（电气工程专业论文）基于现场总线的油品罐区远程监控系统.pdf

摘要 为了配合原料储运和生产流程，在炼油企业中均建有大量的各种储罐。 由于我国具体的国情， 长期以来对罐区的管理主要是靠有经验的工人利用油 尺通过对各油罐的液位高度进行测量的方法来对油罐进行监视。 该方法原始 而又繁琐，人为因素影响大，精度低。危险区中的有毒有害气体对操作工的 身体造成很大的危害，而且在气候恶劣的条件下，操作工在油罐上爬上爬下 很不安全。因此，油罐的 “ 冒顶”和爆炸及工人人身伤亡的事故率明显高于 各装置的事故率。而目前采用 d c s或现场总线技术构成的罐区监控系统普 遍存在着系统结构复杂、硬件成本高等诸多的问题。 课题中在对油品罐区工艺认真分析及对近一两年出现的可以直接应用 于危险区的新型远程 i / 0 认真研究的基础上， 对采用 d c s 和现场总线技术及 新型远程 工 /0构成的三种罐区监控系统的方案进行了详细的比较。 并以新型 远程 i / 0为基础对罐区监控系统进行了系统结构和软硬件的设计同时对设 计结果予以具体的实现。 另外，课题针对目前国内外罐区监控系统中对液位的报警功能非常简单 的现状， 应用模糊控制技术实现了在液位超过事先规定的高度时， 根据实际 液位变化的具体情况， 给出不同级别的报警的功能，以便提示操作人员采取 不同的措施。同时系统还实现了对于十分紧急的情况下阀门的联锁控制， 有 效地防止了事故的发生。 最后课题对总线系统故障诊断的方法和具体的实现做了详细的论述，并 对新型远程 i / o的应用前景进行了展望。 课题的圆满完成必将对于提高罐区的自动化管理水平进而提高整个工 厂的管理水平，降低工人的劳动强度，改善工人的工作条件，避免事故的发 生， 减少系统改造的初期投资及今后的运行费用等等方面具有十分重要的意 义。 关键字:罐区远程i / o集散控制系统 ( d c s ) 现场总线模糊控制故障诊断 ab s t r a c t i n o r d e r t o c o o p e r a t e t h e d e p o s i t i n g ( 6 )可连接传统的现场设备且无需改变传统的安装连 接方式以及支持 h a r t 协议的传输等等特点， 为对现有系统的改造和扩展铺 平 了道路。 从上面的特点可以看出，应用该远程 i / 0构成系统时，既发挥了现场 总线的诸多优点，又克服了现场总线在危险区应用时所面临的问题。但该 类产品由于刚刚问世，目前应用实例还十分的缺乏。 1 . 2课题研究的意义 随着我国经济的不断发展，各行各业对于石油制品的需求量也在大幅 度地增长。因此，为了快速提高炼油能力，更好地满足这些要求，我国近 些年来在各地建立起 了为数众多的炼油企业 ，原有的炼油企业也在不断提 高其自身的炼油能力。为了生产的高效与安全，炼油企业对各炼油装置以 及罐区等公用工程的自动化管理水平提出了更高的要求。但是，对于国内 各大炼油厂的调查显示，各罐区的自动化管理水平普遍很低，而且长期以 来普遍存在着重视炼油装置控制自动化水平的不断提高而轻视对罐区监控 系统自动化水平提高的情况，油罐的 “ 冒顶”及爆炸的事故率明显高于各 装置的事故率。近年来， 特别是近一、二年以来各装置的 “ d c s ”化改造已 基本完成的情况下，对于提高各罐区监控系统的自动化水平的呼声和要求 也越来越高。为此，国内主要从事炼油生产的 “ 中石化”和 “ 中石油”两 大公司准备拿出大量的专项资金来对各炼油厂的罐区监控系统进行改造和 升级。而采用 d c s 作为罐区监控系统存在上面提到的诸多的问题，国外应 用现场总线来解决这些问题时又遇到了诸多的困难。因此，如何设计出一 套适合于罐区的、先进的、高效的、功能齐全的、经济性好的监控系统是 目前国内外工程技术人员们急需解决的一个问题。 新型远程 工 / 0的出现为解决罐区监控系统硬件结构方面目前面临的难 题带来了希望，但是该产品刚刚问世不久，还缺乏可借鉴的实际应用的经 验。因此，经过本课题的研究将其应用到实际的罐区监控系统中去，一方 面更好地解决实际中的问题，另一方面为广大的工程技术人员提供可借鉴 的经验。这是课题研究的重要意义之一。 目前国内外罐区监控系统中对液位的报警功能一般非常有限且简单， 即只实现了当液位超过事先规定的高度时，便发出一个报警信号的功能。 这种报警功能仅能够满足那些液位基本不变或变化很缓慢的储罐。然而在 第一章 绪论 该课题涉及的项 目中是对 中间储罐进行监控，其液位变化相对 比较快 ，显 然这种简单的报警功能已不能满足要求。因此 ，课题中应用模糊理论不仅 实现了在液位超过事先规定的高度时能够发出报警信号，而且还能够根据 实际液位变化的具体情况，即根据距离发生冒顶事故的紧急程度，给出不 同级别的报警的功能，以便提示操作人员采取不同的措施，同时系统还实 现了对于十分紧急的情况下阀门的联锁控制，有效地防止了事故的发生。 课题中将不同厂家的产品在一个控制系统中的集成方法 以及现场总线 的故障诊断方法，对工程技术人员也有一定的借鉴意义。 课题的圆满完成必将对于提高罐区的自动化管理水平进而提高整个工 厂的管理水平，降低工人的劳动强度，改善工人的工作条件，避免事故的 发生，减少系统改造的初期投资及今后的运行费用等等方面具有十分重要 的意义 。 1 . 3课题的主要任务 课题主要完成如下的工作: ( 1 ) 、对油品罐区的工艺进行分析。 ( 2 ) 、在满足用户对监控系统要求的前提下，对于罐区监控系统的 d c s 方案，现场总线方案和远程 1 / 0 方案各自的优缺点进行详细的比较。 ( 3 ) 、完成罐区监控系统结构的设计与实现。 ( 4 ) 、根据系统的结构，完成罐区监控系统硬件的实现。 ( 5 ) 、完成罐区监控系统软件的实现. ( 6 ) 、 应用模糊控制技术实现液位的多级报警，同时实现油罐阀门的联 锁控制。 ( 7 ) 、对总线系统故障诊断的方法和具体的实现进行详细地论述。 ( 8 ) 、对新型远程 1 / 0的应用前景做进一步的展望。 第二章用户对油品罐区监控系统的要求 第二章油品罐区的工艺流程及监控系统的设计要求 2 . 1油品罐区的工艺流程5 - 7 1 炼油厂的罐区由各种油罐、油品输送的管道、控制阀门等部分组成。根 据所存油品的不同，罐区被分为原油罐区、半成品油罐区和成品油罐区三大 类， 每一大类又可根据具体油品的不同被分为不同的子类。 罐区的主要作用 是从输入设备 ( 如油轮等)接收原油，向炼油装置传送原油，暂存某些装置 加工后的半成品油并转送给下一个炼油装置，从最后的加工装置接收成品 油，并将成品油向各发油系统传送，最终将油品送到用户的手中。 油品罐区的管理由调度管理系统和监控系统两部分组成。其中的罐区监 控系统即对油罐的工艺参数进行有效的控制是罐区自动化管理的基础。 本课 题主要针对此系统。 正如绪论中所讲到的， 目前我国很多的罐区还依靠人工对罐区进行控制。 但是， 随着炼油厂生产规模的不断扩大， 罐区的这种管理方式的种种弊端不 断地显现出来，油品的跑、冒事故不断发生。因此，使用先进的自动化设备 构成罐区自动化管理系统就显得越来越重要了。 2 . 1 . 1 该项目油品罐区的组成及原有监控系统的情况 该项目涉及的油品罐区由分布在不同地理区域的原油罐区和轻油罐区 两个子罐区组成。如图2 - 1 所示。 原油罐区包括 1 号到 4号罐和 1 1 号罐共 5 个容积均为 1 0 0 0 0立方米的 原油罐， 相对集中在整个罐区的西部， 该罐区肩负着存储从原油码头输送来 的原油同时向炼油装置输送生产所需原油的任务。 由于炼油装置是连续运转 的且该罐区的油罐数量较少，因此这些油罐的进油和出油的频率很高。 一旦 出现某种故障造成不能正常进油和出油将对工厂的生产带来很大的影响。 间 隔大约5 0 0 米， 是由5 号到 1 0 号罐和 1 2 号到 1 7 号罐共 1 2 个容积均为 1 0 0 0 0 立方米的轻油罐组成的轻油罐区， 相对集中在整个罐区的东部，该罐区肩负 着存储从炼油装置输送来的成品油同时向各发油装置输送成品油的任务。 第二章用户对油品罐区监控系统的要求 5 # 1 6 # 1 ( 1 0 # 1 # (2 # 11 3 # 7 # 1 1 8 # i ! 1 2 # 1 7 # 原油罐区轻油罐区 图2 - 1罐区分布图 每个油罐上都安装了一台光导式电子智能液位计的一次表， 控制室内安 装了对应的二次仪表。 每个罐上控制油品出入的阀门均为手动阀。 操作人员 通过二次仪表所显示的罐内介质的液位值，了解每个油罐的情况。同时通知 位于油罐旁的操作工对油品的导入和导出实施控制， 即系统的控制由人工来 完成。 由于罐区的分布较广， 为了减少每一次实施的人工控制所需要的时间， 即降低系统控制的时滞， 就要求有一些操作工在控制室内监视各二次仪表的 显示数据并据此通过可防爆的对讲机向另外一些位于油罐旁的操作工发出 控制命令。这样做，一方面需要的操作工的数量较多;另一方面位于室外的 操作工的工作环境十分的恶劣， 有毒有害气体的腐蚀以及恶劣的天气都对这 些人员的健康造成许多不良的影响。 而且， 各油罐的参数也由人工进行记录， 工厂总调度室若想了解每个罐的情况也要等这些人工报表送去以后才可以， 这就给整个工厂及时有效的管理带来了很大的障碍。 2 . 1 . 2油品罐区的工艺流程 为了对整个罐区进行更加有效的管理， 在每个油罐上增加了低位、高位 和高高位的报警开关并将所有的手动阀门更换为电控阀门且每个电控阀均 配有指示阀门开和关状态的回讯信号。同时，为了配合罐容的计算每个油罐 第二章用户对油品 罐区监控系统的要求 上还安装了一个 p t 1 0 0 热电阻的探头。每个油罐的情况如图 2 - 2 所示。 1 :高高位报警开关 2 :高位报警开关 3 : p t 1 0 0 热电阻 4 :低位报警开关 5 :液位计浮球 6 :液位计钢带 7 :液位变送部分 8 :输油管线 9 : 电控阀门( 带回讯) 图2 - 2油罐工艺控制点配置图 工艺流程分为收油工艺流程和付油工艺流程两部分。 油品收油工艺流程如图2 - 3 所示。 罐区管理人员在收到调度中心的收油指令后， 通过控制室内的操作站将 相应的阀门打开， 并通过阀门回讯信号确认阀门是否已经打开，同时对油罐 的液位及油品的温度状态进行动态的监视， 如果没有收到调度中心停止收油 的指令则继续收油， 若收到调度中心停止收油的指令或油罐已经有高高位的 报警信号则关闭相应的阀门停止收油。 油品付油工艺流程如图2 - 4 所示。 罐区管理人员在收到调度中心的付油指令后，通过控制室内的操作站将 相应的阀门打开，并通过阀门回讯信号确认阀门是否已经打开，同时对油罐 的液位及油品的温度状态进行动态的监视， 如果没有收到调度中心停止付油 的指令则继续付油， 若收到调度中心停止付油的指令或油罐已经有低位的报 警信号则关闭相应的阀门停止付油。 第二章用户对油品罐区监控系统的要求 接调度管理系统收油指令 打开相应油罐的控制阀门 排除故障 收到回讯? 采集油罐的工艺参数 已完成? 有高高位报警? 关闭阀门 图2 - 3收油工艺流程图 第二章用户对油品罐区监控系统的要求 接调度管理系统付油指令 打开相应油罐的控制阀门 排除故障 收到回讯? 是 采集油罐的工艺参数 已完成?是 有低位报警? 关闭阀门 图2 - 4付油工艺流程图 第二章用户对油品罐区监控系统的要求 2 . 2油品罐区监控系统的设计要求 2 . 2 . 1油品罐区监控系统的总体要求 对于监控系统的结构和软硬件有如下的总体要求: ( 1 ) 、监控系统必须采取二级控制，以保证系统的安全性和可靠性。 ( 2 ) . 所选用的软硬件必须为当前的主流产品，且可以容易地在市面上买 到，以保证今后系统零备件的供应。 ( 3 ) 、由于目前的原油及轻油罐区的规模较小，为了适应生产规模不断扩 大的要求， 罐区的油罐数量肯定会不断增多，因此监控系统必须满足长远发 展的要求，从规模上讲，要能够满足 4 0个罐的控制要求，系统必须便于扩 展 。 ( 4 ) 、软件上必须便于重新组态、开发， ( 5 ) 、 系统应用软件必须具有高级语言接口功能， 便于开发优化控制程序。 ( 6 ) 、人一 机界面友好，画面直观，操作简单。 2 . 2 . 2油品罐区监控系统输出控制的要求 监控系统的输出控制主要涉及到液位的报警输出控制和阀门的开关控 制两部分。 对于液位的低位报警要求给出一个报警信号对操作人员进行提示。 对于 液位的高位至高高位区间内的报警要求给出多级报警信号， 以提醒操作人员 采取不同的措施。 阀门分为手动和自动两种工作状态。 手动状态下可手动开关阀;自 动状 态下，若无液位高高 ( h h )报警信号，则可以在操作站上进行开关阀操作， 若有液位高高 ( h h )报警信号时，启动联锁将阀门关闭，如果想打开阀门则 需在操作站上进行确认后才能执行此操作。 阀门的状态可由两个分别指示阀 的开和关的到位的阀位回讯信号得到。 2 . 2 . 3油品罐区监控系统的功能要求 ( 一) 、数据采集及工艺流程显示功能 系统应实时采集各油罐的参数， 并采取完全模拟现场的立体化动态工艺 流程图画面进行显示。具体要求为: 1 .按照罐区的实际地理分布，绘制一个罐区总貌图。在总貌图中，每 个油罐的液位、 温度及液位开关和各阀门的状态都要得以体现。并设置转入 第二章 用户对油品罐区监控系统的 要求 相应各油罐子图的按钮，进入报警总画面、报表画面的按钮。 2 、每个油罐都对应一个子图。在子图中要能反映出该油罐的液位、温 度及液位开关和各阀门的状态。 要设置进行阀门开关操作的按钮， 液位和温 度的实时和历史曲线画面以及报警画面。同时，还要设置转入罐区总貌图、 报警画面、报表画面和其它各油罐的按钮。 3 、为了确保现场控制的安全可靠，实施控制时，阀门的实际状态在流 程图_ 卜 几 分别以不同的颜色显示;可以直接在流程图上用鼠标对阀门进行开/ 关操作;阀门状态包括:开阀、关阀、中间3 种状态。为了使操作人员明显 地区分现场的设备所处的开、关、中间3 种状态，开阀时，画面阀体中心显 示变为红色;关阀时，显示变为绿色;开阀没有回信或者阀门故障时，画面 阀体显示变为黄色并不断闪烁。 4 、为了今后对项目增加对压缩机的控制功能，在各画面中要预留一个 转向压缩机画面的按钮。 ( 二)、报警提示功能 1 ,要求在操作站计算机上对液位开关采集到的报警信号用一个颜色不 断变化并闪烁的提示物进行统一的显示，同时设置一个音箱做声音报警。 在 计算机上设置一个确认按钮来消除报警声音，报警被确认后声音才能消失。 2 、报警信息按照新发生的报警在前、历史报警在后的顺序排列，所有 报警信息至少要保留一年并可随时按照时间区段进行查询。 ( 三) 、报表功能 报表画面要设计成与现在正在使用的报表具有相同的格式。报表打印 前， 操作人员要首先选定所需要的时间间隔。 时间间隔可以支持最大到一年。 报表画面还要支持在实施打印前的预览功能。 ( 四) 、保障系统安全功能 1 .要为每位操作人员设置相应的密码，操作人员在进行操作前需输入 自己的密码， 经系统确认无误后才可以进行正常的操作。 操作人员的每一次 登录和进行的操作都应有相应的记录保存在系统的数据库中。 同时要求系统 无论在哪个画面下操作人员都可以登录到系统中。 2 、对于系统退出按钮要设置成只有系统管理人员才能进行操作，即需 要最高的操作权限。 第三章 油品罐区监控系统的方案比较 第三章 油品罐区监控系统的方案比较 3 . 1监控系统的方案及各自的优缺点 根据用户对监控系统的要求，系统可以有如下的三个方案。因为系统 的操作站及软件部分在各方案中没有大的区别，所以这里就略去了对该部 分的讨论。 方案一、d c s / p l c + 安全栅+ 现场设备的方案【 2 2 - 2 9 此方案的结构示意如 图 3 - 1 所示 。 -多芯电忆 : 二 二 火 圣孟 对去连 接电 拐 口界 场 袂 线 拒 泣 二 砚场抉战摘 图3 - 1 d c s / p l c 十 安全栅+ 现场设备方案示意图 此方案被称为 “ 第四代”控制系统方案，是目前各炼油装置中采用最 多的系统结构形式。如图中所示，系统可分为四个大的部分。第一部分为 控制站，通常采用 d c s或 p l c 。基本配置为 d c s或 p l c的 c p u单元，各种 所需的处理开关量 ( d i / 0 )和模拟量 ( a i / 0 )以及其它特殊信号的输入/ 输出卡件，供电电源模块以及安装附件等设备。第二部分为安全栅，主要 起到限制从安全区到危险区的能量，使该能量足够小到不足以点燃危险区 中危险爆炸混合物的程度，同时现场设备的短路或其它故障也被安全栅隔 第三章 油品罐区监控系统的方案比较 离以致不会影响控制器的正常工作，另外还可以对一些标准信号进行必要 的转换。安全栅有齐纳式和隔离式两种类型，只能放置在安全区 ( 参见参 考文献 i 川) 。 第三部分为现场设备， 在该种控制结构中，要求现场设备都 要是满足本质安全要求的设备。在正常工作情况下，其不会产生火花或产 生的火花能量足够的小以致不足以点燃周围的危险爆炸混合物。而在故障 情况下，其安全是靠安全栅来保证的。第四部分是将这些设备连接在一起 的大量的电线电缆、接线端子以及铺设电缆所需的电缆桥架等等的辅助设 备 。 系统的工作原理为:现场测量设备将检测到的各种物理量转换成各种 标准信号通过电线电缆传送到安全栅，安全栅将信号隔离后传送到 d c s / p l c的输入卡件，输入卡件将这些标准信号转换成 d c s / p l c内部的信 号并传送到 c p u中进行处理，处理的结果再经过相反的路径传送到现场的 执行器 。 方案一的优点在于:1 ,结构的原理简单，容易被一般的维护及操作人 员所理解; 2 、 某一点的故障一般不会影响到其它的点即故障的波及面易于 控制;3 、现场设备为所谓的 “ 传统型” ，与 “ 总线型”设备比较起来历史 悠久更重要的是可选择的范围宽。 但是， 方案一的缺点也是十分明显的: 1 , 现场设备与控制室之间的距离远，因此在构成系统时就需要大量的电线电 缆、 接线端子及桥架等等辅助设备，系统的硬件成本高;2 、系统控制器冗 余的成本高: 3 、 很难保证为数众多的连接点都能够一次性的做到连接准确 而牢固; 4 、系统的安装及调试需要大量的人工，因此系统的人工费用成本 也高;5 、系统调试及运行后的故障点诊断十分困难;6 、模拟信号的长距 离传输，使得信号的衰减和干扰问题十分的突出;7 、由于不同厂家的 d c s / p l c之间有较大的差异，因此不同系统之间的信息无法共享，造成了 一个又 一 个的 方案二、采用 信息孤岛” 。 纯”现场总线的方案 2 4 - 2 9 / 此方案的结构示意如图 3 - 2 所示。 此方案是被称为 “ 第五代”控制系统的 f c s 方案。整个方案以现场总 线为基础将系统的各个部分连接起来。从上面的示意图可以看出该控制系 统也分为四个部分。第一部分为控制器，常采用具有现场总线接口的 d c s / p l c的c p u 单元。由于现场设备都具有总线接口 ( 即可以直接挂接到 第三章 油品罐区监控系统的方案比较 总线 6 - 8个现 oo 场 设 备 h i 1网 卜 5 日网 卡 】 母,n. =.c x s vn 严 7x 赘 6 - 8个现 场 设 备 图 3 - z现场总线控制方案示意图 总线上与控制器进行通信) ，因此就无需 d c s i p l c的各种输入输出卡件了。 第二部分为起到总线分支和防爆作用的总线 h 1 卡和总线安全栅。 总线主干 通过h 1 卡被分成许多网段， 每个网段上的电流经过总线安全栅后被限制到 本质安全防爆所允许的范围之内，但是每块总线安全栅只能接8 块以下的 现场设备，因此该系统中要配置 1 7块 h 1网卡和 1 7个总线安全栅，并且 h 1 卡和总线安全栅只能放置在安全区( 一般与控制器放置在同一个控制柜 内) 。 第三部分为现场设备。目前人们将现场设备按照是否具有总线接口分 成 “ 传统型”和 “ 总线型”两大部分。所谓 “ 传统型”现场设备是指在现 场总线技术出现之前就已经开始使用的不具备总线接口的产品，它们不能 够直接挂接到现场总线上。而 “ 总线型”现场设备是伴随着现场总线技术 的发展而产生的具有总线接口可直接挂接到现场总线上的产品。在该方案 中，现场设备都要采用 “ 总线型”的产品。第四部分为将前三部分连接在 一起的现场总线电缆，专用接插件及其它的辅助连接设备。 系统的工作原理为:现场设备将检测到的各种参数转换成符合所采用 的总线协议的信号，在主控制器读取其数据的总线周期内将这些信号经过 第三章 油品罐区监控系统的方案比较 现场总线传送到 h 1网卡，h 1网卡将这些信号汇总后传送到主控制器的总 线接口模块中，该模块再将这些总线信号转换成 d c s / p l c内部可以识别的 信号。系统的控制输出信号经过相反的路径传送到现场的执行器处。 方案二的优点则在于:1 、无需接线端子 ，节省控制柜空间从而节省了 控制室所需的空间;2 、电缆连接通过 “ 即插即用 ”的接插件 ，接线方便、 快速、准确、牢固:3 ,施工简单，工作量小，可节省大量的人工费用;4 、 系统多种的诊断与自诊断功能，使故障点的定位十分迅速，从而缩短系统 的故障停车时间; 5 、 在屏蔽电缆内进行数字信号的传输，信号传输精度大 大提高:6 、系统扩展容易。而方案二的缺点是:1 、系统结构原理较复杂， 一般的维护操作人员理解起来较困难; 2 、 总线上某一从站的故障可能会波 及到其它从站的正常工作;3 , h 1网段不支持冗余，因此系统的高可靠性 较难保证; 4 、 系统原有的液位仪表需更换为具备总线接口的产品， 每台仪 表按照 3 万元计算，就需要付出5 1 万元;5 、在构造大系统时，系统的循 环时间长，实时性较差。 方案三、采用 “ 总线型”远程 1 / 0 的方案 1 5 . 19 - 2 1 此方案的结构示意如图 3 - 3 所示。 目。 。 图 3 - 3 “ 总线型”远程 1 / 0控制方案示意图 所谓 “ 总线型”远程 1 / 0是针对传统的采用某一厂家专有的通讯协议 与主控制器进行数据交换的远程 1 / 0 产品而言的，即其与主控制器之间是 通过开放的现场总线进行数据的交换。 第三章 油品 罐区监控系统的方案比较 “ 总线型”远程 1 / 0有不具备安全栅防爆功能的普通型和将安全栅集 成在 1 / 0卡中的防爆型。而防爆型的远程 1 / 0又分为只能放在安全区和可 以直接放置在危险现场的两类产品。普通型的远程 1 / 0 ，一方面只能放在 安全区不能靠近现场，失去了远程 1 / 0的优势;另一方面其不具备安全栅 的防爆功能，在具体应用时还要再另外使用安全栅来确保系统的安全。而 对于防爆型远程 1 / 0中只能放置在安全区的产品而言，其同样具有不能靠 近现场而失去了远程 1 / 0优势的问题。对于可以直接放置在危险现场的防 爆型远程 1 / 0而言，其既可以直接安装在危险现场充分发挥远程 1 / 0的优 势，又可以做到本质安全防爆，因此，在做 “ 总线型”远程 工 / 0的控制方 案时，考虑采用此类的产品。论文在后面的讨论中提到的 “ 总线型”远程 1 / 0的控制方案，如无特殊声明都指的是采用此类远程 i / 0的方案。 从图 3 - 3可以看出，整个的系统可以分为六个部分。第一部分与方案 二相同为具有现场总线接口的 d c s / p l c的 c p u单元， “ 总线型”远程 1 / 0 的应用使得 d c s / p l c的本地输入输出模块也不再需要了。第二部分为主控 器与远程 1 / 0 之间的现场总线及连接附件。此处，现场总线设计为双总线 的冗余结构。 第三部分为起到总线防爆作用的总线安全栅。由于“ 总线型” 远程 1 / 0自己具有独立的供电体系，因此其在总线上就相当于一台普通的 “ 总线型”的仪表，那么一块总线安全栅就可以挂接 8 个 “ 总线型”远程 1 / 0 。而每一个 “ 总线型”远程 i / 0 可以处理的信号数量可以多达 1 2 8 个， 因此对于规模较小的项目( 工 / 0点数少于 1 0 2 4 ) ， 一块总线安全栅就足够了。 对于规模较大的项目( 工 / 0点数多于 1 0 2 4 ) ， 系统就要采用类似于方案二的 结构。第四部分为 “ 总线型”远程 1 / 0 。其可以直接放置在危险现场并可 以直接连接 “ 传统型”的现场设备并将这些设备的信号转换为总线信号传 送到主控制器.第五部分为 “ 传统型”的现场设备。第六部分为现场设备 与远程 工 / 0 之间的连接电缆及附件。 系统的工作原理为:现场设备采集的各种信号以 “ 点对点”的方式传 送到远程 工 / 0 ，信号进入到 1 / 0卡件后首先经过隔离 ( 即安全栅的作用) 然后再转换成符合系统内部总线协议的信号，这些信号经过远程 1 / 0系统 内部的总线传送到网关，在网关中这些信号又被转换成符合外部现场总线 协议的信号，最后经外部总线传送到主控制器。从主控制器发出的控制信 号经过相反的路径传送到现场设备。 第三章 油品罐区监控系统的方案比较 方案三的优点在于:1 、远程 i / 0直接安装在现场从而使方案一中需使 用的现场接线箱 、 长距离的连接 电缆及附件 、 大量的安全栅 及端子和机柜、 d c s / p l c的接线端子和 i / 0卡件等大量的硬件都不再需要了。而仅仅需要 为数很少的总线电缆和总线安全栅就可将位于现场的远程 工 / 0与 d c s / p l c 的总线接口模块连接起来，远程 i / 0与现场设备之间可以通过很短的线缆 进行连接。即硬件数量大大减少，从而硬件成本大为降低;2 、采用 “ 传统 型” 的现场设备并且原有的液位仪表可以保留， 进一步节省了设备投资; 3 . 硬件数量少则施工就变得简单，从而减低了施工的难度和费用;4 、现场信 号被远程 工 / 0 就近转换成数字信号后在屏蔽电缆内进行数字信号的长距离 传输，因此很好地解决了信号的衰减和干扰问题，从而信号的传输精度大 大提高; 5 、 远程 工 / 0的自诊断功能和现场总线的诊断功能，使系统故障的 快速定位可以十分简单地实现。6 ,冗余的现场总线，确保了系统的安全。 7 、系统扩展容易。 此方案的劣势仅仅在于将远程 i / 0 放置在现场，增加了现场的维护工 作量。 3 . 2比较结果 综上所述，三个方案比较起来，方案三的成本最低且既发挥了现场总 线的优势克服了其劣势，又延续了维护和操作人员原有的工作习惯。依照 性能价格比最高的原则，方案三最适合在本项目中应用，因此，该项目的 控制系统设计是按照方案三的思想进行的。 第四章 油品罐区监控系统的设计与实现 从图中可以看出整个控制系统被分成操作站、控制站、远程 i / 0接口 单元、现场设备四个层次。 操作人员可在操作站计算机上监视现场情况并对现场阀门实施控制， 而控制站完成现场信号的采集和现场阀门的联锁控制。此结构满足系统二 级控制的要求。 由于轻油罐区的油罐数量多并且轻油控制室的面积大，因此，将系统 的操作站和控制站均设在轻油控制室。 4 . 2 监控系统的硬件设计与实现 1 、操作站 操作站除了起到人机界面的作用之外，还可起到保留系统历史数据， 打印输出各种报表等的作用，是系统功能对外体现的重要窗口。 根据系统的控制要求，操作站按照图4 - 2的形式配置。 主 机从 机 至控 制 站 打印机 图4 - 2操作站配置图 由于系统采用了操作站与控制站分立的结构形式，因此操作站计算机 的性能及可靠性的压力就大为减轻了。目前选择操作站计算机的习惯做法 是选用工业用的p c ( 外型结构等类似于商用 p c ) 而不是通常意义的工控机。 在众多品牌的工业用 p c中，d e l l计算机的市场占有率较高，而且该客户 在其与该项目 类似的场合中也选择了 d e l l计算机，因此我们选择了d e l l 的工业用p c 作为操作站。 d e l l 计算机型号的确定主要考虑了下面几个问 第四章 油品罐区监控系统的设计与实现 题:1 ) 、必须为工业用主流机型;2 ) 、主板上要有安装与 p l c控制站通信 的接 口卡的插槽;3 ) 、其它的主要性能指标留有适当余量以便于今后的扩 展。根据上述考虑我们选择了o p t i p l e x 系列的 d e l l工业用 p c。其主 要指标为:c p u: p i i 1 ;主频:9 3 3 m;内存:1 2 8 m;硬盘:2 0 g;光驱: 4 8倍速。为了使监控画面看得清晰，系统配置了 s o ny 1 9寸纯平彩色显 示器 。 为了保证在一台计算机出现死机或其它故障时系统仍可借助于另一台 计算机进行正常的工作，系统配备了两台计算机作为操作站，以提高系统 的可靠程度。 为了实现报表的连续打印，系统还配置了一台可以连续走纸的针式打 印机 声卡 。另外，配置了两个音箱用于报警的语音提示，并在主机箱中配备了 计算机的系统软件采取了稳定性很高的w i n d o w s n t ，其它装载在操作 站中软件的情况将在系统软件部分进行论述。 总之，系统操作站的配置特点有如下几条:1 、双冗余结构，确保了系 统操作的可靠性;2 、采用当今流行的工业用 p c ，节省了硬件成本;3 、大 屏幕显示，使操作更加方便;4 、多媒体的人机交互，界面十分友好。 操作站与控制站之间的通讯采用如图4 - 3的形式。 主机从机 国一 cp561卡 拿 图 4 - 3操作站与控制站的通讯网 侮台计算机通过使用 s i e m e n s 公司的p c 通讯卡c p 5 6 1 1 与控制站c p u 第四章 油品罐区监控系统的设计与实现 的 mp i 口 ( 多点计算机接口)相连，控制站两台 c p u的 mp i 口通过 mp i 电缆相连。这样两台计算机，两台控制站 c p u的 mp i口就连成了一个网 络，该网络有四个节点，使用的是 mp i 协议。在该层网络中，两个计算机 的地址分别是 0和 1 ，两个控制站 c p u的mp i 口的地址分别是 2和 4 。对 于地址为 0的计算机而言， mp i 地址为 2的c p u是它的主站， mp i 地址为 4的 c p u是它的从站，当主站 ( 2 )故障后将 自动切换到从站上 ( 4 ) ;对 于地址为 i的计算机而言， mp i 地址为4的 c p u是它的主站， mp i 地址为 2的 c p u 是它的从站 ，当主站 ( 4 )故障后将 自动切换到从站上 ( 2 ) 。这 样即可实现两个操作站的连续监测控制。 2 、控制站 3 0 - a 11 系统的控制站采取了如图4 - 4 所示的形式。 图4 - 4控制站配置图 虽然，在炼油厂的控制系统中采用 d c s的比例要远远高于 p l c ，但考 虑到每个油罐一般需要有如下的监控信号:高高位报警信号 ( d i , 1 个) ; 高位报警信号( d i , i 个) ; 低位报警信号( d i , 1 个) ; 电磁阀开关信号( d o , 2 个) ;阀门回讯信号 ( d i , 4 个) :液位信号 ( a i , 1 个) ;温度信号 ( t i , 1 个) 。从中可以看出，监控系统中开关量信号 ( d i , d o )所占的比例要远 大于模拟量信号 ( a 工 ，a o )的比例，而且模拟量信号只是作为检测 ( 即只 是 a 工 ，无需输出控制) 。并且，p l c的价格要远低于 d c 5 ，因此，系统采用 第四章 油品罐区监控系统的设计与实现 回讯信号 ( d i ) 2 0个。据此系统配置了m t 1 8母板 1 块，p s d 2 4 e x电源模块 2块，g s d 1 . 5网关 2块， 开关量输入模块 d m 8 0 e x ( 8通道) 5块， 开关量输出 模块 d 0 4 0 e x ( 4 通道) 3 块， 模拟量输入模块a 工 4 0 e x ( 4 通道) 2 块， 温度输入模 块 t 1 4 0 e x ( 4 通道) 2 块。 第二部分共 4 个油罐其 1 / 0点数为:液位报警信号 ( d i ) 1 2 个;液位 信号 ( a i ) 4个;温度信号 ( t i ) 4 个;阀门控制信号 d o ) 8 个;阀门回 讯信号 ( d i ) 1 6 个。据此系统配置了m t 1 8 母板 1 块，p s d 2 4 e x电源模块 2 块，g s d 1 . 5网关 2 块， 开关量输入模块 d m 8 0 e x ( 8 通道) 4 块， 开关量输出模 块d 0 4 o e x ( 4 通道) 2 块， 模拟量输入模块a 1 4 0 e x ( 4 通道) 1 块， 温度输入模块 t i 4 0 e x ( 4通道) i 块 。 第三部分共 8 个油罐其 i / 0 点数为:液位报警信号 ( d i ) 2 4 个:液位 信号 ( a i ) 8个:温度信号 ( t i ) 8个;阀门控制信号 ( d o ) 1 6个;阀门 回讯信号 d i ) 3 2个。据此系统配置了m t 1 8 母板 1 块，p s d 2 4 e x电源模块 2 块，g s d 1 . 5网关 2块， 开关量输入模块 d m 8 0 e x ( 8通道) 7 块， 开关量输出 模块d 0 4 0 e x ( 4 通道) 4 块， 模拟量输入模块a i 4 0 e x ( 4 通道) 2 块， 温度输入模 块 t 1 4 0 e x ( 4 通道) 2 块。 三个远程 i / 0 站之间通过冗余的两条总线连接在一起，从而实现了通 讯线路的冗余，确保了系统的高可靠性。 4 、现场设备 现场设备保留了原有的光导式电子智能液位计的一次仪表部分，其二 次仪表部分取消。一次仪表与远程 i / 0的模拟量输入卡点对点地连接并通 过 4 - 2 0 m a 标准电流信号传递信息。 另外增加了对油罐中液位进行高高位、高位、低位报警的感应开关; 测量油温的 p t 1 0 0 热电阻。将油品导入或导出油罐的手动阀门更换为电控 气动阀门，每个阀均设置了指示阀位开关状态的回讯开关。 第四章 油品罐区监控系统的设计与实现 4 . 3 监控系统的软件设计与实现 监控系统涉及到的软件如表 4 - 2 所示。 表 4 - 2系统涉及的软件 位 置软件 功能 操作站监控组态软件人机界面， 报警， 报表， 安全管理 控制站硬件组态软件系统硬件 的组态和参 数的设定 p l c 编程软件 实现系统的控制功能 i / 0站g s d文件描述其在 p r o f 工 b u s总 线 上可进行 的若干行 为 4 . 3 . 1 操作站监控组态软件“ ， 一 3 组态的概念最早来自英文 c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算 机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动 执行特定任务，满足使用者要求的目的。监控组态软件是面向监控与数据 采集 ( s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n , s c a d a )的软件平台i具， 具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。监控组态软件最早出现 时， h mi ( h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ) 或称m mi ( m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ) 是其主 要内涵，即主要解决人机图形界面问题。随着它的快速发展，实时数据库、 实时控制、s c a d a、通信及联网、开放数据接口、对 i / o设备的广泛支持 己经成为它的主要内容。随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予 新的内容。 该项 目中所采用的监控组态软件为 s i e me ns公司的运行于 wi n d o w s 2 0 0 0 / 9 8 / n t平台的wi n c c ( w i n d o w s c o n t r o l c e n t e r ) . wi n c c的基本功能 数据采集和数据处理是 wi n c c的两个基本功能。 数据采集是从现场获得数据， 并将它们加工成可以利用的形式。 wi n c c 也可以向现场传送数据。这样，在控制系统和应用程序之间建立起双向连 接 。 wi n c c软件不需要专门的硬件来获得数据，它是通过一个 i / o驱动器 第四章 油品罐区监控系统的设计与实现 4. 3 4. 3 基于模糊控制的液位多级报警的实现4 s - s 2 1 液位报警的现状及应用模糊控制的必要性 5 0 1 目前， 国内很多炼油厂对罐区中各油罐的监测还停留在每隔一 定的时间进行 “ 人工检尺 ”的落后水平，根本起不到液位报警的作 用。而对于那些资金较为雄厚的炼油企业，一般都为罐区装备了自 动监测系统， 但是这些自动监测系统中对液位的报警功能非常有限 且简单， 即只能实现当液位超过事先规定的高度时便发出一个报警 信号的功能。 然而， 这种报警功能仅能满足那些液位基本不变或变 化十分缓慢的储罐，对于有些场合，例如中间储罐，其液位变化相 对比较快，显然此时简单的报警功能就不能很好地满足这一要求。 因为此时不仅要在液位超过事先规定的高度时能够发出报警信号， 而且还要能够根据实际液位变化的具体情况， 即根据距离发生冒顶 事故的紧急程度，给出不同级别的报警。 由于罐区现场衡量油罐冒顶事故的紧急程度是以液位超过报 警液位的绝对差值和液位的变化速率为尺度的， 而液位的变化速率 是一个变量，因此，若应用传统的控制方法很难得到满意的控制效 果。通过对模糊控制理论的研究，如果应用模糊控制技术就能够获 得令人满意的效果。即选择液位超过报警液位的绝对差值和液位的 变化速率作为系统的输入，先对其进行模糊化处理， 然后根据基于 实际报警要求的报警规则对二者的不同组合进行模糊推理， 得出实 际的报警级别。 4 . 3 . 3 ( 一 ) 液位多级报警的具体实现 确定模糊控制的输入和输出变量 由于一般罐区现场衡量冒顶事故的紧急程度是以液位超过报 警液位的绝对差值和液位的变化速率为尺度的， 因此项目中选择液 位超过报警液位的绝对差值和液位的变化速率作为系统的输入， 实 际的报警级别作为系统的输出。 ( 二 )、模糊化处理 第四章 油品罐区监控系统的设计与实现 项目中涉及的油罐的罐高为 1 5米， 其安全液位为 1 4 米。 因此 液位与报警液位差值最大的变化范围为 。 一1 米。液位的变化率经 工厂的实际测量最大为 2 米/ 分钟，因此，液位变化速率的变化范 围为 0 -2米/ 分钟 。 将实际液位与报警液位的差值( e ) ,液位变化速率( ) 进行模 糊化处理。e的基本论域为 ( 0 , 1 - 0 ) ,的基本论域为 ( 0 , 2 . 0 ) . 语言变量 e的模糊论域为 x = ( 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 )，语言变量 e c 的模糊论域为 y = ( 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ，则它们的量化因子分别 为 k =0 . 2 , k , =0 . 4 。输出结果 u的基本论域为 u = ( 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 )，其模糊论域为 u = ( 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 )，故其量化因子 k ， = 1 。 ( 三)、选取语言变量值 由于本项目中输入、输出的模糊论域都是只有正的部分，因此 选取 “ 零”( z 0 ) , “ 小”( s ) , “ 较小”( c s ) , “ 中”( m ) , + 较 ， ，( c b ) 、 ，( i i )、 大”( b ) 作为输入的语言变量。 选取 “ 无”( w u ) , “ 紧 比较紧急”( 8 j ) ,“ 很紧急”( h j ) ,“ 非常紧急”( f c ) 大急 “ 特别紧急”( t b ) 作为输出语言变量。 四)、语言变量的赋值 由于这里输入和输出的语言变量取值相同， 因此可为其建立相 同的语言变量赋值表。 如下所示， 表 4 - 7 为语言变量 e 和 e 。 的赋值 表，表 4 - 8为语言变量 u的赋值表。 第四章 油品罐区监控系统的设计与实现 表 4 - 7语言变量 e 和 e 。 的赋值表 012345 z 01 . 00 . 3 0 . 10 . 00. 00 . 0 s0 . 31 . 00 . 3 0 . 00 . 00 . 0 cs0 . 00 . 3 1 . 00 . 30 . 00 . 0 m0 . 0 0 . 00 . 31 . 00 . 3 0 . 0 c b 0 . 00 . 00 . 00 . 3 1 . 00 . 3 b0 . 00 . 0 0 . 00. 00 . 3 1 . 0 表 4 - 8语言变量 u的赋值表 012 34 5 w h1 . 00 . 2 0 . 00 . 00 . 00 . 0 i i 0 . 21 . 00 . 0 0 . 00 . 00 . 0 b j 0 . 00 . 2 1 . 00 . 20 . 00 . 0 h j 0 . 00 . 00 . 2 1 . 0 0 . 20 . 0 f c 0 . 00 . 00 . 0 0 . 21 . 00 . 2 t 日0 . 0 0 . 00 . 00 . 0 0 . 21 . 0 ( 五)、编制报警规则表 报警规则表如表 4 - 9所示。 第四章 汕品罐区监控系统的设计与实现 表 4 - 9报警规则表 z osc smc bb 7 . 0w u j jb jh i f ct 日 s i ii ib jh j f ct b c sb jh jh