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1、精选优质文档-倾情为你奉上西安石油大学课 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8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
2、，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
3、 日目 录1 绪论11. 1 目前国内外集油站系统概况1 1. 2集油站的总体布局11. 3 集油站的工艺流程技术指标 21. 4 集油站的监控目标及要求32 系统总体方案设计5 2. 1 初步分析52. 2 典型的计算机测控系统组成原理图52. 4 集油站安全监控系统各部分的功能62. 5 常用系统监控仪表72. 6 常用PLC介绍93 硬件系统设备选123.1 集油站安全监控系统I/O点数统计 133.2 集油站安全监控系统PLC选型及原则 133.3 集油站安全监控系统所选设备的性能 144 监控系统详细设计154.1 集油站安全监控系统设计164.2 集油站安全监控系统方案输出原理图
4、164.3 集油站安全监控系统输入硬件示意图 174.4 集油站安全监控系统设备清单 185总结 20参考文献 20专心-专注-专业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。
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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0.5MARS-232C接口SM32
20、3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/
21、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AIAODIDO1两个四相分离器16
22、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
23、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
24、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
25、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)
26、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
27、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-610ADAM4520 RS-232 RS-485SWP-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AISWP-LCD-M3 16路AISWP-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
28、 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IPC610PIV1.8/
29、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-171332个模拟量输入通道一块AO板卡研华PCI-17214个模拟量输出通道一块多通道巡检控制仪昌辉SWP-LCD-M16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-SSR48段PID 自整定控制仪，测量精度：0.5%ES，测量范围：-19999999字，8路输入，4路输出一块信号转换器
30、研华ADAM-4520RS-232到RS-485转换器一块3软件部分操作系统Windows2000NTMicrosoft 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，2100900600（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，2002.97-1012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