计算机控制技术课程设计-油库安全监控系统硬件设计.docx

西安石油大学课 程 设 计电子工程学院 自动化专业 自1201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一（采用板卡方案） 学号 2 学生 指导老师 二一五年十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一（采用板卡方案）学生姓名 学号201105080316专业班级自1201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2015年10月19日 至 2015年10月25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 日目 录1 绪论11.1 课题意义11.2 油库的简介11.1.1 定义11.1.2 作用21.1.3 分类21.1.4 分级21.1.5 发展31.1.6 油库的安全简介31.3 计算机监控系统的介绍31.4 计算机监控系统的主要特点与原则41.4.1 主要特点41.4.2 设计原则42 油库安全监控系统总体设计52.1 系统的总体设计52.2 油田油库监控系统的硬件设计52.3 系统的初步分析52.4 系统 i/o点数统计5系统i/o 点数可以通过列表的形式来列举。63 系统监控硬件选型与介绍83.1 主机部分83.2 板卡的选择93.2.1 板卡pci- 171393.2.2 板卡pci-1721103.3 接口选择104 系统监控方案设计114.1 监控系统设计115 结论14参考文献151 绪论1.1 课题意义 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1。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2。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以及软件的设计。 1.2 油库的简介1.1.1 定义用来接收、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。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3。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，如下图所示图 1-11.1.2 作用1.生产基地用于集积或中转油料；2.供销部门用于平衡消费流通领域；3.企业部门用于保证生产；4.国家战略储备。1.1.3 分类1、按油库的管理体制和经营性质可分为独立油库和企业附属油库两大类。独立油库是指专门从事接收、储存和发放油料的独立经营的企业和单位。企业附属油库是工业、交通或其它企业为满足本部门的需要而设置的油库。2、按主要储油方式可分为地面（或称地上）油库、隐蔽油库、山洞油库、水封石洞库和海上油库等。地面油库与其他类型油库相比，建设投资省、周期短，是中转、分配、企业附属油库的主要建库形式，也是目前数量最多的油库。3、油库还可按照其运输方式分为水运油库、陆运油库和水陆联运油库；按照经营油品分为原油库、润滑油库、成品油库等4。4、油库按照油罐的总容积划分为小型油库，其容积为一万立方米以下，中型油库其容积为一万至五万立方米，大型油库其容积为五万立方米以上。1.1.4 分级油库主要储存可燃的原油和石油产品。大多数储存汽油、柴油等轻油料，有些库还储存润滑油、燃料油等重质油料。油库的储油容量越大、轻质油料越多、业务范围越广，其危险性就越大；一旦发生火灾或爆炸等事故，影响范围大，对企业和人民的生命财产造成的损失也大。因此从安全防火观点出发，根据油库总储油容量大小，分成若干等级并制订出与之相应的安全防火标准，以保证油库的建设者更加合理和长期安全运营。国家标准石油库设计规范（gbj24）根据油库储存油料总容量多少将油库分为四个等级。不同等级的油库安全防火要求有所不同5。容量愈大，等级愈高，防火安全要求愈严格；油品的轻组分愈多，挥发性愈强，防火安全要求也愈严格。总库容5万立方米以上的油库为大型建设项目。等级总容量/m³一级是10w，二级是3w-10w，三级是1w-3w，四级是1000-1w，五级是1000其中，总容量系指石油库的公称容量和桶装油品设计存放量之总和，不包括不但任长期任务的辅助罐以及石油库自用油品储罐的容量。如石油库有加油站时，其油罐也不包括在总容量内1.1.5 发展随着我国石油工业的飞速发展，油库发展也很快，除了石油系统、供销系统和军事系统建有一系列专用油库外，其他企业，如铁道、交通、电力、冶金等部门也建有各种类型的油库，以保证运输和生产的正常运行。1.1.6 油库的安全简介油库危险性大，不安全因素多，一旦发生事故，将可能造成人员的伤亡和财产的大量损失，造成极坏的影响。在我国油库管理中，标准制度不健全以及落实不到位是制约油库安全管理的最主要的隐患。目前，各油库以及中转站的自动化程度越来越高，先进的测试仪器以及计量设备使用使得人为影响逐步减少。因此，建立和落实合理的、适合本油库的规范作业流程和安全制度，对于油库的安全作业和效益的最大化有着积极的意义。安全工作的行为准则是油库企业安全的生命线。只有抓住贯彻规章制度这根主线，油库安全工作才能落到实处，才能有力度、有效果6。首先，要从学知识、强素质，学规章、守制度抓起，准确理解各项法规制度的内在含义。1.3 计算机监控系统的介绍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。还可以降低劳动强度。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、变送机构。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。主要特点是实时性，可靠性，较强的输入输出能力，应用软件丰富。 图1-2就是一个典型的计算机测控系统组成原理图。图1-2 计算机监控系统结构图1.4 计算机监控系统的主要特点与原则1.4.1 主要特点（1）实时性。对工业生产过程进行实时在线监测与控制，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。菊友在较恶劣的工作现场长期工作的能力，据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，目前打多少计算机监控系统以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，特别傻组件软件更为用户提供了方便。1.4.2 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。2 油库安全监控系统总体设计2.1 系统的总体设计系统的总体设计是进入实质性设计阶段的第一步，也是最重要和最关键一步，起总体设计过程图如图2-1.图2-12.2 油田油库监控系统的硬件设计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7。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。2.3 系统的初步分析根据此油库的工艺流程可知系统需要监控的液位、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。2.4 系统 i/o点数统计系统i/o 点数可以通过列表的形式来列举。表2-1 某油田监控系统i/o变量表序号设备名称总点数控制要求aiaodido13个流量器3流量计的压力322个电脱水器4电脱水器的液位、温度2*2=434个缓冲器8缓冲器的压力、温度2*4=842个计量器8来油的温度、压力2*2=4温度、压力控制2*2=452个外输泵8泵的前后压力2*2=4控制各个泵的起、停2泵的运行状况显示262个油库8油库的液位、压力、温度2*3=6油库的液位恒定控制27站区16气体浓度监测16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1-1yk油库液位aimma10091151-2ykk油库液位控制信号ao100080301050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2-1wsb外输泵启动do 1v24 0 正 2-2wsbk外输泵运行情况di 1v 24 0 正3 系统监控硬件选型与介绍3.1 主机部分在油库工业生产现场，腐蚀性气体多，且需要计算机24小时连续不断地运行，因此对生产现场的设备较其他行业要求更高。所以针对主机，我们选择由我国台湾省研华公司生产的ipc-610h型工控机，该机适合于对数据的收集，处理有极高专业要求的行业，能给各行业提供高性能、高可靠性的工业级计算机平台8。 图3-1 研华ipc-610h 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 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 显示器则选用带19寸lcd和vga/video/s-video/dvi端口的工业平板显示器。 图3-2 工业平板显示器主要特征 19寸sxga tft lcd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 3.2 板卡的选择3.2.1 板卡pci- 1713 所有的气体浓度监测和液位、温度、压力信号为模拟信号，可采用pci总线模拟输入/输出板卡。由于ai信号共有45路,故可选用两块pci-1713总线模拟输入卡。 图3-3 板卡pci-1713pci-1713是一款pci总线的隔离高速模拟量输入卡，它提供了32个模拟量输入通道，采样频率可达100ks/s，12位分辨率及2500ydc的支流隔离保护。2500ydc隔离保护，32路单端或16路差分模拟量输入，或组合输入方式，12位a/d转换分辨率，a/d转换器的采样频率可达100ks/s，每个输入通道的增益可编程，卡上4k采样fifo缓冲器，支持软件、内部定时器出发或外部触发9。3.2.2 板卡pci-1721由于ao信号共有4路，故可选用一块4路增强模拟量输出卡pci-1721。 图3-4 板卡pci-1721pci-1721是一款高性能pci总线模拟输出卡，每个模拟量输出通道都带有一个12为的双缓冲dac.输出卡具有强大的独特功能，pci-1721是要求连续高速模拟量输出或实时波形输出应用的理想选择。5mhz最大数字更新速率，自动校准功能，4路模拟量输出带1kfifo，每个模拟量输出通道带一个12位dac，带外/内部出发的实时波形输出功能，同步输出功能。3.3 接口选择 图3-4 模块pci-1730实用工业i/o卡，32chdi,32chdo卡，各有16ch带光隔32路隔离dio通道，32路ttl电平dio通道，高输出驱动能力，中断能力，2个20针接口用于隔离数字量i/o通道，2个接口用于ttl数字量i/o通道，用于隔离输入和输出通道的d型接口。4 系统监控方案设计4.1 监控系统设计监控系统采用一台研华工控主机配带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。系统采用板卡对三相分离器和各个泵的油室、水室液位恒定控制。 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。现场所有数字量都是计算机通过研华公司的板卡pci-1713数字量读入现场泵的运行状态，再通过研华公司板卡pci-1721输出现场泵的启停指令。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器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、水室的液位恒定可以采用板卡来控制。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。根据集油站的各个工艺流程，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。 ups 19寸平板显示器 研华工控机打印机rs232rs232adam45220rs485adam45220 rs485图4-1 监控系统方案硬件图19寸工业平板彩色显示器ups打印机研华工控机ipc-610rs232rs232adam4520 adam4520 rs485rs485研华板块pci-173032路di/do研华32路ai研华332路ai研华 aos2路泵状态显示和2路泵启停控制15路压力信号监测和4路液位信号监测和10路温度信号2路液位pid控制16路气体浓度监测2路温度信号和2路压力信号 图4-2 监控系统输入输出原理图 5 结论本