（系统分析与集成专业论文）油库自动化监控系统的应用研究.pdf

摘要 油库是锉窍秘供瘟石漶产晶弱专业性仓簿，是协谖原濑生产和热工、成翳涵运簸及供 应的纽带。长期班来，我国滴庠数据采集工作中的诲多操作都是采用人工俸照的方式。一 方面，不仅工作效率低，而凰器易出现人为因索造成的失误；另一方面，也不便于有关人 员及时了解现场的实时运行情况，不利于提黼企业的规范化管理水平。随潜自动化和信息 倪在磊灌继王 ? 盘雏夫力撵广，俸先石纯塞凌纯蠢痿息纯鏊整要组菇部分鹣濑痒数据采囊 系统也日益受到重视。 本论文基于某公司原油监控系统项目，聚用下位机硬件控制和上位机软件监视架构。 在下位机控巷l 系统中，通过p l c ( 可编程逻辑控镧器) 寒采嶷与处理现场数字量谊号、模 撅量信号殴及脓冲信号，采嗣r s 4 8 5 协议与滚位仅二次表遗倍读取数据，实现对泵和电动 阀的自动控制。在上位机监视系统中，采用i f i x 组态软件开发人机界面，娥产实时状况直 观形象。 在潼疼鼗羧系统孛，蠡雄糍发表褒 常黧簧，壹搂关系系统精度。捧赣聚露多项式攘 含和神经网络两种方法求取原油的标准密度，比较发现神缀附络所求的标准密度的误差效 果较采用多项式拟台的方法殿优。 实践证嬲，髓整系统数据袋集蔫效、准确，降低了劳动强度，提高了王 # 效率，达到 了颈瓣设计效聚。 关键字：油库；p l c ；组态软件；多项式拟台；神经网络 a b s t r a c t t h eo i lf a r mi sp r o f e s s i o n a lw a r e h o u s et h a ts t o r e sa n ds u p p l i e st h eo i lp r o d u c la n di s 吐”t i e t h a tc o o r d i n a t e st h ec r u d eo i lp r o d u c i n ga n dp r o c e s s i n g ，t h eo i lt r a n s p o r t i n ga n ds u p p l y i n g f o ra l o n gt i m e t h ed a t u mo fo i l f a r mh a db e e nc o l l e c t e dm a n u a l l y o no n eh a n d ，i ti sn o to n l y i n e f f i c i e n tb u ta l s of a l l i b l e ；o nt h eo t h e rh a n d i ti si n c o n v e n i e n tt 0f i n do u tt h er e a l - t i m er u n n i n g s i t u a t i o no ft h ef i e l di nt i m ea n dt oi m p r o v et h el e v e lo fe n t e r p r i s e ss t a n d a r d i z e dm a n a g e m e n t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o nt e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi n o i la n d c h e m i s t r yi n d u s t r y , o i lf a r ms u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mi sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h i st h e s i si sb a s e do nap r o j e c to f0 i 】f a r ms u p e r v i s o r yc o n 打o ls y s t e m ，w h i c hc o n s i s t so f i n f e r i o rh a r d w es y s t e mf b rc o n t r o la n ds u p e r i o rs o f t w a r es y s t e mf o rs u p e r v i s o r y i nt h ei n f e r i o r h a r d w a r es y s t e m ，i ti su s e dp l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) t oc o l l e c ta n dm a n a g et h e n u m e r a ls i g n a l s ，a n a l o gs i g n a l s ，p u l s es i g n a l sa n dt oc o m m u n i c a t ew i t ht h el e v e li n d i t e rb a s e d o nr s 4 8 5a n da l s ot oc o n t r o lt h ep u m p sa n dv a l v e s i nt h es u p e r i o rs o f t w a r es y s t e m ，i ti s d e v e l o p e dt h ep r o g r a mb yi f i xt os u p p o r tt h eg u e s t st of m do u tt h er e a l - t i m er u n n i n gs i t u a t i o no f t h e 丘e l di nt i m e f o ro i lf a r ms u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ，t h ep r e c i s i o no fs t a n d a r dd e n s i t yi se x t r e m e l y i m p o r t a n t t h ea u t h o rw o r k e do u tt h es t a n d a r dd e n s i t yo fc r u d eo nb yp o l y n o m i a lc u r v ef i t t i n g a n dn e u r a ln e t w o r k c o m p a r e dw i t hp o l y n o m i a lc u r v ef i t t i n g ，t h es t a n d a r dd e n s i t yc a l c u l a t e d b yn e u r a ln e t w o r ki sm o r ea c c u r a t e a c t u a lu s e ss h o wt h a to i lf a r ms u p e r v i s o r yc o n 仃o ls y s t e mc a ni n c r e a s et h ee f f i c i e n ta n d v e r a c i t yi nt h eo nw a n s p o r t a n dd e c r e a s et h ew o r k i n gi n t e m i o n t h ep e r s p e c t i v ep u r p o s ei s c a r r i e do u t k e yw o r d s ：o i lf a r m ；p l c ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；p o l y n o m i a lc u r v ef i t t i n g ；n e u r a l n e t w o r k i i 果。 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以。求实、创新”的科学糟神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 3 、本论文中除引文外。所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经 发表或撰写过的研究成果 意。 5 、其他同志对本研究所傲的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢 作者签名：喹j 日 期：坦j j ! 2 1 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复铡并允许论文进入学校图书 馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论 文的标题和摘要虻绾出版。保密的学位论文在解密后适用本规定 作者签名：坠墨 日期：拦b ：兰 南京信息工程大学理学硕士学位论文 第一章绪论 1 1课题背景 中国石化担负着保障国家能源安全的重要责任，一年的原油：；b y - 量约为1 4 亿吨，其 中7 0 原油依赖进口，因此，如何降低原油的采购运输成本成为了影响企业生产经营效益 的重要问题。原油运输大型化或者原油运输管道化已成为中国石化降低原油输送成本的主 要手段。 仪征长岭原油管输网及原油配送管理信息系统的建设，对降低原油运输成本，提升仪 征一长岭原油管输网的运行管理水平，以及总部领导的决策支持，业务部门的生产调度和 企业信息化起着举足轻重的作用。 为了满足仪征长岭原油配送管理系统对沿线站场和原油罐区生产实时数据的采集要 求，要求建设和完善原油罐区的数据采集系统，并利用已有系统( m s m e s ) 或开发相应 系统与总部原油管理业务系统集成，完成原油罐区生产实时数据的采集和上传工作，确定 实施“荆门分公司罐区数据采集系统”。 1 2目前国内外油库系统概况 国外的油库管理中已经引入了先进的工业控制技术、网络技术、数据库技术等，对油 库日常的收发油品作业、储油管理、油库监控系统等进行全方位的综合管理。而我国的油 库自动化技术与国际先进水平相比还是有一定的差距。各种计量仪表的精度较低，稳定性 较差，控制系统的控制精度比较低，信息化管理水平不够健全。我国的油库自动化控制和 管理系统曾经历了一个较长的发展时期，各种系统操作方式各异，水平也参差不齐，其中 还存在着许多人工开票、开阀、手动控泵的原始发油手段。这些系统一方面是可靠性不高， 影响油库的经济效益；另一方面没有运用现代化信息技术使有关人员能够方便及时的了解 现场的实时运行情况以及历史生产信息，不能为生产调度决策提供可靠的数据依据，同时 也不利于提高整个企业的科学化管理水平。 在油罐自动计量技术方面。由于目前采用的储罐容量较大，因此油罐的计量精度要求 非常高，因为很小的液位高度测量误差都会带来很大的容量误差。一些发达国家从八十年 代开始，就借助于微电子、计算机、光纤、超声波、传感器等高科技的迅猛发展，将各种 新技术、新方法应用到储罐计量领域，使储罐自动计量呈现出集功能、精度、现场一体化 的新局面l l j 。 ( 1 ) 国外油库自动化计量系统 鸯衰信患王瞧大学理学矮士学叠捷文 n p b 的自动化计墩方法主要采用：检尺法、静腻法和液位法。检尺法是全球通用的测 量方法；静压法是利用压力传感器( 嶷送器) 测量罐内液体的静压力，根据储罐几何参数 专 冀痿銮鲎农重量；渡位法是逶过溺爨滚蠢凌雩謇熬渡艇毫度及密度簿参鼗，寒获褥罐秀筵 液的容量及重量。 欧荧油罐储量测墩仪表不但品种齐全、方法多、技术先进而且矬能优良。他们程发展 高精度、多功能测量仪袭的同时，麓藏考虑性能可靠、价格便宜，邋应不同曩的靼髑途； 尤其强调使用餍簿长，减少维护费箱鞋及时闯浪费；惹褫尖端技术、先进技术帮工慧瓣应 用，及时引入各种现代化技术，推出错种新型测量仪袭。 ( 2 ) 豳海油库自动化计量系统 嚣藏藿瘩诗量纹袭静发震主要巢箱 | 迸趣莹裁等警段，逐骞诲多合资壹韭技理滏 稆 应产晶。我国在该领域的发展相对国外还有很大差鼹，普遍存在产晶性能指标低、仪表可 靠性激、企业技术力擞及装备差等问题。近年来，由于业界同仁的不断努力，某然高新技 术产鼎也已经达到量麟先进承平，但覆帑场占有率上还远远不及国夕 仪表的市场份额。 1 3 本文所徽的主要工 簟 根据项目的相关背景和技术发展现状，结合工穰实践，本文作潜和富岛科技的肖关工 拿人员一起开发了一套罐区数据采集系统。这套系统不仅佳瑗了计算机和p l c 完残了浊库 鑫常工话盼自动接裁，还在系统孛融入了对油罐诗鬃、油泵的密墨疆力的监控，并将处瑾 后的数据通过o p c 接口进行数据发布，使得这套控制系统的功能更加完备。本文的内容主 要是油库数据采集系统中的油库监控系统的设计开发，主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 参与了系统慧俸方案静设诗工箨； ( 2 ) 掌握了西门予公司可编程逻辑掇制器的软侔开发工具s t e p7 和s 7 3 0 0 p l c 系列的安 漱、组态、配露、连接、编程方法和调试手段样，参与了西门予p l c 模块的选型工 传，并对p l c 输入输出点进行了合理的分配； ( 3 ) 京成了p l c 数据采集帮处理数字登信号、模藏蘩信号戳及脉冲僖号的程枣，并登实 现了p l c 对泵和电动阀的控制以及与液位仪二次表的基于r s 4 8 5 的通信： ( 4 ) 嫩握了g e 公司的组态软件i f i x 的使用方法，弗且利用组态软件i f i x ，开发出了上位 壤麓整较弹； ( 5 ) 袋用了两种方法获得标准密度。通过多项式拟合和插值等手段，横据石油计璧表 谢效的拟合出了不同原油视密度在温度大于1 8 和小于9 5 时标准密度函数；通过 b p 神经网络的方法计算出了棚艨权重，根据避魑投重和网络继梅计算出标嘏簿度。 弹对这两静方法避行了对魄。 2 嘉哀焦患工程大学理学硬士掌霞话文 ( 6 ) 安装调试了罐隧数据采集系统的电气设备：测试了系统中的惜感器元件、p l c 系统 静硬件模块等设番韵功能：调试丁系统的软件程序，包括下位机控制程序的调试和 上霞褪釜控较臀簿谖试。完成了簿滚疼盈整系统藩整髂功麓键试，遮囊了畚统楚设 计西标。 南京信息工程大学理学硕士学位论文 第二章油库监控系统设计 2 1油库监控系统需求分析 ( 1 ) 实时数据的采集 根据仪征长龄原油管输网配送管理信息系统对数据点的需求，要求采集原油罐的动态 实时数据和站场生产工艺参数。其中原油罐的动态实时数据点包括：罐的液位、温度、罐 流量计数据，站场生产工艺参数包括电动n i j 的状态、进出站温度、压力、流量、泵的状 态、阀门开度等站控系统中除控制点以外的所有点。 ( 2 ) 系统计量 仪表测量只能得到油位高度和温度，系统计量功能以这些数据为基础通过相关的计算 公式，计算出用户所需的计量参数。如体积、密度、罐存百分比、空容等等。 ( 3 ) 资源展示 在上位机上，资源展示将罐区中的各种参数实时地显示出来。所有的数据都按照一定 的扫描周期进行更新，实时地显示。展示的内容供调度指挥生产，监督生产计划的执行。 ( 4 ) 历史数据 在上位机上，以曲线图方式显示单个或多个重要参数的变化趋势，同时可以观察到各 参数间的相互影响，为事故追溯和趋势分析提供强有力的技术工具。 ( 5 ) 实时数据的传递 根据仪征长龄原油管输网配送管理信息系统设计构架，将系统所需要的原油罐的动态 实时数据和站场生产工艺数据采集到企业级实时数据库中。 ( 6 ) 企业级实时数据库应用 在企业级实时数据库上，组态洪湖罐区实时数据和厂区原油罐区实时数据。 ( 7 ) 网络建设 首站办公网和生产控制网分为不同的网段，应采用支持v l a n 划分的交换机并由路由 设备进行网络联通。办公楼和调度楼进行结构化布线。油槽和锅炉也要网络联通。通过2 m 专线连接到总厂。 2 2控制系统的主要形式 5 1 ( 1 ) d c s 控制系统 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，即所谓分布式控制系统，又称为集散控制系统，是 相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上 4 南京信息工程大学理学硕士学位论文 发展演变而来的。 d c s 系统可以简单的归纳为“三点一线”式的结构。“一线”是指d c s 的骨架计算机 网络，“三点”是指在该网络上的三种不同类型的节点，即：面向被控过程的现场i o 控制 站、面向操作人员的操作员站和面向d c s 监督管理人员的工程师站。现场y o 控制站完成 对过程现场i o 处理并实现直接数字控制；操作员站主要是为操作人员提供人机交互，使 操作人员可以及时的了解现场运行情况；工程师站是对d c s 进行离线配置或组态工作和在 线系统监督、控制和维护。 ( 2 ) s c a d a 控制系统 s c a d a 系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ) ，即监督控制与数据采 集系统。s c a d a 系统是以计算机为基础、以p l c 作为现场控制站的生产过程控制与调度 自动化系统。采用计算机作为操作员站和工程师站，完成对现场过程的监控制；采用p l c 作为控制站，完成现场数据的采集、逻辑控制和模拟控制等。 ( 3 ) d c s 与s c a d a 系统的比较 p l c 最初是作为继电逻辑电子设各对数字量进行控制的，d c s 则引入了模拟量控制。 随着系统的发展，至今所有的系统都能对数字量和模拟量进行控制。 d c s 系统的设计是面向对象的，而p l c 程序的编码则更多的是面向线性顺序控制的。 d e s 系统是由硬件、处理器、i 0 模块、运行界面和与之相匹配的应用软件组成的一个 完整的系统。s c a d a 系统则将整个系统分散不同的部分，各个部分之间需要进行组合 和通信。 d c s 系统只有一个全局数据库，一旦修改了这个数据库，它将影响整个系统的运行。 s c a d a 系统至少有两个不同的数据库，一个用于p l c 的，另一个用在s c a d a 应用 程序中的。任何修改都将在所有的数据库中进行。 p l c 的硬件、软件和授权与d c s 系统相比相对便宜。 p l c 能以毫秒级的速度扫描，而d c s 则只能以秒级速度扫描。 d c s 只有固定的扫描速率，而p l c 的扫描速率则是由负载多少和i o 的数量决定的。 不同厂家的d c s 系统的网络协议是不同的，它们之间基本上不能进行数据交换；而 s c a d a 系统是基于p c 设计的，所以它可以通过( 9 p c 、o d b c 和o l e 等技术方便的 与其他系统进行通信。 从生产规模上来讲，s c a d a 系统更适用于小工程；而d c s 系统则适用于大工程。 通过以上对比，及结合本项目的实际情况，我们选用s c a d a 控制系统来实现。 南京信息工程大学理学硕士学位论文 2 3系统架构 系统由罐区数据采集系统和实时数据传递系统( r d i ) 组成，将原油罐的动态实时数 据和站场生产工艺参数上传到上层实时数据库( u n i f o r m a n e e ) 中，在企业实时数据库 ( u n i f o r m a n e e ) 的基础上进行数据发布。罐区数据采集系统包含洪湖罐区和荆门厂区成品 车间两部分，实时数据库设在荆门厂区。洪湖罐区距厂区约2 6 0 公里，利用2 m 专线网络 将实时数据送至实时数据库。系统框架如图2 1 所示。 # w 目晖e 监控k 统 洪潮库区成品车问 图2 1 系统框架 洪湖罐区数据采集系统由底层仪表、p l c 、监控系统和实时数据传递系统( r d i ) 等 部分构成。底层仪表包括：光导液位仪、质量流量计、温度计和压力计等，它们采集到的 信号经p l c 处理后传送至监控系统。监控系统接收这些信息后以图形、图像、动画等方式 显示给用户，并且可以将一些重要的数据保存至历史数据库中以供分析。r d i 将洪湖罐区 监控系统和厂区原油罐区监控系统中相关数据传递到厂级实时数据库，以供发布。 本论文所涉及的内容主要是洪湖库区的监控系统，它是数据采集系统的一部分，它与 实时数据传递系统一起组成了数据采集系统。 2 4系统的特点和功能 洪湖库区的监控系统在设计的过程中，以安全、可靠、实用和可扩展为原则进行设计 6 窜一 南京信息工程大学理学硕士学位论文 的，使系统具有先进性、完善性、灵活性等特点。 ( 1 ) 提高控制系统的精度 由于耳前采用的储罐容量较大，因此油罐的计量精度要求非常高，因为很小的液位高 度测量误差都会带来很大的容量误差。因此，我们从系统软硬件两方面考虑，在硬件上选 择采用先进的国际知名工控产品；软件上，采用多种方式来获得求标准密度的函数，并且 通过比较后采用误差最小的方式以提高精度，使误差停留在允许的范围内的基础上尽量达 到最小。 ( 2 ) 易操作性 系统具有友好的人机界面，可以进行图形与数据双重显示，操作简单、方便。工作人 员只需经过短时间的培训，就能够熟练操作。 ( 3 ) 可靠性 油库系统需要测量、传输数据准确，运行稳定，出现故障要有缓解措施，能够及时解 救，快速恢复正常运行，在抗干扰性方面耍有一定的措施，保证系统可靠运行。 ( 4 ) 安全性 安全是油库中头等重要的事情，所以油库自动他系统需要严格考虑系统的安全性。采 用必要的安全机制，选用达到防爆等级的设备，在保证单设备安全的基础上进而保证整个 油库的安全。 ( 5 ) 开放性 在本系统中，采用了目前世界上较流行的o p c 等技术，使的数据可以被最大限度的应 用。可以方便的将监控系统所采集到的数据通过r d i 传递到厂级实时数据库( u n i f o r m a n c e ) 中。 2 4 1油库监控系统硬件的设计与功能 油库监控系统硬件是由p l c 、一次仪表和二次仪表所构成。洪湖库区已安装了部分仪 表，只需要更换6 台p t l 0 0 温度计和液位仪二次表。 p l c 控制系统应具有的功能有： 可以获取温度信号； 可以获取压力信号： 可以获取质量流量计中的脉冲信号； 可以与液位仪二次表通讯； 可以与上位机通讯，传递相关数据； 可以完成对泵和阀门的控制； 7 南京信息工程大学理学硕士学位论文 由此可见，该监控系统中的硬件提供了整个上层系统的数据，它是采集系统软件中的 数据的来源。 2 4 2油库监控系统软件的设计与功能 油库监控系统软件又称自动计量系统软件，它是油库罐区自动化系统的重要组成部分， 它与现场控制层有机结合，共同实现对罐区的监控和管理，并可通过o p c 接口上传相关的 数据。 监控系统应具有的主要功能如下： 能够将底层的数据采集上来，并以图形、图像、动画等方式实时的显示各个罐的 各种参数； 能够将重要的数据保存到数据库中，并以图形的方式显示单个或多个重要参数的 变化趋势； 能够根据采集的数据计算出标准密度等数据； 能够接受操作人员的指示，将控制信息发送到现场； 能够通过o p c 接口上传数据至r d i 中； 由此可见，该监控系统中的软件是油库自动化系统的数据采集处理中心、数据存储中 心、远程监控中心和数据转发中心。处于运行状态的监控系统与现场智能仪表共同构成快 速响应艘制中心。 南京信息工程大学理学硕士学位论文 第三章油库监控系统硬件的开发与实现 3 1引言 可编程控制器【6 ( 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 ) 简称p l c 或p c ，它是从早期的继电 器逻辑控制系统发展而来的，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器。它采用了 可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算 等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，来控制各种机械的生产过程【1 【目 9 】o p l c 之所以能够被广泛应用，主要在于它更加适合工业现场和市场的要求蚓”】：高可 靠性、强大的抗干扰能力、编程安装使用简单、性价比高、寿命长。p l c 的下端( 输入端) 一般为变送器、变频器等现场控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应 用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。从 而完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。 3 2 p l o 及主要仪表的选型 3 2 1p l c 的选型 根据有关调查机构的关于中国p l c 市场研究的报告【1 1 】中，我们可以发现，目前市场中 使用最多的p l c 品牌有s i e m e n s 和o m r o n 等，虽然美国a b 公司的p l c 在市场分额上面 没有进入前三，但是考虑到它拥有出色的技术和全面的产品系列以及以前洪湖罐区采用的 就是a b 的p l c ，因此也将其列入到选型的范围内。 o m r o n 公司的p l c 以其低价格而占有一定的优势，但是在以前使用的过程中，发现其 通信并不十分稳定；a b 公司的p l c 以其高性能和出色的技术而闻名，在冶金行业表现的 尤其出众，但是，其价格比其他p l c 高。s i e m e n s 公司的p l c ，其价格适中，性能稳定可 靠，在石化行业中有过许多成功的案例。因此，我们考虑使用它的s 7 3 0 0 中型p l c 。 3 2 2 光导液位仪的选型 我们选用了河北珠峰仪器仪表设备有限公司的z y g 1 0 1 型电子智能液位仪。z y g 1 0 1 型电子智能液位仪利用浮球重力、液体浮力和重锤重力三力平衡的原理，液位升降时，带 动信息码升降，通过z y g - b 1 0 1 光电变换转为液位数字量；同时容器内的温度由p t l 0 0 或 c u s 0 熟电阻检测，经a d 变换后变为温度数字量。液位数字量和温度数字量经电子智能 液位显示仪z y g - a 1 0 1 数据处理后，在控制室显示仪面板上分别显示站点号、液位、体积、 温度、数字量及状态信号，同时可以把这些信号通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 送到上位机。一台 9 南京信息工程大学理学碗士学位论文 z y g a 1 0 1 液位显示仪( - - 次表) 可以通过总线控制多台z y g - b 1 0 1 变送器( 一次表) 。 z y g b 1 0 1 为本质安全型，防爆标为( i a ) c t 6 ；z y g - a 1 0 1 防爆标志为( i a ) 1 i c t 6 。可 以在各种易燃、易爆场合安全可靠运行，适用于石油、化工、冶金、电力、国防等部门， 可对各种液体罐的液位、温度进行多参数测量，并具有液位转化为体积的功能。 其主要指标如下： 表3 1z y g - b 1 0 1 液位变送器 液位测量范围0 3 2 m 任意罐高 液位分辨率 1 n m 液位全量程系统误差 2 m m 温度测量范围- 5 0 2 0 0 温度分辨率 0 1 温度全量程系统误差0 4 防爆标志 i ai i g t 6 防护等级 i p 6 7 表3 2z y g - a i 叭电子智能液位显示仪 9 位l e d 液位显示( 其中包括罐号3 位，标志位为1 位) 仪表显示 6 位l e d 体积显示4 位l e d 温度显示8 个状态显示 巡检能力3 0 台 液位上限报警：高声调音响，标志位显示上杠，数据闪动 报警信号液位下限报警：低声调音响。标志位显示下杠，数据闪动 报警继电器接点容量：0 5 a 2 4 v d c 传输方式 r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 二次表a c 2 2 0 v 供电方式 变送器d c 2 4 v ( 由二次表供) 3 2 3质量流量计的选型 质量流量计采用太原航空仪表有限公司的l z l 质量流量计，该产品是基于科里奥利 ( c o r t o l i s ) 工作原理的，它直接测量通过流量计的介质质量，还可测量介质的温度。 它的主要参数如下1 1 3 ： 1 0 南京信息工程大学理学硕士学位论文 表3 3l z l b - 8 型变送器 防爆类型 d ( i b ) i t 3 工作温度 0 5 0 输出信号脉冲信号 供电方式a c 2 2 0 v ，5 0 h z 或a c 2 4 v ，4 0 w 3 3p l c 模块的组成 3 3 1c p u 模块 p l c 所选用的中央处理器c p u 3 1 5 2 d p 的内存为1 2 8 k b 工作存储器，5 1 2 k b 装载存 储器。另外，此类型c p u 带有2 5 6 个计数器和2 5 6 个定时器，并最多支持1 0 2 4 个数字输 入输出点和2 5 6 个模拟输入输出点，这些特点可完全满足系统要求。c p u 3 1 5 2 d p 主要技 术指标见下表【1 4 】： 表3 4c p u 指标 特性技术指标 工作存储器 1 2 8 k b 负载存储器通过m m c ( 微存储器卡) 的6 4 k b 到8 m b 位操作： l o o n s 字操作： 0 5 t t s 指令执行速度 定点算术运算： 3 5 u s 浮点算术运算： 3 u s 数字量通道1 0 2 4 模拟量通道 2 5 6 模块的数量 ( f c + f b + d b ) 1 0 2 4 扩展 最大可扩展4 个机架，每个机架8 个模块 m p i 接口 最大节点数为3 2 ，最大数据传输率为1 8 7 5 k b p s 带有p r o f i b u s - d p 主从接口，在p r o f i b u s d p 网络中 网络功能 既可作为主站又可作为从站运行，每个主站所连接的从站 数量最多为6 4 个，波特率可达1 2 m b p s 南京信息工程大学理学硕士学位论文 3 3 2 输入输出模块嗍【1 6 1 通过对系统的分析调研，考虑到以后的扩展功能，并综合考虑编程方面和系统接线、 布线的方便，以及尽量降低系统成本的原则，整个系统数字量输入点容量为2 4 点，主要是 显示阀的状态，采用1 6 点数字量输入模块两块。数字量输出点容量为1 7 点，主要是控制 阀和泵的启停，采用两块1 6 点的数字量输入模块。模拟量输入点容量为3 6 点，采用8 点 模拟输入模块六块。模拟量输入点的具体设计如表3 5 所示 表3 5 输入点设计 1 出站温度 2出站压力 3 换热器入口汇管压力 4 挽熟器入口、汇管温度 5 换热器出口1 汇管温度 6 1 # 换热器入口温度 7 l # 换热器出口温度 82 # 换热器入口温度 9 2 # 换热器出口温度 1 0 3 # 换热器入口温度 1 1 3 # 换热器出口温度 1 2 4 # 换热器入口温度 1 3 4 # 换热器出口温度 1 4 5 # 抉热器入口温度 1 55 # 换热器出口温度 1 6 1 # 给油泵入口压力 1 7 l # 给油泵出口压力 1 82 # 给油泵入口压力 1 2 南京信息工程大学理学硕士学位论文 1 9 2 # 给油泵出口压力 2 0 l # 外输泵入口压力 2 l2 # 外输泵入口压力 2 2 3 # 外输泵入口压力 2 3 2 个质量流量 2 4 6 台罐的光导液位和温度测量点( 1 2 个点) 3 3 3 通讯模块 1 5 在本系统中，采用c p 3 4 1 通信模块来完成与现场液位仪二次表的通信工作。c p u 3 4 1 通过点到点的连接，用于高速，强大的串行数据交换，以减轻c p u 的负担。它有三种不同 形式的传输接口，分别为：r s 2 3 2 ( v 2 4 ) 、2 0 m a ( t t y ) 和r s 4 2 2 r s 4 8 5 ( x 2 7 ) 。在本 系统中，根据液位仪的需要，采用的是r s 4 8 5 的通讯方式。 3 3 4 计数模块1 7 1 8 】【1 9 系统选用的计数模块f m 3 5 0 2 是8 通道智能型计数器模块，每个通道的计数频率最高 可达1 0 k h z ，主要用于通用计数和测量任务。每个通道由三路输入信号和一路输出信号组 成。编码器脉冲信号输入端可以直接连接2 4 v 增量编码器和n a m u r 编码器，并且具有与 可编程参考值的比较功能，当达到比较值时，内置数字输出端输出响应。硬件门输入信号 可以控制该模块计数的启停，计数方向输入信号可以控制该模块的计数方向。f m 3 5 0 2 的 工作模式主要有：连续计数、单次计数、周期计数、频率测量、速度测量、周期测量和比 例。该模块有自己的c p u 、系统程序、存储器，以及外界过程与控制器总线的接口。它和 控制器的c p u 模块通过系统总线相连接，进行数据交换，并在c p u 模块的协调管理下独 立的进行工作，即按照自己的规律与系统工作，多数情况下的运算功能都是由它自身的 c p u 完成的。 3 4p l 0 程序设计 3 4 1p l c 程序设计遵循的设计原则 为了完成p l c 系统的控制功能，不同的程序员能编出不同的程序。怎样使设计的程序 简洁、可靠，占用c p u 资源少成为程序设计者在项目中所必须考虑的问题。为了达到这个 目标，在设计过程中一般应该遵循下面的原则【7 】= 南京信息工程大学理学硕士学位论文 ( 1 ) 最大限度的满足被控对象提出的各项性能指标 为明确控制任务和控制系统应有的功能，设计人员在进行设计前，就应深入现场进行 调查研究，搜集资料，与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控 制方案，以便协同解决在设计过程中出现的各种问题。 ( 2 ) 确保控制系统的安全可靠 电气控制系统的可靠性就是生命线，不能安全可靠工作的电气控制系统。是不可能长 期投入生产运行的。尤其是在以提高产品数量和质量，保证生产安全为目标的应用场合， 必须将可靠性放在首位。 ( 3 ) 力求控制系统简单 在能够满足控制要求和保证可靠工作的前提下，不失先进性，应力求控制系统结构简 单。只有结构简单的控制系统才具有经济性、实用性的特点，才能做到使用方便和维护容 易。 ( 4 ) 留有适当的余量 考虑到生产规模的扩大，生产工艺的改进，控制任务的增加，以及维护方便的需要， 要充分利用p l c 易于扩充的特点，在选择p l c 的容量( 包括存储器的容量、机架插槽数、 i 0 点的数量等) 时，应留有适当的余量。 3 4 2 p l c 程序 ( 1 ) p l c 总体结构口o l p l c 在本系统中的主要目的是为了采集底层的数字量信号和模拟量，并且通过处理后 图3 1p l c 程序框图 1 4 南京信息工程大学理学硕士学位论文 发送给上位机。根据提供的特点，p l c 程序主要包括几个部分：数字量处理模块；模拟量 处理模块；通讯处理模块；计数模块：简单中断模块。其主程序流程图如图3 1 所示。 ( 2 ) 数字量处理模块 根据油库的业务流程将输入的信号进行逻辑关系处理后输出，以实现对现场阀门和 泵的控制。 ( 3 ) 模拟量处理模块 主要采用s t e p7 提供的库函数“s c a l ec o n v e r t ”和“u n s c a l ec o n v e r t ”来 对模拟量的输入和输出进行标定和反标定。并且，当发现输入信号的干扰较大时，采用平 均值滤波的方法进行处理。 ( 4 ) c p 3 4 1 的通讯程序口1 i z 2 1 1 2 3 】 p l c 与a 1 0 1 电子智能液位仪之间采用r s 4 8 5 串行通讯的协议，串行通讯的格式设置 为波特率1 2 0 0 b p s ，1 位起始位，8 位数据位，无校验，1 位停止位，数值码采用a s c i i 。 p l c 与液位仪的工作方式为p l c 发送命令，液位仪根据命令返回结果。获取液位的命令有： 1 1 0 0 c r 、x 1 0 0 c r 、y 1 0 0 c r 、z 1 0 0 c r 四个。一般只采用1 1 0 0 c r ，只有当在一条4 8 5 总 线还有其他二次仪表时才采用另外3 中命令格式。温度的获取同样有四个指令，分别为： 1 2 0 0 c r 、x 2 0 0 c r 、y 2 0 0 c r 、z 2 0 0 c r 。 当p l c 发送1 1 0 0 c r 命令时，返回液位值的格式如下： 液位仪最多可以回送3 0 个罐的液位值，每个罐用4 位十六进制的数表示，高位在前， 启始符为l ，结束符为c r # 0 a h 。 例如：p l c 接受的数据为：1 2 0 0 0 3 2 1 5 4 3 2 1 5 6 1 2 c r # 0 a h ， 则表示：l # 罐的液位高度为2 0 0 0 h ； 硝罐的液位高度为3 2 1 5 h ； 当p l c 发送1 2 0 0 c r 命令时，返回温度值的格式如下： 启始符i 埘罐的温度l l 删罐的温度| 结柬符l 同样，液位仪最多可以回送3 0 个罐的温度值，每罐用4 位b c d 码表示，分别为百位、 十位、个位、小数位，高位在前，启始符为t ，结束符为c r # 0 a h 。 最高位的b c d 码有如下含义： o x x x 表示百位为i ； i o x x 表示温度为负； i i x x 表示百位为0 ； 1 5 南京信息工程大学理学硕士学位论文 例如：p l c 接受的数据为：t f 2 0 0 1 3 2 1 c r # 0 a h 则表示：1 # 罐的温度为2 0 0 ； 2 # 罐的温度为1 3 2 1 ； 需要注意的是a 1 0 1 电子智能液位仪支持查询有效频率： 1 次5 秒。 由于，在本系统中使用的是r s 4 8 5 通信方式，其通信模式为半双工。为了避免发送命 令与接受数据之间的冲突，我们采用p l c 定时的方式发送液位和温度的读取命令，频率刷 新时间为6 秒，以确保有足够的时间接受数据。 ( 5 ) f m 3 5 0 2 的计数程序【l b l i l 9 】 为了计算出原油在管道中的单位时间内通过的质量，我们采用f m 3 5 0 2 计数模块来获 取质量流量计所发生的脉冲信号，并测出脉冲信号的频率，根据该频率计算出当前通过的 质量数。对于f m 3 5 0 2 计数模块来说，s t e p7 提供控制模板函数，写入比较值、极限值和 启始计数值函数，读取测量值函数以及读取诊断信息函数。通过在主程序中循环调用这些 函数可以方便的对f m 3 5 0 2 进行操作。在此项目中，我们只使用到了0 号和1 号两个通道， 并且对这两个通道采用硬件门的控制方式，由于我们采集的为频率值，因此没有考虑脉冲 信号的计数方向问题和比较后输出信号阎题。 f m 3 5 0 2 主要程序的流程图如下： 图3 2 计数模块工作流程圈 1 6 南京信息工程大学理学硕士学位论文 在f m 3 5 0 2 工作时，需要有一背景数据块，该数据块包含了所有相关f m 3 5 0 - 2 的操 作命令和状态返回信息等等。诊断中断采用了o b 8 2 块，当频率值小于设定的频率下限值 或大于设定的频率上限值时调用该组织块。 1 7 南京信息工程大学理学硕士学位论文 第四章油库监控系统软件的开发与实现 4 1引言 油库监控系统上位机软件是用户和现场设备的接口，负责接收用户的命令并交给实时 处理部分处理，并将设备信息和查询结果通过监控软件的图形化界面显示出来。一般来说， 工业软件的开发方式有两种：一是采用通用的软件开发工具( 如：v b ，v c + + 等) 进行开 发，其特点是需要专业的软件开发技能，并且开发工作量大、开发周期长；二是采用工业 界流行的组态软件( 如：g e 公司的i f i x 、西门子公司的w f n c c 等) 进行开发。工业组态 软件提供了图形显示、数据库管理、控制运算、历史存储等成熟的模块与功能，因此在软 件开发过程中就不需要掌握专门的软件开发技能，而且开发工作量小、开发周期短。 本次系统考虑到开发周期比较短，并且使用对象对软件的稳定性方面要求又比较高， 因此本系统通过组态软件i f 来完成上位机软件的开发工作。i f i ) 【的设计在软件内核中就 充分使用了当前最先进的软件技术，包括微软的v b a 、o p c 、a c t i v e x 控件、c o m d c o m 等等，更使用了基于面向对象的框架结构【“】口】脚】。通过采用l i i x 可以实施更高性能的自动 化解决方案，而且使系统的维护、生机和扩展更加方便。 4 2软件结构图 根据用户的需求，所开发油库监控系统的软件结构图如图4 1 所示； 际磊翮 工艺流程il 数据采集ll 参数设定| 参数计算| | 趋势图| | 系统报警| | 用户信息 到崮倒剧斟斟斟国圉匡 拼悟 4 3界面和功能实现 油库监控系统软件主要实现的功能有：罐区资源分布监督、工艺流程画面监控、系统 计量、历史曲线查询、实时报警、罐计算器、用户管理。具体描述如下： ( 1 ) 资源展示 南京信息工程大学理学硕士学位论文 资源展示将罐区中的各种参数实时地显示出来。根据反映的侧重点不同，可以将罐区 的油罐以罐的类型和所储藏的油品性质进行组合分组。以罐的类型进行分组，其中包含了 此类油罐中各油罐的详细信息，同时将它们的体积和质量的总和进行了累加，计算出总的 库存量，清楚地展示了该种油罐中油品的总体积和总质量。以所储藏的油品性质组合分组， 其中包含了此类油品的油罐的详细信息，同时将它们的体积和质量的总和进行了累加，计 算出总的库存量，清楚地展示了该种油品的总体积和总质量。所有的数据都按照一定的扫 描周期进行更新，实时地显示。如图4 2 所示。 图4 2 资源展示 ( 2 ) 巡检图 从巡检图里，可以看到整个油库所有罐的大致情况，显示的数据有：油品名称、液位 高度、含水油品质量、纯油品质量以及含水油品体积。如图4 - 3 所示。 ( 3 ) 工艺流程图 工艺流程图是用管道将各个油罐连接起来形成一个整体，展示了整个罐区的运行状态， 其中可以反映泵的状态，电动阀的状态、管道中