【正文】 控制機實現(xiàn)。該級負(fù)責(zé)產(chǎn)生直接的控制信號，通過執(zhí)行機構(gòu)作用于被控對象，精確的控制算法在這一層實現(xiàn)。其智能程度最低，但工作精度最高。由上圖可以看出，該模型是一種實用、可靠、新型的工業(yè)控制系統(tǒng)模型，它可以按照實際的需求，規(guī)模大小，近程和遠(yuǎn)程進行選擇，在設(shè)計時它可以針對計算機的特點，進行層次的分配，而這種分配又能完全滿足“控制精度隨智能提高而降低”的設(shè)計原則，這種結(jié)構(gòu)完全可以用已被許多實踐證明是成功的PLC網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，系統(tǒng)的各級間的通信可采用靈活的方式進行。 基于PLC網(wǎng)絡(luò)的集散遞階管控系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)上面提出的模型，本文實現(xiàn)了一個基于遞階管控的灘海油田測控系統(tǒng)。以分布式的PLC控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將PLC作為下位機，計算機作為監(jiān)督、控制的上位機，采用現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將計算機與PLC有機結(jié)合起來，針對計算機和PLC的特點，并結(jié)合公司管理組織網(wǎng)絡(luò)，對系統(tǒng)所要完成的功能進行層次分配。根據(jù)海上平臺的分布及功能，其集散遞階管控的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計為三級：第一級陸地監(jiān)控中心( 設(shè)在海洋石油開發(fā)公司)；第二級為中心平臺監(jiān)控/協(xié)調(diào)級(設(shè)在中心平臺控制室)；第三級為現(xiàn)場執(zhí)行級( 設(shè)在采油平臺)[18]。 集散遞階管控的灘海油田測控系統(tǒng)設(shè)計 陸地監(jiān)控中心級該級設(shè)在陸地監(jiān)控中心，是控制系統(tǒng)的最高級，陸地監(jiān)控中心既是埕島油田生產(chǎn)管理中心,也是生產(chǎn)指揮中心。該級承擔(dān)著最優(yōu)決策的功能，執(zhí)行組織管理決策的職能，對下進行指導(dǎo)和監(jiān)控，智能程度最高。該級通過擴頻微波獲取中心平臺數(shù)據(jù)。在此系統(tǒng)中通過網(wǎng)關(guān)將實時測控系統(tǒng)與局域網(wǎng)進行隔離，通過數(shù)據(jù)接口將控制系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，把實時數(shù)據(jù)向公司開發(fā)數(shù)據(jù)庫進行加載，保存到大型通用數(shù)據(jù)庫ORACLE中，通過Java后臺服務(wù)器，提供給其它油井專用軟件作為原始數(shù)據(jù)使用。在此基礎(chǔ)上建立基于Intranet/Web技術(shù)的動態(tài)查詢系統(tǒng)，實現(xiàn)油田生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)和測控自動化系統(tǒng)的有機結(jié)合。并將生產(chǎn)數(shù)據(jù)及點信息通過局域網(wǎng)發(fā)布到Web上，以便于生產(chǎn)管理人員及時、準(zhǔn)確的了解到海上平臺的生產(chǎn)情況。該級指導(dǎo)監(jiān)控／協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級所有行為，可輸入電泵等設(shè)備的上下限值，檢查用戶輸入信息的正確性，搜集并顯示工作環(huán)境中的各種檢測參數(shù)，經(jīng)處理后以圖表曲線的形式進行屏幕顯示。若出現(xiàn)故障或異常情況可以聲、光進行故障報警。由于海上環(huán)境的特殊性，在緊急情況下，具有一定權(quán)限的管理員可對緊急切斷閥、井下安全閥進行開關(guān)等操作命令。中心平臺監(jiān)控/協(xié)調(diào)級該級的主要功能是向組織級上傳數(shù)據(jù)，提供執(zhí)行級的工作狀況，完成組織級下達(dá)的任務(wù)和命令，保證和維持執(zhí)行級中的各個PLC的正常運行，負(fù)責(zé)各PLC的協(xié)調(diào)工作。該級的智能程度和控制精度均介于組織級和執(zhí)行級之間。該級由主PLC和計算機構(gòu)成，設(shè)在中心平臺上。通過無線電臺發(fā)送微波方式獲取各衛(wèi)星平臺數(shù)據(jù)，通過DH+網(wǎng)獲取本地PLC的工作狀態(tài)及采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)。中心平臺站運行的測控軟件是在西門子公司提供的Wincc軟件上開發(fā)組態(tài)而成的，由實時數(shù)據(jù)庫、用戶畫面、Excel報表和特殊應(yīng)用程序組成。通過對數(shù)據(jù)初步的分析和處理，完成中心平臺自身的生產(chǎn)流程和所屬衛(wèi)星平臺生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)視及控制，掌握各PLC的工作狀態(tài)，并把分析出的異常情況上報陸地中心組織級。該級為少人值守站，按照生產(chǎn)管理要求，完成日常的油井計量及一些間開井的開關(guān)工作。在緊急情況下，完成對生產(chǎn)流程切斷的緊急控制?，F(xiàn)場執(zhí)行級該級的智能程度與上面的兩級相比最低，但工作精度最高。該級是由PLC構(gòu)成的，可適用復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場。在此系統(tǒng)中，由可編程控制器完成采油平臺數(shù)據(jù)的采集、處理和判斷，通過無線數(shù)傳電臺發(fā)往海上中心平臺站，同時接收中心平臺站發(fā)來的控制命令，實現(xiàn)中心平臺對衛(wèi)星平臺的遙控遙測，實現(xiàn)無人值守。在該級的控制中，可完成對閥、電機等的開關(guān)控制，更重要的是完成對計量分離器、電加熱器的精確控制。系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場情況和上位機命令對生產(chǎn)設(shè)備進行控制和調(diào)節(jié)。其中，工藝過程即控制對象。人機接口無線電臺輸出模塊CPU模塊輸入模塊輸出執(zhí)行器工藝過程輸入傳感器 衛(wèi)星平臺執(zhí)行級組成數(shù)據(jù)檢測（1） 模擬量:油井生產(chǎn)參數(shù)：油壓、套壓、回壓；潛油電泵的運行參數(shù)：電流、電壓；消防流程的進出口壓力；原油儲罐的液位；工藝流程電加熱器出口溫度等等。具體實現(xiàn)過程為：① 壓力、液位、溫度：由壓力傳感器、溫度傳感器將現(xiàn)場各壓力、液位、溫度信號轉(zhuǎn)換成4~20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號輸入至PLC，由PLC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計算實際值，存入PLC中CPU數(shù)據(jù)存儲區(qū)，由程序?qū)崟r調(diào)用。② 潛油電泵的電流、電壓:通過安裝在強電柜中的變送器將各電量信號轉(zhuǎn)換成4~20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號給PLC，經(jīng)PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后存入數(shù)據(jù)存儲區(qū)，由程序?qū)崟r調(diào)用。（2） 開關(guān)量：各模擬量的上下限報警；平臺的可燃?xì)怏w報警、火災(zāi)報警；潛油電泵的狀態(tài)—短路、欠載、缺相等停機故障，生產(chǎn)分離器、計量分離器高低液位的越限報警。具體實現(xiàn)過程為使用軟件設(shè)置上下限報警整定值，通過無源觸點，報警時發(fā)出觸發(fā)脈沖直接輸送至PLC，在操作界面上顯示文字和圖形描述的報警信號。保護及報警當(dāng)設(shè)備運行過程中出現(xiàn)突發(fā)性故障和嚴(yán)重超出設(shè)定值時，系統(tǒng)能在監(jiān)控計算機上及時發(fā)出聲光報警，并給予提示，以及自動緊急跳閘和斷電停機保護等措施，同時控制計算機能自動彈出報警窗口，顯示報警畫面。在沒有操作人員按下報警應(yīng)答指令前，無論是否執(zhí)行停機命令，系統(tǒng)一直保持報警提示狀態(tài)，確保平臺各項工作在高效安全狀態(tài)下運行?？刂乒δ埽?） 閥門控制：采油平臺的安全及消防系統(tǒng)上使用了電動蝶閥，控制著整座平臺的泡沫消防、水消防、大罐噴淋等全部流程的通斷。閥門動力電路使用380V電壓，控制電壓為24V直流電。各閥門的開關(guān)控制均可以從監(jiān)控計算機上實現(xiàn)，閥門開關(guān)時顯示動作過程和狀態(tài)反饋。（2） 開關(guān)井功能：平臺油井潛油電泵的啟停可以方便的從監(jiān)控計算機上實現(xiàn)，并可實現(xiàn)同手動操作的狀態(tài)對應(yīng)。（3） 安全閥關(guān)閉功能：在平臺發(fā)生應(yīng)急情況時，井下安全閥是保證采油平臺實現(xiàn)安全環(huán)保的一個關(guān)鍵屏障，現(xiàn)場關(guān)井有時可能是難以實現(xiàn)的，自動化監(jiān)控系統(tǒng)完全可以實現(xiàn)安全閥的自動關(guān)閉，從而使平臺抵御突發(fā)事件的能力得到進一步增強。本章小結(jié)本章詳細(xì)的介紹了控制系統(tǒng)的選擇，并最終論證選擇基于PLC的DCS系統(tǒng)。本章最后詳細(xì)的闡述了海上油田監(jiān)控的三級管理系統(tǒng)。第四章 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計1第四章 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計第四章 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計本章主要介紹海上采油平臺生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)、硬件組成和選型。由于海上環(huán)境惡劣，而且整個采油生產(chǎn)屬于生產(chǎn)流程控制，流程中各工序之間具有一定的邏輯關(guān)系，因此適合采用可編程序控制器進行設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)的采集，而且考慮需要監(jiān)控的設(shè)備較多，其中有的生產(chǎn)過程量需要進行采集和監(jiān)測，因而涉及很多模擬量的輸入輸出。因此，所選 PLC 需要在具備相當(dāng)數(shù)量的數(shù)字 I/O 外，還要具備較強的模擬量操作的能力?？紤]到上述要求，本項目選用德國 Siemens公司的S7系列PLC—S7400H作為現(xiàn)場操作級控制設(shè)備，直接進行現(xiàn)場控制設(shè)備的控制。在監(jiān)控協(xié)調(diào)級采用二臺計算機作為監(jiān)控計算機，實現(xiàn)控制管理功能，作為生產(chǎn)過程控制管理的操作中心。在組織級采用二臺計算機作為監(jiān)控計算機，實現(xiàn)控制管理功能，一臺計算機作為網(wǎng)關(guān)用作與局域網(wǎng)的接口。中心平臺監(jiān)控協(xié)調(diào)級計算機采用雙服務(wù)器熱備的模式確保系統(tǒng)的可靠運行，通過點對點的無線電臺完成與海上小平臺PLC的通訊，通過微波通訊鏈路完成與陸地中心站組織級的數(shù)據(jù)交換。中心平臺監(jiān)控計算機充分利用了最新的計算機軟件及通信技術(shù)，實現(xiàn)與現(xiàn)場I/O設(shè)備數(shù)據(jù)的實時交換和復(fù)雜的畫面顯示操作功能。中心平臺監(jiān)控協(xié)調(diào)級計算機具有對電泵開關(guān)、閥門控制以及對分離器調(diào)節(jié)、加熱器調(diào)節(jié)的控制功能。陸地中心站組織級的顯示功能與中心平臺監(jiān)控協(xié)調(diào)級相同，但在一般情況下不具有兩座中心平臺監(jiān)控級的控制功能，只在緊急不可抗力的情況下具有最高權(quán)限的人可進行平臺的緊急切斷工作。陸地中心站組織級的更重要的工作是對自動化采集的數(shù)據(jù)進行利用，通過數(shù)據(jù)接口把數(shù)據(jù)放在通用的數(shù)據(jù)平臺上，利用專用的軟件對數(shù)據(jù)進行分析拿出對油田的整體開發(fā)意見。中心平臺監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控服務(wù)器（工控計算機）、無線調(diào)制解調(diào)器（帶天線）、數(shù)字電臺、PLC、打印機、UPS 電源等組成。 工控機 IPC6908高性能的硬件系統(tǒng)是軟件運行的可靠保證。中心平臺管理級采用工業(yè)控制計算機構(gòu)成操作站，操作站的硬件配置為：研華工業(yè)機箱 IPC6908，P4 CPU，1G 內(nèi)存，120G 硬盤，19 寸純平彩色顯示器，光驅(qū)，配有標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、鼠標(biāo)、音箱和 HP 打印機。廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計：海上石油平臺遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 無線收發(fā)設(shè)備 SRM6100本系統(tǒng)考慮到海上環(huán)境的惡劣及特殊，采用美國 DATALINC 公司所生SRM6100來組建海上無線信道，從而使生產(chǎn)數(shù)據(jù)方便、快捷、穩(wěn)定的在中心采油平臺和各個周邊衛(wèi)星平臺之間傳輸[19]。 SRM6100的特點及技術(shù)指標(biāo)工作頻率：（無需申請專用頻點資源。在 頻段應(yīng)用智能頻譜跳頻技術(shù)，最大程度的抗干擾可用于高噪聲環(huán)境）。通信距離：24公里。在視距范圍內(nèi)使用不同增益的外接天線。使用中繼站可延伸通信距離。發(fā)送器輸出功率：500mW（最大），從 10mW 到 500mW 可分十檔編程，可內(nèi)部設(shè)置。調(diào)制方式：擴頻，GFSK（預(yù)調(diào)制高斯濾波頻移鍵控），射頻數(shù)據(jù)速率 144Kbps。接收器靈敏度：110 dBm @ BER（誤碼率）； 108 dBm @ BER （誤碼率）。系統(tǒng)增益：135dB。接口：RS232, 異步, 10 或 11 位字, 全雙工；可選 RS422 和 RS485。電源：供電電壓： VDC；12 VDC。可選 24 VDC。天線：鞭狀天線，可選外接的全向天線或定向天線。工作模式：點對點主站，點對點從站，一點對多點主站，一點對多點從站，點對點從站/中繼站，點對點中繼站，點對點從站/主站可切換，一點對多點中繼站等八種工作模式?？蓪崿F(xiàn) PLC（可編程控制器）和工作站之間的無線連接。由于篇幅問題，本文中只介紹 SRM6100 無線調(diào)制解調(diào)器比較重要的參數(shù)及設(shè)置。 PLC的選型與研究 PLC概述PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置。這種裝置具有體積小、功能強、程序設(shè)計簡單、靈活通第四章 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計用等優(yōu)點，特別是他的高可靠性和較強的適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力，得到了用戶的公認(rèn)和好評。它經(jīng)過短短幾十年發(fā)展后，現(xiàn)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC、機器人和CAD/CAM）之一，被廣泛應(yīng)用于機械、冶金、化工、交通、電力等領(lǐng)域中。以PLC作為控制器的PLC控制系統(tǒng)從根本上改變了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)的工作原理和方式。繼電器控制系統(tǒng)的控制功能是通過采用硬件接線的方式來實現(xiàn)的，而PLC控制系統(tǒng)的控制功能是通過存儲程序來實現(xiàn)的，不僅可以實現(xiàn)開關(guān)量控制，還可以進行模擬量控制、順序控制。PLC隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，無論在功能上、速度上、智能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通訊上，都有很大提高。并開始與小型計算機連成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了以PLC為重要部件的分布式控制系統(tǒng)。隨著PLC網(wǎng)絡(luò)通信功能的不斷增強，PLC與PLC及計算機的互聯(lián)，可以形成大規(guī)模的控制系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)高速公路（Data Highway）上掛接在線通用計算機，實現(xiàn)在線組態(tài)、編程和下裝，進行在線監(jiān)控整個生產(chǎn)過程，這樣就已經(jīng)具備了集散控制系統(tǒng)的形態(tài)。隨著構(gòu)成PLC的元器件性能的提高，PLC的可靠性也在提高，另外，PLC程序設(shè)計簡單，易學(xué)易懂易維護，更適用于工程技術(shù)人員。因此，PLC在工業(yè)控制中獲得了極大的成功，成為工業(yè)控制的主流。但是計算機在信息處理方面還是優(yōu)于PLC，所以在自動控制系統(tǒng)中，常將兩者結(jié)合起來，PLC做下位機進行現(xiàn)場控制，計算機做上位機進行信息處理。計算機與PLC之間通過通信線路實現(xiàn)信息的傳送和交換。這樣相輔相成，構(gòu)成一個功能較強的完整的控制系統(tǒng)。 典型的PLC控制系統(tǒng)的組成 PLC的工作原理PLC工作過程分為3個階段：上電處理、PLC掃描過程和出錯處理。PLC上電后對PLC系統(tǒng)進行一次初始化工作，包括硬件初始化、I/0模塊配置運行方式檢查、停電保持范圍設(shè)定及其它初始化處理等[20]。這些是PLC內(nèi)部處理階段，這些程序是廠家在PLC出廠時就已經(jīng)固化好了的，與用戶的控制程序無關(guān)，一般比較固定，其運行時間與用戶的程序運行時間相比，要短的多。PLC上電完成以后進入掃描工作過程。首先完成輸入處理，其次完成與外設(shè)的通訊處理，再進行時鐘、特殊寄存器的更新。當(dāng)CPU處于STOP模式時，轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查。當(dāng)CPU處于RUN模式時，它將不斷重復(fù)掃描過程。掃描過程分為三個階段：輸入采樣階段，程序執(zhí)行階段，輸出刷新階段。輸入采樣階段首先掃描所有輸入端子，并將各輸入端子狀態(tài)存入內(nèi)存中對應(yīng)的輸入映像寄存器。此時，輸入映像寄存器被刷新。接著，進入程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，輸入映像寄存器與外界隔離，無論輸入信號如何變化，其內(nèi)容保持不變，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端內(nèi)容。輸出刷新階段是所有指令執(zhí)行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)(接通／斷開)在輸出刷新階段被存到輸出鎖存器，通過一定方式輸出并驅(qū)動外部負(fù)載。在PLC每個掃描周期都要執(zhí)行一次自診斷檢查，以確定PLC自身的動作是否正常，如CPU、電池電壓、程序存儲器、I/O、通信等是否異常或出錯。若檢查出異常，CPU面板上的LED及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中存入出錯代碼。當(dāng)出現(xiàn)致命錯誤時，CPU被強制為STOP模式，所有的掃描停止。 PLC工作原理 本系統(tǒng)PLC的選型目前，全世界PLC生產(chǎn)廠家約200家，生產(chǎn)300多個品種。國內(nèi)應(yīng)用的主流PLC的生產(chǎn)廠家主要包括Siemens、Modicon、AB、Omorn、三菱、GE、富士等等。據(jù)電子部98年調(diào)查結(jié)果表明