（信号与信息处理专业论文）化工罐区监控系统设计及modbushart协议转换的实现.pdf

硕士学位论文 摘要 化工仓储物流企业的罐区是储存、转运化工原料和产品的重要区域。随着计 算机技术，自动化技术，网络技术的发展，新建设的化工罐区项目，采用了诸多 先进自动化技术，包括现场总线技术，分布式控制技术等，并广泛使用了智能仪 表和仪器，建成了可以远程测量、远程监控的现代罐区监控系统。 现场总线是近年来发展较快的一种总线技术。它具有开放性并且采用灵活的 数据通信方式和智能化的现场仪表，使其十分适合应用于设计新一代的罐区监控 系统。在同一监控系统中，异类现场总线常会同时使用，它们之间的实时通信变 得异常重要。因此，研究异类现场总线间的通信，具有重要意义。 本文结合某化工仓储物流企业罐区监控系统工程，设计整个罐区监控系统。 罐区监控系统中包含两种现场总线协议：m o d b u s 和h a r t 协议。在研究这两 种现场总线协议的基础上，设计出实现这两种现场总线协议相互通信的网关，并 将设计成果应用于工业现场。 本文的主要工作是：从研究化工罐区监控系统开始，结合项目罐区的特点和 系统“本安”防爆的安全规范，在满足用户对罐区工艺要求的前提下，设计出整 个罐区监控系统。研究两种不同的现场总线协议在同一自动化系统中的应用，设 计了这两种协议通信的软网关，实现了h a r t 智能仪表和主控系统的实时数据 通信，并将设计的软网关应用于罐区监控系统中，从而实现罐区监控系统的通信 兼容。 本文第一章介绍了课题的背景、意义及实现目标。第二章介绍了化工罐区监 控系统的总体设计。第三章介绍了化工罐区监控系统设计方案的具体实施。第四 章介绍了m o d b u s h a r t 协议转换网关的设计与实现及在罐区监控系统中的应 用。第五章对本文进行了总结阐述。 关键词罐区监控现场总线 m o d b u sh a r t 网关协议转换 硕士学位论文 a b s t r a c t t a n l ( f a r m so fc h e m i c a lw a r e h o u s i n gl o g i s t i c se n t e r p r i s e sa r ei m p o r t a n tr e g i o n s f o rp r e s e r v i n ga n dt r a n s p o r t i n gc h e m i c a lr a wm a t e r i a l sa n dp r o d u c t s t h a n k st ot h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c e ，a u t o m a t i o na n dt h ei n t e m e tt e c h n o l o g y ， n e w l yf o u n dt a n kf a r m s i nc h e m i c a lp l a n t sa r en o wa b l et oa d o p tav a r i e t yo f a d v a n c e dt e c h n o l o g i e s ，a m o n gw h i c ha r ef c s ，d c s ，i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ta n d f a c i l i t i e s a l lt h e s et e c h n o l o g i e sh e l pt oe s t a b l i s ht a n kf a r m s m o d e mm o n i t o r i n g s y s t e m st h a ta r ec a p a b l eo fd i s t a n c em e a s u r e m e n ta n dm o n i t o r i n g f i e l d b u si sat y p eo fb u st e c h n i q u et h a th a sd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s i ti s a p p l i c a b l ef o rt h en e w g e n e r a t i o no fm o n i t o r i n gs y s t e m si nt a n kf a r m s ，c o n s i d e r i n gi t s o p e n n e s s ，f l e x i b i l i t yi nd a t a a c c e s sa n di n t e l l i g e n t i z e df i e l dm e t e r s f i e l d b u sc a n f a c i l i t a t et h e d e s i g n o fa d v a n c e da n de f f i c i e n t m o n i t o r i n gs y s t e m sw i t hg o o d c o m p a t i b i l i t y , m u l t i p l e f u n c t i o n sa n ds t r o n gr e l i a b i l i t y i ti s q u i t ec o m m o nt h a t d i f f e r e n tt y p e so ff i e l d b u sa g r e e m e n t sa r eu s e ds i m u l t a n e o u s l yi no n em o n i t o r i n g s y s t e m ，w h i c hm a k e si t e s s e n t i a lf o rt h e mt oa c h i e v es m o o t hc o m m u n i c a t i o nw i t h e a c ho t h e r c o m b i n a t i o nw i t ht h ef a r mm o n i t o r i n gs y s t e mp r o je c t ，d e s i g nt h ew h o l e m o n i t o r i n gs y s t e m t h i ss y s t e mi n c l u d e st w ot y p e so f f i e l d b u sa g r e e m e n t s ：m o d b u s a n dh a r t b a s e do nr e s e a r c ht h e s ef i e l d b u s ，d e s i g n e d ag a t e w a yf o r t h e c o m m u n i c a t i o no ft h e s et w oa g r e e m e n t s ，a n du s e di ti nt h ep r o je c t t h i sp a p e rs t a r t sw i t hac l o s es t u d yo ft h ef e a t u r e so ft a n kf a r m s ，t h es a f e t y r e g u l a t i o n sr e q u i r e df o rs y s t e m a t i ce x p l o s i v e - p r o t e c t i o n ，a sw e l l a st h et e c h n i c a l n e e d sf r o mu s e r so ft a n kf a r m s i tm a i n l yf o c u s e so nt h ea p p l i c a t i o no ft w od i f f e r e n t t y p e s o ff i e l d b u s a g r e e m e n t s i no n ea u t o m a t i o ns y s t e m 。ag a t e w a yf o r t h e c o m m u n i c a t i o no ft h e s et w oa g r e e m e n t si sc o n t r i v e ds o a st oa c h i e v ed a t a c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh a r ti n t e l l i g e n t i z e dm e t e r sa n dt h em o n i t o r i n gs y s t e m a n dr e a l i z e dt h ec o m p a t i b l ec o m m u n i c a t i o ni nt h em o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t 一一 t h ep r e s e n tp a p e rc o n s i s t so ff i v ec h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e rs e r v e sa s ab r i e f i n t r o d u c t i o nt ot h eb a c k g r o u n di n f o r m a t i o n ，s i g n i f i c a n c ea n dp u r p o s e so ft h es t u d y t h es e c o n dc h a p t e rp r o v i d e st h ew h o l ed e s i g no ft h et a n kf a r mm o n i t o r i n gs y s t e m c h a p t e rt h r e ee x p l a i n sh o w t h ea u t o m a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mi sa c h i e v e di nt e r m s o fb o t h s o f t w a r ea n dh a r d w a r eb yd e s c r i b i n gt h ed e s i g no ft h ew h o l ep r o j e c t c h a p t e rf o u r c o v e r st h ed e s i g n a n d a p p l i c a t i o n o ft h e g a t e w a y f o r t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h et w of i e l d b u sa g r e e m e n t s t h el a s tc h a p t e rc o n c l u d e st h e w h o l ep a p e r k e y w o r d s ：m o n i t o r i n gs y s t e m sf o rt a n kf a r m s ；f i e l d b u s ：m o d b u s ；h a r t ； g a t e w a y ；p r o t o c o l c o n v e r s i o n 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第一章绪论1 i 1 课题的背景及来源1 1 2 课题的内容和意义1 1 3 设计思路和实现目标3 1 4 本文的主要工作和章节安排3 第二章化工罐区监控系统设计5 2 1 系统介绍一5 2 2 系统设计要求5 2 3 系统总体设计一6 2 3 1 基本设计思路7 2 3 2 控制方案研究8 2 3 3 系统总体设计一1 1 第三章化工罐区监控系统实现14 3 1 监控系统的硬件实现1 4 3 1 1 硬件选型1 4 3 1 2p l c 组态1 5 3 1 3 现场数据采集1 7 3 1 4 生产流程控制18 3 2 监控系统的上位机软件实现2 0 3 2 1 上位机组态软件i f i x 2 0 3 2 2i f i x 过程数据库的连接与配置2 3 3 2 3i f i x 与p l c 通信2 4 3 2 4 罐容的计算一2 5 3 2 5 定量装车系统一2 6 3 2 6 上位机与定量装车系统通信3 1 1 目录 3 2 7 报表的生成和打印一3 2 3 2 8 历史操作记录一3 2 第四章m o d b u s h a i 汀协议转换网关的设计与实现3 6 4 1 协议转换网关在监控系统中的作用3 6 4 2 网关的整体设计3 6 4 3 网关的m o d b u s 通信3 8 4 3 1m o d b u s 协议研究3 8 4 3 2m o d b u s 串行链路协议4 0 4 3 3 网关的m o d b u s 通信4 2 4 4 网关的h a r t 通信4 3 4 4 1h a r t 协议研究一4 3 4 4 2h a r t 协议的命令一4 8 4 4 3 网关的h a r t 通信5 0 4 5 网关的实现5 0 4 6 网关在现场数据采集中的应用5 5 4 7 网关功能在上位机中的应用5 6 第五章总结与展望5 9 5 1 全文总结5 9 5 2 展望6 0 参考文献6 1 2 硕士学位论文 1 1 课题的背景及来源 第一章绪论 化工罐区是化工及化工仓储物流企业储存、转运化工原料和产品不可缺少的 部分。随着计算机技术，网络技术，自动化技术的发展，新立项开工的化工罐区 工程自动化程度越来越高。更多更新的自动化技术被用于罐区监控系统的设计 中，设计人员在现有技术的基础上，充分利用各种自动化技术的优点，并结合使 用。现场总线技术其中应用较多的技术之一。现场总线技术应用在生产现场，是 在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放 式、数字化、多点通信的底层控制网络【2 j 。基于现场总线的控制系统被称为现场 总线控制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。 化工罐区监控系统中，很重要的一部分工作就是罐区的数据采集。而现场总 线的出现使仪器仪表实现智能化、串行数字化传输，改变了传统现场仪表与主控 系统点对点的传输方式，节省大量布线电缆；同时由于仪表装置的智能化，把部 分主控系统的功能直接下放到现场仪表和装置中，强化了现场控制功能，使控制 更直接、可靠，且大大简化了主控系统的结构，节省工程设计及施工费用。基于 现场总线技术的智能仪表的大量使用，使得化工罐区现场的数据能够准确及时的 反馈到控制中心，管理层可以根据现场的实时数据适时调整生产计划，处理现场 问题，创造可观的经济效益，大大提高了化工罐区管控的自动化水平。 本文结合某化工仓储物流企业罐区监控系统项目的设计与实施，研究现场总 线技术在化工罐区监控系统中的应用。 1 2 课题的内容和意义 在化工仓储物流企业中，存储化工原料及产品的罐区是企业生产、储存、运 输过程中的重要区域，它具有占地面积广、布置分散和储存量大的显著特征。其 储存的物料大多具有易燃性、易爆性和毒性，属高危害性操作区域。因此罐区的 自动化监控系统不仅要满足实时传输现场数据的要求，还要结合生产工艺完成对 物料收付的管理。更重要的是，整个监控系统必须是本质安全的。 第一章绪论 一方面，由于现场总线技术本身的优越性，在罐区监控系统以及其他工控系 统中得到了广泛应用。另一方面，由于现场总线种类繁多，代表着不同公司多年 的研发投资和市场利益，并且，不同现场总线的技术侧重点不同，所以各有特色， 各有相应的应用领域。就目前各种现场总线技术来看，没有哪种现场总线能够完 全适用于所有的应用领域( 训。由于各个现场总线标准由不同的厂家和组织制定， 出于公司和企业的自身利益考虑，总线协议的开放性往往是有条件的和不彻底 的，这对于用户针对现场总线的应用开发带来了很大的限制，也在一定程度上阻 碍了其应用范围的扩展。此外，目前多种现场总线并存已成定局，而各方出于自 身利益的考虑都不愿做出让步，使现场总线的国际化标准工作进展缓慢，难以沿 统一的方向发展，这也为用户的设备选型带来很大的限制。对用户而言，如果一 个系统中每一个智能化产品均选择其专用的通信卡或通信控制器，系统的组态性 和灵活性将很差，而且改造升级的成本会很大。因此，总线集成已成为必然，研 究不同总线网络的互联有重要意义。 异类现场总线系统之间的互操作难以进行，无法直接进行信息互访与交换， 不符合系统的实时性要求。设计现场总线协议转换网关可以集成不同的现场总线 网络，使企业在升级控制系统时节约大量工程费用，优化控制网络，友好的人机 界面和便捷的远程管理与诊断使协议转换网关具有很强的竞争力和市场空间。在 结构复杂的分布式网络环境中，协议转换可解决协议不兼容的问题，实现不同网 络用户的交互操作，协调不兼容网络边界的信息交换。现场总线协议的转换可以 通过设计协议网关的方法来实现，不同的现场总线设备间通过网关实现信息的映 射与互访。 本文设计的罐区监控系统中，包含了两种现场总线协议：m o d b u s 和h a r t 协议。m o d b u s 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控 制器相互之间、控制器经由网络( 例如以太网) 和其它设备之间可以通信。它已 经成为一通用工业标准，占有很大市场份额。h a r t 协议的数字通信速度较慢， 不宜用于组成单独的现场总线系统。m o d b u s 与h a r t 协议转换网关的开发使 用增强了h a r t 的能力，可以将h a r t 设备的数字信号与它的常规过程信号并 行的集成在系统中，将全部现场设备数据送入主控室。同时h a r t 接口的变送 器在智能变送器市场上占领着很大市场份额，是智能仪表“事实上的”标准。而 m o d b u s 协议是目前世界应用最广泛的现场总线协议之一，因此，开发出能将 硕士学位论文 这两种总线协议集成的网关有着更为重要的现实意义。 在本文设计的化工罐区监控系统中，现场数据采集占有很大一部分工作量， 而罐区的数据采集绝大多数由支持h a r t 协议的智能仪表来完成的，因此，设 计出m o d b u s h a r t 协议转换网关对于整个系统的设计与实施有重要意义。 1 3 设计思路和实现目标 针对某化工仓储物流企业罐区自动化工程具体情况，综合各方面因素考虑， 设计符合业主需求的罐区监控系统。对不同的控制方案作对比研究，最终确定本 系统的设计方案。并将设计方案具体实施，实施过程中对设计方案的不足进行改 进，最终达到项目的整体要求。 在设计过程中，重点解决异类现场总线间的通信问题，借助可编程逻辑控制 器( p l c ) 这一物理载体，通过编程，来实现m o d b u s 和h a r t 的协议转换， 设计协议转换网关，达到智能仪表和主控系统实时通信的目的，并将设计的网关 应用在罐区监控系统的设计中。 1 4 本文的主要工作和章节安排 本文针对某化工仓储物流企业化工原料及产品罐区现状，对该企业生产运作 过程进行全面分析，在基于现场总线技术和基于现场总线技术的智能仪表技术， 以及计算机控制技术基础上，应用通信技术、网络技术以及安全分析方法，设计 和建立了具有实时状态监控、工艺生产控制、安全控制等功能的化工原料及产品 罐区生产与安全双重控制系统。本文主要工作如下： ( 1 ) 分析化工罐区特点及监控系统的设计要求。 ( 2 )结合系统的设计要求，确定基本设计思路，并通过控制方案的对比分 析，完成系统的总体设计。 ( 3 ) 针对具体项目，设计罐区监控系统，该系统包括：储罐监控，工艺控 制，定量装车系统，上位机与定量装车系统的通信，消防系统，公用 事业系统，可燃气体检测系统，报警系统等。这其中包含了智能压力 变送器、现场雷达液位计、多点温度计等现场信号的采集方案，网关 设计的应用，储罐罐容的精确计算，上位机监控画面的设计开发，生 第一章绪论 产报表的生成及打印，报警历史查询，上位机与下位机通信实现等内 容。 ( 4 ) 提出了一种基于p l c 的h a r t 协议智能仪表与m o d b u s 现场总线控 制系统通信的软网关构建方法，给出通信程序及网关处理程序流程图 并编程实现，实现了系统中异构总线的数字化实时通信。通过上位机 组态软件( i f i x ) ，将智能仪表的过程参数、设备组态、校准、诊断信 息等数据进行显示，并可供专业的仪表工程师进行相关参数的修改。 ( 5 ) 通过现场系统的安装、调试、运行，研究了现场总线控制系统及基于 现场总线的智能仪表和控制系统通信在工业现场应用的实际情况和 存在的问题，对问题作具体分析，提出了相关的改进意见和方案，满 足实际应用的需要。 本文主要章节如下： 第一章：介绍课题的背景及来源，课题研究的目的和意义，简要论述设 计方法和实现目标，给出了本文的主要工作和章节分配。 第二章：化工罐区监控系统的整体设计。 第三章：化工罐区监控系统设计方案的具体实施。 第四章：在深入研究m o d b u s 和h a r t 协议的基础上，完成协议转换 软网关的设计，并将设计成果应用于罐区监控系统设计中。 第五章：对本文的总结和展望。 硕士学位论文 2 1 系统介绍 第二章化工罐区监控系统设计 南京工业大学控制工程中心承接的南京化工园某化工仓储物流项目自控系 统工程，一期罐区工程共建2 1 个化工物料储罐，包括8 个保温罐和1 3 个非保温 罐( 其中7 个2 0 0 0 m 3 ；1 0 个4 0 0 0 m 3 ；4 个5 0 0 0 m 3 ) 以及2 个消防水罐，1 个事 故水罐。罐区采用雷达液位计进行液位显示和高液位报警。采用罐体压力变送器， 温度变送器以及管线压力变送器等现场智能仪表进行数据采集和传输。有4 2 台 可燃气体探测器和3 1 个工艺阀位开关信号显示。装车台系统由一套有六种化工 介质的1 4 条定量装车线控制系统，与一台电子汽车衡实现完整计量管理体系。 泵区有4 台可燃气体探测器；泵区1 9 台工作泵，其中1 5 台通过智能控制器( i t t ) 变频调控满足码头装卸和汽车装车。码头部分有7 台可燃气体探测器信号送到码 头综合控制室显示，并和紧急切断阀开关信号一起送到p l c 工作站。公用系统 有部分设备开启信号和压力联锁信号等。 2 2 系统设计要求 借鉴国内外化工仓储物流行业罐区建设的成功经验，结合自身现有条件，要 建立一套自动化水平相对较高，计量精准，安全生产与管理，提升企业形象的自 动化系统。为此，自动控制系统的设计要求如下： ( 1 ) 状态监控 罐区各储罐存储的物料信息，采集液位、密度、储量、多点温度、罐体压力 等，并实时进入监控系统。工艺管线状态，各阀门的状态监控，“收液”与“付 液”工艺管道流量数据进入系统。泵站各工作泵的状态信息监控。所有接入控制 系统的设备开关量信号在上位机监控画面中进行显示。 ( 2 ) 物料储运计量监控 针对化工仓储物流行业对物料的计量要求精度高的特点，特别设计一套定量 装车系统。采集装车数据，控制装车台的设备操作，实现物料的收、付，计量精 准，报表的自动生成和打印等。 第二章4 匕_ z - 罐区监控系统设计 ( 3 ) 安全监控 关键部位压力、温度、液位的限位监控报警：当压力、温度、液位等关键数 据发生报警时，系统将根据连锁条件做出相应的反应，关闭阀门，消防系统的自 动喷淋启动等。尤其重要的罐体液位，不仅设计液位数据的“软报警”，为了提 高系统的安全性，特别设计射频导纳高液位报警的“硬报警”。罐区和码头安装 可燃气体探测报警装置，可以检测可燃气体的浓度并将浓度值发送至监控系统 中，根据浓度的不同将报警分成三类：正常值，橙色报警，红色报警。通过不同 的颜色报警，引起操作人员的注意，根据不同的情况采取相应的处理措施，提高 系统的安全性。所有的报警数据都被存储在专用的数据库中，可以生成报表的形 式进行查询和打印，以供技术人员根据情况进行安全管理。 ( 4 ) 安全管理 对化工仓储物流行业的生产特点进行科学分析，引进安全生产管理机制，对 不同级别的用户设置合理的权限，对控制系统进行在线安全分析，安全监督，重 要操作均需确认，一旦有危及安全的操作或者误操作，系统会进行安全控制，完 成安全控制系统的开发。 ( 5 ) 系统稳定性要求 系统要连续稳定生产，控制系统的核心部分采用q u a n t u m 系列高性能p l c ， 性价比高，稳定性好，结构坚固，能保证在恶劣的现场环境下可靠工作，符合系 统稳定性要求。 2 3 系统总体设计 工程目前规划分两期进行，一期工程分两个罐区，共2 1 个储罐，具体分配 为：一号罐区设有1 2 个储罐，二号罐区设有9 个储罐。t - 1 0 1 罐、t - 1 0 2 罐、t - 1 0 3 罐、t - 1 0 4 罐、t - 1 0 5 罐存储苯；t - 1 0 6 罐、t - 1 0 7 罐存储d m f ；t - 1 0 8 罐、t - 1 0 9 罐存储对二甲苯；t - 1 1 0 罐、t - 1 1 1 罐、t - 1 1 2 罐、t - 1 1 3 罐、t - 1 1 4 罐、t - 1 1 5 罐、 t 1 1 6 罐存储甲醇；t - 1 1 7 罐存储环氧丙烷；t 1 1 8 罐存储环己酮；t - 1 1 9 罐、t - 1 2 0 罐、t - 1 2 1 罐存储乙二醇。各罐体均安装有智能仪表进行数据采集和传输。码头 工程部分主要是管线的紧急切断阀，可燃气体检测报警等装置。 整个罐区的分布如图所示： 6 硕士学位论文 2 3 1 基本设计思路 图2 1 厂区平面图 f i g u r e2 1p l a n eg r a p ho fp l a n ta r e a 从储罐监控要求来看，每个储罐上需要采集的数据有：物料液位，储罐多点 温度，物料平均温度，罐体压力。为了控制工艺管道，每个储罐的进出液管道加 装本安型电动阀。阀门有开关状态反馈信号和开关控制。物料液位、储罐多点温 度、物料平均温度、罐体压力等数据分别由雷达液位计、温度变送器、压力变送 器在现场采集。采用智能仪表测量的现场数据部分均通过软网关被p l c 采集并 和上位机进行通信，在上位机中进行显示和发布。 从储运行业工艺要求来看，收、付液的时候，监控人员不仅要看到罐体数据 的变化，也要从主控室的监控画面上看到管线的使用情况以及管线内液体的流动 方向，流动速度等。流速的测定需加装流量计。管线的状态变化及液体的流向等 通过软件方式实现。 从定量装车系统来看，定量装车系统是完成储运工艺过程的重要部分。定量 g _ z _ - 章化工罐区监控系统设计 装车系统的数据需要传输到监控系统中，有关装车系统的数据信息可以从主控室 的监控画面上看到，让主控操作人员了解目前的装车信息，以便及时发出调度指 令。 从整个罐区的安全要求来看，报警信息的采集与传输尤为重要。可燃气体检 测报警、设备故障报警等，需要准确及时地传输到控制系统中，通过主控室的监 控画面可以立即发现报警的位置，以便采取相应的应急措施，提高系统的安全性 要求。 为实现人机互动的监控效果，需要用上位机组态软件设计和绘制监控系统画 面，并将报警历史查询，数据报表打印，历史趋势等功能以图形化的方式直观的 呈现在监控系统中。 2 3 2 控制方案研究 对于整体厂区的控制系统来说，硬件网络有两种构成方式：( 1 ) 分布式控制 系统( d c s ) 、( 2 ) 现场总线控制系统。下面分别对这两种控制系统方案加以简 要论证和比较。 1 分布式控制系统 系统结构如图2 2 所示。分布式控制系统是目前计算机控制系统中采用最多、 应用最为成熟的一种系统结构形式。系统可以分为四大部分。第一部分为位于工 业现场的现场设备，现场设备包括各类传感器、变送器和执行器，它们均为满足 本质安全要求的设备，其中传感器、变送器将现场各种物理量统一转换为4 2 0 m a 电信号( 或者其他类型的模拟量信号) ，而执行器则接接收模拟量信号， 作用于现场设备。第二部分是将现场信号连接在一起的大量的电线电缆、接线端 子以及现场接线箱、接线柜和铺设电缆所需的电缆桥架等等辅助设备。第三部分 为安全栅，主要为了限制从安全区到危险区的能量，使该能量d , n 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 离，安全栅还起到对一些标准信号进行必要转换的作用。第四部分为控制站，采 用d c s 或p l c 。一般由p l c 的c p u 单元、各种开关量( d i d o ) 和模拟量( a i a o ) 以及其它特殊信号的i o 模块、供电电源模块等组成。 硕士学位论文 p l c 接线 心 、 控制柜端子柜 氏 、 n 一 安全 隔离栅 、 心一 、 心 现场仪表 现场仪表 现场仪表 现场仪表 现场仪表 图2 2d c s 系统结构 f i g u r e2 - 2d c ss y s t e ms t r u c t u r e 系统的工作原理为：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p l c 的i o 模块，将这些标 准信号转换成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。 该系统的优点在于： a 结构的原理简单，容易被一般的维护及操作人员所理解； b 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； c 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，该系统的缺点也是明显的： a 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、接线端子及桥架等辅助设备，系统的硬件成本高； b 彳艮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； c 系统调试及运行后的故障点诊断十分困难； d 模拟信号的长距离传输，使得信号的衰减和干扰问题十分突出。 2 现场总线控制系统 该方案中的现场总线系统是指整个系统所有的仪器仪表都作为从站直接接 入现场总线网络，原则上以地理位置和功能分割成不同网段，如一个罐区的所有 仪表划分为一个网段。利用中继器将分布在厂区的各个网段联结起来。在该方案 中，现场设备都要采用“总线型”的产品。该方案的结构示意图如图2 3 所示。 第二章化工罐区监控系统设计 一尸 匪“ q u a n t u mp l c 图2 - 3 现场总线系统结构图 f i g u r e2 - 3f i e l db u ss y s t e ms t r u c t u r e 从上图可以看出该控制系统也分为四部分。第一部分为现场设备。第二部分 为起到总线分支和防爆作用的总线转换器和总线安全栅。总线主干通过转换器被 分成多段，每段上的电流经过总线安全栅后被限制到本质安全防爆要求所允许的 范围内，但是每块总线安全栅能承载的现场设备数量有限，因此该系统中要配置 n 个中继器和n 个总线安全栅，并且转换器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) 。第三部分为控制器，常采用具有现场总线 接口的p l c 的c p u 单元。由于现场设备都具有总线接口( 即可以直接挂接到总 线上与控制器进行通信) ，因此就无需p l c 的各种i o 卡件。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现场总线传送到转换 器，转换器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p l c 内部可以识别的信号。系统的控制输出信号经过控制总 线传送到现场的执行机构与仪表。 该方案的优点在于： a 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； b 电缆连接通过“即插即用”的接插件，接线方便、快速、准确、牢固； c 施工简单，工作量小，可节省大量的人工费用； d 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 l o 硕士学位论文 的故障停车时l 白j ； e 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； f 系统扩展容易。 而该方案的缺点在于： a 系统原理比较复杂，对于该厂没有电气控制系统经验的工程师来说，理解 起来比较困难，影响日常维护； b 因为现场仪表和执行机构数量多，所以总线上的某一从站的故障可能会波 及到其他从站的f 常工作； c 该系统仪表和执行机构数量较多，分布范围广，传输距离比较长，因此会 导致系统循环时问较长，实时性受影响。 2 3 3 系统总体设计 1 监控方案比较和结论 通过上一节两种控制方案的比较分析，如果采用现场总线，那么系统的连续 运转能力要比采用传统的控制结构高。传统的控制结构中，某一点的故障只会影 响这一个或几个相关点的工作，不至于影响到整个的控制系统，但是这种点对点 的连接( 一根导线上只连接两个点) 显然不是现场总线的结构，现场总线结构要求 在一根总线电缆上尽可能多地串接设备。 采用一定数量的小型远程i o 来连接现场设备，即兼顾了各种不能接入现场 总线的“传统型”仪表，又可以利用软网关技术获取大部分的智能仪表数据，增 强了监控系统在现场的兼容性。优点如下： 1 可以兼顾采用传统的安装连接方式的部分现场设备； 2 可以用总线的方式接入智能仪表，发挥智能仪表的特点； 3 使用单一现场电源模块( 如必要，也可冗余配置) 为众多的现场设备供电； 4 检修或更换现场设备时可以“热插拔”； 5 更加经济。 综上所述，采用一定数量的小型远程i o 来连接现场设备，既可以既发挥现 场总线的优势，克服了其劣势，拥有较好的兼容性和可扩展性。同时，又z 日- , 匕匕1 4 k e l 好 的针对该化工罐区数据采集对象“相对集中又相对分散”的特点。 第二章4 匕_ r - 罐区监控系统设计 2 系统总体设计 在现代化工行业中，有两个不同的生产过程，一个是“批量”生产过程，另 一个是“连续”生产过程。在这两个过程中，一个意外的中途“停车 或者故障 可能会给企业带来很大损失，因此，生产系统的连续运转能力是需要首先考虑的 问题，这也是化工自动化系统设计中强调“故障一安全”的重要原因。结合本项 目的实际情况和设计要求，核心控制系统的设计中采用高性能且稳定性好的 p l c 。 控制系统中负责现场关键数据采集的设备均采用带h a r t 协议的智能仪表， 通过软网关和控制系统的核心控制器进行通信。软网关的设计与实现将在第四章 具体介绍。 在系统设计中，另一个必须要考虑的问题就是现场的防爆技术。化工储运行 业的生产区域，尤其是企业的化工品罐区属于一级防爆区域，对于所使用的现场 设备有极高的防爆要求。常规的爆炸防护方法有：通过限制能量来避免产生火花 的本安方法，以及通过特殊的外壳来防护的隔爆和浇封的方法等。系统中所有的 现场设备均采用本安防爆型设备和仪表，所有接线均按照要求在防爆接线盒( 箱) 中进行。系统的整体结构如图2 - 4 所示t 工程师站操作站 图2 4 系统结构图 f i g u r e2 - 4s y s t e ms t r u c t u r e 硕士学位论文 软网关采用本文第四章的设计成果，运行于p l c 中，可保证系统的安全稳定 运行。网关程序中特别设计了故障恢复的功能，在现场仪表发生故障时能够及时 识别，并不影响其他现场仪表的数据传输，在故障处理完毕后，能够自动恢复运 行于正常状态。 第三章化工罐区监控系统实现 第三章化工罐区监控系统实现 3 1 监控系统的硬件实现 3 1 1 硬件选型 1 p l c 根据系统设计方案的要求，结合用户需求及成本考虑，控制系统的核心控制 器采用s c h n e i d e r 电气旗下t e l e m e c a n i q u e 品牌的m o d i c o nq u a n t u m 系列高性能 p l c ，罐区控制系统采用u n i t yh s b yc p u 6 7 1 6 0c p u 。此c p u 最大支持1 0 2 4 k b 内存，并支持p c m c i a 内存扩展卡。支持1 0 2 4 i 0 点，扫描周期短，性能好， 符合系统设计的安全性稳定性要求。p l c 的c p u 工作流程如图所示： 图3 1c p ul ：作流程图 f i g u r e3 - 1w o r k f l o wo fc p u 硕士学位论文 2 现场仪表和一次元件 储罐状态：储罐的温度、压力、液位信号均要接入p l c 控制系统，储罐的温 度选用r o s e m o u n t3 1 4 4 p 智能温度变送器采集，储罐的压力选用r o s e m o u n t 3 0 5 1 s 系列智能压力变送器采集，储罐的液位采用r o s e m o u n tt a n k e rr a d a r 采集。 这些采用h a r t 协议的智能仪表通过h a r t 通讯模件m t l4 8 4 1 接入p l c 系统， 由运行于p l c 中的网关处理程序来处理这些数据信息。 工艺管道阀门：储罐和管道内所储存的均是有毒易燃易爆的化工物料，现场 内所有设备、仪表均为本安防爆型，接线均在防爆接线盒中完成。需要远程控制 的阀门选用隔爆型电动阀，分开限位和关限位，状态反馈点选用无源触点。不允 许远程控制的阀门选用本安型手动阀，分开限位和关限位，状态反馈点选用无源 触点，安全可靠。 可燃气体检测报警：罐区和码头均安装可燃气体检测传感器，检测所处区域 的可燃气体浓度，将浓度值传输到监控系统中进行显示，并根据浓度值设定报警 限进行分级报警。 泵设备状态：工作泵和产品泵的控制可以选择远程或者是就地操作，状态信 号接入p l c 控制系统，控制系统采集并显示这些模拟量和数字量数据。 3 1 2p l c 组态 3 1 2 1 编程环境u n i t yp r o u n i t yp r o 是s c h n e i d e r 自动化的核心产品，它是新一代的软硬件自动化平台。 它拥有全中文的操作界面及在线帮助，支持中文变量，支持9 8 4 l l 语言，具有 转换更高的标准化及重用水平，广泛应用于各种o e m 和过程控制场合，市场占 有率很高。 u n i t yp r o 中可以采用5 种符合i e c 1 1 3 1 标准的w i n d o w s 下的编程工具。平 台提供了i e c 规定的：梯形图( l d ) ；功能块图( f b d ) ；顺序功能图( s f c ) ； 结构化文本( s t ) ；指令列表( i l ) 等5 种编程语言。 u n i t yp r o 编程环境如图所示： 第三章化工罐区监控系统实现 z ；i l 十：e 雹量一l i n _ _ e j _ 一i 怃t j n il 一t j “ 、。1 。v “”叫一 一，“翟墅氍毪群姆械镕嫩端张粥骝撼# s 强 一 目姗t t * b 珊口t。箍穗獬端辅瞄- - 瞄 ，f、_o州j 。 尽1 j “ 瞳工。 p 。肼 。 搿誊7 慨曩囊荔瓤奢j 荔 i 燃荔”糍麟缓黪“戮鬻，i 褫雾， i 鬈 ；荔荔黪囊囊鬟蒺雾缆雾j 潺荔纛爹i 董，筏燃 。 j_ 讲 io 。 囊鬣戮i；：；嬲荔二。：