（控制理论与控制工程专业论文）基于光纤传感的油品罐区监控系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着石化行业的不断发展，对于油品罐区监控管理的自动化程度要求越来 越高。近几年，随着人们对罐区安全认识的提高，罐区控制自动化和管理现代 化有了相当大的发展，但是还远不能满足生产的安全和质量的需要。 本文从监控系统用户的需求与功能分析入手，确定监控系统结构为 l p c + p i c + p r o f m u s d p 现场总线的方式。该系统十分适合现场工艺复杂、设 备类型多样，f o 点数多且分布极为分散、现场防爆环境要求极高的油品罐区现 场的监控。在系统的现场采集层，采用光纤液位计、光纤光栅温度传感器和光 纤阀位回讯器等组成油罐区现场监测系统，使得现场完全避免了电信号，安全 得到了可靠保障。中间控制层采用s 7 3 0 0p l c ，它既是p r o f i b u s d p 主站， 又是m p i 从站，除了完成基本的逻辑控制功链於，更重要的是通过 p r o f i b u s d p 现场总线通讯来实现各从站之间的高度协调。系统管理与监控层 由一台工控机组成，通过与s 73 1 5 2 d p 通讯来获取生产过程的数据，上位机用 w i n c c 工控组态软件监控组态，实现现场数据实时记录和监控，设计了实时监 控、记录查询、报警和实时模拟等具有w i n d o w s 风格的动态操作画面，同时完 成数据处理的任务、自动生成各种报表、在规定的时间打印输出等功能，为管 理人员了解总体生产状况和调整生产计划提供帮助，实现了良好的人机交互功 能。 本文设计的油品罐区监控系统具有灵活易扩展、系统可靠性高和人机对话 方便简洁等特点，非常适合我国传统的油罐监控系统的技术改造，具有良好的 通用性，并且在工程上易推广。 关键词：光纤传感器，可编程控制器，现场总线，油品罐区监控 武汉理工大学硕士学位论文 _ _ - _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ - _ 。_ _ _ _ _ _ 。_ 1 _ _ 。_ _ _ _ _ _ - - _ _ 。+ 。一 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s s i v ed e v e l o p m e n to ft h ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，t h er e q u i r e m e n t o ft h em o n i t o r i n ga u t o m a t i z a t i o ni nt h eo i lt a n kf i e l di sh i g h e la n dh i g h e lt h e s ey e a r s ， p e o p l eb e g i nt oa w a l eo ft h es e c u r i t yi nt h eo i lt a n kf i e l d ，t h ec o n t r o la u t o m a t i z a t i o n a n dm o d e r n i z a t i o no fm a n a g e m e n td e v e l o pa tag o o dp a c e b u tt h ed e v e l o p m e n tc a n n o ts t i l ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ey i e l d i n gs a f e t ya n dq u a l i t y a f t e re x t e n s i v er e s e a r c ho nr e c e n ts i t u a t i o n sa b o u tc o n t r o ls y s t e mi nn a t i v ea n d a b r o a da n dr e a ln e e d so ft h ep r o j e c t a ni p c p l c f i e l d b u ss t r u c t u r ei sa d o p t e d t os o l v et h ec o n t r o lp r o b l e m s ，s u c ha st h ec o m p l e x i t yo ft h em a n u f a c t u r i n gn o w ， m u l t i p l i c i t yo fe q u i p m e n t s ，e x c e s s i v e n e s sa n dd i s p e r s eo fi oa n dh i g hd e m a n do f a v o i d i n gb l a s t i nt h el o c a l e ，a no i lt a n kl o c a lm o n i t o r i n gs y s t e mt h a tc o n s i s t so ft h e o p t i c a lf i b e rl i q u i dl e v e lm e t e r , o p t i c a lf i b e rg r a t i n gt e m p e r a t u r es e n s o ra n do p t i c a l f i b e rv a l v ep o s i t i o nr e t u r nd i s p a t c hw a r ei sf o r m e d t h i ss y s t e me n a b l e st h e m e a s u r i n gp r o c e s st oa v o i dc o m p l e t e l yt h ee l e c t r o n i cs i g n a l st o a t t a i ns a f e t y a s 7 - 3 0 0p l c , w h i c ha c t e da sad pm a s t e ra n dm p is l a v e f o r m st h em i d d l ec o n t r o l l a y e r s i e m e n ss 7 3 0 0p l c , b e s i d e sf i n i s h i n gt h eb a s i cl o g i c a lf u n c t i o n c a na l s o h a r m o n i z et h ew o r ka m o n gt h e s ed ps l a v e sv i af i e l d - b u sc o m m u n i c a t i o n a ni p c w i t hw i n c cs o f t w a r ei su s e dt od i s p l a yp a r a m e t e r s ，d e a l 诵ma l a r mi n f o r m a t i o n ， p r i n tr e p o r tf o r m sa n ds oo n w i t hg o o df l e x i b i l i t y , h i g hr e l i a b i l i t ya n df r i e n d l yh m i ，t h ew h o l es y s t e mi s w o r t ht op o p u l a r i z e i na d d i t i o n ，a tp r e s e f i tal o to fo i lt a n kf i e l dn e e da u t o m a t i c a l t e r a t i o ni no u rc o u n t r y , t h es y s t e mc o n t a i n se x c e l l e n tp r o p e r t yi nc u r r e n tu s ea n d e n g i n e e rp o p u l a r i z a t i o n k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rs e n s o r , p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r , f i e l d b u s ，o i lt a n km o n i t o r i n g 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 油品罐区监控系统是石化行业炼油厂的基本组成部分，开发一套具有典型 性、开放性、高可靠性的罐区监控系统必将促进炼油厂的安全、高效生产。 目前大多数炼油厂油品罐区普遍存在着设备陈旧老化，技术落后，自动化 水平低等现象，目前相当数量的油罐日常作业还存在着繁重的手工作业，大大 落后于业务发展的速度，也就会产生员工劳动强度大、人工费用高、生产效率 低、计算量大和计量精确度不高等问题。各个油罐的油品实际状况，如液位、 温度等数据指标不易掌握，油罐监控数据产生不及时，监控数据测量误差大， 油罐数据报警不及时，员工操作不规范，缺乏必要的权限管理，操作的随意性 大，管理和工作制度不严格，跑、冒、滴、漏现象突出，造成油品自然损失和 人为损失大，职工操作没有相应的权限管理等不利因素，直接带来的后果是领 导不能宏观掌握油罐运行状况，各项相关数据查询和数据统计费时费力，以致 管理难度加大。 在这种情况下，如何提高现代化管理水平，提高石化厂安全运行系数，提 高效率减低成本，适应市场竞争的要求，是摆在面前的一个重要问题，因此有 必要开发新的油罐监控系统。 本课题引入了光纤传感器，光纤传感器是光纤传感技术、自动测量技术与 智能仪表技术相结合的产物，它具有测量精度高、灵敏度高、本质安全防爆、 抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀等特性，适用于易燃、易爆、强电磁干扰等恶劣 场合。采用各类光纤传感器对油品储罐的储油液位和温度进行检测既能够确保 安全，又能达到高精度要求，具有极大的推广价值，为油料储备自动化工作的 研究探索出一条新路子。如能不断完善它的性能并推广使用范围，必将产生巨 大的经济效益和社会效益，把我国的油库自动化管理水平推上个新台阶。 现代化的油罐监控系统不可能也不应该是单一的、封闭的系统，而应该将 其置于网络来实现信息交互、综合和共享，实现统一的人机界面和数据库访问， 真正做到油罐重要数据参数实现实时监控、数据资源实现各业务部门综合共享， 武汉理工大学硕士学位论文 以及全局事件快速处理和一体化的科学管理。现场总线技术的发展，为开发新 一代的油品罐区监控系统提供了技术支持。为此，我们研制了基于 p r o f i b u s - d p 总线的罐区监控系统。该系统具有开放的通信结构、功能较强的 组态软件，安装、调试、维护等工作极为方便。所有参数( 含控制参数) 均可在p c 机或工控机上显示和操作，具有人机交互性强等特点，能真正满足管、控一体 化的要求。 1 。2 罐区监控系统国内外的发展概况 在石化炼油企业中，企业均建有大量的各种储罐。企业的生产及管理部门 每天都需要掌握罐内存储介质的液位、温度、体积和质量等重要数据，既要保 证数据的准确和及时，又要确保储罐的安全，防止意外事故的发生。 由于我国具体的国情，长期以来对罐区的管理主要是靠人工进行，并没有 形成真正意义上的“监控系统”。最初只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( 即通常所讲的“人工检尺”) 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。危险区中的有害有毒 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。 为了提高对储罐参数测量的精度以及保护工人的身体健康，减轻工人的劳 动强度，到了9 0 年代初，各油罐上基本都装备了能够对液位进行自动测量的仪 表。该仪表一般由一次仪表和二次仪表两部分组成。位于现场的一次仪表采集 各油罐的液位参数并通过统一的模拟信号如4 - 2 0 m a 的直流电流信号或某种专用 的通讯协议送往集中控制室的二次仪表。此时操作人员就可以坐在控制室里通 过二次仪表纵观各油罐的状况了。但通过这些二次仪表仅仅能够对储罐参数进 行“监视”而无法实施控制，因此具体的控制工作仍需人工进行。 随着生产规模的不断扩大，罐区的规模也越来越大，油品的种类也不断增 加。管理人员按照由生产部门所制定的生产计划和常年积累下来的经验对罐区 进行监视与控制的管理方式越来越显示出其在实时性、准确性、合理性方面的 不足。同时，由于炼油装置的自动化水平的不断提高对罐区的管理也提出了更 高的要求，因此管理人员的责任和压力也不断增加，这对生产的安全是很不利 的。 2 武汉理工大学硕士学位论文 随着计算机技术的不断发展，可靠性的不断提高，以及价格的大幅度降低， 计算机在工业中的应用越来越普及。可编程控制器( p l c ) 以及由多个计算机梯 阶构成的集中与分散相结合的集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ) 被广泛地应用到各行各业。因此，人们开始尝试使用计算机构成监控系统来对 罐区进行综合的管理。 由于d c s 在炼油厂各装置中的广泛应用，广大工程技术人员具备了较丰富 的经验，因此在构造罐区监控系统的时候纷纷参照各装置中d c s 的做法。在硬 件结构方面，类似于炼油装置，罐区现场的仪表将温度、液位等参数转换成统 一的模拟信号，然后点对点地送往控制室的操作控制部分。但是，由于罐区有 别于一般炼油装置的突出特点是地理分布广泛，控制分散，因此系统结构采用 与炼油装置相同的点对点连接方式时，就需要用到比一般装置多很多的电缆和 接线端子及桥架等附件，系统施工时要耗费大量的人力，且很难保证连接的可 靠性。为数众多的连接点及故障诊断的困难，也给日后系统的检修及维护带来 了很大的不便，并且信号长距离的传输使信号的精度大大降低。 随着炼油企业生产规模的不断扩大，各企业都不断地增加了储罐的数量， 为了将这些储罐纳入到已有的d c s 中进行统一管理，需要重新进行布线。罐区 系统地理分布广、范围大所引发的问题也越来越突出。为了解决这些问题，近 年来一些专家和学者尝试将近年来发展很快的现场总线技术应用到罐区的管理 中来，并且取得了一定的成果。 1 3 国内外相关技术的研究 1 3 1 光纤传感技术 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来 的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。 作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、 其它载体和媒质难以比拟的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘 性好，防爆，光路有可挠曲性，便于构成分布式监控网络，便于与计算机联接， 结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。 2 0 世纪9 0 年代初，只有少数光纤传感器在市场上出现，其原因主要是技术 3 武汉理工大学硕士学位论文 不成熟、可靠性不高，并且由于早期的光纤传感器是小批量生产，相对产品价 格较高。2 0 世纪9 0 年代中期，更多的光纤传感器在不断地商业化，比如光纤液 位传感器、光纤压力应力传感器、光纤液体流量传感器、光纤电流电压传感器、 光纤化学传感器、光纤湿度传感器等。 目前，光纤传感器技术发展的主要方向是： 1 ) 多用途。即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能对多种物理量 进行同时测量。 2 ) 提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传 感器网络工程。 3 ) 新型传感材料和传感技术的开发。 4 ) 在恶劣条件下( 高温、高压、化学腐蚀) 低成本传感器( 支架、连接、安 装) 的开发和应用。 5 ) 光纤连接器及与其它微技术( 微机械、微流态学、喷镀薄膜等) 结合的微 光学技术。 光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的 日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直 存在的技术难题，具有很大的市场需求。f l 前，光纤传感技术广泛应用于以下领 域： 1 ) 城市建设，如在飞机场用干涉型光纤震动传感器系统监测交通： 2 ) 土木工程和环境监测，如对输油管、地下天然气存储、钻孔和大坝进 行分布式拉曼温度监测； 3 ) 电力系统，如用布拉格光栅传感网络对发电机、转换器进行温度、振 动监测： 4 ) 航空航天，如在复合材料中嵌入光纤传感器用于航天定位系统的微型 结构； 5 ) 医学及生物传感，如圆锥形微型光纤传感器测量氧气浓度及其他生物 参数： 6 ) 石油化工行业，如用光纤液位传感器和温度传感器长期监测大型油灌 液位和温度。 1 3 2 现场总线技术 4 武汉理工大学硕士学位论文 现场总线是应用于生产现场，在微机化测量设各之间实现双向串行多节点 数字通信的系统，又称为开放式、数字式、多点通信的底层控制网络。现场总 线将当今网络通信与管理的概念带入控制领域，代表了今后自动化控制体系结 构发展的一种方向。现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m - f c s ) 是对集 散控制系统( d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m d c s ) 的拓展，它突破了d c s 相对封闭的限 制，将控制任务分散到现场设备中，上位计算机只负责监控以及一些优化、复 杂计算和控制的功能。现场总线是工厂底层信息及数据传递的主体。在整个工 厂的控制网络中，现场总线处于重要的基础地位。自8 0 年代以来，国外相继出 现了一些有影响力的现场总线标准，如f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) ，l o n w o r k s ， p r o f i b u s ，c a n ，h a r t ，m o d b u s 等，它们大都是在各大仪表与控制系统公司标 准的基础上逐渐形成的，在今后一段时期内，会出现几种现场总线标准共存的 局面。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。 现场总线系统在技术上具有以下特点“”： ( 1 ) 系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间 可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底 层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准 的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统 相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统 集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品 组成大小随意的系统。 ( 2 ) 互可操作性与互用性。这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系 统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则 意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量 处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的 基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身己可完成自动控制的基本 功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上 改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提 高了可靠性。 ( 5 ) 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现 5 武汉理工大学硕士学位论文 场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、 射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与 通信，并可满足本质安全防瀑要求等。 现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络 的快速发展，为企业带来新的效益，因而会得到广泛的应用，并推动自动化相 关行业的发展。 1 3 3 可编程控制器 可编程控制器( ( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 是计算机家族中的一员，是为工业 控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o u c r ) ，简称p l c ，它主要用来代替继电器实现逻辑控 制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。因此， 今天这种装置称作可编程控制器，简称p c 。但是为了避免与个人计算机( p e r s o n a l c o m p u t e r ) 的简称混淆，所以将可编程控制器简称p l c 。 1 、p l c 的发展阶段【8 1 虽然p l c 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集 成电路技术的迅速发展和数据通迅技术的不断进步，p l c 也迅速发展，其发展 过程大致可分为三个阶段： ( 1 ) 早期的p l c ( 6 0 年代末7 0 年代中期) 早期的p l c 一般称为可编程逻辑控制器。这时的p l c 多少有点继电器控制 装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定 时等。早期的p l c 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于 安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中p l c 特有的编程语 言一梯形图一直沿用至今。 ( 2 ) 中期的p l c ( 7 0 年代中期8 0 年代中、后期) 在7 0 年代，微处理器的出现使p l c 发生了巨大变化。美国、日本、德国等 一些厂家先后开始采用微处理器作为p l c 的中央处理单元( c p t o 。这样，使p l c 的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功 能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件 方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程i o 模块、 6 武汉理工大学硕士学位论文 各种特殊功能模块，使p l c 的应用范围得以扩大。 ( 3 ) 近期的p l c ( 8 0 年代中、后期至今) 进入8 0 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，使得各种 类型的p l c 所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高p l c 的 处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得p l c 软、 硬件功能发生了巨大变化。 2 、p l c 最新发展状态及趋势 现代p l c 的发展有两个主要趋势f l o l ：其一是向体积更小、速度更快、功能 更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼 容性和多功能方面发展。 ( 1 ) 大型网络化主要是朝d c s 方向发展，使其具有d c s 系统的一些功能。 网络化和通信能力强是p l c 发展的一个重要方面，向下可将多个p l c 、怕框 架相连；向上与工业计算机、以太网、m a p 网等相连构成整个工厂的自动化控 制系统。 ( 2 ) 多功能随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的 出现，使p l c 控制领域更加宽广。 如西门子公司早在8 0 年代就研制出了多回路闭环控制模块、步进电机控制 模块、仿真模块和通信处理模块等。在1 9 9 5 年西门子又成功地开发出了$ 7 2 0 0 、 $ 7 3 0 0 系列，它具有t d2 0 0 和c o r o so p s 操作模板( o r s ) 为用户提供了方便人 机界面，用户程序三级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，m p i 接口 和通过工业现场总线p r o m u s 以及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成 功能，全面的故障诊断功能；模块式结构可用于各种性能的扩展，脉冲输出晶 闸管步进电机和直流电机；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高 速计数器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。 ( 3 ) 高可靠性由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已 将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性 的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。$ 7 4 0 0p l c 即使 在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全密封的模板依然可正常工作，在操作 运行过程中模板还可热插拔。 1 3 课题的主要工作 7 武汉理工大学硕士学位论文 论文所做的主要工作有： 1 介绍了光纤传感器的工作原理和特点，探讨了光纤液位计、光纤光栅温度 传感器和光纤阀位回讯器等的工作原理。 2 进行系统底层控制网络的研究，论证了p r o f i b u s d p 总线的优势。 3 迸行监控系统的总体结构设计，确定监控系统结构为i p c + p l c + p r o f i b u s d p 现场总线的方式。 4 针对罐区监控系统的要求设计开发了基于s i e m e n ss 7 3 0 0 p l c 的控制软 件和基于组态软件w i n c c 的入机界面，并取得良好的实际控制运行效果。 全文共分6 章，各章主要内容如下： 第1 章绪论。首先介绍课题的背景和意义以及国内外相关技术的研究。 第2 章光纤传感器的研究。探讨了光纤传感器的基本原理、分类和特点。 同时介绍了常用的几种光纤传感器的工作原理。 第3 章系统底层控制网络的研究。针对监控系统对设备层提出的开放性、 互操作性、可靠性以及全数字化等方面的要求，采用了p r o f i b u s 现场总线方 案，从p r o f i b u s 相对于其他类型现场总线的技术优势的方面，概括性的说明 了这种选择的合理性。 第4 章系统设计方案。通过分析现有常用于工业现场的控制系统的体系结 构，以及现场总线技术与现有控制系统的融合方式，最终确定控制系统的整体 结构为i p c + p l c + p r o f m u s d p 现场总线的方式：同时介绍了油品罐区监控系 统的硬件设备选型情况。 第5 章监控系统软件设计。首先介绍了软件的开发平台，然后介绍了系统 中的p l c 软件、人机界面软件等的设计。 第6 章总结和展望。对全文进行总结，得出结论，并指出了今后进一步研 究的方向。 8 武汉理1 二大学硕士学位论文 第2 章光纤传感器的研究 2 1 光纤传感器基本工作原理及分类 光纤传感器主要由光源、传输光纤及光检测等部分组成，其基本原理是将 光源殴光经光纤送入讽戳区，在调制区鸭，外赛被测参数与进入调戳区的光相 互作用，使其光学性质如光的强度、波长( 颜色) 、频率、相位、偏振态等发生 变化成为被调制的信号光，再经光纤送入光探测器，并把光信号转换成电信号 而获得被测参数，如图2 - 1 所示。 图2 1 光纤传感器工作原理 目前研究的光纤传感器按其传感原理分为两类 1 _ 5 l ：一类是传光型( 或称非功 能型) 光纤传感器，另一类是传感型( 或称功能型) 光纤传感器。 在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉” 功能是依靠其它物理性质的功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的， 其间有中断，中断的部分要接上其它介质的敏感元件作为调制器，调制器可能 是光谱变化的敏感元件或其它敏感元件，光纤在传感器中仅起传光的作用。 传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤( 或 特殊光纤) 作为传感元件，将“传”和“感”合为体的传感器。在这类传感器 中，光纤不仅起传光的作用，而且还利用光纤在外界因素作用下，其光学特性( 如 光强、相位、偏振态等) 的变化来实现传和感的功能，因此，传感器中的光纤是 连续的。 一般来说，传光型传感器主要是利用已有的其它传感技术，它的敏感元件 是用别的材料，这样可以充分利用现存的优质敏感元件来提高传感器的灵敏度。 而传光用的介质一光纤仅起传光作用，所以采用通信光纤甚至普通的多模光纤 就能满足要求。在已经实际运用的光纤传感器中，此类光纤传感器占大多数。 9 武汉理工大学硕士学位论文 功能型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，因为光纤是连续的， 可以少一些光耦合器件。但为了实现对光纤外界物理量的变化，往往需要采用 特殊光纤来作探头，这样就增加了传感器制造的难度。随着对光纤传感器基本 原理越来越深入的研究，随着各种特殊光纤的大量问世，高灵敏度的功能型光 纤传感器必将得到更广泛的应用。 2 2 光纤传感器的特点 光纤传感器之所以能迅速发展，是因为它有一些常规传感器所没有的特性， 主要有： 1 、光纤传感器不受电磁场干扰 当光信息在光纤中传输时，不会与电磁场产生作用，因而信息在传输过程 中抗电磁干扰能力很强。这一特点使这类传感器特别适合于电力系统，因为电 力系统本身就是一个强的电磁场干扰源。 2 、光纤导光性能好，且耐高温 光纤是由无机玻璃、高硅玻璃材料制成，其最低软化点至少是6 0 0 * ( 2 ，且折 射率随温度变化大约只有0 o o o l 。 c 。因此可工作在一2 5 0 - 5 0 0 。c 范围，这是 由于光纤外层的材料耐热性能决定了它工作温度的极限，因此可以在高温下测 量。特别对传输距离较短的光纤传感器，其传输损耗可忽略不计，利用这特 性制成了在锅炉# j - b p 可对炉内燃烧的高温火焰状态进行监测。 3 、绝缘性能好 光纤是非金属材料，不导电，其外层涂敷材料硅胶亦不导电，因而光纤的 绝缘性能好。光纤传感器具有这一特性，用来测量带高压电设备的各项参数就 很方便，结构简单便携。 4 、光纤细而柔软 光纤可以做成非常小巧的传感器，用来对不规则振动状态下某些对象参数 的测量。 5 、防爆、耐腐蚀、耐水性好 由于光纤内部传输的是能量很小的光信息，不会产生火花、高温、漏电等 不安全因素，所以光纤传感器的安全性能好，另外光纤为非金属材料，耐腐蚀、 耐水。因此特别适用于易燃、易爆、有强烈腐蚀性的对象及深水中参数的测量。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 几种常见的光纤传感器简介 2 3 1 光纤液位计 在油品罐区的生产和安全管理过程中，对油罐液位进行监测是十分必要的， 它对进油和付油过程的控制起关键作用。光纤液位计3 集光、机、电于一体， 完成液位测量。它可以直接将光信号转化为数字信号，并在仪表中显示出当前 测量的液位值，当液位值不在正常范围之内时，仪表将自动报警，同时还可遥 过r s 2 3 2 输出信号给计算机等其他设备。 光纤液位计分常压型与带压型两种，它们都是利用力平衡原理实现液位的 检测。所不同的是常压型是由钢线绳直接与浮球相连，而带压型是通过磁力耦 含系统带动磁锤上下运动，机械检测系统与光学编码室完全隔离。下面重点介 绍带压型的工作原理。 系统由测量单元( 包括浮球、钢丝绳、重锤、导向轮、绳轮、磁力耦合器等 机械部分) 、光纤传感器、光电转换器、二次仪表、电源和计算机以及光缆组成。 其工作原理如图2 2 所示。 5 6 1 浮球2 测量钢丝绳3 重锤4 重锤钢丝绳5 光纤传感嚣6 光缆 图2 - 2 光纤液位计原理框图 武汉理工大学硕士学位论文 当被测介质液面变化时，测量浮球( 1 ) 上下移动，测量钢丝绳带动光纤传 感器内光码盘转动，同时光纤传感器内两组光学探头输出两组光脉冲信号，经 光缆传输到光电变送器，光电变送器将该两组带有液位变化信息的光脉冲信号 转变为电脉冲信号，并进行放大整形，传送给二次仪表，经二次仪表判向计数 后，显示出储罐内液位值，同时输出信号给计算机，实现罐区液位自动监测。 整套系统由五部分组成。磁力祸台检测系统和光纤传感器两部分安装在易 燃易爆的工作现场，光电转换系统、二次仪表和计算机系统安装在安全的控制 室内。现场和控制室之间液位信息的传递由光缆连接，做到了罐区无电检测、 本质安全防爆。 2 3 2 光纤光栅温度传感器 光纤光栅温度传感器工作原理如图2 3 所示1 3 5 1 ，它由感温探头、连接光缆、 传输光缆、光纤光栅调制解调器和二次仪表等组成，感温探头的数量可以根据 使用要求的不同而确定，多个串接而成；光纤光栅调制解调器和二次仪表安装 在控制室内，使用现场和控制室之间采用单芯单模光缆进行信号传输。光纤光 栅温度传感器工作时，光源发出的连续宽带光，经传输光缆传送到测量现场， 感温探头内测量光栅对该宽带光有选择性地反射回一窄带光，经同一传输光缆 传送到调制解调器，通过接收系统进行解调，测定窄带光的中心波长，从而测 定现场温度。当现场温度稳定不变时，系统返回的窄带光中心波长也不变；当 现场温度发生变化时，系统返回的窄带光中心波长发生相应的变化，系统通过 二次仪表准确地显示出测量温度。 由于光纤光栅温度传感器采用光信号进行测量和传输，现场实现了无电检 测，本质安全防爆。同时由于该系统采用光栅技术，检测信号以光信号中心波 长为对象，克服了传统光传感器依赖光强大小的缺陷，实现了数字化检测，可 靠性好，灵敏度高，因此适用于各种恶劣环境下的温度测量，可广泛应用于石 油、化工、冶金、电力、煤炭等行业，是传统温度测量仪表的理想替代产品。 2 3 3 光纤光栅感温火灾探测系统 光纤光栅感温火灾探测系统主要由光纤光栅感温火灾探测器和光纤光栅火 灾探测信号处理器组成。光纤光栅感温火灾探测器由感温传感器探头、连接光 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 缆、光缆连接器、传输光缆等部分组成，安装在现场。光纤光栅火灾探测信号 处理器由调制解调器、信号转换处理电路和报警显示电路组成，安装在控制室。 光纤光栅火灾报警器的工作原理如图2 4 所示： 光缆 i ； 图2 3 光纤光栅温度传感器工作原理 图2 4 光纤光栅火灾探测系统工作原理 武汉理工大学硕士学位论文 将多个温度特性完全相同的光纤光栅串接在一根光纤中，宽带光源所发出 的光耦合进光纤，通过y 型光分路器入射到用光纤串接的全同光纤光栅的布喇 格波长。窄带反射光经y 型光分路器的另一分路端口进入可调滤波器。可调滤 波器的滤波波长按报警要求设置为一定值。在正常状态( 非报警状态) 下，全 同光纤光栅反射光的布喇格波长小于可调滤波器所设置的滤波波长，可调滤波 器的滤波输出端口无光输出：当全同光纤光栅中任何一个光纤光栅处的环境温 度升高，这一光纤光栅的布喇格波长将向长波方向移动，当环境温度达到所设 置的报警值时，此处光纤光栅的布喇格波长将与可调滤波器设置的滤波波长重 合，可调滤波器的滤波输出端口有光输出，光探测器探测到光信号从而触发声 光报警装置报警。通过自动或手动扫描可调滤波器的滤波波长，即可对探测区 域内的最高温度进行监测。 由于光纤光栅火灾探测系统是一种新型的温度监测报警系统，它是通过光 缆传输信号，使现场实现了无电检测，因此具有本质防爆和检测灵敏的优点， 可广泛用于石油、天然气、化工、能源、仓储等行业中，以及一些易燃易爆等 特殊场合中的高温和火灾报警。 2 3 4 光纤阀位回讯器 光纤阀位回讯器是通过对光强度调制“开关”信号实现对阀门开关状态的 检测矧，其工作原理如图2 - - 5 所示发光二极管( l e d ) 发出的光经分路器耦合 进入石英光纤，在光纤的另一端，通过光纤阀位传感器，使光束按原路返回， 经分路器进入光敏管( p d 转换成电信号。当阀门运动到全开或全闭位置时，推 动探杆，对光进行调制，通过光的反射，形成光的开关信号，实现阀位信号回 讯。 2 4 本章小结 当今社会已进入了以光纤通信技术为主要特性的信息时代，光纤传感技术 代表了新一代传感器的发展趋势，光纤传感器产业已被国内外公认为最具有发 展前途的高新技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场 前景广等特点为世人瞩目，特别是在一些易燃、易爆、易腐蚀等场合如石油、 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 化工等行业的广泛应用受到人们的极大关注。 2 4 v 图2 5 光纤阀位回讯器工作原理图 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统底层控制网络的研究 由于监测现场油罐区监测点较多、较分散，且传输距离较远，需要使用的 光纤传感器较多，系统采用p r o f i b u s 现场总线构成底层控制网络，改变了传 统系统中设备一对一的接线方式，简化了系统的结构，实现了油罐区光纤传感 网络化、现代化的监测管理。 3 1p r o f i b u s 作为控制网络底层的研究 3 1 1 现场总线技术的优势 现场总线是一种集计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感技术 于一身的新兴控制技术。根据国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准的定义，现场总线 是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制设备之间实行双向、 串行、多节点通信的通信网络，是开放式、数字化、多节点通信的底层控制网 络。由现场总线的定义可知：它不仅是一种通信标准，还是一种系统标准，是 现场通信网络与控制系统的集成。现场总线控制系统( f c s ) 是继集散式控制系统 ( d c s ) 后的新一代控制系统。作为d c s 的替代者，f c s 对d c s ，做了如下变革 1 3 6 1 ： 第一，f c s 的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器，逐 渐向上至最高层均采用通信网络互连。 第二，f i ：s 的系统结构是全分散式的。f c s 废弃了d c s 的输入输出单元和 控制站，由现场设备和现场仪表取而代之，即把d c s 控制站的功能化整为零， 分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。 第三，f c s 的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可以互联也 可以互换，并可以统一组态，彻底改变传统d c s 控制层的封闭性和专用性。 第四，f c s 的通信网络为开放式互联，既可以与同层网络互联，也可以与 不同层网络互联，用户可以极其方便地共享网络数据库。 第五，f c s 的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使 武汉理工大学硕士学位论文 用，从总线标准、产品检验到信息发布全是公开的，面向全世界的用户。 由于上述五项变革，使得f c s 比d c s 更加符合现代工业控制的核心思想； “控制分散，信息集中”， 自2 0 世纪8 0 年代中期，提出现场总线概念以来，现场总线已经得到了很 大的发展和广泛的应用。但由于技术原因和商业利益，现场总线国际标准的制 定至今还没有完成，因而形成了目前多种现场总线共存的局面。当今，比较流 行的现场总线主要有：c a n 。f f ，l o n w o r k s ，p r o f i b u s ，h a r t 等盱”。 3 1 2p r o fib u s 现场总线技术的研究 p r o f i b u s 现场总线是一种国际化的、开放式的、不依赖于设备生产厂的 现场总线标准，它广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、 电力等其它自动化领域。1 9 8 9 年成为德国标准d i n1 9 2 4 5 ，1 9 9 6 成为欧洲标准 e n s 0 1 7 0 ，1 9 9 9 年底成为国际标准i e c5 1 1 5 8 钓组成部分( t p el i f t ) 。 多年以来p r o f i b u s 一直在世界现场总线技术市场上占居领先地位。它在 化工、冶金、机械加工以及其它自动控制领域得到了迅速普及和应用，从众多 现场总线技术中脱颖而出。这其中固然有商家经营策略的因素，但根本还是其 自身的技术优势决定的。具体而言，p r o f i b u s 有如下优势： 1 ，灵活的配置 p r o f i b u s 包含三种兼容版本【3 9 】：p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s f m s 和 p r o f i b u s p a 。它们的特点如下所述，在工厂中的大致应用范围如图3 - 1 所示。 p r o f i b u s d p ：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和 设各级分散v o 之间通信设计，使用p r o f i b u s d p 模块可取代价格昂贵的2 4 v 或0 2 0 m a 并行信号线，用于分布式控制系统的高速数据传输。 p r o f i b u s f m s ：解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完 成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气 传动、传感器和执行器、可编程序控制器、低压开关设备等一般自动化控制。 p r o f i b u s p a ：专为过程自动化设计，标准的本质安全的传输技术，实现 了i e c l l 5 8 2 中规定的通信规程- 用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站 点， 1 7 武汉理t 大学硕士学位论文 图3 1p r o f i b u s 应用范围 根据不同的应用范围和领域，可灵活地选取不同版本p r o f i b u s 进行应用， 同时由于这些版本的良好兼容性，它们之间还可以互相衔接，实现跨领域、跨 范围的控制系统。 而这些版本本身的应用方式也十分灵活，可以针对不同的应用对象选取不 同规格的总线系统。如简单的设备级的高速数据传送，可选用p r o f i b u s - d p 单 主站系统；稍微复杂一些的设各级高速数据传送，可选用p r o f i b u s d p 多主站 系统；比较复杂些的系统可将p r o f i b u s - d p 与p r o f i b u s f m s 混合选用， 两套系统可方便地在同一根电缆上同时操作，而无须附加任何转换装置。 2 总线存取协议 p r o f i b u s 的d p ，f m s 和p a 均使用单一的总线存取协议，通过o s i 参考 模型的第2 层实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。在 p r o f i b u s 中，第2 层称之为现场总线数据链路( f d l ) 。介质存取控制( m a c ) 具体控制数据传输的程序，m a c 必须确保在任何时刻只能有一个站点发送数据。 p r o f l b u s 协议的设计旨在满足介质存取控制的基本要求： 在复杂的自动化系统( 主站) 间通信，必须保证在确定的时间间隔中，任何一 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 个站点要有足够的时间来完成通信任务：在复杂的程序控制器和简单的加设备 ( 从站) 间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。 因此，p r o f i b