自动化仪表与过程控制课程设计

西安石油大学

课程设计

电子工程学院自动化专业自1202 班题目《自动化仪表与过程控制》课程设计学生

指导老师阮岩

二○一五年六月

目录

一．组态软件的历史发展 (4)

3．国内外主要产品介绍 (5)

二.工艺介绍 (7)

三.控制回路,方框图及控制规律 (7)

1. 控制回路方框图 (7)

2. 控制规律 (7)

四、仪表选型——流量计的选择 (8)

（一）1.污水流量计 (8)

1. 概述 (8)

2. .特点 (9)

3. 衬里选择 (9)

4. 电极的选择 (10)

5. 流量范围 (11)

6. 生产厂家 (12)

五．附组态运行画面 (13)

1.工艺画面 (13)

2. 实时趋势.................................................................................... 错误！未定义书签。

3.报警画面 (13)

《自动化仪表与过程控制》

课程设计任务书

题目油田污水回注泵站监控系统设计——注水泵控制学生姓名学号专业班级

设计内容与要求

本次课程设计的目的是熟悉过程控制系统的组态和调试，掌握自动化仪表与过程控制的基本应用，加深和巩固本课程及相关课程的知识，要求完成如下内容:

1悉油田污水回注泵站的工艺流程, 并实现注水泵出口流量检测控制

2.依据工艺流程和基本数据, 对所用仪表作出选型；

3.对控制回路画出方框图，写出所选控制规律，及参数整定方法；

4.了解组态软件的历史、发展及国内外现状，熟悉组态软件的应用，利用力控组态软件做出油田污水回注泵站监控系统的组态设计，并在报告中写出组态过程如：I/O端口分配、I/O点组态参数说明、控制回路组态说明等。最终要求做出工艺流程画面、趋势画面、报警画面，并利用软件提供的模拟对象，实现系统的自动控制。

5．完成课程设计报告。

起止时间200 年7 月 2 日至200 年7 月 6 日

指导教师签名阮岩200年6月26 日

系（教研室）主任签名200年6 月28 日学生签名200年6 月29 日

一．组态软件的历史发展

1. 组态软件产生的背景

“组态”的概念是伴随着集散型控制系统

（Distributed Control System简称DCS）的出现才开始被广大的生产过

程自动化技术人员所熟知的。在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC

（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体

现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已臻成熟；由PC构建

的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资丰富，

软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地

得到技术方面的支持。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据

着非常特殊而且重要的地位。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供

快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应

该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理

和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，

Human Machine Interface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速

建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域

的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性

差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能

满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。

组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，

构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控

制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为

它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。

2. 组态软件在我国的发展

组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入我国。但在90年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。究其原因，大致有以下几

点：

①国内用户还缺乏对组态软件的认识，项目中没有组态软件的预算，或宁愿投入人力物力针对具体项目做长周期的繁冗的上位机的编程开发，而不采用组态软件；

②在很长时间里，国内用户的软件意识还不强，面对价格不菲的进口软件（早期的组态软件多为国外厂家开发），很少有用户愿意去购买正版。

③当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高，组态软件提供了对大规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并可以将处理的结果生成管理所需的数据，这些需求并未完全形成。

随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式。对项目来说是费时费力、得不偿失的，同时，MIS（管理信息系统，

Management Information System）和CIMS（计算机集成制造系统，Computer Integrated Manufacturing System）的大量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。因此，在1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。

3．国内外主要产品介绍

①InTouch：Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch软件曾让我们耳目一新，并且InTouch提供了丰富的图库。但是，早期的InTouch软件采用ＤＤＥ方式与驱动程序通信，性能较差，最新的InTouch7.0版已经完全基于32位的Windows平台，并且提供了OPC支持。

②Fix：Intellution公司以Fix组态软件起家，1995年被爱默生收购，现在是爱默生集团的全资子公司，Fix6.ｘ软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序（需单独购买）。Intellution将自己最新的产品系列命名为iFiX，在iFiX中，Intellution提供了强大的组态功能，但新版本与以往的6.ｘ版本并不完全兼容。原有的Script语言改为VBA （Visual Basic For Application），并且在内部集成了微软的VBA开发环境。遗憾的是，Intellution并没有提供6.1版脚本语言到VBA的转换工具。在iFiX中，Intellution的产品与Microsoft的操作系统、网络进行了紧密的集成。Intellution也是OPC（OLE for Process Control）组织的发起成员之一。iFiX的OPC组件和驱动程序同样需要单独购买。

③Citech：CiT公司的Citech也是较早进入中国市场的产品。Citech具有

简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。Citech提供了类似Ｃ语言的脚本语言进行二次开发，但与iFix不同的是，Citech的脚本语言并非是面向对象的，而是类似于Ｃ语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。

④WinCC：Simens的WinCC也是一套完备的组态开发环境，Simens提供类Ｃ语言的脚本，包括一个调试环境。WinCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。但WinCC的结构较复杂，用户最好经过Simens的培训以掌握WinCC的应用。

⑤组态王：组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司（更早的品牌多数已经湮灭）。组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态王也提供多种硬件驱动程序。

⑥Controx（开物）：华富计算机公司的Controx2000是全32位的组态开发平台，为工控用户提供了强大的实时曲线、历史曲线、报警、数据报表及报告功能。作为国内最早加入OPC组织的软件开发商，Controx内建OPC支持，并提供数十种高性能驱动程序。提供面向对象的脚本语言编译器，支持ActiveX组件和插件的即插即用，并支持通过ODBC连接外部数据库。Controx 同时提供网络支持和WevServer功能。

⑦ForceControl（力控）：大庆三维公司的ForceControl（力控）从时间概念上来说，力控也是国内较早就已经出现的组态软件之一。只是因为早期力控一直没有作为正式商品广泛推广，所以并不为大多数人所知。大约在93年左右，力控就已形成了第一个版本，只是那时还是一个基于DOS和VMS 的版本。后来随着Windows3.1的流行，又开发出了16位Windows版的力控。但直至Windows95版本的力控诞生之前，他主要用于公司内部的一些项目。32位下的1.0版的力控，在体系结构上就已经具备了较为明显的先进性，其最大的特征之一就是其基于真正意义的分布式实时数据库的三层结构，而且其实时数据库结构可为可组态的活结构。在1999~2000年期间，力控得到了长足的发展，最新推出的2.0版在功能的丰富特性、易用性、开放性和

I/O驱动数量，都得到了很大的提高。在很多环节的设计上，力控都能从国内用户的角度出发，即注重实用性，又不失大软件的规范。另外，公司在产品的培训、用户技术支持等方面投入了较大人力，相信在较短时间内，力控软件产品将在工控软件界形成巨大的冲击。

其他常见的组态软件还有GE的Cimplicity，Rockwell的RsView，NI的LookOut，PCSoft的Wizcon以及国内一些组态软件通态软件公司的MCGS，也都各有特色。

二.工艺介绍

将采油过程中产生的污水经过沉降过滤处理后，用低压水泵送入注水储罐，然后经高压注水泵增压，经两级加压到约 20 MPa 后送出，通过管线

输送到注水井，用于注水作业。设计储水量为3*4000立方米，最大注水量为 2.0万吨/日。

三.控制回路,方框图及控制规律

1.控制回路方框图

2.控制规律

采用飞升曲线法进行参数整定，得到衰减曲线如下：

则可以从图中得到衰减比为4:1，以及衰减周期r T =8s ，则根据上述参数查表可

得采用PI 调节的参数可选取如下：V i r K 1.2, 42,085s 68s K K T ====。。，。

四、仪表选型——流量计的选择

（一）1.污水流量计

1. 概述

污水流量计由传感器和转换器两部分构成,它是基于法拉第电磁感应定律工作的，用来测量电导率大于5μS/cm 导电液体的体积流量，是一种测量导电介质体积流量的感应式仪表。除可测量一般导电液体的体积流量外，电磁流量计还可用于测量强酸强碱等强腐蚀液体和泥浆、矿浆、纸浆等均匀的液固两相悬浮液体的体积流量。污水流量计广泛应用于石油、化工、冶金、轻纺、造纸、环保、食品等工业部门及市政管理，水利建设、河流疏浚等领域的流量计量。

2..特点

1、可编程频率低频矩形波励磁，提高了流量测量的稳定性，功率损耗低；

2、采用16位嵌入式微处理器，运算速度快，精度高；

3、全数字量处理，抗干扰能力强，测量可靠，精度高，流量测量范围度可

达1500:1；

4、超低EMI开关电源，适用电源电压变化范围大，抗EMC性能好；

5、全汉字菜单操作，使用方便，操作简单，易学易懂；

6、高清晰度背光LCD显示；

7、具有双向流量测量、双向总量累计功能，电流、频率具备双向输出功能；

8、内部具有三个积算器可分别显示正向累计量、反向累计量及差值积算量；

9、具有RS485或RS232数字通讯信号输出,可带HART协议

10、具有电导率测量功能，可判别传感器是否空管；

11、恒流励磁电流范围大，可与不同公司、不同类型的电磁流量传感器配套

使用；

12、具有自检与自诊断功能；

13、采用SMD器件和表面安装（SMT）技术，电路可靠性高；

14、仪表内部设计有不掉电时钟，可记录16次掉电时间。

3.衬里选择

衬里材料

主要

性能?

最高介质温度

适用范

围

—体

型

分离型

聚四氟乙烯（F4)是化学性能最稳定的一

种塑料，能耐沸腾的盐

酸、硫酸、硝酸和王水，

也能耐浓碱和各种有机

溶剂。不耐三氟化氯、高

温三氟化氯、高流速液

氟、液氧、自氧的腐蚀。

70℃

100℃ 150℃

(需特殊订货)

1、浓酸、

碱等强

腐蚀性

介质。

2、卫生

类介质。

聚全氟乙丙烯

（F46)同F4，耐磨性、抗负压

能力高于F4。

同上

聚氟合

乙

烯（Fs)适用温度上限较聚四氟

乙烯低，但成本也较低。

80℃

聚氯丁橡胶1、有极好的弹性，高度

的扯断力，耐磨性能好。

2、耐一般低浓度酸、碱、

盐介质的腐蚀，不耐氧化

介质的腐蚀。

80℃120℃(

需特殊订货)

水、污

水、弱磨

损性的

泥浆矿

浆。

聚氨酯橡胶1、耐磨性能极强。

2、耐腐蚀性能较差。

80℃

中性强

磨损的

矿浆、煤

浆、泥浆

4.电极的选择

电极材料耐蚀及耐磨性能

不锈钢0Crl8Nil 2M02Ti 用于工业用水、生活用水、污水等具有弱腐蚀性的介质，适用于石油、化工、钢铁等工业部门及，市政、环保等领域。

哈氏合金B 对沸点以下的一切浓度的盐酸有良好的耐蚀性，也耐硫酸、磷

酸、氢氟酸、有机酸等非氯化性酸、碱，非氧化性盐液的腐蚀。

哈氏合金C 能耐非氧化性酸，如硝酸、混酸、或铬酸与硫酸的混合介质的腐蚀，也耐氧化性盐类如：Fe，”、、Cu”下或含其他氧化剂的腐蚀，如高于常温的次氯酸盐溶液、海水的腐蚀

钛能耐海水、各种氯化物和次氯酸盐、氧化性酸(包括发烟硫酸)、有机酸、碱的腐蚀。不耐较纯的还原性酸(如硫酸、盐酸)的腐蚀，但如酸中含有氧化剂(如硝酸、Fc＋＋、Cu＋＋)时，则腐蚀大为降低。

钽具有优良的耐蚀性和玻璃很相似。除了氢氟酸、发烟硫酸、碱外，几乎能耐——切化学介质(包括沸点的盐酸、硝酸和

l 50℃以下的硫酸)的腐蚀。在碱中刁；耐蚀。

铂／钛合金几乎能耐——切化学介质，但不适用于王水和铵盐。

不锈钢涂覆碳化钨用于无腐蚀性，强磨损性的介质。

注：由于介质种类繁多，其腐蚀性又受温度、浓度、流速等复杂因素影响而变化，故本表仅供参考。用户应根据实际情况自己做出选择，必要时应做拟选材料的耐腐试验，如挂片试验。

5.流量范围

口径mm 流量范围

m3/h

口径

mm

流量范围m3/h

φ15 0.06~6.36 φ450 57.23～5722.65 φ20 0.11～11.3 φ500 70.65～7065.00 φ25 0.18～17.66 φ600 101.74～10173.6 φ40 0.45～45.22 φ700 138.47～13847.4 φ50 0.71～70.65 φ800 180.86～18086.4 φ65 1.19～119.4 φ900 228.91～22890.6

φ80 1.81～

180.86

φ

1000

406.94～40694.4

φ100 2.83～

282.60

φ

1200

553.90～55389.6

φ150 6.36～

635.85

φ

1600

723.46～72345.6

φ200 11.3～

1130.4

φ

1800

915.62～91562.4

φ250 17.66～

176.25.

φ

2000

1130.4～113040.00

φ300 25.43～

2543.40

φ

2200

1367.78～136778.4

φ350 34.62～

3461.85

φ

2400

1627.78～162777.6

φ400 45.22～

4521.6

φ

2600

1910.38～191037.6

6.生产厂家

南宁普时仪表有限公司

五．附组态运行画面1.工艺画面

2.报警画面

3.实时趋势

六、设计总结

通过对本次的课程设计,让我对工业流程以及工业控制有了初步的了解.

在实验室时，我认真听取老师的讲授,并且跟着老师的步骤一步一步的做,在实验室以外,我认真查阅并收集资料,最终独立完成任务.

在完成任务的同时,我还收获了知识，收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。

九、参考资料

《自动化仪表及过程控制》课程设计指导书

《自动化仪表及过程控制》施仁刘文江郑辑光

其他资料来自网络