【文章內(nèi)容簡介】 型，實現(xiàn)對多口油井的自動控制與產(chǎn)量計量。 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(jī)監(jiān)控層、PLC控制層和電氣設(shè)備執(zhí)行層。本控制系統(tǒng)采用工控機(jī)為上位機(jī)，其作用就是對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)節(jié)。根據(jù)已經(jīng)設(shè)計好的程序，上位機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)，負(fù)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(jī)發(fā)出的命令首先給下位機(jī)，下位機(jī)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(jī)不時讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號反饋給上位機(jī)。下位機(jī)和上位機(jī)一樣都需要編程，都有專門的開發(fā)系統(tǒng)。上位機(jī)和下位機(jī)的關(guān)系可以理解為主機(jī)和從機(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)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。 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 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(jī)承載編程軟件的工控機(jī)，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。 。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：(1) 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。(2) 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)測分離出來的氣體流量，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(jìn)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)，避免設(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(jī)運行以及閥芯位置，實現(xiàn)對多井的進(jìn)油管線進(jìn)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)備運行的安全穩(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(xì)的系統(tǒng)信息。(1) 控制系統(tǒng)設(shè)計的總體要求系統(tǒng)高安全可靠性：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)的安全可靠性，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)急處理等安全措施。操作維護(hù)方便：設(shè)計系統(tǒng)的操作應(yīng)直觀便于掌握，維護(hù)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(hù)人員檢測。高性價比：系統(tǒng)設(shè)計需考慮整體的成本及其能帶來經(jīng)濟(jì)效益。(3) 控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟，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(jìn)行一個整體評估，根據(jù)評估結(jié)果再去進(jìn)行各類硬件選型，軟件設(shè)計，編寫程序，最后進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，直到能實現(xiàn)預(yù)期的功能，達(dá)到控制要求。 控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟（工控機(jī)）工控機(jī)配置工控機(jī)采用研華工控機(jī)610L。硬件配置：P4631CPU，DDR6771G內(nèi)存，SATA160GB硬盤，19in(1in=)顯示器；2個RS232串口。軟件配置：監(jiān)控軟件采用WinCC組態(tài)軟件； STEP7 Micro WINSP6。（plc）選型及模塊配置隨著PLC技術(shù)的發(fā)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(jìn)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(jì)指標(biāo)有著重要意義 PLC的機(jī)型選擇PLC選型的基本原則是在滿足計量要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭最佳的性價比。主要根據(jù)整個控制系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能和容量進(jìn)行選擇，并考慮維護(hù)的方便性，是否易于擴(kuò)展，有無特殊功能要求等[12]。由于本系統(tǒng)以開關(guān)量控制為主并帶有部分模擬量的控制，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，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(jìn)行進(jìn)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應(yīng)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S7200系列 PLC。S7200PLC的結(jié)構(gòu)小巧但功能強(qiáng)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(qiáng)大、擴(kuò)展模塊豐富、程序結(jié)構(gòu)先進(jìn)、尋址方法靈活；編程軟件功能強(qiáng)大且使用方便[13] 確定I/O點數(shù)在 S7200 PLC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：多通閥閥位反饋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(jìn)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。 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。(1) I/O點數(shù)的估算I/O點數(shù)PLC的I/O點的價格比較高，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(kuò)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(2) 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。 模塊選型模塊選擇的原則：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則。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，以避免接口轉(zhuǎn)換；輸出應(yīng)優(yōu)先選擇直接驅(qū)動負(fù)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成本，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)計維修服務(wù)提供方便。(1) 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、運算器和寄存器組成。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)量輸入輸出基本要求，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(kuò)展模塊的繼電器線圈提供24VDC。CPU的I/。 CPU的I/O地址分配表I/O地址輸入/輸出信號IO地址輸入/輸出信號多通閥閥位1左接近開關(guān)多通閥閥位2右接近開關(guān)多通閥閥位3多通閥動作接觸器多通閥閥位4(2) 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，富余一路模擬量通道備用。EM231 I/O 。 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(3) 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。(4) 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較高，既可以用于驅(qū)動交流負(fù)載，又可以用于直流負(fù)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(qiáng)。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(fù)載的額定電流，如果出現(xiàn)實際負(fù)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)。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(jìn)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。(1) 根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型要進(jìn)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合適，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(jìn)口、價格是否合理等。(2) 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較大，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則應(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，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好(3) 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(jī)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(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過大的誤差。(4) 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，則其