联合站安全监控系统硬件设计三(采用智能模块方案)

西安石油大学

课 程 设 计

电子工程学院 自动化专业 自0804班 题 目 《计算机控制技术》课程设计

联合站安全监控系统硬件设计三（采用智能模块方案） 学 生 张 英 杰 指导老师 徐 竟 天

二○一二年四月

《计算机控制技术》

课程设计任务书

题 目 学生姓名 联合站安全监控系统硬件设计三（采用智能模块方案） 张英杰 学号 200805080819 专业班级 自0804 课程设计主要完成某联合站安全监控系统硬件设计。要求运用已学过各类传感器、输入输出模块、工控计算机、现场总线等的知识，完成安全监控系统硬件方案、设备选型、总体设计等各功能的设计。 要求熟悉相关计算机安全监控系统的硬件组成与设计方案，学会计算机监控系统硬件设计的步骤和方法，具有初步设计小型计算机安全监控系统硬件方案的能力。 课程设计内容及基本要求如下： 1.熟悉联合站工艺流程、监控目标及监控要求。 2.学会常用的监控系统I/O硬件（各类板卡、智能仪表、智能模块、PLC等）参数及使用，了解其工作原理。 3.学会不同自动化设备厂家各类板卡、智能仪表、智能模块、PLC等的选型，能用所选厂家硬件搭建符合工艺流程和监控目标的硬件系统。 4.完成监控系统硬件方案设计，画出原理图。 5.课程设计时间一周，完成课程设计报告。 设 计 内 容 与 要 求 起止时间 指导教师签名 系（教研室）主任签名 学生签名

2012年4月5日 至 2012年4月11日 年 月 日 年 月 日 年 月 日

目 录

1. 绪论 ········································································································ 1 1.1联合站概述···························································································· 1 1.2计算机监控系统的介绍 ········································································ 1 1.3 计算机监控系统的主要特点与原则 ··················································· 2 2 . 系统总体方案设计 ·················································································· 3 2.1 原油联合站的简介 ·············································································· 3 2.2 联合站的主要岗位及任务 ·································································· 3 2.3 联合站的工艺流程与主要技术指标 ·················································· 4 3.硬件系统设备选型 ····················································································· 7 3.3.1模块介绍 ····························································································· 8 3.3.2 PCL-746PLUS模块介绍 ······································································ 8 3.3.3ARK-14013模块介绍·········································································· 9 4 .监控系统的详细设计 ·············································································· 10 4.1计算机监控系统说明 ·········································································· 10 4.2联合站的工艺流程与主要技术指标 ··················································· 10 4.3整个联合站的工艺流框图如下： ······················································ 11 4.4系统监控方案设计 ·············································································· 11

4.5联合站工况图及其运行效果 ······························································ 12 4.6联合站监控系统的硬件设备 ······························································ 13 5．总结 ······································································································· 13

参考文献 ····································································································· 14 附录 ············································································································· 14

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1. 绪论

1.1联合站概述

联合站是油田原油集输生产中最重要的生产工艺过程，它是集油水分离、污水处理、原油及天然气集输等多个工艺系统为一体的综合性生产过程，主要包括输油脱水、污水浅处理、污水深处理、注水、锅炉和配电等生产岗位或工艺环节。目前，各大油田联合站生产工艺过程的控制主要有人工监测控制、常规仪表自动监测控制、计算机监测控制等三种方法。

联合站输油脱水岗是进行原油沉降脱水、实现油水分离和净化油外输的生产过程，是联合站生产的中心环节，工艺要求较高，其生产过程的管理水平，直接关系到成品原油的产品质量和整个联合站生产的安全和高效平稳运行。特别是随着油田开发进入高含水后期，工艺过程更加复杂，对工艺过程提出了更高的要求，采用人工监测控制和常规仪表控制已很难满足生产要求。上世纪九十年代，计算机控制开始应用于联合站生产过程，并取得了一定的应用效果。但由于在方案选型、设计和管理维护等方面存在一些问题，总的来讲，应用效果不够理想。

在油田联合站生产过程中，如何合理选择、设计安全可靠和便于维护的计算机监控系统，保证联合站生产的平稳运行和优化控制，实现节能降耗和安全生产，提高生产管理水平，是目前自动化技术在油田生产应用中面临的重要课题。

1.2计算机监控系统的介绍

计算机监控技术时一门综合性的技术。它是计算机及技术（包括软件技术，接口

技术，通信技术，网络技术，显示技术）、自动控制技术、自动检测技术和传感技术的综合应用。任何一个计算机监控系统的设计与开发基本上由六阶段组成的。既：可行性研究、初步设计、详细设计、系统设施、系统测试和系统运行。当然，这六个阶段并不是完全按照直线顺序进行的。在任何一个阶段出现了问题都可以返回到前面的阶段进行修改。

所谓计算机监控就是利用传感器装置将被监控对象中的物理参量（如温度、压力、流量、液位、速度）转换为电量，并且在计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而时操作人员能够直观而迅速的了解被监控对象的变化过程。通过应用计算机监控技术，可以稳定和优化生产工艺，提高产品质量，降低能源和原材料的消耗，降低生产成本。还可以降低劳动这的强度，并且提高管理水平，从而带来极大的社会效益。正因为如此计算机监控技术以在各个领域都有所发展。

计算机监控系统可以由一下几个部分组成：计算机（含可视话的人机界面）、输入输出装置（模块），监测、变松机构。设计原则有可靠性原则、使用方便原则、开

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放性原则、经济性原则、开发周期短原则。图1-1就是一个典型的计算机测控系统组成原理图。

图1-1计算机监控系统结构图

1.3 计算机监控系统的主要特点与原则

1.3.1 主要特点

（1）实时性。对工业生产过程进行实时在线检测与控制，按优先级进行采集和输出调节，保证被控系统的正常运行。

（2）可靠性。具有在较为恶劣的工业现场长期工作的能力，并具有良好的故障诊断和维护性。

（3）较强的输入/输出能力。可与工业现场的检测仪表和控制装置相连接，完成各种测量控制任务。

（4）应用软件丰富。目前大多数计算机监控系统以WINDOWS做工作平台，系统软件、应用软件丰富，可提供良好的人机界面，特别是组态软件更为用户提供了方便。

1.3.2 设计原则

可靠性原则、使用方便原则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。 案全监控系统包括硬件设计和软件设计。其中我主要完成某联合站安全监控系统的软件设计，下面就此做一简单介绍。

联合站包括八大系统：原油集输系统、污水处理系统、软水处理系统、采暖供热系统、配电装置、注水系统、消防系统、电脑监控系统

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2 . 系统总体方案设计

2.1 原油联合站的简介

该原油联合站将各个采油队输送过来的原油进行油气水分离、油水分离、原油存储、原油加热及外输、污水处理等，实现对来油气、出油气的计算、盘库。该原油联合站内主要分成原油处理和污水处理两大工艺流程，另外还包括消防、天然气密闭、大罐抽气、阴极保护等小等小的工艺流程。工艺流程图如下：

2.2 联合站的主要岗位及任务

1,脱水岗（沉降岗）

脱水（沉降）岗主要任务是将高含水原油，通过热化学脱水（即游离水预处理），沉降脱水和电脱水处理，并将脱水后的净化油转输到输油岗，把含油污水转输到污水处理岗。 2，输油岗

输油岗将脱水岗的净化油输送到缓冲罐（或大罐），再经输油泵加压，经流量计计量外输后外输到油库或长输管道。 3，污水岗

污水岗把一段，二段，电脱水器和站内的其他污水收集起来进行处理，达到回注水质量标准后，送往注水站进行回注。 4，注水岗

注水岗把本站经净化处理和外来质量合格的水，根据地址的需要经注水泵加压输送到配水间，通过注水井注入到油层。 5，集气岗

集气岗主要任务是将中转站来气，经增压机加压，经流量计（微机显示）计量后输送到供输油站或气处理厂。 6，变电岗

变电岗把35Kv,110Kv,220Kv高压电，经变压器及其他设备降压，向联合站（库）各用电设备配电。 7，仪表岗

仪表岗对本站各岗位使用的一，二次仪表，流量计进行投产运行时的调试和正常生产时的维护保养，调试，标定。 8，化验岗

化验岗一般设三个岗

（1）原油化验岗 负责本站进站原油含水，外输原油含水以及原油脱水过程中的质量监护化验和原油密度的测定。

（2）污水化验岗 负责本站进站原油含水，外输原油含水以及原油脱水过程中

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的质量监护化验和原油密度的测定。

（3）锅炉化验岗 负责锅炉用水水质的化验。 9，锅炉岗，维修岗等岗位。

2.3 联合站的工艺流程与主要技术指标

（1）分离器流程。从各个采油队输送过来的原油首先通过计量器计量后又进入联合站的油气水三相分离器，在这里实现气体和液体的分离。原油从分离器一端进入，然后天然气从另一端上部流出进行天然气外输，而油水混合的液体从下部流出进入一次沉降罐。

（2）油罐区流程。油罐区的储罐主要的任务是进行油水分离，由一次沉降罐、二次沉降罐、净化油罐组成，分离器将油水混合液体输入一次沉降罐，一次沉降罐分离出大部分的原油，并把部分天然气再行收集，而将水输到污水区，进行污水处理。经过一次沉降罐的原油流入二次沉降罐继续进行油水分离，这之后的原油已经含水很少了，然后原油进入加热炉加热和脱水器脱水。经过加热和脱水后的原油进入净化油罐，等待外输。

（3）加热炉流程。从油罐区二次沉降罐输送过来的原油在这里经过加热，以利于原油的输送，然后送到脱水器脱水。

（4）原油外输流程。经过加热和脱水处理的原油含水已经很少，通过原油外输泵将原油输送出联合站。污水处理工艺流程。在这一流程里，从一次沉降罐过来的污水首先进入缓冲罐，将含有的残留天然气进行收集，然后经过加药泵进行加药处理，再进入过滤罐过滤，最后将经过处理的污水输出

根据联合站的工艺流程和各个设备的工作原理，整个监控系统需要处理： （1）控制三相分离器上油室、水室的液位恒定。

（2）监测三相分离器上油室、水室的液位、温度、压力及报警、 （3）监测俩个沉降罐的油室、水室的液位、温度、压力及报警。

（4） 监测脱水泵、脱水器、加药泵、污水外输泵、外输泵各自前后的压力，控制各个泵的起、停，显示其运行状况及报警。

（5）监测净化油罐、污水缓冲罐，过滤罐、加热炉的温度及液位及报警。 （6）监测遍布整个战区的气体浓度及报警。

2.4 I/O接口

根据联合站的流程图，先要列出统计出系统的I/O点数，系统的I/O点数如表1所示.

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表2-2-1 某油田联合站监控系统I/O变量表

序号 1 设备名称 一个三相分离器 总点数 16 控制要求 水室的液位、温度、压力 油室的液位温度压力 油室、水室液位恒定控制 2 3 4 5 6 7 2个沉降罐 4 一个脱水泵 一个脱水器 一个加热炉 一个净化油罐 一个外输泵 一个加药泵 2 2 2 2 6 罐的液位、温度 脱水泵的液位、温度 脱水器的液位、温度 加热炉前后的 温度 净化油罐的液位、温度 泵的前后压力 控制泵的起停 泵运行状况显示 8 6 泵的前后压力 控制泵的启停 泵运行状况显示 9 一个过滤罐 一个污水外输泵 2 罐的液位、温度 AI AO DI DO 2*1=2 2*1=2 2*3=6 2*3=6 2*2=4 2*2=4 2*1=2 2*1=2 2*1=2 2*1=2 2*1=2 2*1=2 2*1=2 2*1=2 2*1=2 10 6 泵的前后压力 控制各个泵的启、停 泵运行状况显示 2*1=2 32

4 2*1=2 2*1=2 6 6 11 合计 48 在详细统计完I/O点数后还要列出每个点的参数表，表2-2-2列出了三相分离器的参数列表。

表2-2-2 三相分离器的模拟量I/O点参数表

I/O位号 变量 名称 变量 说明 I/O工程 类型 单位 信号 类型 正 量程 量程 报警报警 偏差常 上限 下限 上限 下限 报警 值 10 0 9 1 1 5 一个三相1-1 SISY 分离器水室的液位 AI m mA

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一个三相分离器水1-2 SISYK 室的液位控制信号 AO ℃ MA 100 0 80 30 10 50

表2-2-3 数字量I/O点参数表

I/O位 号 2-1 2-2 变量 名称 CIQD CIZK 变量 说明 加药泵的起动 加药泵的运行状况 I/O类 型 DO DI 正常 状态 1 1 信号信号类型 上线 V V 24 24 信号 下线 0 0 逻辑 极性 正 正

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3.硬件系统设备选型

3.1 计算机监控系统实现方案：

计算机监控系统实现方案为： 1、研华IPC-610原装工控机 2、研华FPM-3190工业平板显示器

3、15寸TFTLCD经济型模块化14槽工作站AWS-8248V 4、研华数据网关

5、研华4端口RS-232/422/485通讯卡PCL-746plus 6、昌辉swp-ssr48段PID自整定控制仪 7、昌辉swp-csr彩色流量积分记录仪 8、山特高容量UPS电源 9、ARK14000系列ARK14013 10、昌辉SWP-SSR-M

3.2 计算机监控系统方案硬件示意图

图3-1

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3.3模块介绍

3.3.1 14槽机架安装IPC机箱

图3-2

Main Features ：

· IPC-610专为冲击、震动、高温等恶劣环境设计 · 支持14槽ISA/PCI底板

· 支持四个前端抽取磁盘驱动器和一块内置3.5”硬盘 · 1个带防尘过滤网的86CFM风扇 选配：

· Inter PIV 2.4GM CPU · 西部数据80G硬盘 · Kingston 256M内存 · 工业键盘及光电鼠标 3.3.2 PCL-746plus模块介绍

4端口RS-232/422/485 通讯卡

图3-3

Main Features · 通道：16位

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· I/O通道：每位均可通过DIP开关来选择 输入输出 · 数字量输入：支持干/湿接点

· 数字量输出：集电极开路到30V，100mA及450mW最大负载 · 功耗：0.35 W（典型）1.2 W（最大） 3.3.3ARK-14013模块介绍

ARK-14013远端数据采集与控制模块

图3-4

Main Features

· 支持2，3，或4线RTD输入 · 可编程RTD输入范围

· 内部看门狗定时器，用以设备错误保护 · 易于安装和布线。 · 接口：RS-485，2线；

· 速度（bps）：1200，2400，4800，9600，19.2K，38.4K； · 输入类型: 模拟量输入，Pt 或Ni输入，2，3，或4线设备 · 通道数：3个RTD输入通道 · 分辨率：16位 · 转换单位：℃或0hm

· 温度范围：4级可编程±100℃，0～100℃，0～200℃，0～600℃ · 精度:±0.05%

· 电源要求: +10V～+30VDC · 功耗:0.8W(典型值)

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4 .监控系统的详细设计

4.1计算机监控系统说明

现场监控计算机AWS-8248V通过SWP-SSR-M智能模块实现对现场各种信号的采集，报警输出及设定值输出，昌辉智能仪表swp-ssr48段PID自整定控制仪带有4路独立的分段PID自整定通道，可独立控制四路控制变量，昌辉swp-csr彩色流量积算记录仪可实现16路流量的图形化显示、流量累计及现场打印功能。现场监控计算机AWS-8248V通过插卡PCL-746plus扩展出四个RS-485接口，COM1口串接两个ADAM5000/485，另两个COM分别串接昌辉的swp-csr表及swp-ssr表，计算机读取其中数据，再通过网络方式将采集到的数据发送到百里以外的远程监控计算机IPC-610。

4.2联合站的工艺流程与主要技术指标

（1）分离器流程。从各个采油队输送过来的原油首先通过计量器计量后又进入联合站的油气水三相分离器，在这里实现气体和液体的分离。原油从分离器一端进入，然后天然气从另一端上部流出进行天然气外输，而油水混合的液体从下部流出进入一次沉降罐。

（2）油罐区流程。油罐区的储罐主要的任务是进行油水分离，由一次沉降罐、二次沉降罐、净化油罐组成，分离器将油水混合液体输入一次沉降罐，一次沉降罐分离出大部分的原油，并把部分天然气再行收集，而将水输到污水区，进行污水处理。经过一次沉降罐的原油流入二次沉降罐继续进行油水分离，这之后的原油已经含水很少了，然后原油进入加热炉加热和脱水器脱水。经过加热和脱水后的原油进入净化油罐，等待外输。

（3）加热炉流程。从油罐区二次沉降罐输送过来的原油在这里经过加热，以利于原油的输送，然后送到脱水器脱水。

（4）原油外输流程。经过加热和脱水处理的原油含水已经很少，通过原油外输泵将原油输送出联合站。污水处理工艺流程。在这一流程里，从一次沉降罐过来的污水首先进入缓冲罐，将含有的残留天然气进行收集，然后经过加药泵进行加药处理，再进入过滤罐过滤，最后将经过处理的污水输出

根据联合站的工艺流程和各个设备的工作原理，整个监控系统需要处理： （1）控制三相分离器上油室、水室的液位恒定。

（2）监测三相分离器上油室、水室的液位、温度、压力及报警、 （3）监测俩个沉降罐的油室、水室的液位、温度、压力及报警。

（4） 监测脱水泵、脱水器、加药泵、污水外输泵、外输泵各自前后的压力，控制各个泵的起、停，显示其运行状况及报警。

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（5）监测净化油罐、污水缓冲罐，过滤罐、加热炉的温度及液位及报警。 （6）监测遍布整个战区的气体浓度及报警。

4.3整个联合站的工艺流框图如下：

图4-1 联合站的工艺流框图

4.4系统监控方案设计

监控系统采用一台研华工控主机，配21寸飞利浦彩显，带有UPS电源的A3幅面彩色喷墨打印机。系统选用PLC可编程控制器完成对三个储油罐（柴油、93#汽油、90#汽油）油室液位的恒定和油气分离器上油室、水室液位恒定控制。

现场所有模拟输入量都先接入昌辉公司十六路巡检仪，然后计算机 RS-485总线与巡检仪及PLC可编程控制器通信，将现场数据采集进计算机。

现场所有数字量（包括输入、输出）都通过西门子可编程控制器采集和输出，因为PLC中含有I/O信号模块和功能控制模块，所以不用另外连接I/O模块和控制模块，就可以监测泵的运行状况和控制泵的启停指令。

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4.5联合站工况图及其运行效果

图4-2 联合站画面运行效果

P-20P-17P-19P-21外输气控制阀P-22E-8控制阀一次沉降罐加热炉P-4分离器控制阀一次沉降罐P-6P-16P-24P-23控制阀E-2E-10热水器控制阀原油外输P-25P-26P-27控制阀E-9净化器控制阀P-11P-9P-7P-8P-10P-12控制阀控制阀计量器来油E-6控制阀P-13P-14污水外输污水缓冲器控制阀控制阀I-1E-7过滤罐 图4-3

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4.6联合站监控系统的硬件设备

表4-3 某油田联合站监控系统硬件设备清单

序号 1 类别 名称 型号 研华IPC610 技术要求 PIV1.8/521MDRAM/40G/1.4M/50X 数量 1台 计算 工控 机部分 主机 21寸彩显 UPS电源 彩色打印机 21寸CRT 山特3KVA 惠普 21寸飞利浦彩显 3KVA 0.5小时 A3,彩色喷墨打印机 48位PCI总线数字量输入/输出卡 32通道数字量输入输出模块 1台 1台 1台 一块 2

控制器模块部分 DI模块 研华PCI-1751 DO模块 研华PCI-1755 根据联合站的 各个工艺流程，可以看到现场测量类型主要有压力、温度、液位、界位、电量等，所以需要相应的测量仪表进行数据采集，以及利用控制阀进行远程控制。液位、温度、压力、气体浓度监测及各个泵运行状况显示。其中液位、温度、压力、气体浓度等信号经过相应的变送气后都会转换为与现场最大、最小值对应的 4～20MA电流信号，都是模拟量输入信号。各个泵运行状况对应数字量输入信号。控制分离器上油室、水室的液位恒定可以采用智能模块、PLC仪表来控制。

5．总结

联合站安全监控系统是联合站管理中很重要的一部分。随着联合站开发进入高含水后期，联合站工艺过程更加复杂，采用人工监控和常规仪表监控已很难满足生产要求。随着计算机监控系统的出现应用，可以满足相应的技术要求。它采用计算机技术与自动化仪表相结合，对工业生产过程中的各种工艺参数进行处理、运算、显示和控制。一般由一下几个部分组成：计算机（含可视话的人机界面）、输入输出装置（板卡），监测装置、变送机构等。

本次课程设计主要是对联合站进行计算机监控系统的硬件设计，其中工艺流程中分离器流程实现气液分离，油罐区加热炉等流程则实现油水分离，进而完成对原油的储存，保证油料高品质的外输。

在进行硬件设计时，本次设计中采用监控仪表，在现场端，我们以监控仪表作为主控制系统，对联合站监控系统实时控制，同时向计算机发送数据，计算机按一定的

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控制规律处理数据后发出相应的指令，进而通过执行机构实现联合站现场设备实时监控。

通过此次课程设计，我受益匪浅。不仅学会相应仪表的规格特点及实际应用，还对其与计算机的链接有一定的了解，再者对一些传感器、输入输出模块、工控计算机、现场总线等的知识也进一步加深了理解，融合了相关课程的知识。熟悉联合站工艺流程、监控目标及要求。尤其认识到在实际应用中通过建立实时监控系统来监测设备、预防事故的重要性和优越性。为以后的工作奠定了一定的基础。《石油安全工程》课程设计指导书.西安石油大学 徐竟天，汪跃龙 《计算机监控系统》.西安石油大学

参考文献

[1] 程远平，李增华.消防工程学[M]. 中国矿业大学出版社，2002.97-101 [2]．徐竟天，汪跃龙.《石油安全工程》课程设计指导书.西安石油大学 [3]．汪跃龙.《石油安全工程》，西安石油大学

[4]．《计算机监控系统》，西安石油大学

[5] 聂剑红，关磊．油田集输站安全监控系统防雷分析与设计[J]．中国安全生产科学技术，2008，4(3)：34～37

[6] 吴宗之．重大危险源控制技术研究现状及若干问题探讨[J]．中国安全科学学报，1994，4(2)：17～22

[7] 康荣学，桑海泉，刘骥等．机电产品设计专家系统的研究与开发[J]．机电产品开发与创新，2008，21(1)：12～14

[8] 吴宗之，魏利军，于立见等．重大危险源安全监管信息系统的开发研究[J]．中国安全科学学报，2005，15(11)：39～43

附录

这次课程设计主要是对联合站进行计算机监控系统的硬件设计，对原油液位、温度、压力进行实时监测，对液位进行恒定控制，当出现异常情况时，及时发出警报，从而提高联合站的安全性。

在这次课程设计中，要进行硬件的设计，本次设计中采用PLC和监控仪表，在现场端，我们以PLC和监控仪表作为主控制系统，对联合站监控系统进行控制，由板卡和监控仪表向计算机发送数据，计算机处理数据后根据具体情况向板卡和监控仪表发出相应的指令，控制板卡和监控仪表的运行。这种通过板卡和监控仪表和计算机通信

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的方式可以对联合站的现场设备进行实时监控。

通过此次课程设计，我不仅了解了智能模块的实际应用以及其与计算机的连接，要求运用已学过各类传感器、输入输出模块、工控计算机、现场总线等的知识，完成监控系统硬件方案、设备选型、设备接线等各功能的设计。同时要求进一步熟悉相关计算机监控系统的硬件组成与方案，学会计算机监控系统硬件设计的步骤和方法，培养初步设计小型计算机安全监控系统硬件方案的能力。熟悉联合站工艺流程、监控目标及要求。学会常用的监控系统硬件（尤其是各类智能模块等）参数，了解其工作原理。学会计算机监控系统各类仪表、模块等的选型，能用所选硬件搭建符合联合站工艺流程和监控目标的硬件系统。

这次课程设计也使我认识到，在以后的工作中要通过建立实时监控系统来监测设备、预防事故，为我以后的学习指明了方向。

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