)據(jù)傳送與并行數(shù)據(jù)傳送①并行數(shù)據(jù)傳送并行數(shù)據(jù)傳送時所有數(shù)據(jù)位是同時進行的，以字或字節(jié)為單位傳送。并行傳輸速度快，但通信線路多、本錢高，適合近距離數(shù)據(jù)高速傳送。PLC通信系統(tǒng)中，并行通信方式一般發(fā)生在內(nèi)部各元件之間、根本單元與拓展模塊或近距離的智能模板的處理器之間。②串行數(shù)據(jù)傳送串行數(shù)據(jù)傳送時所有數(shù)據(jù)是按位進行的。串行通信只需要一對數(shù)據(jù)線就可以。在長距離數(shù)據(jù)傳輸中較為適宜。PLC網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的方式絕大多數(shù)為串行方式，而計算機或PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)處理、存儲都是并行的。假設(shè)要串行發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，那么要進行相應(yīng)的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成并行數(shù)據(jù)之后再處理。(2)異步方式與同步方式串行通信數(shù)據(jù)的傳送是一位一位分時進行的。根據(jù)串行數(shù)據(jù)傳輸方式的不同樂意分為異步方式和同步方式。①異步方式異步方式又稱為起止方式。它在發(fā)送字符時，要先發(fā)送起始位，然后才是字符本身，最后是停止位、字符之后I還可以加上奇偶校驗位。異步傳送較為簡單，但要增加傳送位，將影響傳輸速率。異步傳送是靠起始位和波特率來保持同步的。②同步方式同步方式要在傳送數(shù)據(jù)的同時，也傳送時鐘同步信號，病始終按照給定的時刻采集數(shù)據(jù)。同步傳送數(shù)據(jù)雖提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，但對通信系統(tǒng)要求較高。PLC網(wǎng)絡(luò)采用異步方式床送數(shù)據(jù)4.1.4網(wǎng)絡(luò)配置網(wǎng)絡(luò)配置與建立網(wǎng)絡(luò)的目的、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及通信方式有關(guān)，但任何網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)配置都包括硬件、軟件兩個方面。(1)硬件配置硬件配置主要包括兩個問題，一是通信接口，二是通信介質(zhì)。PLC網(wǎng)絡(luò)的通信接口多為串行接口，主要功能是進行數(shù)據(jù)的并行與串行轉(zhuǎn)換，控制傳送的波特率及字符格式，進行電平轉(zhuǎn)換等。常用的通信接口有RS-232、RS-422、RS-485。通信口主要靠介質(zhì)實現(xiàn)相連，以此構(gòu)成信道。常用的通信介質(zhì)有：多股屏蔽電纜、雙絞線、同軸電纜及光纜。此外，還可以通過電磁波實現(xiàn)無線通信。(2)軟件配置要實現(xiàn)PLC的聯(lián)網(wǎng)控制，就必須遵循一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。不同公司的機型，通信軟件各不相同。軟件一般分為兩類，以；誒是系統(tǒng)編程軟件，用以實現(xiàn)計算機編程，并把程序下載到PLC，且監(jiān)控PLC工作狀態(tài)。如西門子公司的STEP7-Micro/WIN軟件。另一類為應(yīng)用軟件，各用戶根據(jù)不同開發(fā)環(huán)境和具體要求，用不同語言編寫的通信程序。4.2WinCC組態(tài)軟件4.2.1WinCC組態(tài)軟件簡介本設(shè)計監(jiān)控畫面采用WinCC組態(tài)軟件進行開發(fā)設(shè)計，WinCC是視窗控制中心(WindowsControlCenter)的簡稱，是一套完整的組態(tài)開發(fā)環(huán)境，主要配合西門子公司自己的自動化硬件產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強大，它包括一個腳本調(diào)試環(huán)境，內(nèi)嵌OPC支持，可對分布式系統(tǒng)進行組態(tài)，形成所需的操作、監(jiān)控畫面，報警、趨勢曲線和報表等畫面。具有高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)管理功能。WinCC組態(tài)軟件與STEP7編程軟件的緊密結(jié)合，縮短了工程開發(fā)的周期，監(jiān)控畫面與編程畫面可在同一個界面進行，而不需要外部電纜進行通訊，尤其對于程序調(diào)試非常方便[17-20]。WinCC組態(tài)的一般過程:新建一個工程更改工程屬性更改計算機屬性畫面組態(tài)變量組態(tài)報警組態(tài)變量記錄的組態(tài)全局腳本用戶權(quán)限設(shè)置4.2.2WinCC組態(tài)過程的實現(xiàn)在開始組態(tài)之前，先對新建工程進行剖析，以便從總體上把我工程的結(jié)構(gòu)、流程，確定工程所需要實現(xiàn)的功能以及如何實現(xiàn)這些功能。工程概述：油井自動計量系統(tǒng)工程的建立，包括多路來油管線，多通閥自動選井