油库安全监控系统硬件设计六(采用板卡、模块方案)

1、目录一. 绪论 . . 1二.初步分析 . 5三.系统监控硬件选型与介绍 . 6四.监控系统实现及监控系统方案设计 . 12参考文献 . 错误!未定义书签。 附录 . 14一. 绪论随着科学技术的不断进步, 特别是工业控制技术的飞速发展, 我们已经开始 步入一个崭新的自动化控制新时代。 计算机自动监控系统已经广泛的应用于离散 过程、 连续过程等各种工业自动化领域以及电力、 化工、食品、 水处理等各个行 业。 现在国内外都将计算机监控系统对油田联合站的各个生产工艺过程进行实时 监控、 与数据采集等, 计算机监控系统的发展为油库的自动化监测注入了新的活 力。 因为油库是油气运输过程中的一个重要环节

2、, 它直接关系到外输原油的质量, 其工艺特点是系统关联紧密、 操作规程严格、 系统运行状况复杂多变且系统过程 中流程多变。 所以采用计算机监控系统对其工艺过程进行实时监控可以有效的提 高生产率、 减少事故发生率、 降低工人的劳动强度。 本文主要针对油库发油、 卸 油等工艺过程介绍了其计算机监控系统硬件以及软件的设计。1.1 油库油库的简介所谓油库是指将开采的原油集中进行管线运输, 进行油罐的存储, 完成对来 油、 输油及有关储油量的计算、 盘存管理。 在此过程中, 对含水的原油要进行脱 水工艺处理,这样就形成了原油集输的若干个工艺处理过程。在开采原油时, 我国的很多油田都是中后期开采, 油田由

3、于注水所开发出的 原油含有较多的水分,目前一般为 50%80%,有的甚至高达 90%,因此需要 将原油中所含的水用各种方法分离出来。随着我国自动化水平的提高,油库生产实施自动化监控已经迫在眉睫。油 库是油田集输的重要组成部分, 油库是实现油的安全储存, 保证运输的油质量的 重要过程,它直接关系到后一级单位如加油站的运作能否长期、安全平稳生产, 对整个油从开采到投产使用的整个流程的经济效益有极大的影响。随着油田开发进入高含水后期, 油库工艺过程更加复杂, 采用人工监控和常 规仪表监控已很难满足生产要求。 油库是油田原油集输生产运输中最重要的生产 工艺过程, 它是集发油、 卸油等多个工艺系统为一体

4、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。上世纪九十年代, 计算机控制开始应用于联合站生产过程, 并取得了一定的 应用效果。 但由于在方案选型、 设计和管理维护等方面存在一些问题, 总的来讲,应用效果不够理想。目前, 油库生产工艺过程的控制主要有人工监测控制、 常规仪表自动监测控 制、计算机监测控制等三种方法。人工监测控制是由岗位操作人员根据检测仪表反映的工艺参数变化情况, 凭 经验对生产过程进行人工控制, 其工作效率和安全系数都很低, 已不能满足较高 的工业过程控制的要求。常规仪表控制采用各种检测和控制仪表实现对现场各种工

5、艺参数的采集处 理、显示、报警和调节控制,保证生产过程的高效、安全和平稳运行。这种控制 方式已在油库生产中得到了广泛的应用。计算机监测控制是从上世纪七十年代迅速发展起来的一种功能强大的现代 工业过程控制方法。 它采用计算机技术与自动化仪表相结合, 对工业生产过程中 的各种工艺参数进行处理、 运算、 显示和控制。 相对于常规仪表控制, 它可以提 供更为复杂的控制算法, 通过对各种相关参数进行综合分析, 实现协调管理和优 化控制。综上所述, 在油库生产过程中, 如何合理选择、 设计安全可靠和便于维护的 计算机监控系统, 保证油库生产的平稳运行和优化控制, 实现节能降耗和安全生 产,提高生产管理水平

6、,是目前自动化技术在油田生产应用中面临的重要课题。1.2机算机监控系统的介绍计算机监控技术时一门综合性的技术。他是计算机及技术(包括软件技术, 接口技术,通信技术,网络技术,显示技术 、自动控制技术、自动检测技术和 传感技术的综合应用。 任何一个计算机监控系统的设计与开发基本上由六阶段组 成的。 既:可行性研究、 初步设计、 详细设计、 系统设施、 系统测试和系统运行。 当然, 这六个阶段并不是完全按照直线顺序进行的。 在任何一个阶段出现了问题 都可以返回到前面的阶段进行修改。所谓计算机监控就是利用传感器装置将被监控对象中的物理参量(如温度、 压力、流量、液位、速度转换为电量,并且在计算机的显

7、示装置中以数字、图 形或曲线的方式显示出来, 从而时操作人员能够直观而迅速的了解被监控对象的 变化过程。 通过应用计算机监控技术, 可以稳定和优化生产工艺, 提高产品质量, 降低能源和原材料的消耗, 降低生产成本。 还可以降低劳动这的强度, 并且提高 管理水平, 从而带来极大的社会效益。 正因为如此计算机监控技术以在各个领域 都有所发展。计算机监控系统可以由一下几个部分组成:计算机 (含可视话的人机界面 、 输入输出装置(板卡 ,监测、变松机构。设计原则有可靠性原则、使用方便原 则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。图 1-1就是一个典型的计算机测控系统组成原理图。 图 1-1计算机监控

8、系统结构图1.3计算机监控系统的主要特点与原则主要特点(1实时性。对工业生产过程进行实时在线检测与控制,按优先级进行采 集和输出调节,保证被控系统的正常运行。(2可靠性。具有在较为恶劣的工业现场长期工作的能力,并具有良好的 故障诊断和维护性。(3较强的输入 /输出能力。可与工业现场的检测仪表和控制装置相连接, 完成各种测量控制任务。(4 应用软件丰富。 目前大多数计算机监控系统以 WINDOWS 做工作平台, 系统软件、 应用软件丰富, 可提供良好的人机界面, 特别是组态软件更为用户提 供了方便。设计原则可靠性原则、使用方便原则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。 1.4某油田油库监控系

9、统的硬件设计1. 4.1油库简介所谓油库是指将开采的原油集中进行管线运输, 进行油罐的存储, 完成对来 油、 输油及有关储油量的计算、 盘存管理。 在此过程中, 对含水的原油要进行脱 水工艺处理,这样就形成了原油集输的若干个工艺处理过程,如下图:1.4油库的工艺流程与主要技术指标(1分离器流程。从各个采油队输送过来的原油首先通过计量器计量后又进入 联合站的油气水三相分离器, 在这里实现气体和液体的分离。 原油从分离器一端 进入, 然后天然气从另一端上部流出进行天然气外输, 而油水混合的液体从下部 流出进入一次沉降罐。(2油罐区流程。油罐区的储罐主要的任务是进行油水分离,由一次沉降罐、 二次沉降

10、罐、 净化油罐组成, 分离器将油水混合液体输入一次沉降罐, 一次沉降 罐分离出大部分的原油, 并把部分天然气再行收集, 而将水输到污水区, 进行污 水处理。 经过一次沉降罐的原油流入二次沉降罐继续进行油水分离, 这之后的原 油已经含水很少了, 然后原油进入加热炉加热和脱水器脱水。 经过加热和脱水后 的原油进入净化油罐,等待外输。(3加热炉流程。从油罐区二次沉降罐输送过来的原油在这里经过加热,以利 于原油的输送,然后送到脱水器脱水。(4原油外输流程。经过加热和脱水处理的原油含水已经很少,通过原油外输 泵将原油输送出联合站。 污水处理工艺流程。 在这一流程里, 从一次沉降罐过来 的污水首先进入缓冲

11、罐, 将含有的残留天然气进行收集, 然后经过加药泵进行加 药处理,再进入过滤罐过滤,最后将经过处理的污水输出根据联合站的工艺流程和各个设备的工作原理,整个监控系统需要处理:(1控制三相分离器上油室、水室的液位恒定。(2监测三相分离器上油室、水室的液位、温度、压力及报警、(3监测遍布整个战区的气体浓度及报 西安石油大学本科课程设计(4监测俩个沉降罐的油室、水室的液位、温度、压力及报警。(5 监测脱水泵、脱水器、加药泵、污水外输泵、外输泵各自前后的压力,控 制各个泵的起、停,显示其运行状况及报警。(6监测净化油罐、污水缓冲罐,过滤罐、加热炉的温度及液位及报警。 二.初步分析根据此油库的工艺流程可知

12、系统需要监控各个泵、分离器加热炉的液位、温 度、压力、气体浓度,以及监测及各个泵运行状况显示。其中液位、 温度、 压力、 气体浓度等信号经过相应的变送气后都会转换为与现场最 大、 最小值对应的 420MA 电流信号, 都是模拟量输入信号。 各个泵运行状况对 应数字量输入信号。控制分离器上油室、 水室的液位恒定可以采用板卡来控制。 各个泵的运行 状况及启停显示都是数字量输入信号。 可以采用西门子的数字量输入模块。 当前 液位的信号接入 PCI-1713总线的隔离高速模拟量输入卡, 与人工设置的定值相比 较,通过分析,调节泵的转速来控制油室、水室的液位恒定。根据油库的流程图, 先要列出统计出系统的

13、 I/O点数, 系统的 I/O点数如表 1所示 . 系统 I/O点数通过列表的形式列举如下表。表 2-1 油库监控系统 I/O变量表 在详细统计完 I/O点数后, 还要列写每个点的参数表, 参数表中每一个值都 必须与现场完全对应,在此仅模拟两个: 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。主要功能与技术指标:·2500VDC 隔离保护·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

14、分辨率·A/D转换器的采样速率可达 100KS/S ·给个输入端的增益可编程 ·卡上 4K 采样 FIFO 缓冲器·支持软件、内部定时器触发或外部触发板卡 PCI-1755PCI-1755是高速 32通道数字量输入输出板卡,在计算 机监控系统中有广泛的运用。主要功能与技术指标: ·总线控制 DMA 数据传输, 支持 satter/gather技术 ·32/16/8位模式 I/O处理,带启 /停触发功能, 2个模式握手 I/O中断处理能力 ·板载主动终端电阻,高速和远程传输 ·支持模式匹配和状态改变检测中断功能 &#

15、183;通用 8通道数字量 SM322数字量输出模块该模块是德国西门子公司生产的 S7-300PLC 系列数字量输出模块,为 16通 道的数字量输出模块。主要性能与指标·可用于连接电磁阀,接触器,小功能电机、 灯和电机启动器·数字量输出模块将 S7-300的内部信号电平转 化为控制过程所需的外部信号电平 ·16路增强数字量输出模块·额定负载电压,输出范围为 20.4-28.8V·输出电流,信号为 0是电流为 0.5MA, 信号为 1时 -60时的电流为 0.5MA ·RS-232C 接口·SM323数字量输入 /输出模块 主

16、要性能与指标·8通道的数字量输入 /输出模块·可用于连接开关、 2总线近开关,小功率电机等 ·可将控制过程的外部数字量电平转化为 S7-300的 内部信号电平·也可将 S7-300的内部信号电平转化为控制过程的 外部数字量电平 ·RS-232C 接口3.1 主机部分在工业生产现场,腐蚀性气体多,且需要计算机 24小时连续不断地运行, 因此对生产现场的设备较其他行业要求更高。 所以针对主机,我们选择由我国台湾省研华公司生产的 IPC-610H 型工控机,该机适合于对数据的收集,处理有极高专业要求的行业,能给各行业提供高性能、高可靠性的工业级计算机

17、平台。 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显示器带 19寸 LCD 和 VGA/Video/S-Video/DVI端口的工业平板显示器主要特征·19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

18、/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 悬臂安装显示器带 19寸 LCD 和 VGA/Video/S-Video/DVI端口的工业平板显示器主要特征·19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 ,

19、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 悬臂安装某油田联合站监控系统设备清单3.3 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

20、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

21、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

22、10mA 4 20mA输出信号 模拟量输出:电流 0 10mA (负载 7504 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 6 9V/0.05A馈 电 输 出: DC 24V/30m精 度 0.5%FS±1 字 或 0.2%FS±1 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

23、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 0 50 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 24V±2V (开关电源(3 SWP-LCD-M工作原理本仪表原理如图 3-1所示

24、, 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。10 图 3-1 SWP-LCD-M 工作原理3.4其他设备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。某油田联合站监控系统设备清单 1112 四.监控系统实现及监控系统方案设计监控系统采用一台研华工控机,配带 19寸 LCD 和 VGA/Video/S-Video/DVI端 口的工业平板显示器,带有 UPS 电源的 A3幅面彩色喷墨打印机。系统采用板卡和 PLC 对三相分离器和各个泵的油室、水室的液位恒定控制。现场所有模拟输入量都是先接入昌辉公司十六路巡检仪,然后计算机通过 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。现场所有数字量都是计算机通过研华公司的 板卡 PCI-1713数字量读入现场 泵的运行状态, 再通过研华公司的板卡 PCI-1721输出现场泵的启停指令。 监控系 统的方案硬件示意图 4.1及监控系统的输入输出原理图 4.2如下图:19寸彩显研华工控机 西门子 SM322 西门子 SM323 SWP-LCD-SSR SWP-LCD-M SWP-LCD-M SWP-L