油库安全监控系统硬件设计四采用方案.doc

西安石油大学课 程 设 计电子工程学院 自动化专业 班题 目 计算机控制技术课程设计 油库安全监控系统硬件设计四（采用PLC方案） 学 生 指导老师 徐 竟 天 二一四年 月计算机控制技术课程设计任务书题 目油库计算机监控系统硬件设计四（采用PLC方案）学生姓名学号专业班级设计内容与要求课程设计主要完成某油库计算机监控系统硬件设计。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，完成计算机监控系统硬件方案、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.熟悉油库工艺流程、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。起止时间2013年3月24日 至 2014年3月30日指导教师签名年 月 日系（教研室）主任签名年 月 日学生签名年 月 日 西安石油大学本科课程设计 目录第一章 绪论1 1.1油库.1 1.2计算机监控系统的介绍.2 1.3计算机监控系统的主要特点与原则.3 1.4油库的工艺流程与主要技术指标.3第二章 系统总体方案设计.6第三章 系统监控硬件介绍与选型8第四章 监控系统实现及监控系统方案设计10第五章 结论.12参考文献.13一绪论油库是一个重点防范单位，为了更好的管理，有效的防止非法入侵及油库的安全，建立计算机安全监控系统是非常必要的。传统的周界安全防范系统是建立高高的围墙、铁栅栏等，如果有非法入侵无法及时发现和处理。那么就需要有一套先进、科学、实用、性能稳定可靠的安全防范监控系统来实现及时处理，提高保卫人员的工作效率并能及时处理警情，以高科技的技术防范来确保油库的安全。随着科学技术的不断进步，特别是工业控制技术的飞速发展，我们已经开始步入一个崭新的自动化控制新时代。计算机自动监控系统已经广泛的应用于离散过程、连续过程等各种工业自动化领域以及电力、化工、食品、水处理等各个行业。现在国内外都将计算机监控系统对油田联合站的各个生产工艺过程进行实时监控、与数据采集等，计算机监控系统的发展为油库的自动化监测注入了新的活力。因为油库是油气运输过程中的一个重要环节，它直接关系到外输原油的质量，其工艺特点是系统关联紧密、操作规程严格、系统运行状况复杂多变且系统过程中流程多变。所以采用计算机监控系统对其工艺过程进行实时监控可以有效的提高生产率、减少事故发生率、降低工人的劳动强度。本文主要针对油库发油、卸油等工艺过程介绍了其计算机监控系统硬件的设计。1.1 油库油库是指用来接收、储存和发放原油或原油产品的企业和单位都称为油库。同时，油库也指用以贮存油料的专用设备，因油料具有的特异性用以相对应的油库进行贮藏。油库是协调原油生产、原油加工、成品油供应及运输的纽带，是国家石油储备和供应的基地，它对于保障国防和促进国民经济高速发展具有相当重要的意义。在开采原油时，我国的很多油田都是中后期开采，油田由于注水所开发出的原油含有较多的水分，目前一般为5080，有的甚至高达90，因此需要将原油中所含的水用各种方法分离出来。随着我国自动化水平的提高，油库生产实施自动化监控已经迫在眉睫。油库是油田集输的重要组成部分，油库是实现油的安全储存，保证运输的油质量的重要过程，它直接关系到后一级单位如加油站的运作能否长期、安全平稳生产，对整个油从开采到投产使用的整个流程的经济效益有极大的影响。随着油田开发进入高含水后期，油库工艺过程更加复杂，采用人工监控和常规仪表监控已很难满足生产要求。油库是油田原油集输生产运输中最重要的生产工艺过程，它是集发油、卸油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0节。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。目前，油库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。人工监测控制是由岗位操作人员根据检测仪表反映的工艺参数变化情况，凭经验对生产过程进行人工控制，其工作效率和安全系数都很低，已不能满足较高的工业过程控制的要求。常规仪表控制采用各种检测和控制仪表实现对现场各种工艺参数的采集处理、显示、报警和调节控制，保证生产过程的高效、安全和平稳运行。这种控制方式已在油库生产中得到了广泛的应用。计算机监测控制是从上世纪七十年代迅速发展起来的一种功能强大的现代工业过程控制方法。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。相对于常规仪表控制，它可以提供更为复杂的控制算法，通过对各种相关参数进行综合分析，实现协调管理和优化控制。综上所述，在油库生产过程中，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，保证油库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。他是计算机及技术（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（板卡），监测、变松机构。设计原则有可靠性原则、使用方便原则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。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 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。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。1.4油库的工艺流程与主要技术指标工艺流程（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。（5）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.监测遍布整个战区的气体浓度及报4.监测俩个沉降罐的油室、水室的液位、温度、压力及报警。5.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。6.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。某油田油库监控系统的硬件设计所谓油库是指将开采的原油集中进行管线运输，进行油罐的存储，完成对来油、输油及有关储油量的计算、盘存管理。在此过程中，对含水的原油要进行脱水工艺处理，这样就形成了原油集输的若干个工艺处理过程，如下图就是一个典型的油库工艺流程图。油库工艺流程图二系统总体方案设计根据此油库的工艺流程可知系统需要监控各个泵、分离器加热炉的液位、温度、压力、气体浓度，以及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420mA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。各个泵的运行状况及启停显示都是数字量输入信号。可以采用西门子的数字量输入模块。当前液位的信号接入PCI-1713总线的隔离高速模拟量输入卡，与人工设置的定值相比较，通过分析，调节泵的转速来控制油室、水室的液位恒定。根据油库的流程图，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，系统I/O点数通过列表的形式列举如下表。表2-1 油库监控系统I/O变量表序号设备名称总点数 控制要求AIAODIDO1计量器16来油的温度、压力2*4=8温度、压力控制2*4=82两个汽油罐6温度、压力、液位3*2=6 3两个柴油罐6温度、压力、液位3*2=64一个来油泵4泵前后的压力2控制泵的起、停 1泵运行情况显示 1 5 站区 16气体浓度监测 16合计48 38 8 1 1在详细统计完I/O点数后，还要列写每个点的参数表，参数表中每一个值都必须与现场完全对应，在此仅模拟两个：表2-2 模拟量I/O点参数表I/O位号变量名称变量说明I/O类型工程单位信号类型量程上限量程下限报警上限报警下限偏差报警正常值1-1QYG汽油罐液位AI mmA10 0 9 1 1 5 1-2QYGK汽油罐液位控制信号AO mA 100 0 80 30 10 50 表2-3 数字量I/O点参数表I/O位号变量名称变量说明I/O类型正常状态信号类型信号上限信号下限逻辑极性2-1LYB来油泵启动DO 1V24 0 正 2-2LYBK来油泵运行情况DI 1V 24 0 正三系统监控硬件介绍与选型PLCSM323数字量输入/输出模块 主要性能与指标8通道的数字量输入/输出模块可用于连接开关、2总线近开关，小功率电机等可将控制过程的外部数字量电平转化为S7-300的内部信号电平也可将S7-300的内部信号电平转化为控制过程的外部数字量电平RS-485接口FM355的不同形式FM355具有以下两种不同形式： 具有模拟输出的连续作用控制器 S控制器（具有数字输出的步进和脉冲控制器）FM355功能模块是用于S7-300自动化系统的控制器模块。SM331模拟量输入/输出模块SM331是SM系列硬件产品中的电缆连接型模块。SM331端子模块内部对应的每个通道都配置了快速熔断保险管(8通道输入模块)用于在采用外供电二线制接法时保护系统在误加250V直流电压或交流峰-峰电压时不会损坏系统。通过专用25芯传输电缆与对应机笼底板连接从而实现现场420mA电流输入信号到功能模块的转接与传递。显示器带19寸LCD和VGA/Video/S-Video/DVI端口的工业平板显示器主要特征19寸SXGATFTLCD分辨率达到1280*1024输入信号自动识别最高亮度可达250cd/m2多扫描功能：支持SXGA，XGA，SVGA，VGA和文本模式支持多信号输入:VGA,DVI,Video和S-Video不锈钢机箱,符合NEMA4/IP65标准的防锈前面板支持面板安装,壁挂式安装,机架安装和VESA悬臂安装研华工控主机主要特征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、S7-300的外形结构S7-300采用叠装式结构、DIN标准导轨安装、无风扇设计，配置灵活、安装容易、扩展方便、维护简单。S7-300采用模块化结构设计。含有多种模块，可进行单独组合。一个系统包含下列组件：中央处理单元（CPU）：各种CPU可用于不同的性能范围，包括具有集成I/O和对应功能的CPU以及具有集成PROFIBUS DP、PROFINET和点对点接口的CPU。用于数字量和模拟量输入/输出的信号模块（SM）。用于连接网络和点对点连接的通讯处理器（CP）。用于高速计数、定位控制以及闭环控制的功能模块（FM）。根据要求，也可使用下列模块：用于将SIMATIC S7-300连接到120/230V AC电源的负载电源模块(PS)。接口模块(IM)，用于多机架配置时连接中央控制器(CC)和扩展机架(ER)。S7-300通过分布式中央控制器(CC)和3个扩展单元(EU) 可以操作多达32个模块。所有模块都是密封的，运行时无需风扇。SIPLUS 模块扩展的环境条件下使用：适用于-25至+60C 的温度范围高湿度、结露以及有雾的环境条件。防直接日晒、雨淋或水溅，在防护等级为IP20机柜内使用时，可直接用于车载或室外使用。不需要全天候防护的机柜和IP 65机柜保护。简单的结构使得S7-300使用灵活且易于维护。其他设备 系统还需要选用打印机、电源及显示器等其他设备，这里我们选用惠普彩色喷墨打印机、山特3KVA型UPS电源（不间断电源）。四监控系统详细设计 4.1 监控系统设计监控系统采用一台研华工控机，配带19寸LCD和VGA/Video/S-Video/DVI端口的工业平板显示器，带有UPS电源的A3幅面彩色喷墨打印机。系统采用PLC对三相分离器和各个泵的油室、水室的液位恒定控制。现场所有模拟输入量都是先接入昌辉公司十六路巡检仪，然后计算机通过RS-485总线与巡检仪及PID控制仪通信，将现场数据采集进计算机。 UPS打印机19寸彩显研华工控机CP5611SM323 8路DI/DO模块SM332 4路 AO 模块FM355闭环模块S7-300SM331 8路AI模块SM331 8路AI模块SM331 8路AI模块S7-300 4.1系统硬件示意图打印机19寸工业平板彩色显示器 ups研华工控机CP5611 CP5611SM3324路AO模块西门子SM323/8增强DI/DO模块西门子PLC S7-300西门子PLC S7-300SM3318路AI模块SM3318路AI模块SM3318路AI模块FM355闭环模块 运行状态运行状态计量器温度计量器温度4-2监控系统方案硬件示意图五、结论这次课