集油站安全监控系统课程设计采用plc和智能模块.doc

西安石油大学

课 程 设 计

电子工程学院 自动化专业 自0804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九（采用仪表、PLC方案）
学 生 张 海 强
指导老师 徐 竟 天

二○一一年十二月

《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九（采用仪表、PLC方案）
学生姓名
张海强
学号
200805080708
专业班级
自动化0804
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
2011年12月19日 至 2011年12月25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. 2集油站的总体布局……………………………………………………………………1
1. 3 集油站的工艺流程技术指标………………………………………………………… 2
1. 4 集油站的监控目标及要求……………………………………………………………3
2 系统总体方案设计…………………………………………………………………………5
2. 1 初步分析………………………………………………………………………………5
2. 2 典型的计算机测控系统组成原理图…………………………………………………5
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PLC介绍…………………………………………………………………………9
3 硬件系统设备选……………………………………………………………………………12
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PLC选型及原则……………………………………………… 13
3.3 集油站安全监控系统所选设备的性能……………………………………………… 14
4 监控系统详细设计…………………………………………………………………………15
4.1 集油站安全监控系统设计……………………………………………………………16
4.2 集油站安全监控系统方案输出原理图……………………………………………… 16
4.3 集油站安全监控系统输入硬件示意图……………………………………………… 17
4.4 集油站安全监控系统设备清单……………………………………………………… 18
5总结………………………………………………………………………………………… 20
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 20
西安石油大学本科设计
1 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
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。
油田计算机监控系统说明：
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。
10) 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。
针对集油站安全监控系统的要求，设计了工控机通过通讯转换器组成的分布式监控系统。由PLC负责采集现场数据并且传输到上位机。上位机作为管理机构，负责文件管理、数据库维护、报表自生成并定时打印。下位机PLC要对现场进行测量、采集信息。并通过线路送到主机，由上位机完成数据处理的任务，根据下位机传送来的信息，上位机自动生成各种报表，并在指定时间打印输出，从而将繁重的数据处理任务交给上位机完成，大大减轻了下位机的负担，以便更好地进行各个子系统的数据采集和控制功能，保证系统的可靠性和精度。
这次设计采用PLC来采集与控制现场数据，通过I/O模块控制器，将现场的模拟或数字信号传输到工控机中，通过显示器显示出现场采集的数据。在控制系统中应配有工控机，以提高监控系统可靠性。
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≤750Ω）
4 —— 20mA （负载≤500Ω）
电压 0 —— 5V （负载≥250KΩ）
1 —— 5V （负载≥250KΩ）
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 — 60Hz
AC 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 PLC介绍
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
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悬臂安装

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
AI
AO
DI
DO
1
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=4

2
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=2

3
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=2

4
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=4

2*1=2
6
一个脱水器
2
脱水器的液位、温度
2

7
一个事故罐
2
事故罐的液位、温度
2

8
站区
16
气体浓度监测
16

合计

70

48
4
6
6
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
2-1
CIQD
一号掺水泵的启动
DO
1
V
24
0
正
2-2
CIZK
一号掺水泵运行状况
DI
1
V
24
0
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
1-1
SISY
一个四相分离器水室的液位
AI
m
mA
10
0
9
1
1
5
1-2
SISYK
一个四相分离器水室的液位控制信号
AO
℃
mA
100
0
80
30
10
50

3.2 集油站安全监控系统PLC选型及原则
在PLC选型中，工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的、按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型。所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程控制器、功能表图及有关的编程语言，有利于编程时间，因此，过程设计选型时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求。然后根据控制要求，估算输入输出点数，所需存储器容量、确定PLC功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系数。综上所述，我考虑使用Siemens的S7-300PLC。
3.3 集油站安全监控系统所选设备的性能
S7-300是模块化小型PlC系统，能满足中等性能要求的应用。其模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。
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PROFIBUS—DP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SIMATICS7—300连接到120／230V交流电源，或24／48／60／110V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)。S7—300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

4.2监控系统输入输出原理图

19寸工业平
板彩色显示器
打印机

ups

研华工控机IPC-610

ADAM4520

RS-232

RS-485

SWP-LCD-SSR8增强DO/DI控制仪
西门子SM3238增强DO/DI模块
西门子S16路增强DO M322模块
SWP-LCD-M1
16路AI
SWP-LCD-M3
16路AI

SWP-LCD-M3
16路AI

1路泵状 1路泵启 4路液位 7路压力 5路液位 16路体
态显示 停控制 PID控制 信号监测 信号监测 浓度监测
6路温度
信号监测
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

西门子SM322 西门子SM323 SWP-LCD-SSR SWP-LCD-M SWP-LCD-M SWP-LCD-M 16路增强DO 8增强DO/DI 48段PID自整 16路多通道 16路多道 16路多道
模块 模块 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IPC610
PIV1.8/521MDRAM/40G/1.4M/50X
1台
19寸彩显
19寸LCD
21寸工业平板显示器
1台
UPS电源
山特3KVA
3KVA 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-1713
32个模拟量输入通道
一块
AO板卡
研华PCI-1721
4个模拟量输出通道
一块
多通道巡检控制仪

昌辉SWP-LCD-M
16路多通道巡检控制仪,控制输出方式：电压/电流输出，设定/显示精度；+0.5%FS+1位数max
两块
智能多回路PID控制器

昌辉SWP-SSR
48段PID 自整定控制仪，测量精度：±0.5%ES，测量范围：-1999——9999字，8路输入，4路输出
一块
信号转换器
研华ADAM-4520
RS-232到RS-485转换器
一块

3
软件
部分
操作系统
Windows2000NT
Microsoft Windows2000NT
一套
组态软件
Kingview6.51
北京亚控“组态王6.51”
一套

4

控制柜

仪表盘柜

KG-221型
仪表控制柜，2100×900×600（高×宽×深），配套接线端子，端子排，汇线槽及内部接线
一台
小型操作台
西仪横河
西仪横河计算机专用操作平台
一台

4 总 结

这次课程设计根据设计任务书的要求，采用集油站设计的基本理论，对集油站的工艺流程、总平面布置进行了合理的设计，对相关工艺及设备进行了设计及选型。进一步使我们能够运用以前学过的安全工程设计理论和方法进行集油站安全监控系统的初步设计，也培养了计算机绘图能力。运用已学过的各类传感器、输入输出模块、工控计算机、现场总线等知识，完成监控系统硬件方案、设备选型的设计，同时进一步熟悉相关计算机监控系统的硬件组成与方案，在设计中要熟悉集油站的工艺流程，监控目标及要求，常用监控系统硬件即各类办卡、PLC参数，了解其工作原理。
参考文献
[1] 程远平，李增华.消防工程学[M]. 中国矿业大学出版社，2002.97-101
[2]．徐竟天，汪跃龙.《石油安全工程》课程设计指导书.西安石油大学
[3]．汪跃龙.《石油安全工程》，西安石油大学
[4]．《计算机监控系统》，西安石油大学

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