化工企业安全监控预警系统.docx

化工企业
安全监控预警系统
研 究 报 告
安生信息科技##
27年4月
项目概述：
对化工罐区进展有效的监控对提高管理水平，降低工人的劳动强度，改善工人的工作条 件，防止事故的发生等等方面具有十分重要的意义。在我国，长期以来对罐区和码头的管理 主要是靠人工进展，并没有真正意义上的“监控系统。随着各种新技术、新方法应用到储 罐计量领域，到了 90年代初，各罐区储罐上根本都装备了能够对液位进展自动测量的仪表， 操作人员就可以坐在控制室里通过二次仪表纵观各储罐的状况，但是具体的控制工作仍需人 工进展。
随着工业总线系统理论的提出和产品大量进入工业过程控制，自动化控制系统与仪表正 向着数字化、智能化和网络化（或分散化）方向开展，而利用PROFIBUS总线就能很好得实现 对大型复杂系统的远程控制。防爆远程I/0系统的出现解决了传统防爆系统、产品投资高、 可靠性低、运用复杂等问题，在工业领域得到广泛运用。
基于Prof ibus现场总线技术的现场控制器真正表达了过程自动化的分散控制概念，控 制可以从地理上分散到各个现场总线器件中，而不是像传统的DCS系统，所有的控制策略是 在其内部做出的。现场总线控制系统成为控制系统开展的方向，积极开发基于现场总线的控 制系统，推进工业自动化的开展成为当今的重要课题。
本报告通过分析国内外工业控制现场总线网络系统的主流类型、特点、应用领域以与对 ##港镇海港埠##液体化工区现有监控系统情况进展认真分析，对集散控制系统，现场总线控 制系统和远程I/O的特点进展详细比拟，提出以新型远程I/O为根底的两层现场总线控制系 统，对罐区监控系统进展了系统结构和系统软、硬件设计，并成功应用于##港液体化工区。
本文设计的系统采用支持PROFIBUS现场总线协议的西门子SIMATIC S7-4为PLC，用 德国CEAG公司的现场防爆110产品建立防爆远程I/0站采集现场数据，采用PROFIBUS-DP 总线来实现数据信号的传输，从而实现化工区的远程监控。
重点解决的是在工罐区防爆、防火、防腐的特殊条件下，PLC系统和现场防爆I/O产品 的选择。
关键词：PROFIBUS，现场总线，远程防爆I/0站
目录
第一章绪论1
1. 1研究背景1
1. 2研究的目的和意义2
1. 3国内外相关技术与其开展 3
1. 4研究的主要内容 4
第二章##港液体化工区现状分析 5
2. 1##港液体化工区概况5
2. 2装卸工艺简介7
2. 3监控现状与分析8
第三章系统总体设计的根本思路10
3. 1监控系统设计原那么10
3. 2监控系统的功能要求12
3. 3监控方案研究14
3. 3. 1分散控制系统(DCS)14
3. 3. 2现场总线控制系统(FCS)15
远程I/0控制系统17
3. 3. 4监控方案比选19
3. 4小结20
第四章监控系统通讯网络研究22
4. 1现场总线技术概述22
现场总线的主要特点22
4. 1. 2现有的几种现场总线23
4. 1. 3现场总线的开展趋势25
4. 2通讯网络选型26
4. 2. 1 三菱 CC — Link 网络26
4.2.2 Omron Controller-Link 网络27
4. 2. 3 Siemens Profibus 网络28
4. 2. 4 小结31
4.3 Profibus-DP 网络设计31
4.3.1 Profibus-DP 行规31
4.3.2 Profibus-DP 系统配置32
第五章监控系统的硬件设计33
5. 1现场防爆设备33
5. 2远程工//0从站的设计34
5. 2.1防爆远程I/0站的选择34
5. 2.2防爆远程I/0站的设计38
5. 3PLC控制站的设计37
5. 4监控层的设计39
第六章结论42
第一章绪论
1. 1背景
随着化学、石油工业的不断开展，世界各国对液体化工制品的需求也在不断地增加。为 了满足这一要求，各国纷纷建立为数众多的化学工厂来生产相关的产品，而为了方便液体化 工原料、中间体和制品的运输、接卸、存储，在沿海地区港建设了许多不同功能罐区，用 以存储、运输品种繁多的液体化工原料、中间体和制品。这些港的管理部门每天都需要掌 握罐区每个储罐罐内存储介质的液位、温度、压力、体积和质量、罐区内可燃气体浓度以与 码头的管道压力、连通管道流量、阀门状态和可燃气体浓度等重要数据，既要保证数据的准 确和与时，又要确保储罐、码头的安全，防止意外事故的发生。因此，罐区储罐和码头参数 的准确检测，码头以与罐区各作业流程的有效管理是非常重要的。
在我国，长期以来对罐区和码头的管理主要是靠人工进展，并没有真正意义上的“监控 系统。对储罐计量，最初只是靠有经验的工人利用检尺通过对各储罐的液位高度进展测量 （即通常所讲的“人工检尺）的方法来对储罐进展监视。该方法原始而又繁琐，人为因素影 响大，精度低。为了提高对储罐参数测量的精度以与保护工人的身体健康，减轻工人的劳动 强度，一些兴旺国家从八十年代开始，就借助于微电子、计算机、光纤、超声波、传感器等 高科技的迅猛开展，将各种新技术、新方法应用到储罐计量领域，使储罐自动计量呈现出集 功能、精度、现场一体化的新局面。到了 90年代初，各罐区储罐上根本都装备了能够对液 位进展自动测量的仪表。该仪表一般由一次仪表和二次仪表两局部组成。位于现场的一次仪 表采集各储罐的液位参数并通过统一的模拟信号如4-20mA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 储罐的状况了。但通过这些二次仪表仅仅能够对储罐参数进展“监视而无法实施控制，因 此具体的控制工作仍需人工进展。
随着生产规模的不断扩大，罐区的规模也越来越大，液体化工原料、中间体和制品的种 类也不断增加。对罐区的管理也提出了越来越高的要来，而由操作人员对罐区储罐、管道与 码头的过程数据的定时巡检记录、汇总、分析显然越来越显示出其在实时性、准确性、合理 性方面的不足。因此管理人员的责任和压力也不断增加。随着计算机技术的不断开展，可靠 性的不断提高，以与价格的大幅度降低，计算机在工业中的应用越来越普与。可编程控制器 (PLC )以与由多台计算机递阶构成的集中与分散相结合的集散控制系统DCS (Distributed Control Systerm)被广泛地应用到各行各业。因此，近年来人们开始尝试使用计算机构成监 控系统来对罐区进展综合的管理。
有关资料显示，在兴旺国家中罐区监控系统已普遍使用了 DCS。在罐区DCS监控系统中， 罐区现场的仪表将温度、液位、压力等参数转换成统一的模拟量信号，点对点地送往控制室 可编程控制器。然而罐区突出的特点是：系统地理分布广泛、控制分散、X围大，因此如果 系统结构采用点对点连接方式时，就需要用到比一般装置多得多的电缆、接线端子与桥架等 附件，系统施工时要消耗大量的人力，且很难保证连接的可靠性，为数众多的连接点与故障 诊断的困难也给日后系统的检修与维护带来很大的不便。并且长距离的信号传输使信号的精 度大大降低。
为了解决这些问题，国内外的一些专家、学者正在努力将近年来开展很快的现场总线技 术应用到罐区的管理中来。现场总线是近年来迅速开展起来的一种数据总线，它主要用于现 场的智能化仪器仪表，控制器、执行机构、I/ 0模块等现场设备间的信息传递。智能仪表 和装置之间采用现场总线技术进展数字通信，而不再用模拟信号通过电线、电缆进展互连， 使信号传递方式发生了根本性变化。从而将大大节省电线、电缆数量，使信号传递更加可靠、 经济，各个仪表与装置的互连更加方便灵活。现场总线技术的开展和成熟，将使目前常见的 分散控制系统面临强大冲击。采用现场总线技术构成的分散控制系统，功能将更加分散，系 统构成将更加灵活，系统可靠性将大大提高。但是，目前在罐区领域中，由于罐区环境带有 潜在爆炸危险，其应用肯定会遇到有别于其它环境的问题，因此，现场总线在罐区应用的实 例还不多见。
1. 2研究的目的和意义
以##港液体化工区镇海港区为例，地处，始建于1985年，现有各类储罐180余台，总容 量近70万立方米，拥有10吨级至5万吨级的各类液化专用泊位9座，已接卸苯、醇、酸、 烃等10大类80多个品种的液化品。25年，镇海港区的液化吞吐量达350万吨，液化品 吞吐量已连续10年保持全国第一，是我国最大的进液化品中转基地。
目前，##港液体化工区内各罐区的自动化管理水平普遍很低，通常采用常规仪表进展现 场监控，罐区、管道与码头的过程数据由操作人员定时巡检记录，人工汇总分析，自动化程 度低且容易产生错误。近年来，随着##港化工业务量的不断扩大，液体化工品种的增加，以 与罐区规模、储罐数量的增加，对化工区储存、装卸、管理提出了越来越高的要求，特别对 罐区的自动化管理水平提出了更高的要求。另一方面，随着自动化控制理论水平、计算机应 用技术与通讯技术不断提高，以与工业计算机监控系统在工业生产过程中的成功应用，为## 港液体化工区监控系统的建立提供了技术保障。当前，对##港液体化工区监控系统进展改造 和升级己迫在眉睫，通过本课题研究，可以为镇海港埠##正在实施的“化工区监控系统 技 改项目提供详细的设计依据和指导。
新型远程I/O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，经过本报告的研究将其应 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，另一方面建设完成必将对 于提高##港液体化工区自动化管理水平，降低工人劳动强度，改善工人工作条件，防止事故 发生，减少系统改造初期投资，以与减少今后运行费用等方面具有十分重要的意义。
1. 3国内外相关技术与其开展
随着计算机技术的快速开展，计算机广泛地应用到工业控制的各个领域。它的引入大大 提高了工厂自动化水平，改善了自动化管理水平。计算机控制技术是自动化技术和计算机技 术两个学科相结合的产物，它是工业自动化的重要支柱。计算机控制技术的广泛应用，促进 了生产的柔性化和集成化，提高了工厂装备的技术水平，节约了能源，降低了消耗，提高了 产品质量，提高了劳动生产率和产品的国际竞争能力，降低了环境污染，改善了劳动条件， 保证了生产安全可靠，改善了企业的管理方式，建立了适应现代市场经济的企业内、外部管 理机制，从而提高了企业经济效益，促进了社会和经济的开展。
近年来，自动化仪表与装置的开展有着数字化、智能化、模块化、高精度化和小型轻量 化的特点，出现了分散型控制系统(DCS)、总线式工控机、可编程控制器(PLC )和调节器、智 能变送器和新一代现场总线式智能仪表等。其中，智能化是自控装置开展的最重要特点，而 现场总线(Fieldbus)技术，使自控装置间信号传递，由模拟量变为编码的数字量，实现了信 号传递的一次革命。
微电子技术的开展，使得各种体积小、功能强、速度快的微处理器不断涌现。而自控装 置的智能化，就是以微处理器为核心来研制构成各种智能仪表、I/0模块、模板，智能外设 和其他智能控制装置。微处理器的参加，使得各种控制设备具有数学运算、逻辑判断、信息 存贮等智能，极大地提高了设备的功能，提高了可靠性，简化了电路、降低了本钱，使控制 设备发生了一次“质 的飞跃。智能控制装置有可编程、可记忆、数学运算与丰富的数据处 理能力和数字通信功能等显著特点。与常规控制装置相比，智能控制装置具有测量精度高、 能够自动校准、具有自动修正误差和自诊断(自检)能力，允许灵活地改变功能，能够实现高 级控制，可以通过数字通信构成复杂控制系统等优点。因此，研制和应用智能仪表与装置已 成为当前自控领域的开展趋势，智能仪表将逐步替代常规仪表。
现场总线是近年来迅速开展起来的一种数据总线，它主要用于现场的智能化仪器仪表， 控制器、执行机构、I/ 0模块等现场设备间的信息传递。智能仪表和装置之间采用现场总 线技术进展数字通信，而不再用模拟信号通过电线、电缆进展互连，使信号传递方式发生了 根本性变化。从而将大大节省电线、电缆数量，使信号传递更加可靠、经济，各个仪表与装 置的互连更加方便灵活。现场总线技术的开展和成熟，将使目前常见的分散控制系统面临强 大冲击。采用现场总线技术构成的分散控制系统，功能将更加分散，系统构成将更加灵活， 系统可靠性将大大提高。
总之，随着科学技术的开展，化工过程控制技术的软硬件支撑手段有了重大改观，推动 了化工过程控制技术的迅速开展。电子技术和计算机技术的开展，使自动化仪表与装置的更 新换代速度越来越快，其中仪表的智能化和现场总线技术是最有开展前景的技术。自动控制 理论和人工智能相结合，形成了新型的智能控制理论，推出了模糊控制、人工神经元网络控 制、专家控制等多种控制方法。可以预测，多目的柔性化工间歇过程控制策略研究、软测量 技术应用研究、化工过程动态仿真技术研究、人工智能技术在化工中的应用和远程监控与在 线优化技术研究等课题将成为21世纪化工过程控制技术所需研究解决的重点课题。
1.4报告研究的主要内容
1. 分析##港液体化工区目前的罐区情况、工艺流程和监控状况，提出存在的问题；
2. 在满足用户对监控系统要求的前提下，对##港液体化工区监控系统的设计要求，设计原那 么和总体结构进展研究；
3. 对于罐区监控系统的DCS方案，现场总线方案和远程I/O方案各自的优缺点进展详细的比 拟和分析；
4. 结合本系统的特点和设计要求根底上，通过监控系统通讯网络研究，完成网络系统结构和 通讯方式的选择：
5. 根据系统的结构，完成监控系统硬件的实现，为镇海港埠##正在实施的“化工区监控系统 技改项目提供详细的设计依据和指导。
第二章##港液体化工区现状分析
2. 1##港液体化工区概况
##港液体化工区地处##港镇海港区，位于##雨江入##的北面，东临东海，北靠##湾，前有## 群岛作天然屏障，地理位置十分优越。该区域开展起步于1985年，自国内首座液化专用泊 位16#泊位建成投产以来，经过近二十年的开发建设，目前已拥有液化〔油品）装卸泊位9 座，其中全国最大的5万吨级（兼靠8万吨级）液化专用泊位2座，万吨级泊位1座，30 吨级以下泊位6座，己形成5万吨的年设计吞吐能力：液体化工区陆域面积0.82平方公里， 建成液化油品储罐180余座，总容量近70万立方米。目前，##港液体化工区己有15家各类 合资性质的专业液化油品仓储企业在此落户，并与国内外40多个港和地区建立了业务往 来。到25年年底，己接卸苯，醇，酮，酸，烃等10大类80多个品种的液化品，累计完 成吞吐量近13万吨，液化品吞吐量已连续10年保持全国第一，是我国最大的进液化品 中转基地。
##港液体化工区共有150余个单独的储运系统，由各种储罐、管道、控制阀门等局部组 成，主要储存甲类、乙类、丙类等液体化工产品，以与原油、成品油、燃料油等油品。液体 化工区的主要作用是从输入设备（如船舶、火车等）接收液体化工原料，暂时储存后，用物料 泵通过管道、汽车、火车或船舶输送到用户。液体化工区的监控系统即对储罐、管道、码头 的工艺参数进展有效的控制，是生产过程自动化管理的根底。
##港液体化工区从功能结构上来看，主要包括:码头装卸系统，岸上仓储系统，工艺储 运系统，公路铁路出运系统，安全消防与环保系统，辅助设施系统等局部。本课题涉与## 港液体化工区的主要由分布在不同地理区域的35个储罐与6个码头的装卸储运系统组成， 具体如下：
码头:
1）12#泊位；4） 16#泊位；
2）13#泊位：5） 17#泊位；
3）14#泊位；6 ） 18#泊位；
罐区：（括号中标注为各个罐区的储罐数目）
1） 丙烯睛罐区（（2 ）;
2） 三罐区（3）;
3） 一 罐区（3）;
4） 远东罐区（3）;
5） 恒逸罐区（4）;
6） 赐富罐区（2）;
7） 荣盛罐区（2）;
8） 埃力生罐区（（2）;
9）红剑罐区（（2）:
10）翔盛罐区（2）;
11） 纵横罐区（2）;
12） 天元罐区（2）;
13）华鑫罐区（2）;
14） 南方罐区（2）;
15） 雄峰罐区（2）;

为了方便管理和数据采集，这些储罐、码头被划分为如下所述的7个区域。如图2 一 1所示。
1#区域，包括：丙烯睛罐区、12#、13#、14#泊位，共2个储罐，3个泊位：
2#区域，包括：三罐区、16#泊位，共3个储罐，1个泊位；
3#区域，包括：一罐区、远东罐区、恒逸罐区，共10个储罐；
4#区域，包括:赐富罐区、荣盛罐区、埃力生罐区，共6个储罐；
5#区域，包括：1?#泊位，共1个泊位；
6#区域，包括：18#泊位，共1个泊位：
7#区域，包括:红剑罐区、翔盛罐区、纵横罐区、天元罐区、华鑫罐区、南方
罐区、雄峰罐区，共14个储罐；
2. 2装卸工艺简介
罐区密
##港液体化工区是目前国内规模最大的液化品装卸中转基地，由于其泊位集中， 集，整个区域布局紧凑，装卸工艺系统比国内其他从事液化作业的港较为复杂。目前国内 从事液化品装卸的港数量正在迅速增长，但相对而言这些港在规模上均比拟小，专用泊 位数量少，而泊位与罐区之间的功能也相对较为固定，即一个泊位固定对应一个或几个罐区 群落，泊位与泊位间缺乏应有联系，机动灵活性较差。
##港液体化工区工艺布局的一个显著特点是各主要泊位间可以通过联通管线进展相互 贯穿，这使得泊位利用率大大提高，机动灵活性增强，这种工艺方式可使船舶在任意主要泊 位上均能把货卸到指定的储罐，或直接在两个泊位间进展中转直取装卸。
大局部液体化工产品均属易燃易爆，有毒有害，污染环境的危险品，在日常运输过程中 一般均采用专用运输工具和管道进展运输装卸，其根本装卸生产工艺流程如图2 — 2所示：
图2-2液化品装卸生产工艺流程图
停泊于各泊位的海轮，其液体化工产品经海轮自备泵，利用泊位上设置的输油臂或金属 软管，将化工液体送至各罐区储罐内储存待发。各储罐内的化工液体，通过罐区自备泵，将 化工液体因需送往泊位装船，或送往火车栈台装火车槽车外运，以与送往各罐区自设的汽车 栈台装汽车槽车外运。山火车、汽车运到的液体化工产品经输液泵送到储罐储存，再经泵装 船外运或直接从火车装船外运。另外，通过泊位之间设置的连通管，还可使各个泊位之间达 到船舶直取的装卸功能。
2. 3监控现状与分析
目前，每个储罐上安装了高位报警开关，每个储罐顶、中、底三个部位分别安装了三个 PT1防爆铂热电阻的探头，罐区内安装了可燃气体浓度检测探头，每个储罐上还安装了一 台雷达液位计，控制室内安装了对应的二次仪表。每个储罐上控制液体化工制品出入的阀门 均为手动阀，操作人员通过二次仪表所显示的储罐内介质的液位值，了解每个储罐的情况， 同时通知位于储罐旁的操作工对液体化工制品的导入和导出实施控制，即系统的控制由人工 来完成。每个储罐的情况如图2-3所示。
图2-3储罐工艺控制点示意图
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储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与恶劣的天 气都对这些人员的健康造成许多不良的影响。而且，各储罐的参数也由人工进展记录，罐区 调度室假设想了解每个罐的情况也要等这些人工报表送去以后刁’可以，这就给整个罐区与 时有效的管理带来了很大的障碍。另一方面，罐区内的这些现场仪表大局部使用年限较长， 型号繁多，功能不一，并且测量误差偏大，局部仪表己不能正常工作。罐区、管道与码头的 过程数据均由操作人员完成，定时巡检记录、人工汇总分析，自动化程度低且容易产生错误。 大大降低了化工区数据采集的实时性、集中性，对化工区的安全生产管理造成不利。因此， 为了使化工区的安全生产得以顺利进展，提升全国港第一大液体化工区形象，对##港液体 化工区监控系统进展改造和升级已迫在眉睫。25年，##港集团镇海港埠##把化工区计算 机监控系统列入年度技改计划，要求改造后的系统能对化工区在该公司管理内的所有储罐进 展监控，对工艺管线、码头进展流程显示与监测，从而提高化工区自动化管理水平。
报告需通过国内外工业监控系统现状、开展水平与方向的分析、比拟，设计一套适合于 ##港液体化工区实际情况，先进的、高效的、功能齐全的、经济性好的监控系统，为镇海港 埠##正在实施的“化工区监控预警系统 技改项目提供详细的设计依据和指导，从而使该系 统建成后能保证安全、可靠地运行。
第三章系统总体设计的根本思路
3. 1监控系统设计原那么
鉴于##港液体化工区监控系统应用于化工码头与罐区，系统X围大，涉与的设备多，该 系统是了解整个##港液体化工区设备运行和状态的关键系统，对保证安全生产、高效运作起 着十分关键的作用，因此在系统设计与实施过程中，应主要遵循以下设计原那么：
1、安全可靠
用于监控系统中的计算机，尤其是直接与工业过程相连的前端计算机与一般用于科学计 算或管理的计算机虽然在本质上并没有什么不同，但由于生产现场的恶劣环境、周围的各种 干扰和不能连续进展的控制任务，对工业控制计算机（一般简称工控机）在可靠性与安全性上 的要求便大大高于一般的计算机。因为一旦计算机出现故障，控制系统将会瘫痪，轻者影响 生产，造成产品质量不合格，重者那么会造成人员和设备的事故。另一方面，由于化工过程 控制的对象往往是连续工艺流程的一局部，一个系统的事故很可能会引起前、后工序的联锁 反响，最后导致整个生产线的失调。因而，在计算机远程控制系统的整个设计过程中，务必 将安全可靠放在首位。首先，应该选用高性能的工控机承当过程控制任务。因为工控机在整 机的机械、防振动、耐冲击、防尘、抗高温、抗电磁干扰、抗电流干扰等方面往往针对生产 现场的特点，采取了特殊的处理措施，以保证系统在恶劣的工业环境下仍能正常运行。其次， 在设计控制方案时要考虑各种安全保护措施，使系统具有诸如异常报警、事故预测、故障诊 断与处理、安全联锁、不连续电源等功能。再次，为预防计算机出故障，后备装置的设置是 必需的。对于一般的控制回路，可以选用手动操作器作为后备;对于必须采用自动控制的重 要回路或特殊回路，可采用常规控制仪表或后备计算机作为后备。这样，一旦系统出现故障， 就可将后备装置切换到控制回路中，维护生产过程的正常运行。
2、操作、维护与维修方便
操作方便主要表达在要求系统便于掌握、操作简单，而且显示画面直观形象。由于系统 投运后将由操作工进展日常操作与维护，所以在考虑操作的先进性同时，还应兼顾操作工以 往的操作习惯，使操作工容易掌握，而并不强求他们掌握计算机知识。例如，操作工己经习 惯了 PID调节器的面板操作，那就是或在硬件上或是在CRT画面上设计成回路操作显示面板 （画面）。另外，人机对话的操作也应简单明了，尽量采用图示与中文操作提示，热键设置不 宜太多。对重要的参数要设置一些保护性措施，增加操作的鲁棒性。维修方便要从软件与硬 件两个方面考虑，目的是易于查找故障、排除故障。硬件上宜采用标准的功能模板式结构， 便于与时查找并更换故障模板。模板上还应安装上作状态指示灯和监测点，便于检修人员检 查与维修。厂在软件上应配备检测与诊断程序，用于查找故障源。必要时还应考虑设计容错 程序，在出现故障时能保证系统的安全。
3、实时性强
实时性是绝大局部监控系统最主要的特点之一，它要对内部和外部事件都能与时地响 应，并在规定的时限内作出相应的处理。系统处理的事件一般有两类：一类是定时事件，如 定时采样、运算处理、输出控制量到被控制对象等:另一类是随机事件，如出现事故后的报 警、安全联锁、打印请求等。对于定时事件，由系统内部设置的时钟保证定时处理。对于随 机事件，系统应设置中断，根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事件发生，根据 中断优先级别进展处理，保证最先处理紧急故障。
4、通用性好
监控系统的研制与开发需要一定的投资和周期，在设计开发监控系统时应尽量考虑采用 积木式的模块化结构。在此根底上，再根据各种不同设备和不同控制对象的控制要求，灵活 地构成系统。这样设计出的系统便于随时进展系统的扩大或改造，通用性好。控制系统的通 用性和灵活性设计具体表达在硬件与软件两个方面。硬件方面宜采用标准总线结构，配置各 种通用的功能模板，并留有一定的冗余，在需要扩大时只需增加相应功能的通道或模板就能 实现。在系统监控软件和控制算法等软件设计中也应采用标准模块化结构。类似硬件设计， 软件设计中也可按控制需求选择各种功能模块灵活地构成控制系统整体软件。
5、经济效益高
监控系统除了满足生产工艺所必需的技术质量要求以外，也应该带来良好的经济效益。
这主要表达在两个方面：一方面是系统的性能价格比要尽可能的高，而投入产出比要尽可能 的低，回收周期要尽可能地短;另一方面还要从提高产品质量与产量，降低能耗，减少污染、 改善劳动条件等经济、社会效益各方面进展综合评估，有可能是一个多目标优化问题。随着 计算机技术的飞速开展，自动控制和自动化设备更新换代非常频繁，在设计监控系统时应充 分考虑监控方案的先进性和设备、通信等的先进性，在尽量缩短设计研制周期的同时，要有 一定的预见性。
3. 2监控系统的功能要求
根据镇海港埠##化工队生产装卸实际情况，##港液体化工区监控系统应该具有以下的功 能：
1. 对罐内液位、温度、压力，罐区可燃气体，阀门状态进展监测：对码头可燃气体浓度，连 通管道压力、流量、阀门状态进展监测。监控系统主要采集模拟量、数子量、开关量等数据。
1）模拟量的采集。需要采集的模拟量主要有:温度传感器、压力传感器、可燃气体检测仪等 输出的"-20mA电流信号；
2）开关量的采集。需要采集的开关量主要有：阀门状态、继电器状态、手动/自动选择开关状 态。
3）数子量的采集。主要是液位变送器、输油管上流量计数器计数脉冲的采集。
2. 操作控制
对泵进展启停控制，对消防水喷淋进展控制。本系统可以全自动管理和控制监控工作，流程 作业情况要求能在中控室监视器监看，但为了在特殊情况下人可以超越计算机进展控制，因 此，应设置手动自动控制方式的转换开关。
3. 报警记录
为了分析现场设备故障的方便，应设置故障报警记录功能，监控单元设置好各工作参数 的报警阀值，如液位、温度、压力上限和下限，并在运行过程中对这些工作参数循环进展越 限监视，以便实时记录报警事件、报警位置、发生的时间、报警原因，并生成报警表，供查 询分析。
4. 事件记录
SOE (Sequence of Events)包括启动自检记录，进出料记录，故障报警记录，系统管理 员登录记录，监控参数阀值修改记录等，并记录下所有事件的发生时间。
5. 人机交互
利用工业通用组态软件开发监控软件平台，实时显示现场工作状况和操作结果，比如: 监控参数阀值修改、自动生成报表、各操作界面的切换等，界面友好，图形元素丰富、明了， 操作简便，极易上手。
6. 报表生成和打印
按照镇海港埠##化工队生产要求的周期和格式，生成日报、月报、季报和年报，并在局 域网内部共享，供管理部门打印、存档；根据事件记录信息生成和打印运行日志。
7. 趋势曲线
趋势曲线的生成和显示作为监控系统的一个重要环节，可以直观反映一些重要工作参 数的变化情况，比如液位实时和历史曲线可以看出每个储罐每天工作量(进料和出料)，进而 来平衡各物料泵的工作时间以达到延长物料泵使用寿命的目的。趋势曲浅分为实时趋势曲线 和历史趋势曲线，分别对应实时数据库和历史数据库。
8. 数据库管理
监控系统的数据库管理也是很重要的环节，历史数据的形成和存储是数据库管理的主要 内容，此外，为满足##港液体化工区管理的需要，必须进展一些数据处理工作。
9. 网络功能
接入内部局域信息网，生成报表和数据库文件，供管理部门读取浏览。
10. 系统扩展
本系统通过添加模块可以逐步扩展，罐区自动灌装、照明等局部均可以纳入该系统，形成## 港液体化工区现场综合管理控制系统。系统功能示意图如图3-1所示。
图3-1系统功能示意图
3. 3监控方案研究
随着计算机技术的不断开展，可靠性的不断提高，以与价格的大幅度降低，计算机在工 业中的应用越来越普与。目前，计算机控制系统大致可分以下几种类型：(1)数据采集系统；(2) 操作指导控制系统：(3)监视控制系统((SCC); (4)直接数字控制系统(DDC);(S)多级分布式 计算机控制系统(DCS); (6)基于现场总线技术的计算机控制系统((FCS ); (7)远程I/O控制 系统。根据##港集团镇海港埠##对监控系统的要求，报告分别对分散控制系统(DCS )，现场 总线控制系统(FCS)，以与远程I/O控制系统加以论述、比拟，提出最适合在##港液体化工 区监控系统中应用的系统总体方案。
3. 3. 1分散控制系统(DCS)
此系统的结构示意如图3-2所示。
图3-2分散控制系统(DCS)系统结构示意图
被称为“第四代 控制系统的分散控制系统(DCS )，是目前计算机监控系统中采用最多的系 统结构形式。系统可分为四个大的局部。第一局部为位于现场的现场设备，现场级设备是各 类传感器、变送器和执行器，它们都要是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4-20mA电信号(或者其他类型的模拟量信号)，而执行器那么承 受模拟量信号，作用于现场设备。第二局部是将现场信号连接在一起的大量的电线电缆、接 线端子以与现场接线箱、接线柜和铺设电缆所需的电缆桥架等等辅助设备。第三局部为安全 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离，安全栅还起到对一些标 准信号进展必要转换的作用。安全栅有齐纳式和隔离式两种类型，只能放置在安全区。第四 局部为控制站，采用DCS或PLC。一般由DCS或PLC的CPU单元、各种开关量(DI/DO)和模 拟量(AI/AO)以与其它特殊信号的输入/输出卡件、供电电源模块等组成。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DCS/PLC的输入卡件，输入卡件将这些标准信号转换成DCS/PLC内部的信号并 传送到CPU中进展处理，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：
1. 结构的原理简单，容易被一般的维护与操作人员所理解；
2. 某一点的故障一般不会影响到其它的点即故障的波与面易于控制；
3. 现场设备为所谓的“传统型，与“总线型设备比拟起来历史悠久更重要的是可选 择的X围宽。
但是，该系统的缺点也是十清楚显的：
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 端子与桥架等等辅助设备，系统的硬件本钱高；
2. 系统控制器冗余的本钱高；
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结实；
4. 系统的安装与调试需要大量的人工，因此系统的人工费用本钱也高；
5. 系统调试与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DCS/PLC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“信息孤岛。
3. 3. 2现场总线控制系统(FCS)
此系统的结构示意如图3-3所示。
现场总线控制系统(FCS)被称为“第五代控制系统。这是一种新的控制系统，它是在 现场总线技术开展的驱动之下形成的新型网络集成式分布控制系统。整个系统以现场总线为 根底将系统的各个局部连接起来。从上面的示意图可以看出该控制系统也分为四个局部。第 一局部为现场设备。目前人们将现场设备按照是否具有总线接分成“传统型 和“总线型 两大局部。所谓“传统型 现场设备是指在现场总线技术出现之前就己经开始使用的不具备 总线接的产品，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 总线技术的开展而产生的具有总线接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。
第二局部为起到总线分支和防爆作用的总线H1卡和总线安全栅。总线主干通过H1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X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N块H1网卡和 N个总线安全栅，并且H1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)。第三局部为控制器，常采用具有现场总线接的DCSIPLC的CPU单元。由于现场 设备都具有总线接(即可以直接挂接到总线上与控制器进展通信)，因此就无需DCS/PLC的 各种输入输出卡件了。第四局部为将前三局部连接在一起的现场总线电缆，专用接插件与其 它的辅助连接设备。
图3-3现场总线控制系统(FCS)系统结构示意图
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现场总线传送到1网卡，H1网卡 将这些信号汇总后传送到主控制器的总线接模块中，该模块再将这些总线信号转换成 DCSIPLC内部可以识别的信号。系统的控制输出信号经过相反的传送到现场的执行器处。
现场总线控制系统(FCS)的优点那么在于
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、结实
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. 在屏蔽电缆内进展数字信号的传输，信号传输精度大大提;高
6. 系统扩展容易。
而现场总线控制系统(FCS)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滩
2. 总线上某一从站的故障可能会波与到其它从站的正常工作
3. H1网段不支持冗余，因此系统的高可靠性较难保证
4. 系统原有的仪表需更换为具备总线接的产品，更换费用;高
5. 在构造大系统时，系统的循环时间长，实时性较差。
3.3.3远程I/O制系统
基于远程I/O的现场总线控制系统。此控制系统的结构示意如图3-4所示。
所谓“总线型 远程I/O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展数 据交换的远程I/O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展数据的交 换。
图3-4基于远程I/O的现场总线控制系统结构示意图
“总线型 远程I/O备安全栅防爆功能的普通型和将安全栅集成在I/O防爆型。而防爆 型的远程I/O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I/O， 一方面只能放在安全区不能靠近现场，失去了远程I/O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I/O 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I/O优势的问题。 对于可以直接放置在危险现场的防爆型远程I/O而言，其既可以直接安装在危险现场充分发 挥远程I/O的优势，又可以做到本质安全防爆，因此，在做“总线型 远程I/O的控制方案 时，考虑采用此类的产品。报告在后面的讨论中提到的“总线型 远程I/O的控制方案，如 无特殊声明都指的是采用此类远程I/O的方案。
从图3一可以看出，整个的系统可以分为五个局部。第一局部与FCS 一样为具有现场总 线接的DCS/PLC的CPU单元，“总线型 远程