【文章內(nèi)容簡介】 且無電火花，適用于易燃易爆場合。但它也屬于接觸式測量，受介質(zhì)粘附、溫度變化等因素的影響大。 本文的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容本文主要分為以下幾個(gè)部分：第一章， 先提出了本設(shè)計(jì)課題的背景和研究的意義，然后介紹了國內(nèi)外對于油水分離研究的現(xiàn)狀和油田原油的生產(chǎn)工藝，界面測量儀的種類，最后是論文的結(jié)構(gòu)。第二章， 總體設(shè)計(jì)方案的提出，以及總體設(shè)計(jì)的流程圖，油水界面測量系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能。第三章， 對油水測量硬件的介紹，其中包括A36W型油水界面測量儀的概述，性能和技術(shù)指標(biāo)，以及分段電容傳感器的工作原理，最后是轉(zhuǎn)換串口概述。第四章， 軟件部分的設(shè)計(jì)，簡單介紹了以下MCGS組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)過程中對設(shè)備窗口，用戶窗口，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和循環(huán)策略的參數(shù)及變量的設(shè)置，Modbus通訊協(xié)議的概述以及油水界面分離的算法的研究。第五章， 通過編制的界面完成油水界面測量實(shí)驗(yàn)的整體過程，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄。第二章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)方案選擇 （1）在油水混合物中，由于密度不同，會(huì)形成上層為油層，下層為水層，在實(shí)際油田生產(chǎn)過程中，必須要確定油水界面的位置。（2）關(guān)于實(shí)現(xiàn)油水界面檢測儀與PC的通訊，有以下兩種方案：①通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)采集到PC中，但是由于界面測量儀輸出的數(shù)據(jù)本身已經(jīng)是數(shù)字信號(hào)，所以不用數(shù)據(jù)采集卡處理。②用485232轉(zhuǎn)換串口直接將界面測量儀輸出的數(shù)據(jù)采集到PC中。（3）選擇處理數(shù)據(jù)的軟件，考慮了三種方案： ①阿爾泰數(shù)據(jù)采集卡軟件，由于上面已經(jīng)提到本試驗(yàn)用不到數(shù)據(jù)采集卡，所以不采用這種方案。 ②采用MCGS軟件實(shí)現(xiàn)油水界面的檢測,由于MCGS軟件在實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫方面的功能比較豐富，可以比較直觀的模擬油水界面檢測的整個(gè)過程，所以選擇此方案。（4）通過油水界面分離算法，在MCGS軟件中編寫腳本程序，對采集到計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)油水界面的實(shí)時(shí)測量，進(jìn)而完成實(shí)驗(yàn)。 總體方案設(shè)計(jì)流程圖21 數(shù)據(jù)傳輸過程A36W型油水界面測量儀采集到的數(shù)字信號(hào)通過UT216型485232轉(zhuǎn)換串口將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)中，在組態(tài)軟件MCGS中虛擬設(shè)備0內(nèi)部設(shè)置22個(gè)通道分別連接對應(yīng)的22個(gè)電容傳感器所測得得數(shù)字量，組態(tài)過程中直接利用這22個(gè)通道中的數(shù)字量進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。圖22 總體流程圖將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與油田采油工藝過程相結(jié)合，可以提高油田采油過程自動(dòng)化檢測水平，盡可能多地減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，同時(shí)能夠?qū)⒂吞镒铌P(guān)心的一些數(shù)據(jù)如油田日產(chǎn)油量等數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，并能實(shí)時(shí)顯示，便于油田工作人員操作，本課題所要實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：（1）通過油水界面檢測儀檢測相關(guān)油水界面的數(shù)據(jù)。（2）將油水界面檢測儀檢測到的數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換串口輸入計(jì)算機(jī)中。（3）在MCGS中根據(jù)相關(guān)的算法編寫腳本程序，將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為液位高度。（4）用MCGS軟件編制一個(gè)界面，可以顯示油，水，乳化液的高度。2..（1）首先確定設(shè)計(jì)課題，結(jié)合本專業(yè)知識(shí)選擇與專業(yè)相關(guān)的課題，并根據(jù)要求，采用MCGS實(shí)現(xiàn)油水界面的測量監(jiān)控。 （2）仔細(xì)閱讀所查的相關(guān)資料，對所要設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)做細(xì)致全面的認(rèn)識(shí)，包括其基本組成、工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域、國際國內(nèi)研究情況等等。首先分析前人的成果，研究其優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，然后作出關(guān)于本課題的設(shè)計(jì)方向以及設(shè)計(jì)重點(diǎn)。（3）總體方案設(shè)計(jì)。通過調(diào)研和查閱資料，擬定總體的研究方案。（4）在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分段電容傳感器上進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試，明確編程的內(nèi)容。（5）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。計(jì)算相關(guān)算法，并利用MCGS實(shí)現(xiàn)油水界面的檢測。 研究中出現(xiàn)問題的解決方案（1）在油水混合物中，由于密度不同，會(huì)形成上層為油層，下層為水層，在實(shí)際油田生產(chǎn)過程中，必須要確定油水界面的位置。（2）通過485232轉(zhuǎn)換串口將傳感器中獲得的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)中。（3）建立算法，將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐何桓叨龋ㄟ^MCGS實(shí)現(xiàn)油水界面的檢測，并設(shè)計(jì)顯示界面，分別顯示出儲(chǔ)油罐內(nèi)油，水，乳化液的高度。本章主要介紹了本設(shè)計(jì)課題的總體設(shè)計(jì)方案，其中包括研究中遇到的問題的以及解決方案，本課題研究的方法步驟，這為下一步的設(shè)計(jì)工作指明了方向，另外還簡單介紹了此系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能。第三章 油水界面系統(tǒng)硬件簡介 界面檢測儀圖31油水界面測量儀示意圖如圖31所示，A36W雙界面型油水界面儀是采用微電容串組合，斷層掃描檢測技術(shù)研制的一種檢測容器中油、水、空氣多相界面的液位計(jì)。其主要用于油田及石油化工行業(yè)進(jìn)行油水雙界面的檢測，A36W系列油水雙界面測量儀不僅能測量單一介質(zhì)的單液位、物位，而且一臺(tái)油水雙界面測量儀產(chǎn)品能夠同時(shí)準(zhǔn)確測量同一工作儲(chǔ)罐內(nèi)分層的兩種不同介質(zhì)的兩個(gè)液位，如：原油罐內(nèi)的油位與水位；其產(chǎn)品性能具有其它產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)、無可比擬的優(yōu)越性，此產(chǎn)品主要應(yīng)用于油田的原油沉降罐、分離罐、計(jì)量罐等罐群的液位測量和油水界面分析，也廣泛使用于石油、化工、水利、水文檢測、污水處理、煉鋼廠車間除塵器、加油站、焦煉廠、液化汽廠以及啤酒飲料、食品、制藥等行業(yè)的料位、液位的測量。由多段檢測高度為55mm的微電容串組合而成的檢測探極（傳感器）與裝在探極頂部的在線自校正式雙界面液位變送器共同組成液位計(jì)。其檢測的水面與油面高度以兩組420mA信號(hào)分別輸出，可遠(yuǎn)傳至微機(jī)或二次顯示儀表進(jìn)行顯示和控制。（1）變送器工作電壓：DC12V（由專用安全柵供電）（2）專用安全柵輸入電壓：DC24V（3）有效檢測范圍（量程）：0～10米(其它量程可另行定制）（4）變送器輸出：兩路4～20mA（5）防爆等級(jí)：ExibIIBT4（6）適用介質(zhì)：各種液體（7）工作溫度：40～+80℃（8）探極與罐壁距離：小于1米（過大應(yīng)考慮加輔助電極）圖32 界面測量儀工作原理在一定的空間內(nèi)介質(zhì)的變化將會(huì)引起很多的物理量的變化，如：變化較敏感的電場、磁場；那么電場和磁場物理量的變化將會(huì)間接的反映介質(zhì)單位體積及介質(zhì)特性的變化；利用這一原理結(jié)合矩陣式分布的傳感探極結(jié)構(gòu)，在高速大規(guī)模集成電路單片機(jī)的有序控制下實(shí)時(shí)獲取電場、磁場物理量的變化信息，并對這些信息進(jìn)行分析、計(jì)算，按一定的規(guī)律進(jìn)行量化處理、轉(zhuǎn)化，就能準(zhǔn)確無誤的知道介質(zhì)單位體積及介質(zhì)特性的變化；然后將介質(zhì)液位、物位的變化量轉(zhuǎn)換成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出并傳遞給PLC、工業(yè)采集模塊、工控計(jì)算機(jī)等采集設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視控制。由于位于液罐下層的水，中層的油，和上層的空氣，各自的介電常數(shù)ε有較大差異，因此由上至下多段微電容串各自55mm的檢測電極與罐壁之間構(gòu)成n個(gè)層面檢測電容，每個(gè)電容的電容量都與其和罐壁之間介電常數(shù)ε成正比。 如圖32所示，由單片機(jī)構(gòu)成的變送器對各段電容從下至上逐段進(jìn)行掃描檢測，并由軟件對檢測結(jié)果進(jìn)行分析、判斷、比較、計(jì)算，并由標(biāo)準(zhǔn)485信號(hào)或雙D/AmA變換模塊以兩路各自4～20mA恒流信號(hào)輸出。實(shí)際應(yīng)用中，油和水之間界面不是一個(gè)清晰的界面，油水之間在不同情況下是不同狀態(tài)的油水混合層，其介電常數(shù)在水和油之間變化，其大小與這一層面中油水混合比例有關(guān)，含水越多，ε越大。因此，判斷油水界面的ε閥值是一個(gè)相對值。使用中通過調(diào)整放大倍數(shù)，即可改變這個(gè)閥值。為了在安裝時(shí)可以檢查調(diào)整各層面的檢測值，變送器設(shè)置調(diào)零、放大兩只電位器，通過按鍵即可檢查從下至上第一至最末段檢測值，通過兩電位器可以進(jìn)行空氣段調(diào)零和油段、水段、混合段的調(diào)整，退出按鍵操作即可輸出油面、水面4～20mA信號(hào)。變送器可以通過軟件判斷方式選擇合適的工作狀態(tài)，無須手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器。下面圖33為例來介紹一下分段電容傳感器的檢測原理，這是一個(gè)10段式分段電容傳感器結(jié)構(gòu)簡圖及等效電容圖，只有最上部的電容傳感器沒有完全充滿介質(zhì)，其他傳感器全部都充滿了介質(zhì)，有的充滿了水，有的充滿了原油。從上至下等效為10個(gè)電容: ,…：圖33傳感器結(jié)構(gòu)及等效電容圖從圖中可以看出~中都是同一種介質(zhì)原油，和中也是同一種介質(zhì)水，只有中有原油和水兩種介質(zhì)，由于各段電容長度、內(nèi)徑和外徑都相等，不難得出：＜====＜＜== (31)~的電容值是需要經(jīng)過測量才能得到的，而只要得到了這十個(gè)電容值也就得到了上面的關(guān)系式，我們就可以判斷出，和充滿的是介質(zhì)水，~充滿的是介質(zhì)原油，中充入的是原油但沒有充滿，中充有原油和水兩種介質(zhì)，也就是說原油與水的分界面在段電容傳感器中，由于每個(gè)傳感器的高度都為L。，很容易得到油水界面高度為:H= K L。+。由于L。的精度是由制造工藝決定的，一般來說L。可以做得十分精確的，可見H的精度僅受精度的影響。再來看的測量過程，通過上式來計(jì)算，但首先必須求得C。和k，由于和，進(jìn)而受一些因素影響而不是常數(shù)，相應(yīng)的C。和k就也不是常數(shù)，必須通過測量來獲得和，進(jìn)而求得C。和k。注意到~中都充滿了介質(zhì)原油，而，和都充滿了介質(zhì)水，既然充滿的都是同一種介質(zhì)，就可以利用公式通過~的測量值來求得原油的相對介電常數(shù)，通過，和的測量值求得水的相對介電常數(shù)，再分別取其平均值作為最后計(jì)算時(shí)所使用的參數(shù)以提高測量精度。求出了和，油水界面的計(jì)算問題也就迎刃而解了。 轉(zhuǎn)換串口 轉(zhuǎn)換串口概述 圖33轉(zhuǎn)換串口本試驗(yàn)采用UT216接口轉(zhuǎn)換器如圖33，為了便于配有不同標(biāo)準(zhǔn)串行接口的計(jì)算機(jī)或智能儀器之間進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊，必須進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)串行接口的相互轉(zhuǎn)換。UT216接口轉(zhuǎn)換器可以為點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的通信提供可靠的連接，點(diǎn)到多點(diǎn)每臺(tái)轉(zhuǎn)換器可允許連接32個(gè)RS422或RS485接口設(shè)備，帶有電源指示燈及數(shù)據(jù)流量指示燈可指示故障情況、支持的通訊方式有RS232到RS42RS232到RS485轉(zhuǎn)換。連接上位機(jī)的主通信口，采用標(biāo)準(zhǔn)串行RS485通訊口，使用接線端子。信息傳輸方式為異步方式，起始位1位，數(shù)據(jù)位8位， 停止位1位，無校驗(yàn)；數(shù)據(jù)傳輸缺省速率為9600b/s。確保適用一切現(xiàn)有的通信軟件和接口硬件，不需要對以前的基于RS232的工作方式作任何軟件的修改。 轉(zhuǎn)換串口性能參數(shù)（1）兼容RS23RS485 TIA/EIA標(biāo)準(zhǔn)。（2）自動(dòng)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，無需外部的流量控制信號(hào)(RTS)。（3）通信速率：。（4）能夠連接32個(gè)RS485或RS422接口設(shè)備。（5）通訊距離: 1，200米（9，600BPS）。（6）電源及數(shù)據(jù)流量指示燈,可檢測故障點(diǎn)。（7）工作方式：步半雙工（RS485）或異步全雙工(RS422)通用無跳線設(shè)置。（8）RS485/422提供每線600W的防雷保護(hù)和防止共地干擾。（9）電氣接口：DB9孔型到DB9針型及RJ45連接器。（10）傳輸介質(zhì)：絞線或屏蔽線。 本章小結(jié)本章主要介紹了本研究課題中用到的分段式電容式油水界面測量儀的性能，參數(shù)和工作原理，以及轉(zhuǎn)換串口的技術(shù)指標(biāo)。第四章 油水界面系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) MCGS軟件簡介組態(tài)軟件是指用軟件工具對計(jì)算機(jī)及軟件的各種資源進(jìn)行配置，使計(jì)算機(jī)或軟件按照配置自動(dòng)的執(zhí)行特定的任務(wù)，以滿足使用者的要求。國際上比較著名的組態(tài)軟件有InTouch和iFIX等，國內(nèi)也涌現(xiàn)出了組態(tài)王，MCGS和力控等一批組態(tài)軟件，組態(tài)軟件一般由圖形界面系統(tǒng)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，第三方程序接口組件和控制功能組件組成。圖形界面系統(tǒng)用于生成現(xiàn)場過程圖形畫面；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)存儲(chǔ)現(xiàn)場控制點(diǎn)的參數(shù)；第三方程序接口組件用于組態(tài)軟件與氣態(tài)應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)；控制功能組件用于生成監(jiān)控所需的控制策略。組態(tài)軟件通過I/O驅(qū)動(dòng)程序從縣城I/O設(shè)備獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的加工后，一方面以圖形方式直觀的顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上；另一方面按照組態(tài)軟件要求和操作人員的指令將控制數(shù)據(jù)送給I/O設(shè)備，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施控制或調(diào)整控制參數(shù)。組態(tài)軟件MCGS是北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，可運(yùn)行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系統(tǒng)。 MCGS組態(tài)軟件包括三個(gè)版本，分別是網(wǎng)絡(luò)版、通用版、嵌入版。具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。通過與其他相關(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，可以快速、方便的開發(fā)各種用于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。用戶只需要通過簡單的模塊化組態(tài)就可構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)，如可以靈活組態(tài)各種智能儀表、數(shù)據(jù)采集模塊，無紙記錄儀、無人值守的現(xiàn)場采集站、人機(jī)界面等專用設(shè)備。MCGS全中文工業(yè)自動(dòng)化控制組態(tài)軟件（以下簡稱MCGS工控組態(tài)軟件或MCGS）是一套32位工控組態(tài)軟件，可穩(wěn)定運(yùn)行于Windows95/98/Me/NT/2000 等多種操作系統(tǒng)，集動(dòng)畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、雙機(jī)熱備、工程報(bào)表、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強(qiáng)大功能于一身，并支持國內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油、電力、化工、鋼鐵、礦山、冶金、機(jī)械、紡織、航天、建筑、材料、制冷、交通、通訊、食品、制造與加工業(yè)、水處理、環(huán)保、智能樓宇、實(shí)驗(yàn)室等多種工程領(lǐng)域。在MCGS 中的數(shù)據(jù)不同于傳統(tǒng)意義的數(shù)據(jù)或變量，它不只包含了變量的數(shù)值特征，還如下圖41所示，系統(tǒng)各個(gè)部分均以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為公用區(qū)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分協(xié)調(diào)動(dòng)作。設(shè)備窗口通過設(shè)備構(gòu)件驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，將采集的數(shù)據(jù)送入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫；由用戶窗口組成的圖形對象，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立連接關(guān)系，以動(dòng)畫將與數(shù)據(jù)相關(guān)的其它屬性（如數(shù)據(jù)的狀態(tài)、報(bào)警限值等）以及對數(shù)據(jù)的操作方法（如存盤處理、報(bào)警處理等）封裝在一起，作為一個(gè)整體，以對象的形式提供服務(wù)。這種把數(shù)值、屬性和方法定義成一體的數(shù)據(jù)稱為數(shù)據(jù)對象。MCGS 用數(shù)據(jù)對象來表述系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用對象變量代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義的值變量。把用數(shù)據(jù)庫技術(shù)管理的所有數(shù)