（控制理论与控制工程专业论文）港口油罐区scada系统监控软件的设计与开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济的飞速发展，港口经济作为国家资源与产品进出口的关键行 业起着越来越重要的作用，港口的建设在不断扩大，经营的业务也日益拓展。 港口的生产具有一定的特殊性，特别是油罐区的装卸油作业流程，具有过程复 杂、选择灵活、现场设备多样等特点，对储罐液位、温度，以及油品密度，输 送管道流量等现场信号的检测精度要求较高。本文针对这些特点，分析了港口 油罐区当前发展的现状和存在的问题，在以s c a d a 系统下位机为硬件基础的 前提下设计开发了港口油罐区s c a d a 系统上位监控软件。该软件实现了港口 油罐区状态监控、流程监控、数据管理等功能，并能与其它监控系统进行数据 交换和通讯，很好地满足了港口油罐区日常操作、管理的要求。 该系统应用了o p c 技术、工业组态技术以及数据库管理技术。 由于o p c 技术具有开放性强的特点，可以将不同的系统平台通过o p c 协 议整合而形成一个融合的系统。根据o p c 的数据访问模式，数据信息的提供者 作为o p c 的服务器，数据获得者作为o p c 的客户端，客户端通过访问服务器 从而实现数据的交互共享。本文将监控系统作为o p c 客户端访问油罐数据管理 系统提供的o p c 服务器，进而达到访问油罐数据管理系统数据的目的，完成上 位监控系统与油罐数据管理系统的整合。 以c i t e c t 组态软件为平台，开发系统的人机操作界面。运用c i t e c t 中精灵与 超级精灵的设计方法实现阀门、油泵、油罐等现场设备的监控。工艺流程的监 控是软件设计中的关键问题，本系统根据工艺要求主要有卸船、装车装船、输 转三种类型的流程。在设计过程中流程按照不同类别分别建立不同控制界面， 通过向下位机发送经过编码的流程编号，完成对流程的监控，并根据流程操作 存在的问题对流程优化进行研究。 组态软件提供的第三方接口为外部应用软件嵌入到组态软件中提供途径， 本文以s q l 数据库作为系统的历史数据库存储系统历史数据，通过嵌入式应用 程序的方式访问和操作数据库，从而实现系统的数据管理功能模块的设计。 本文研究并设计的港1 ：3 油罐区s c a d a 系统监控软件不但实现了对现场设 备的实时监控，而且提供了丰富、实用的报表数据管理功能。实际工程应用充 分验证了该系统的实用性和可靠性。 关键词：s c a d a 系统，港1 ：3 油罐区，o p c ，c i t e c t ，数据库 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m y , t h ep o r te c o n o m yp l a y sa n i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nn a t i o n a lr e s o u r c ea n dp r o d u c to fi m p o r ta n de x p o r t t h ep o r tc o n s t r u c t i o n sa r eg r o w i n ga n db u s i n e s so p e r a t i o n sa l ea l s oi n c r e a s i n g l y e x p a n d i n g t h ep o r to fp r o d u c t i o nh a v eac e r t a i np a r t i c u l a r i t y , i np a r t i c u l a r ，t h eo i lo f h a n d l i n gp r o c e s s e sh a v ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l i c a t e d ，s e l e c t i o nf l e x i b l e ，e q u i p m e n t v a r i e t y a n di ta l s oh a sh i g h e rm e a s u r ea c c u r a c yo fs c e n es i g n a l ，j u s tl i k et a n kl e v e l ， t e m p e r a t u r e ，o i ld e n s i t y , p i p e l i n ef l o wa n ds oo n c o n t r a s t i n gt h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ， t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n ts t a ta n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m s ，a n d d e s i g n sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r eo fs c a d as y s t e mb a s eo nt h eh a r d w a r eo f s c a d a s y s t e m t h i ss o f t w a r ea c h i e v e dt h ef u n c t i o no fs t a t e m e n tm o n i t o r , p r o c e s s e s c o n t r o l ，a n dd a t am a n a g e m e n t i te n a b l e st oe x c h a n g ed a t aa n dc o m m u n i c a t i o nw i t h a n o t h e rc o n t r o ls y s t e m ，a n dv e r yg o o dm e e tt h eo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to f d a y t o d a yr e q u i r e m e n t s t h es y s t e mu s e so p ct e c h n o l o g y , i n d u s t r i a lc o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g ya n d d a t a b a s em a n a g e m e n tt e c h n o l o g y o n ei m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i co fo p ct e c h n o l o g yi sg o o do p e n i n g i tc a nm a k e d i f f e r e n ts y s t e mp l a t f o r mi n t e g r a t i o nb yo p cp r o t o c 0 1 d a t aa n di n f o r m a t i o n p r o v i d e ra so p cs e r v e r , d a t aa c c e p t e ra so p cc l i e n t ，d a t as h a r eb e t w e e nc l i e n ta n d s e r - v e rb yc l i e n tv i s i t i n gs e r v e r t ov i s i tt h ed a t ao fo i ld a t am a n a g e m e n ts y s t e m ，t h i s p a p e rs e tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r ea so p cc l i e n t ，o i l d a t am a n a g e m e n t s y s t e ma so p cs e r v e r , a n ds om o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r ec o u l di n t e g r a t e 、析t 1 1 o i ld a t am a n a g e m e n ts y s t e m t h i ss y s t e mu s e sc i t e c tc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea sp l a t f o r m ，d e v e l o ph u m a n i n t e r f a c e u s eg e n i ea n ds u p e rg e n i ei nc i t e c tc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，i ta c h i e v et h e c o n t r o lo fv a l v e s ，p u m p s ，t a n k sa n do t h e rs c e n ee q u i p m e n t t h ep r o c e s sc o n t r o li s t h ek e yi s s u eo fs o f t w a r ed e s i g n a c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t s ，t h i s s y s t e mh a st h r e et y p ep r o c e s s e s u n i n s t a l ls h i p ，l o a d i n gs h i pa n dv e h i c l e ，i n t e r i m i n i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h ep r o c e s so fd e s i g n i n g ，p r o c e s s e sw e r ee s t a b l i s h e di na c c o r d a n c ew i t hd i f f e r e n t t y p e so fd i f f e r e n tc o n t r o lp a g e s t h r o u g hs e n tt h ep r o c e s sc o d et op l c ，c o n t r o l p r o c e s s e s r u n n i n g ，a n dm a k ea no p t i m i z a t i o ns t u d yo fp r o c e s s e sd e s i g na g a i n s t e x i s t i n gp r o b l e m s t h ei n t e r f a c ep r o v i d e db yc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei sac h a n n e lw h i c he x t e r n a l a p p l i c a t i o np r o g r a m sc a ne m b e di nt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h i sp a p e ru s i n gs q l s e r v e r 幽h i s t o r i c a ld a t a b a s es a v e sh i s t o r i c a ld a t ao fs y s t e m t h r o u g ht h ee m b e d d e d a p p l i c a t i o np r o g r a mv i s i t i n ga n do p e r a t i n gd a t a b a s e ，c o m p l e t et h ed a t am a n a g e m e n t m o d u l ed e s i g no ft h i ss y s t e m i nt h i sp a p e r , t h et i n - s e c t i o ns c a d as y s t e m sm o n i t o r i n gs o f t w a r en o to n l yt h e e q u i p m e n th a v et h er e a l - t i m em o n i t o r i n ga n dc o n t r o la tt h es c e n e ，b u ta l s op r o v i d e sa r i c ha n dp r a c t i c a ls t a t e m e n t so fd a t am a n a g e m e n tc a p a b i l i t i e s a n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o no ft h es y s t e mf u l l yv e r i f i e st h ep r a c t i c a l i t ya n dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：s c a d as y s t e m ，t i n s e c t i o n ，o p c ，c i t e c t ，d a t a b a s e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：盈2 叠 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：辔z 鲞 导师( 签名) ：研究生( 签名) ：唐z 鱼导师( 签名) ： 日 期塑垒鲤! 日 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 1 1 1 选题背景 第1 章绪论 随着各国经济的持续发展，全球化趋势的不断增强，经济的高速发展带来 了对石油需求的快速增长，以石油为代表的能源对世界各国经济的迅速发展做 出了巨大的贡献，石油的运输已成为推动世界经济发展的一个重要产业。由于 国家间经济相互依赖和相互竞争不断加强，石油作为推动经济发展的动力，使 得其运量变得巨大，其运输竞争也变得日趋激烈。 尽管2 0 世纪9 0 年代，我国原油产量己列入世界总排名的前八位，并成为 世界第四大原油加工国和第三大能源消费国，但是巨大的消费量仍使我国自产 石油供不应求，石油进口量大幅度增加，并呈现出跨入2 1 世纪后进一步增长的 趋势。我国加入世界贸易组织后将进一步便利我国的石油贸易，中国石油进口 需求量将逐年有较大幅度的增加是不可避免的。作为石油运输的有效手段 船舶运输，将得到更大的发展。船舶运输业，特别是石油运输方面作为能源输 入与输出的重要手段对促进国民经济增长和对外贸易发展做出了巨大的贡献。 在航运业中，石油的输入与输出都需要经油港进行储存和中转，油船进行装油 和卸油作业也需要依赖于油港，因此油港是石油输送的一个重要环节，发挥着 重要的作用。 从目前来看，我国经济在今后的十年内仍将保持较高的发展速度，而社会 对能源的需求也必将增加，这必然导致石油运输竞争更加激烈。港口油码头将 成为这项推动国民经济发展伟大事业中不可或缺的重要一环，为了更好的推动 油码头的现代化建设，监控技术与自动化管理必然会取代传统作业方式，成为 现代港口建设不可缺少的一部分【i - 2 】。 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统即监视控制与 数据采集系统是2 0 世纪6 0 年代中期发展起来的一种新兴技术。它以计算机技 术为基础，融合数据采集、数据通信、远程控制等多项技术，组成生产过程监 武汉理工大学硕士学位论文 视控制和事物管理自动化调度系统，是现代工业快速发展的产物。各个应用领 域对s c a d a 系统的要求不同，所以不同应用领域的s c a d a 系统发展也不完 全相同。其中在工业控制领域中，s c a d a 系统应用最为广泛，技术发展最为 成熟。通过建立港口油罐区s c a d a 系统，实现港口油罐区状态监视、流程控 制、故障诊断和数据管理等功能，不仅大大提高油港装卸的工作效率，增强设 备稳定性和可靠性，同时对码头工况分析、作业调度操作以及总体协调工作都 具有十分重要的意义【3 j 。 1 1 2 选题意义 目前虽然s c a d a 系统在国内大型企业得到了广泛的应用，并且在港口运 输装卸方面我国技术日趋成熟，但是针对油码头的远程监控系统还比较少。随 着我国对石油需求的增加，海上石油输送必然成为石油输入的重要手段，油码 头不可或缺地成为其重要组成部分，我国油港也在这样的环境里十分迅速的发 展，各种设备、油库、运油管线和码头泊位的新建和使用令人目不暇接。由于 油码头设备的多样化，管理生产的复杂性，所以有必要开发出一套适合油码头 生产的s c a d a 系统。油港生产流程需要在监控和数据采集系统控制下运行。 管理人员通过s c a d a 系统监控整个生产情况，并进行调节控制。 某华南地区港口石化事业部是华南地区重要的石油化工品中转基地，现有 生产性泊位1 0 个，拥有华南地区最大的3 0 万吨级陆岸原油码头，现有储油罐 5 5 座，总罐容达5 0 万立方米，年吞吐量超过2 0 0 0 万吨。该油港在2 0 0 6 年开 始技术改造和扩建，将原来的人工作业方式进行自动化升级。面对该油港所提 出的控制要求，本文采用澳大利亚悉亚特公司的组态软件c i t e c t 6 0 和m o x 公司p l c ，构建监控与数据采集系统，满足油港提高生产效率、增强设备稳定 性和可靠性的目的。 1 2 国内外研究现状与发展趋势 1 2 1s c a d a 系统的研究发展状况 国外从6 0 年代开始，s c a d a 系统就应用于石油和天然气集输，特别地适 用于地理位置分散、相距遥远的工业系统监控。s c a d a 系统提供了迅速获得 2 武汉理工大学硕士学位论文 生产过程中信息的方法。是对生产进行监控的有力手段。操作人员能在控制中 心，从地理位置很分散的远程设施上收集数据，并送到控制中心的计算机系统 上进行处理，再由控制中心将控制命令传至远距离的设施上。s c a d a 系统自 诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。s c a d a 系统发展到今天已经经 历了三代。第一代是基于专用计算机和专用操作系统的s c a d a 系统。这一阶 段是从计算机应用和s c a d a 系统相结合开始到7 0 年代。第二代是8 0 年代基 于通用计算机的s c a d a 系统，在第二代中，广泛采用v a x 等其它计算机以及 其它通用工作站，操作系统一般是通用的u n i x 操作系统。第一代与第二代 s c a d a 系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性， 因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。9 0 年代按照开放的原则， 基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的s c a a d 系统称为第三代。这一阶段是我国s c a d a 系统发展最快的阶段，各种最新的 计算机技术都汇集进s c a d a 系统中。下一代s c a d a 系统的基础条件已经具 备，预计将与2 1 世纪初诞生。该系统的主要特征将是采用i n t e m e t 技术、面向 对象技术、神经网络技术以及j a v a 技术等技术，继续扩大s c a d a 系统与其 它系统的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要【4 , 1 3 , 1 4 。 s c a d a 系统发展到现在，已不是只能运行在以前d o s ，u n i x 等环境中， 而是能广泛运行于w i r l d w o s 9 5 9 8 2 0 0 0 n t 甚至l i n u x 平台上。而具有重要作用 的组态软件发展也相当迅猛，如今世界上流行的大型自动化软件一般是由国外 公司制造，比如美国i n t e r l u t i o n 公司的i f i x 、澳大利亚悉雅特公司的c i t e c t 、美 国w o n d e r w a r 6 公司的i n t o u c h 、德国s i e m e n s 公司的w i n c c 等。经过数年的学 习和探索，以北京三维力控为代表的我国本土的组态软件也在不断进步，以其 对国内企业需求的适应和它灵活的应用模式在国内自动化软件市场占领了一定 的份额【5 1 。 1 2 2 现阶段港口油罐区的生产现状与存在问题 在港口油罐区的建设与生产中，必须通过提高罐区装卸的生产率来增强油 港的货运吞吐能力。而油港区别于其它港口的特点是流程工序灵活多样且对油 量的数据要求比较敏感，如果以人工手动的方式操作罐区阀门、油泵等设备实 现港口油品装卸和生产，应用量油尺等工具对油罐储量进行测量，不仅工作效 率低下，工作状态不稳定，测量误差大，而且时常发生各类事故，影响油港的 武汉理工大学硕士学位论文 生产安全。 国外大型油港在上世纪8 0 年代，己经研制和使用计算机软件，利用分布式 网络对罐区、运油船舶的油品装卸、输转等流程进行统一调度和监控，并合理 安排装卸工序和油罐储存。我国大陆国际油品运输始于2 0 世纪7 0 年代初，至 今已有3 0 多年的历史，但是我国的国际油品运输发展水平还较低，油品装卸设 备的使用和维护水平也相对落后。目前，国内大多数油港的生产监控系统。还 存在着如下缺点： ( 1 ) 由于港口库区作业流程复杂多样，且装卸要求灵活，使得在具体的操 作中仍需要操作者进行手动选择，无法达到很高的自动化程度。 ( 2 ) 油罐储量的测量中依赖人工吊罐方式，造成误差较大，且报表需手动 录入数据，易产生错误，且不易随时查询和保存，对生产管理有一定影响【6 】。 港口油罐区s c a d a 系统集合了p l c 、计算机、网络、通讯等新技术，利 用多台工业控制计算机和p l c 组成的计算机控制系统取代以往的人员现场监视 和现场控制，使得单人可以监控多个现场设备，并实现操作控制、状态监视、 数据管理等功能，使操作人员可方便、及时、直观地监测油罐、阀门、油泵、 计数器等现场参数及故障信息，并通过监控计算机发送命令，达到对现场设备 实时控制的目的。 目前s c a d a 系统的普遍设计方式都分为上下位机系统，上位机是一个相 对的概念，是相对于下位机来说的，它是指工业控制中位于较高层次的计算机。 上位机直接服务的对象是人，是人可以直接发出操作命令的计算机，通常是p c ， 触摸屏等。一般来说控制者和提供服务者是上位机，被控制者和被服务者是下 位机，它类似于计算机中的服务器和客户机。下位机是直接控制设备获取设备 状况的计算机，一般是p l c 单片机之类。上位机发出的命令首先给下位机，下 位机再根据此命令解释成相应信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状 态数据( 一般模拟量) ，转化成数字信号反馈给上位机。上下位机都需要通过开 发系统编程来实现各自的功能。 上位机监控系统界面友好、控制安全可靠、精度高、数据存储量大，已越 来越受用户青睐，在功能应用上也更强大。下位机把现场数据通过通信装置处 理后送入上位机，组成一个监控系统。上位机对数据进行分析、存盘、综合处 理、打印、报警、图形显示、人机对话，并可通过数据传送对下位机进行控制。 在软件的开发过程中，人机界面的设计非常重要，因为它直接与操作员产 4 武汉理工大学硕士学位论文 生信息交流，友好的人机界面要求能真实再现控制设备的状态以及准确的采集 所需参数的数据，整个人机界面包括主画面、实时数据查看画面、历史数据画 面、报警画面、口令画面、开关状态画面，各画面间可以相互切换。当然也可 根据用户习惯编辑不同的人机界面，具有很好的灵活性。每天生成的数据都存 放在当天的数据库里，要查看数据可以从数据库中提取。 s c a d a 系统上位机设计的过程是建立一个人机界面友好、直观、通讯畅 通、数据管理功能丰富的上位机系统，是s c a d a 系统软件开发的重要部分。 通过监测界面所显示的状态，实施对现场设备的实时控制，根据数据库存储的 数据，达到对数据的历史查询和自动生成报表。港口库区的生产效率会因此大 大提高，并很好降低人为误差和生产事故率【7 j 。 1 3 论文研究的目的和内容 1 3 1 论文研究的目的 根据油港生产的特点，为实现港口油罐区流程的自动监控，油量计算的精 准并按照日常生产管理的要求对系统数据进行查询和分析，本文提出一套在 w i n d o v e s 系统平台下设计港口s c a d a 系统上位监控软件的设计方案。该方案 完成系统各个组成模块的架构设计和程序设计：通过对组态软件的研究实现 s c a d a 系统中上位机各项功能，包括：状态监视、流程控制、故障报警等； 利用数据库技术，设计港口油罐区数据管理模块并嵌入上位机监控系统中；运 用o p c 技术实现计算机之间监控软件的通信。 1 3 2 论文研究的内容 本文围绕某港口油罐区的日常工作建立满足生产管理的s c a d a 系统，并 对s c a d a 系统上位软件进行具体设计，通过以下几个方面做出一些研究： ( 1 ) 研究s c a d a 系统的体系结构以及上位机软件的设计思路，针对港口 油罐区生产管理的特殊性，提出适合油码头日常工作的系统软件开发方式。 ( 2 ) 针对系统监控计算机中多类监控软件并存的问题，研究o p c 技术实 现计算机之间数据通信和信息共享的功能。 ( 3 ) 配置开发s q ls e r v e r 数据库，并设计数据报表程序，以使上位机软 武汉理工大学硕士学位论文 件具有数据分析和历史查询等数据管理功能。 ( 4 ) 根据罐区具体生产要求和油品装卸流程，通过c i t e c t 组态软件设计 系统的状态监视、流程控制、故障报警等功能。研究输油管道路径优化方法， 使流程控制功能在油品装卸效率中发挥最佳效果。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章港口油罐区s c a d a 系统的结构与整体设计 2 1 港口油罐区s c a d a 系统的设计要求 该港口油罐区占地面积约7 8 万m 2 ，用于现场控制的过程控制单元其物理 位置分散、控制功能分散、系统功能分散，而用于过程监视及管理的人机接1 3 单元其显示、操作、记录、管理功能集中。系统是由以微处理器为基础的、分 布式的多台系统组件所组成，这些系统组件分布在具有开放式结构的冗余通讯 网络上，包括：操作员站、控制和数据采集系统、外设及有关的硬件和软件。 系统要求对各类现场设备具备生产监视、过程控制、参数报警、趋势以及 库存数据管理的功能。 港口油罐区的现场设备主要有储油罐、电动阀门、油泵、流量计数器以及 各类安全装置等，各个设备之间由输油管道连接，整个港口的生产通过操作人 员向这些设备发送命令，按照一定的生产要求对其进行控制，进而达到实现港 口油品装卸作业的目的。 ( 1 ) 储油罐。储油罐作为油品的存放设备，是s c a d a 系统中主要的监测 对象，储油罐内又包括音叉液位开关、雷达液位计等监控报警装置。音叉液位 开关用来实现油罐进出油品过程中，当出现油量过高或过低的情况时，反馈报 警信号到p l c 实现紧急停止的目的。雷达液位计是油罐存储油品容量的计量装 置，可计量油罐储量、罐内各点温度。雷达液位计向液体表面发射微波，微波 信号具有围绕1 0 g h z 连续变化的频率，当信号向下抵达液体表面并返回天线 时，它将与此时发射的信号混合。当回波信号向下抵达液体表面并重新返回时， 发射的信号轻微改变。当把发射信号与接受信号混合时，产生一种与液体表面 距离成比例的低频信号，从而测量出罐内液位高度。雷达液位计内置有多点温 度计，采用置于不同高度的多台p t l 0 0 温度点元件测量温度，从而提供储罐温 度曲线和平均温度。 ( 2 ) 电动阀门。电动阀门安装在输油管道的不同位置，用来开启或关断油 管输油通路，在油罐和油泵附近分布密集。电动阀门内通过电动执行器实现系 7 武汉理工大学硕士学位论文 统对阀门的电气控制，电动阀门具有开度调节、过力矩报警等功能。电动阀门 密集区附近一般安装有可燃气体报警装置，装置分探测器与报警控制器两部分， 前者完成将气体浓度信号转换成4 2 0 m a 信号上传给后者，而报警控制器完成 对探测器送来信号的处理、报警、送出4 , - , 2 0 r n a 信号，送出两对干接点信号给 p l c ，显示气体浓度现场一旦产生气体泄漏，检测信号立即经传输电缆送到报 警控制器，其指示器显示气体浓度：当气体浓度达到预定的报警点时，报警单 元发出声光报警信号，同时输出4 - - 2 m a 电线号给p l c ，然后送至整个上位系 统。 ( 3 ) 油泵。该设备是油品输送过程中的动力部件，油泵的工作效率好坏与 否直接影响整个生产过程的效率。本系统共有十二个泵机，其中的九个完成输 油任务，另两个用来冲洗油管。对油泵的电气控制是通过为每个泵机单独配置 的防爆操作柱来完成的。泵机的控制方式有三种：就地、遥控、自动。就地方 式通过高压配电柜实现对泵机的控制，遥控方式是操作人员在防爆操作柱上操 作泵机，自动方式则是由计算机系统根据生产要求对泵机进行控制。 ( 4 ) 流量计数器。该流量计数器为质量计数，共分为四个部分，依次是传 感器、放大器、变送器、压力变送器，安装在罐区装船码头和装车站台的油管 上。其中变送器将传感器所感应的信号转换为脉冲信号或是电流信号，通过 f i e l db u s 现场总线送到p l c 控制系统中。压力变送器的作用是给变送器提供信 号补偿。 本论文所设计的上位监控软件通过集中控制的方式由下位控制系统向现场 设备发送指令并读取现场设备状态与数据，实现对现场的状态监视、流程控制。 运用数据库技术实现对历史数据的储存、分析和查询等数据管理功能。 2 2 系统总体设计 系统的整体结构分为三个层次：现场设备、下位控制系统、上位监控计算 机。 ( 1 ) 现场设备。包括电动阀门、油泵、雷达液位计等油码头装卸装置，通 过总线方式与中间层的下位控制系统相连接，将监测信号向上发送并按照控制 系统中下发的控制指令，执行港口生产作业的操作。 ( 2 ) 下位控制系统。本系统分为p l c 控制系统与液位数据采集系统。p l c 8 武投理工夫学硕士学位论文 系统中的i o 模块与现场设备相连接，负责与现场设备进行数据通讯c p u 模 块实现对数据的处理与分析并通过工业以太网与上位监控计算机进行信息交 按，而遗讯处理模块则连接系统中各不同扩展基架上的f o 系统。液位数据采 集系统是通过f c u 装置实现对油罐液位的数据采集功能的。各雷达液位计所采 集的数据，由t r l 2b u s 总线向f c u 传递信息，f c u 将现场信号处理为计算 机系统可控信号经过f b m 的总线转换( 将t r l t 2 b u s 总线转换为工业以太 网) ，向上位监控计算机发送，从而在监控计算机中显示雷达液位数据，实现油 罐液位监控的目的。同时，f c u 亦可将信号向p i c 控制系统传输实现与p l c 韵赦据交换。 ( 3 ) 上位监控计算机。包含三台计算机提供不同的服务以及功能。罐群监 控计算机安装罐群专用监控软件t a n k m a s t 盯，经二次开发充当雷达液位计罐区 计量系统专用监控服务器监视各油罐的液位、温度，罐窖等参数。工程师站 监控客户端安装软件客户端版本，实现现场设备实时状态监控、工艺流程的自 动监控、历史数据查询、报表服务等功能。监控服务器，数据服务器安装软件服 务器版本以及数据库软件s q l s e r v m ，实现与p l c 控制器实时数据通信、现场 设备实时状态监控、工艺流程的自动监控、历史数据备份( 年的随机可查的 历史数据记录) 、趋势服务及报表服务等功能支持网络浏览功能，提供免维护、 功能强大的因特罔数据浏览功能。各监控计算机通过支持t c p t p 协议的以太网 连接，以达到个计算机之问信息共享的目的。 h * 二：。e = = e * b * bh 2 。一占 ! ! 主。 ：一”：叵i i 习 o*“_ 圈2 - 1 系统总体结构图 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 系统硬件配置 2 3 1 下位p l c 的选型 可编程逻辑控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 在现代自动控制 系统的设计与开发中，其重要性和应用范围得到不断的加强。近年来，从美国、 日本、德国等国引进的p l c 产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有3 0 0 多 种型号。随着p l c 的推广普及，p l c 产品的种类和数量越来越多，而且功能也 臼趋完善。其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等却各不相 同，适用场合也各有侧重【r 兀。 p l c 的选型规则主要根据以下几点： ( 1 ) p l c 的类型 p l c 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室 安装两类；按c p u 字长分为l 位、4 位、8 位、1 6 位、3 2 位、6 4 位等。从应 用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型 整体型p l c 的i o 点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系 统；模块型p l c 提供多种i o 卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控 制系统的i o 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 ( 2 ) 输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑 信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块， 应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围 广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性 低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、 交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。 可根据应用要求，合理选用智能型输入输出块，以便提高控制水平和降低 应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程i o 机架等。 ( 3 ) 电源的选择 p l c 的供电电源，除了引进设备时同时引进p l c 应根据产品说明书要求设 计和选用外，一般p l c 的供电电源应设计选用2 2 0 v a c 电源，与国内电网电压 一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 如果p l c 本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求， 否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入p l c ，对输入 和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。 ( 4 ) 存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格己下降，因此，为保证应 用项目的正常投运，一般要求p l c 的存储器容量，按2 5 6 个i o 点至少选8 k 存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。 ( 5 ) 冗余功能的选择 主要考虑控制单元的冗余和v o 接口单元冗余。在控制单元冗余方面， c p u ( 包括存储器) 及电源均应1 ：1 冗余。在需要时也可选用p l c 硬件与热备 软件构成的热备冗余系统、2 重化或3 重化冗余容错系统等。在f o 接口单元冗 余方面，应考虑控制回路的多点v o 卡、重要检测点的多点i o 卡等，对重要 的v o 信号，可选用2 重化或3 重化的v o 接口单元。 ( 6 ) 经济性的考虑 选择p l c 时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩 展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产 品。 输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定 的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相 应增加，因此，点数的增加对c p u 选用、存储器容量、控制功能范围等选择都 有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比【1 8 】。 m o x o cp l c 系统是m o x 系列产品中的高端产品，具有一个能够完成实时 处理的高性能c p u 。整个系统依据开放的概念来设计。m o x 系统在通讯方面 具有多样性，可以连接以太网t c p i p ，m o d b u s ，以及其他许多先进的现场总线。 m o x o c 系统提供完全的系统冗余，处理器冗余，供电模块冗余，m o d b u s 接口 模块冗余，冗余部分的切换过程在处理器的一个扫描周期内完成。不论系统规 模的大小，系统v o 模块的可伸缩能力都是一致的。m o x o c 系统的出现带来了 一个性能灵活，高速而又经济的数据采集及控制解决方案。 m o x o ep l c 系统具有如下特点： ( 1 ) 模块化结构； ( 2 ) 开放的系统内部连接； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 完全的系统冗余； ( 4 ) 可扩充、可伸缩的i o 框架； ( 5 ) 完全的企业解决方案； ( 6 ) 基于p e n t i u m 的实时处理平台； ( 7 ) 集成的i e c6 1 1 3 1 3 应用开发环境； ( 8 ) 支持多种标准协议f 2 0 1 。 由于港口油罐区现场设备多种多样、数据量大并要求具备冗余的特性，特 别是与上位监控软件的开发平台c i t e c t 组态软件相互兼容性能好。本系统选用 了澳大利亚m o x 集团的m o x o cp l c 系统，完全能满足整个系统的需求并具 有扩充能力。 2 3 2 下位p l c 系统的网络架构 根据所选的p l c 机型，系统采用了m o x 公司自主研发的工业用现场总线 m o x b u s ，用于连接远程i o 机架上的c p 通讯模块，其最大传输速率高达1 0 m ， 通过t 型头最大可连接2 5 4 个c p 模块。 p l c 的控制系统结构如图2 - 2 所示： l 汀h 日u 耵 图2 - 2p l c 系统结构图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 由图可见系统由一套冗余( 1 ：1 ) 的m o xd c s 控制器，来完成对现场i o 进行集中操作、监视、控制和管理。两个控制器似6 0 1 5 0 0 2 通过光缆对接两 个c p u + r d n 模块上的光纤接口，进行冗余热备，两个控制器中任意一个发生 故障，控制系统在可以一个扫描周期内实现冗余切换，系统正常工作不受影响。 m o x o c 控制器采用p e n t i u m 处理器，为3 2 位工业级芯片，能够处理2 0 4 8 个i o 点，可以按高于常规的d c s 或p l c 系统4 到1 0 倍的速度运算，同时进行i o 扫描，逻辑运算，保持控制器之间，控制器和主机之间的通讯并保证主控制器 和热备控制器的同步。 m o xd c s ( m o x o c + m o x6 0 3i o ) 系统采用机架配置模式，主机架上 除电源模块m x 6 0 1 5 1 0 1 和控制器m x 6 0 卜5 0 0 2 模块以外，还有m o x b u si 0 接口模块m x 6 0 1 5 2 0 1 ，它是实现控制器与扩展机架之间的通信。扩展机架上 由电源模块i v l x 6 0 3 4 0 0 1 、通讯控制模块m x 6 0 3 0 3 11 和m o x 6 0 3i o 模块三 种类型的模块组成，控制模块m o x 6 0 3 - 0 3 1 1 通过与主机架上的m o x b u si o 通信模块m x 6 0 1 5 2 0 1 相连，实现主机架和从机架间的通信。现场阀门的开关 状态、流量、可燃气体检测等信号的采集和现场设备的控制由m o x6 0 3i o 模块来实现。 m o x6 0 3i o 模块是以机架配置模式来安装，模块可混合安装，无槽位限 制，本项目的p l c 系统采集的数据较多，其中模拟量输入2 1 个，数字量输入 3 7 8 个。同时p l c 系统控制输出的数字量输出2 2 2 个。考虑余量后，方案中设 置了6 个m o x6 0 3i o 从机架。 2 4 系统软件设计 2 4 1 软件系统设计综述 软件设计就是把软件定义文件转变成可以在计算机上运行的软件系统。软 件设计的目标是，在满足软件系统定义的前提下找到一个比较好的技术方案。 为了达到这个目标，设计所要解决的主要问题是降低系统的复杂性，使实际的 系统变得尽可能简单和可靠。软件设计的基本方法有三种：分解、层次化和抽 象。分解就是分而治之，将整体化解为局部。降低软件设计的复杂性可以通过 将系统分成子系统，将子系统分成模块，将模块分解成程序，将程序又分解为 武汉理工大学硕士学位论文 子程序。层次化与分解一样，也是很自然的降低复杂性的方法。抽象是通过在 不同的层次上处理不同的细节来降低复杂性。 在一个项目中，软件设计通常与需求分析、程序编码等活动相独立，可能 有几个级别的工作：软件结构设计、高层模块设计和模块程序设计。 软件结构设计的主要任务是将复杂的软件系统划分成子系统。这些子系统 本身可能还包括更小的子系统，如数据库接口、用户接口等。 高层模块设计的主要任务是识别系统中的所有模块。在定义模块时，也要 定义系统中每个模块之间的相互作用方