课程设计--油库安全监控系统硬件设计.doc

西安石油大学本科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0801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五（采用板卡、仪表方案）学 生 指导老师 徐 竟 天 二一二年九月计算机控制技术课程设计任务书题 目油库安全监控系统硬件设计五（采用板卡、仪表方案）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2012年12月19日 至 2012年12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 日目录第1章 ：绪论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油库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。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。1.1 油库 油库的简介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。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机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。计算机应用程序组态软件/数据库操作系统硬件I/O接口输入输出输出检测/变送检测变送检测变送功放执行被监控对象图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某油田油库监控系统的硬件设计14.1油库简介 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：1.4油库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。第二章：系统总体方案设计2.1 初步分析系统总体方案设计直接影响整个计算机监控系统的成本、性能、设计和开发周期 图2-1 设计的基本步骤2.2 油库安全监控系统的总体结构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根据此联合站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。模拟量输入通道一般应包括几个组成部分：传感器、变送器、I/O模块等。如下图所示： 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。2.3常用系统监控仪表2.3.1板卡的类型与功能板卡PCI-1721PCI-1721是一款高性能PCI总线模拟量输出卡,每个模拟量输出通道都带有一个 12位的双缓冲DAC.此输出卡具有许多强大的独特功能,比如最大更新速率为10MHz 的波形输出功能,自动校准功能和板卡ID等。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。 主要功能与技术指标：4路增强模拟量输出卡 5MHz最大数字更新速率PCI总线数据传输自动校准功能每个模拟量输出通道带一个12位DAC带内部/外部触发的实时波形输出功能 同步输出功能 灵活的输入类型和范围设定 板卡PCI-1713 PCI-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。 主要功能与技术指标：2500VDC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转换器的采样速率可达100KS/S 给个输入端的增益可编程 卡上4K采样FIFO缓冲器 支持软件、内部定时器触发或外部触发 板卡PCI-1755 PCI-1755是高速32通道数字量输入输出板卡，在计算 机监控系统中有广泛的运用。 主要功能与技术指标：总线控制DMA数据传输，支持satter/gather技术32/16/8位模式I/O处理，带启/停触发功能， 2个模式握手I/O中断处理能力板载主动终端电阻，高速和远程传输支持模式匹配和状态改变检测中断功能 通用8通道数字量2.3.2常用仪表由于所有气体浓度、液位、温度和压力信号比较重要，必须要在现场控制柜显示，所以要选用控制柜上的显示仪，这里我们选择昌晖公司的SWP-LCD-M型多通道巡检控制仪，该表可以轮流显示十六路模拟数据，选择RS-485接口型。气体浓度、压力和温度信号共45路，所以可选用3台，有3*16-45=3路冗余。仪表都选用RS-485接口。(1) SWP-LCD-M概述SWP-LCD-M多路仪表适合于需要同时对多组过程参量（16）进行集中监测，超限报警，变送输出及远传的场合。SWP-LCD-M多路仪表在设计上吸纳了当今电脑结构思路：硬件上采用内带快闪存储器的新型微处理器，扩充了大容量的数据存储区，显示器采用大屏幕液晶图形显示板，软件上引入中文Windows的框架思路，并采用了数据压缩技术。准电脑化的结构，高度地体现了微处理器化仪表的灵活性，成功地解决了多路仪表的分度号可自由设定，测量值集中显示等难题。SWP-LCD-M多路仪表在人机操作与观察界面上都对传统的二次仪表做了挑战性的改革，以中文菜单引导组态操作, 以集中的数据画面显示多路测量结果，以明确的文字信息标识画面内容的涵义，简洁直观地给人以“智能”的感受。SWP-LCD-M多路仪表可接 16 路被测信号，根据用户设定要求完成从信号采集，显示，变送到远传的全过程。SWP-LCD-M多路仪表的打印接口可直接与带有 RS232 串行口的打印机连接，完成定时打印，即时打印或报警打印。SWP-LCD-M多路仪表的串行通讯接口可与上位机进行数据传输，实现记录数据的集中管理。(2) SWP-LCD-M技术指标输入信号 模拟量输入：电压 0 5V 1 5V电流 0 10mA 4 20mA输出信号 模拟量输出：电流 0 10mA （负载750）4 20mA （负载500）电压 0 5V （负载250K）1 5V （负载250K）开关量输出：继电器触点容量：AC 220V/3A ，DC 24V/5A（阻性负载）SCR 输出 400V/0.5A SSR 输出 69V/0.05A馈 电 输 出： DC 24V/30m精 度 0.5%FS1 字 或 0.2%FS1 字采样周期 1秒/通道输入回路 8路或16路测量范围 -1999-9999 字显示方式 背光式大屏幕液晶（LCD）图形显示板显示内容由汉字、西文、数字、工程单位等组成通过面板按键可完成画面翻页，LCD 背光时间长短等操作控制方式 可选择带回差的 ON/OFF 控制通讯输出 RS232/485，波特率 1200pbs 28.8kpbs (可设置)参数设定 中文菜单提示， 面板按键设定或上位机通过通讯口设定， 设定参数密码锁定保护方式 设定参数永久保存，记录数据断电保存，内置Watchdog电路功 耗 5W 使用环境 环境温050 相对湿度85%RH 避免强腐蚀性气体电源电压 AC 220V+10-15% 50 60HzAC 90V 260V（开关电源） DC 24V2V（开关电源）(3) SWP-LCD-M工作原理本仪表原理如图2-3所示，仪表以单片微处理器为基础，通过输入电路把模拟信号经A/D转换器转换成数字信号，微处理器根据采样的结果与设定内容进行计算，比较后显示结果及输出控制信号。 图2-3 SWP-LCD-M工作原理8第三章：硬件系统设备选型3.1 油库安全监控系统I/O点数统计根据油库的流程图，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3-1 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58 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3.2 油库安全监控系统选型及原则 所谓设备选型即是从多种可以满足相同需要的不同型号、规格的设备中，经过技术经济的分析评价，选择最佳方案以做出购买决策。合理选择设备，可使有限的资金发挥最大的经济效益。 设备选型应遵循的原则如下： 生产上适用所选购的设备应与集油站实际生产能力相符并具有一定的适应性。 技术上先进在满足生产需要的前提下，要求其性能指标保持先进水平，以利提高产品质量和延长其技术寿命。 经济上合理即要求设备价格合理，在使用过程中能耗、维护费用低，并且投资回收期较短。这次设计中我选择的仪表是SWP-LCD-M，适合于需要同时对多组过程参量（16）进行集中监测，超限报警，变送输出及远传的场合。 3.3 油库安全监控系统所选设备的性能研华PCI-1713是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转换器的采样速率可达100KS/s、卡上4096采样FIFO缓冲器、2,500VDC隔离保护、每个输入通道的增益可编程、支持软件、内部定时器触发或外部触发采样模式PCI-1721是5MHz最大数字更新速率 PCI总线数据传输 自动校准功能 每个模拟量输出通道带一个12位DAC 带内部/外部触发的实时波形输出功能 同步输出功能 灵活的输入类型和范围设定 PCI-1721是一款高性能PCI总线模拟量输出卡,每个模拟量输出通道都带有一个12位的双缓冲DAC.此输出卡具有许多强大的独特功能,比如最大更新速率为10MHz的波形输出功能,自动校准功能和板卡ID等.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。3.4系统组成 中央处理单元(CPU)：各种CPU有不同的性能，例如，有的CPU上集成有PROFIBUSDP通讯接口等。信号模块(SM)：用于数字量和模拟量输入输出。通讯处理器(CP)：用于连接网络和点对点连接。功能模块(FM)：用于高速计数，定位操作(开环或闭环定位)和闭环控制。负载电源模块(PS)：用于将SIMATICS7300连接到120230V交流电源，或244860110V直流电源。接口模块(1M)：用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。S7300通过分布式的主机架(CR)和3个扩展机架(ER)，可以操作多达32个模块。第4章 ：监控系统详细设计 4.1控制系统的硬件组成监控系统采用一台研华工控机，配带21寸LCD和工业平板显示器，带有UPS电源的A3幅面彩色喷墨打印机。系统采用仪表监控系统。现场所有模拟输入量接入SWP系列仪表进行采集，最后将数据采集进计算机。对现场各个泵的运行状态进行控制如图所示。监控系统输入输出原理图及监控系统方案硬件示意图如下：4.1 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USB电源的A3幅面彩色喷墨打印机。系统选用四路PID控制仪完成对四相分离器油室、水室的液位恒定控制。 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。 现场所有数字量都通过研华公司ADAM4000系列仪表采集和输出，通过RS-485总线，计算机通过研华ADAM-4025模块读入现场泵的运行状态，再通过研华ADAM-4068模块输出现场泵的启停指令。监控系统方案硬件示意图及监控系统输入 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）。图4-1 SWP-LCD-M工作原理4.2监控系统输入输出原理图 ADAM452021寸工业平板彩色显示器研华工控机IPC-610COM1 COM2UPS打印机RS-232 SWP-LCD-M温度监控仪 表16路 AISWP-LCD-M压力监 控仪 表16路 AISWP-LCD-M浓 度监控仪 表16路 AISWP-LCD-SSR系列48段液位PID控制仪表RS-485图4-2 监控系统输入输出原理图4.3 油库监控系统设备清单油田油库监控系统硬件设备清单如下表所示：序号类别名称型号技术要求数量1计算机部分工控主机研华IPC610PIV1.8/521MDRAM/40G/1.4M/50X1台19寸彩显19寸LCD19寸工业平板显示器1台UPS电源山特3KVA