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西安石油大学本科课程设计 西安石油大学课 程 设 计电子工程学院 自动化专业 自0901班题 目 计算机控制技术课程设计 集油站安全监控系统硬件设计五（采用板卡、仪表方案）学 生 指导老师 二一二年十二月计算机控制技术课程设计任务书题 目集油站安全监控系统硬件设计五（采用板卡、仪表方案）学生姓名学号专业班级设计内容与要求课程设计主要完成某集油站安全监控系统硬件设计。要求运用已学过各类传感器、输入输出模块、工控计算机、现场总线等的知识，完成安全监控系统硬件方案、设备选型、总体设计等各功能的设计。要求熟悉相关计算机安全监控系统的硬件组成与设计方案，学会计算机监控系统硬件设计的步骤和方法，具有初步设计小型计算机安全监控系统硬件方案的能力。课程设计内容及基本要求如下：1.熟悉集油站工艺流程、监控目标及监控要求。2.学会常用的监控系统I/O硬件（各类板卡、智能仪表、智能模块、PLC等）参数及使用，了解其工作原理。3.学会不同自动化设备厂家各类板卡、智能仪表、智能模块、PLC等的选型，能用所选厂家硬件搭建符合工艺流程和监控目标的硬件系统。4.完成监控系统硬件方案设计，画出原理图。 5.课程设计时间一周，完成课程设计报告。起止时间2012年12月24日 至 2012年12月30日指导教师签名年 月 日系（教研室）主任签名年 月 日学生签名年 月 日 目录1 绪 论1 1.1 目前国内外集油站系统概况1 1.1.1 国外集油站自动化计量系统1 1.1.2 国内集油站自动化计量系统1 1.2 集油站的总体布局1 1.3 集油站的工艺流程与主要技术指标2 1.4 集油站的监控目标及要求4 2 系统总体方案设计5 2.1 初步分析5 2.2 一个典型的计算机测控系统组成原理图5 2.3 集油站安全监控系统的总体结构6 2.4 集油站安全监控系统各部分的功能6 2.5 常用系统监控仪表7 2.6 常用板卡介绍9 3 硬件系统设备选型13 3.1 集油站安全监控系统I/O点数统计13 3.2 集油站安全监控系统选型及原则14 3.3 集油站安全监控系统所选设备的性能15 4 监控系统详细设计16 4.1 系统监控方案设计16 4.2监控系统输入输出原理图17 4.3 集油站安全监控系统输入输出原理图18 4.4 集油站监控系统设备清单19 5 总 结20 参考文献211 绪 论1.1 目前国内外集油站系统概况集油站是储存和供应石油产品的专业性仓库，是协调原油生产和加工、成品油运输及供应的纽带。国外的集油站管理已经进入先进的工业控制技术、网络技术、数据库技术等，对集油站日常的首发油作业、储油管理、集油站监控系统等进行全方位的综合管理。我国的集油站自动化技术与国际先进水平相比还有一定差距。各种计量仪表精度较低，稳定性较差，控制系统控制精度比较低，信息化水平还不够健全，这使得我国集油站的自动化控制和管理系统经历了一个较长的发展阶段。 1.1.1 国外集油站自动化计量系统 国外的自动化计量方法主要采用:检尺法、静压法和液位法。检尺法是全球通用的测量方法；静压法是应用压力传感器检测罐内的静压力;液位法是检测罐内液体的液位高度及密度等参数，后两种方法都可以获得罐内储液的容量及重量。 欧美油罐储量测量仪表品种齐全、技术先进而且性能优良。他们不光发展高精度、多功能的仪表，还考虑其性能可靠、价格便宜、适应不同目的和用途。 1.1.2 国内集油站自动化计量系统 目前国内计量仪表的发展主要采用引进加仿制等手段，还有一些企业代理国外相应产品。我国在该领域的发展相对外国还有很大差距，普遍存在产品性能指标低、仪表可靠性差、企业技术力量及装备差等问题。最近几年，由于不断努力，一些产品已经达到国际先进水平，但在市场的占有率远远不及国外仪表的份额。1.2 集油站的总体布局 集油站将开采的原油集中进行管线运输，进行油罐存储，完成对来油、输油及有关储油量得计算、存盘管理。在此过程中，对含水的原油要进行脱水工艺处理，这样形成了原油集输的若干个工艺处理过程。集油站是油田原油集输生产过程中最重要的生产工艺过程。它是集发油、卸又等多个工艺系统为一体的综合性生产过程，主要包括输油脱水，污水浅处理、污水深处理、注水、锅炉和配电等生产岗位或工艺环节。 在集油站安全监控系统中，采用下位机硬件控制和上位机软件监视构架。在下位机控制系统中，通过PLC可编程逻辑控制器来采集与处理现场数字量信号和模拟量信号。在上位机监视系统中，采用组态王软件开发人机界面，生产实时状况直观形象。1.3 集油站的工艺流程与主要技术指标油田计算机监控系统说明：集油站安全监控系统总体方案设计： 从各个油井或计量站来的有数混合液先进入两个四相分离器，进行油、水、气、沙四项分离，分离出来的水经掺水泵送到各计量站掺水或对地下注水；分离出来的原油进入脱水器再次脱水，经稠油泵送往200立方米的大罐储存销售；还有一部分油水混合液经外输泵在进行热交换（加热）后往其他集油站外输。 整个监控系统需要处理：1) 控制两个四相分离器上油室、水室的液位恒定。2) 监测两个四相分离器上油室、水室的液位、温度、压力、报警。3) 监测两个掺水泵、两个外输泵、两个稠油泵各自前后的压力，控制各个泵的起、停，显及其运行状况及报警。4) 监测两个换热器各自前后混合液的温度及报警。5) 监测脱水器、事故罐的温度及液位及报警。遍布整个站区的十六处的气体浓度监测及报警。 某油田集油站工艺流程图如图1-1所示。 从各个油井或计量站来的有数混合液先进入两个思 想分离器，进行油、水、气、沙四项分离，分离出来的水经掺水泵送到各计量站掺水或对地下注 水；分离出来的原油进入脱水器再次脱水，经稠油泵送往200m3的大罐储存销售；还有一部分油水混合液经外输泵在进行热交换（加热）后往其他集油站外输。 整个监控系统需要处理：6) 控制两个四相分离器上油室、水室的液位恒定。7) 监测两个四相分离器上油室、水室的液位、温度、压力、报警。8) 监测两个掺水泵、两个外输泵、两个稠油泵各自前后的压力，控制各个泵的起、停，显示其运行状况及报警。9) 监测两个换热器各自前后混合液的温度及报警。10) 监测脱水器、事故罐的温度及液位及报警。 遍布整个站区的十六处的气体浓度监测及报警。 图1-1 集油站的工业流程图图1-1-1 集油站的工业流程图1.4 集油站的监控目标及要求本课程设计研究目的是针对集油站发油、装油、卸油等工艺过程的分析，进行监控系统的硬件设计，同时对系统的适应性进行研究，建立一套具有实际应用能力的监控系统。本次设计应达到以下目标和要求:1.能及时地，正确地对运行设备的运行参数和运行状况做出全监测，预防和消除事故隐患。2.对设备和运行状况进行必要的指导，提高设备运行的安全性、可靠性和有效性，把运行设备发生事故的概率降低到最低水平，将事故造成的损失减低到最低程度。3.通过对运行设备进行监测、隐患分析和性能评估等，为设备的结构修改、设计优化和安全运行提供数据和信息。总的来说，进行集油站安全监控的目的就是确保设备的安全运行，预防和消除事故隐患，避免事故发生。 2 系统总体方案设计2.1 初步分析系统总体方案设计直接影响整个计算机监控系统的成本、性能、设计和开发周期。 图2-1 设计的基本步骤2.2 一个典型的计算机测控系统组成原理图图2-2 计算机监控系统结构图2.3 集油站安全监控系统的总体结构集油站监控最重要的是对工艺过程中的各项参数如温度、压力、液位、流量等进行实时监控。在原油分离过程中液位和压力、锅炉间的锅炉温度、以及各个重要工艺过程中的参数是集油站安全、高效生产的决定性因素，所以必须在各种干扰的情况下，将液位、温度、压力等稳定控制在工艺允许误差范围内，所以对这些参数监控就是生产过程中的关键。设计集油站安全监控系统，不仅节约了人力物力，而且在准确性、灵活性以及生产效率上都有明显提高，保证了油田的安全稳定生产。 图2-3系统模拟量部分设计图2.4 集油站安全监控系统各部分的功能储油区：储油区又称油罐区，是集油站储存油品的区域，也是集油站的核心部分，安全上需要特别注意。这个区首要任务是保证储油安全，防止火灾和泄露。主要设施有油罐、油罐附属建筑物、岗亭、消防水池、消防间等。根据储油种类，可选拱顶罐和浮顶罐。铁路作业区：该区主要是向铁路罐车灌装油品或铁路罐车接卸油品，主要包括铁路专用线、站台、铁路卸油设备、油泵房、各种小型油罐、附集油站等加卸油作业设施。公路作业区：大多数集油站作业都是铁路来油，再通过公路用汽车罐车向外发油，它发放对象为用户或加油站。这个区主要设施有汽车加卸油设备、罐桶间、高架罐、油泵房、工具器材库、消防水池等。辅助生产区：集油站内还需要有相应的一些辅助设施，如锅炉房、变配电间、材料库、消防泵房、机修间、及污水处理设备等。这些设施是保证集油站正常运转不可缺少的，但它们在操作上又是独立的体系，因此把这些设施相对的集中在一个区域，既便于管理，又利于安全。行政管理区：在这个区域内有办公室、会议室、汽车库、值班室等。主要承担着集油站的管理工作，保证油品安全装卸和储存，保证油品正常的调入和销售和集油站安全。图2-4 集油站的安全监控总图2.5 常用系统监控仪表由于所有气体浓度、液位、温度和压力信号比较重要，必须要在现场控制柜显示，所以要选用控制柜上的显示仪，这里我们选择昌晖公司的SWP-LCD-M型多通道巡检控制仪，该表可以轮流显示十六路模拟数据，选择RS-485接口型。气体浓度、压力和温度信号共45路，所以可选用3台，有3*16-45=3路冗余。仪表都选用RS-485接口。(1) SWP-LCD-M概述SWP-LCD-M多路仪表适合于需要同时对多组过程参量（16）进行集中监测，超限报警，变送输出及远传的场合。SWP-LCD-M多路仪表在设计上吸纳了当今电脑结构思路：硬件上采用内带快闪存储器的新型微处理器，扩充了大容量的数据存储区，显示器采用大屏幕液晶图形显示板，软件上引入中文Windows的框架思路，并采用了数据压缩技术。准电脑化的结构，高度地体现了微处理器化仪表的灵活性，成功地解决了多路仪表的分度号可自由设定，测量值集中显示等难题。SWP-LCD-M多路仪表在人机操作与观察界面上都对传统的二次仪表做了挑战性的改革，以中文菜单引导组态操作, 以集中的数据画面显示多路测量结果，以明确的文字信息标识画面内容的涵义，简洁直观地给人以“智能”的感受。SWP-LCD-M多路仪表可接 16 路被测信号，根据用户设定要求完成从信号采集，显示，变送到远传的全过程。SWP-LCD-M多路仪表的打印接口可直接与带有 RS232 串行口的打印机连接，完成定时打印，即时打印或报警打印。SWP-LCD-M多路仪表的串行通讯接口可与上位机进行数据传输，实现记录数据的集中管理。(2) SWP-LCD-M技术指标输入信号 模拟量输入：电压 0 5V 1 5V电流 0 10mA 4 20mA输出信号 模拟量输出：电流 0 10mA （负载750）4 20mA （负载500）电压 0 5V （负载250K）1 5V （负载250K）开关量输出：继电器触点容量：AC 220V/3A ，DC 24V/5A（阻性负载）SCR 输出 400V/0.5A SSR 输出 69V/0.05A馈 电 输 出： DC 24V/30m精 度 0.5%FS1 字 或 0.2%FS1 字采样周期 1秒/通道输入回路 8路或16路测量范围 -1999-9999 字显示方式 背光式大屏幕液晶（LCD）图形显示板显示内容由汉字、西文、数字、工程单位等组成通过面板按键可完成画面翻页，LCD 背光时间长短等操作控制方式 可选择带回差的 ON/OFF 控制通讯输出 RS232/485，波特率 1200pbs 28.8kpbs (可设置)参数设定 中文菜单提示， 面板按键设定或上位机通过通讯口设定， 设定参数密码锁定保护方式 设定参数永久保存，记录数据断电保存，内置Watchdog电路功 耗 5W 使用环境 环境温050 相对湿度85%RH 避免强腐蚀性气体电源电压 AC 220V+10-15% 50 60HzAC 90V 260V（开关电源） DC 24V2V（开关电源）(3) SWP-LCD-M工作原理本仪表原理如图2-5所示，仪表以单片微处理器为基础，通过输入电路把模拟信号经A/D转换器转换成数字信号，微处理器根据采样的结果与设定内容进行计算，比较后显示结果及输出控制信号。图2-5 SWP-LCD-M工作原理2.6 常用板卡介绍 PCI-1721是一款高性能的PCI模拟量输出卡，每个模拟量输出通道都带有一个12位的双缓冲DAC。 此输出卡具有许多强大的独特功能，比如最大更新速率为10MHz的波形输出功能、自动校准功能和板卡ID开关等。PCI-1721是要求高速连续模拟量输出或实时波形输出应用的理想选择。特点10 MHz最大数字更新速率PCI总线数据传输自动校准功能4路模拟量输出，带1024采样FIFO缓冲区每个模拟量输出通道带一个12位DAC内部/外部触发的实时波形输出同步输出功能灵活的输入类型和范围设定系统热重启后保持输出设置和输出值16路DI/O和1个10 MHz 16位分辨率计数器BoardID开关规格20模拟量输出通道4分辨率12位FIFO大小1024采样输出速率10 MHz或静态更新参考时钟 内部：10 MHz外部时钟频率：10 MHz（最高）外部电压范围：0.8 V（最大）,2 V（最小）输出范围(软件可编程）转换率10 V/s驱动能力10 mA输出阻抗0.1（最大）工作模式 单独/连续/波形/同步输出精度 相对：1 LSB差分非线性：1 LSB (单调性)电流环激励+15 V (外部)电压电压数字量输入/输出通道16（输入/输出共享）兼容性5 V/TTL输入电压 逻辑电平0：0.8 V（最大）逻辑电平1：2.0 V（最小）输出能力 汇：0.5 V 24 mA源：2.0 V -15 Ma计数器/定时器通道1分辨率16位兼容性5 V/TTL最高输入频率10 MHz参考时钟 内部：10 MHz外部时钟频率：10 MHz（最高）外部电压范围：0.8 V (最大) , 2.0 V (最小）一般规格总线类型PCI V2.2I/O接口68脚SCSI-II孔型接口尺寸175 x 100 mm (6.9” x 3.9”)功耗 典型：+5 V 850 mA, +12 V 600 mA最大：+5 V 1 A, +12 V 700 mA工作温度0 60 C (32 140 F) (参见IEC 68-2-1, 2)储存温度-20 85 C (-4 185 F)储存湿度5% 95% RH，无凝结 西安石油大学本科课程设计 PCI-1713是一款PCI总线的隔离高速模拟量输入卡.它提供了32个模拟量输入通道,采样频率可达100KS/s,12位分辨率及2500YDC的支流隔离保护.产品特点：32路单端或16路差分模拟量输入，或组合输入方式12位A/D转换分辨率A/D转换器的采样速率可达100KS/s卡上4096采样FIFO缓冲器2,500VDC隔离保护每个输入通道的增益可编程支持软件、内部定时器触发或外部触发采样模式研华工控主机 主要特征IPC-610专为冲击、震动、高温等恶劣环境设计 支持14槽ISA/PCI底板 支持四个前端抽取磁盘驱动器和一块内置3.5”硬盘 1个带防尘过滤网的86CFM风扇选配Inter PIV 2.4GM CPU西部数据80G硬盘Kingston 256M内存 工业键盘及光电鼠标RS-232C接口显示器带21寸LCD和VGA/Video/S-Video/DVI端口的工业平板显示器主要特征21寸SXGA TFT LCD分辨率达到1280*1024 输入信号自动识别 最高亮度可达250cd/m2 多扫描功能：支持SXGA，XGA，SVGA，VGA和文本模式 支持多信号输入:VGA,DVI,Video和S-Video 不锈钢机箱,符合NEMA4/IP65标准的防锈前面板 支持面板安装,壁挂式安装,机架安装和VESA悬臂安 3 硬件系统设备选型3.1 集油站安全监控系统I/O点数统计 系统I/O点数可以通过列表的形式来列举：表3-1 集油站安全监控系统I/O变量表序号 序号设备名称总点数 控制要求AIAODIDO1两个四相分离器16水室的液位、温度、压力2*3=6油室的液位、温度、压力2*3=6油室、水室液位恒定控制2*2=42两个掺水泵10泵的前后的压力2*2=4控制各个泵的起、停2*1=2泵运行状况显示2*1=23两个外输泵10泵的前后的压力2*2=4控制各个泵的起、停2*1=2泵运行状况显示2*1=24两个稠油泵10泵的前后的压力2*2=4控制各个泵的起、停 2*1=2泵运行状况显示2*1=2 5两个换热器4热水器前后混合液的温度2*2=42*1=26一个脱水器2脱水器的液位、温度27一个事故罐2事故罐的液位、温度28站区16气体浓度监测16合计7048466 在详细统计完I/O点数后，还要列些每个点的参数表，参数表中每一个值都必须与现场完全对应。表3-2 数字量I/O点参数表I/O位号变量名称变量说明I/O类型正常状态信号类型信号上线信号下线逻辑极性2-1CIQD一号掺水泵的启动DO1V240正2-2CIZK一号掺水泵运行状况DI1V240正表3-3 模拟量I/O点参数表I/O位号变量名称变量说明I/O类型工程单位信号类型量程上限量程下限报警上限报警下限偏差报警正常值1-1SISY一个四相分离器水室的液位AImmA10091151-2SISYK一个四相分离器水室的液位控制信号AOmA1000803010503.2 集油站安全监控系统选型及原则 所谓设备选型即是从多种可以满足相同需要的不同型号、规格的设备中，经过技术经济的分析评价，选择最佳方案以做出购买决策。合理选择设备，可使有限的资金发挥最大的经济效益。 设备选型应遵循的原则如下： 生产上适用所选购的设备应与集油站实际生产能力相符并具有一定的适应性。 技术上先进在满足生产需要的前提下，要求其性能指标保持先进水平，以利提高产品质量和延长其技术寿命。 经济上合理即要求设备价格合理，在使用过程中能耗、维护费用低，并且投资回收期较短。 这次设计中我选择的仪表是SWP-LCD-M，适合于需要同时对多组过程参量（16）进行集中监测，超限报警，变送输出及远传的场合。 3.3 集油站安全监控系统所选设备的性能研华PCI-1713是32路单端或16路差分模拟量输入,或组合输入方式、12位A/D转换分辨率、A/D转换器的采样速率可达100KS/s、卡上4096采样FIFO缓冲器、2,500VDC隔离保护、每个输入通道的增益可编程、支持软件、内部定时器触发或外部触发采样模式 PCI-1721是5MHz最大数字更新速率 PCI总线数据传输 自动校准功能 每个模拟量输出通道带一个12位DAC 带内部/外部触发的实时波形输出功能 同步输出功能 灵活的输入类型和范围设定 PCI-1721是一款高性能PCI总线模拟量输出卡,每个模拟量输出通道都带有一个12位的双缓冲DAC.此输出卡具有许多强大的独特功能,比如最大更新速率为10MHz的波形输出功能,自动校准功能和板卡ID等.PCI-1721是要求连续高速模拟量输出或实时波形输出应用的理想选择3.3.1系统组成 中央处理单元(CPU)：各种CPU有不同的性能，例如，有的CPU上集成有PROFIBUSDP通讯接口等。信号模块(SM)：用于数字量和模拟量输入输出。通讯处理器(CP)：用于连接网络和点对点连接。功能模块(FM)：用于高速计数，定位操作(开环或闭环定位)和闭环控制。负载电源模块(PS)：用于将SIMATICS7300连接到120230V交流电源，或244860110V直流电源。接口模块(1M)：用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。S7300通过分布式的主机架(CR)和3个扩展机架(ER)，可以操作多达32个模块。 4 监控系统详细设计4.1 系统监控方案设计 监控系统采用一台研华工控主机，配21寸飞利浦彩显，带有USB电源的A3幅面彩色喷墨打印机。系统选用四路PID控制仪完成对四相分离器油室、水室的液位恒定控制。 现场所有模拟输入量都先接入昌辉公司十六路巡检仪，然后计算通过RS-485总线与巡检仪及PID控制仪通信，将现场数据采集进计算机。 现场所有数字量都通过研华公司ADAM4000系列仪表采集和输出，通过RS-485总线，计算机通过研华ADAM-4025模块读入现场泵的运行状态，再通过研华ADAM-4068模块输出现场泵的启停指令。监控系统方案硬件示意图及监控系统输入 系统还需要选用打印机、电源及显示器等其他设备，这里我们选用惠普彩色喷墨打印机、山特3KVA型UPS电源（不间断电源）。图4-1 SWP-LCD-M工作原理19寸工业平板彩色显示器4.2监控系统输入输出原理图 打印机ups研华工控机IPC-610ADAM4520 RS-232 RS-485华研PCI1731 模拟输入华研PCI1721模拟输出SWP-LCD-SSR8增强DO/DI控制仪SWP-LCD-M3 16路AISWP-LCD-M1 16路AISWP-LCD-M3 16路AI 1路泵状 1路泵启 态显示 停控制 图4-2 监控系统输入输出原理图4.3 集油站安全监控系统输入输出原理图ups 21寸彩显 打印机 研华工控机 华研PCI1721 华研PCI1731 SWP-LCD-SSR SWP-LCD-M SWP-LCD-M SWP-LCD-M 4个模拟量输出 32个模拟量输入 48段PID自整 16路多通道 16路多道 16路多道 控制仪 巡检控制仪 巡检控制仪巡检控制仪 图4-3 监控系统输入输出硬件图4.4 集油站监控系统设备清单表4-4 集油站监控系统设备清单序号类别名称型号技术要求数量1计算机部分工控主机研华IPC610PIV1.8/521MDRAM/40G/1.4M/50X1台19寸彩显19寸LCD21寸工业平板显示器1台UPS电源山特3KVA3KVA 0.5小时1台彩色打印机惠普A3,彩色喷墨打印机1台2控制器板卡部分和仪表部分AI板卡研华PCI-17133