西安石油大學(xué) 油庫 板卡 PLC 方案

1、 西安石油大學(xué)本科課程設(shè)計 西安石油大學(xué)課 程 設(shè) 計電子工程學(xué)院 自動化專業(yè) 自100X班題 目 計算機控制技術(shù)課程設(shè)計油庫安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計七（采用板卡、PLC方案）學(xué) 生 指導(dǎo)老師 徐 竟 天 二一三年十二月 計算機控制技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書題 目油庫安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計七（采用板卡、PLC方案）學(xué)生姓名學(xué)號專業(yè)班級設(shè)計內(nèi)容與要求課程設(shè)計主要完成某油庫安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計。要求運用已學(xué)過各類傳感器、輸入輸出模塊、工控計算機、現(xiàn)場總線等的知識，完成安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件方案、設(shè)備選型、總體設(shè)計等各功能的設(shè)計。要求熟悉相關(guān)計算機安全監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成與設(shè)計方案，學(xué)會計算機監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計的步驟和方法

2、，具有初步設(shè)計小型計算機安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件方案的能力。課程設(shè)計內(nèi)容及基本要求如下：1.熟悉油庫工藝流程、監(jiān)控目標(biāo)及監(jiān)控要求。2.學(xué)會常用的監(jiān)控系統(tǒng)I/O硬件（各類板卡、智能儀表、智能模塊、PLC等）參數(shù)及使用，了解其工作原理。3.學(xué)會不同自動化設(shè)備廠家各類板卡、智能儀表、智能模塊、PLC等的選型，能用所選廠家硬件搭建符合工藝流程和監(jiān)控目標(biāo)的硬件系統(tǒng)。4.完成監(jiān)控系統(tǒng)硬件方案設(shè)計，畫出原理圖。 5.課程設(shè)計時間一周，完成課程設(shè)計報告。起止時間 年 月 日指導(dǎo)教師簽名年 月 日系（教研室）主任簽名年 月 日學(xué)生簽名年 月 日目錄一、 緒論-4二、初步分析-8三、系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備選型與介紹-9四、監(jiān)控系統(tǒng)

3、詳細設(shè)計-11五、結(jié)論-15六、參考文獻-15一 緒論隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，特別是工業(yè)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，我們已經(jīng)開始步入一個嶄新的自動化控制新時代。計算機自動監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于離散過程、連續(xù)過程等各種工業(yè)自動化領(lǐng)域以及電力、化工、食品、水處理等各個行業(yè)。現(xiàn)在國內(nèi)外都將計算機監(jiān)控系統(tǒng)對油田油庫的各個生產(chǎn)工藝過程進行實時監(jiān)控、與數(shù)據(jù)采集等，計算機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展為油庫的自動化監(jiān)測注入了新的活力。因為油庫是油氣運輸過程中的一個重要環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到外輸原油的質(zhì)量，其工藝特點是系統(tǒng)關(guān)聯(lián)緊密、操作規(guī)程嚴(yán)格、系統(tǒng)運行狀況復(fù)雜多變且系統(tǒng)過程中流程多變。所以采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)對其工藝過程進行實時監(jiān)控可

4、以有效的提高生產(chǎn)率、減少事故發(fā)生率、降低工人的勞動強度。本文主要針對油庫發(fā)油、卸油等工藝過程介紹了其計算機監(jiān)控系統(tǒng)硬件以及軟件的設(shè)計。1.1 油庫 油庫的簡介所謂油庫是指將開采的原油集中進行管線運輸，進行油罐的存儲，完成對來油、輸油及有關(guān)儲油量的計算、盤存管理。在此過程中，對含水的原油要進行脫水工藝處理，這樣就形成了原油集輸?shù)娜舾蓚€工藝處理過程。在開采原油時，我國的很多油田都是中后期開采，油田由于注水所開發(fā)出的原油含有較多的水分，目前一般為5080，有的甚至高達90，因此需要將原油中所含的水用各種方法分離出來。     隨著我國自動化水平的提高

5、，油庫生產(chǎn)實施自動化監(jiān)控已經(jīng)迫在眉睫。油庫是油田集輸?shù)闹匾M成部分，油庫是實現(xiàn)油的安全儲存，保證運輸?shù)挠唾|(zhì)量的重要過程，它直接關(guān)系到后一級單位如加油站的運作能否長期、安全平穩(wěn)生產(chǎn)，對整個油從開采到投產(chǎn)使用的整個流程的經(jīng)濟效益有極大的影響。 隨著油田開發(fā)進入高含水后期，油庫工藝過程更加復(fù)雜，采用人工監(jiān)控和常規(guī)儀表監(jiān)控已很難滿足生產(chǎn)要求。油庫是油田原油集輸生產(chǎn)運輸中最重要的生產(chǎn)工藝過程，它是集發(fā)油、卸油等多個工藝系統(tǒng)為一體的綜合性生產(chǎn)過程，主要包括輸油脫水、污水淺處理、污水深處理、注水、鍋爐和配電等生產(chǎn)崗位或工藝環(huán)節(jié)。上世紀(jì)九十年代，計算機控制開始應(yīng)用于油庫生產(chǎn)過程，并取得了一定的應(yīng)用效果。但由于

6、在方案選型、設(shè)計和管理維護等方面存在一些問題，總的來講，應(yīng)用效果不夠理想。目前，油庫生產(chǎn)工藝過程的控制主要有人工監(jiān)測控制、常規(guī)儀表自動監(jiān)測控制、計算機監(jiān)測控制等三種方法。人工監(jiān)測控制是由崗位操作人員根據(jù)檢測儀表反映的工藝參數(shù)變化情況，憑經(jīng)驗對生產(chǎn)過程進行人工控制，其工作效率和安全系數(shù)都很低，已不能滿足較高的工業(yè)過程控制的要求。常規(guī)儀表控制采用各種檢測和控制儀表實現(xiàn)對現(xiàn)場各種工藝參數(shù)的采集處理、顯示、報警和調(diào)節(jié)控制，保證生產(chǎn)過程的高效、安全和平穩(wěn)運行。這種控制方式已在油庫生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。計算機監(jiān)測控制是從上世紀(jì)七十年代迅速發(fā)展起來的一種功能強大的現(xiàn)代工業(yè)過程控制方法。它采用計算機技術(shù)與自

7、動化儀表相結(jié)合，對工業(yè)生產(chǎn)過程中的各種工藝參數(shù)進行處理、運算、顯示和控制。相對于常規(guī)儀表控制，它可以提供更為復(fù)雜的控制算法，通過對各種相關(guān)參數(shù)進行綜合分析，實現(xiàn)協(xié)調(diào)管理和優(yōu)化控制。綜上所述，在油庫生產(chǎn)過程中，如何合理選擇、設(shè)計安全可靠和便于維護的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，保證油庫生產(chǎn)的平穩(wěn)運行和優(yōu)化控制，實現(xiàn)節(jié)能降耗和安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)管理水平，是目前自動化技術(shù)在油田生產(chǎn)應(yīng)用中面臨的重要課題。1.2機算機監(jiān)控系統(tǒng)的介紹計算機監(jiān)控技術(shù)時一門綜合性的技術(shù)。他是計算機及技術(shù)（包括軟件技術(shù)，接口技術(shù)，通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，顯示技術(shù)）、自動控制技術(shù)、自動檢測技術(shù)和傳感技術(shù)的綜合應(yīng)用。任何一個計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與開

8、發(fā)基本上由六階段組成的。既：可行性研究、初步設(shè)計、詳細設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)施、系統(tǒng)測試和系統(tǒng)運行。當(dāng)然，這六個階段并不是完全按照直線順序進行的。在任何一個階段出現(xiàn)了問題都可以返回到前面的階段進行修改。所謂計算機監(jiān)控就是利用傳感器裝置將被監(jiān)控對象中的物理參量（如溫度、壓力、流量、液位、速度）轉(zhuǎn)換為電量，并且在計算機的顯示裝置中以數(shù)字、圖形或曲線的方式顯示出來，從而時操作人員能夠直觀而迅速的了解被監(jiān)控對象的變化過程。通過應(yīng)用計算機監(jiān)控技術(shù)，可以穩(wěn)定和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源和原材料的消耗，降低生產(chǎn)成本。還可以降低勞動這的強度，并且提高管理水平，從而帶來極大的社會效益。正因為如此計算機監(jiān)控技術(shù)以

9、在各個領(lǐng)域都有所發(fā)展。計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以由一下幾個部分組成：計算機（含可視話的人機界面）、輸入輸出裝置（板卡），監(jiān)測、變松機構(gòu)。設(shè)計原則有可靠性原則、使用方便原則、開放性原則、經(jīng)濟性原則、開發(fā)周期短原則。圖1-1就是一個典型的計算機測控系統(tǒng)組成原理圖。圖1-1計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.3計算機監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點與原則 主要特點（1）實時性。對工業(yè)生產(chǎn)過程進行實時在線檢測與控制，按優(yōu)先級進行采集和輸出調(diào)節(jié)，保證被控系統(tǒng)的正常運行。（2）可靠性。具有在較為惡劣的工業(yè)現(xiàn)場長期工作的能力，并具有良好的故障診斷和維護性。（3）較強的輸入/輸出能力?？膳c工業(yè)現(xiàn)場的檢測儀表和控制裝置相連接，完成各種測量控制任

10、務(wù)。（4）應(yīng)用軟件豐富。目前大多數(shù)計算機監(jiān)控系統(tǒng)以WINDOWS做工作平臺，系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件豐富，可提供良好的人機界面，特別是組態(tài)軟件更為用戶提供了方便。設(shè)計原則可靠性原則、使用方便原則、開放性原則、經(jīng)濟性原則、開發(fā)周期短原則。1.4某油田油庫監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計14.1油庫簡介 所謂油庫是指將開采的原油集中進行管線運輸，進行油罐的存儲，完成對來油、輸油及有關(guān)儲油量的計算、盤存管理。在此過程中，對含水的原油要進行脫水工藝處理，這樣就形成了原油集輸?shù)娜舾蓚€工藝處理過程，如下圖：1.4油庫的工藝流程與主要技術(shù)指標(biāo)（1）分離器流程。從各個采油隊輸送過來的原油首先通過計量器計量后又進入油庫的油氣水三相

11、分離器，在這里實現(xiàn)氣體和液體的分離。原油從分離器一端進入，然后天然氣從另一端上部流出進行天然氣外輸，而油水混合的液體從下部流出進入一次沉降罐。（2）油罐區(qū)流程。油罐區(qū)的儲罐主要的任務(wù)是進行油水分離，由一次沉降罐、二次沉降罐、凈化油罐組成，分離器將油水混合液體輸入一次沉降罐，一次沉降罐分離出大部分的原油，并把部分天然氣再行收集，而將水輸?shù)轿鬯畢^(qū)，進行污水處理。經(jīng)過一次沉降罐的原油流入二次沉降罐繼續(xù)進行油水分離，這之后的原油已經(jīng)含水很少了，然后原油進入加熱爐加熱和脫水器脫水。經(jīng)過加熱和脫水后的原油進入凈化油罐，等待外輸。（3）加熱爐流程。從油罐區(qū)二次沉降罐輸送過來的原油在這里經(jīng)過加熱，以利于原油的

12、輸送，然后送到脫水器脫水。（4）原油外輸流程。經(jīng)過加熱和脫水處理的原油含水已經(jīng)很少，通過原油外輸泵將原油輸送出油庫。污水處理工藝流程。在這一流程里，從一次沉降罐過來的污水首先進入緩沖罐，將含有的殘留天然氣進行收集，然后經(jīng)過加藥泵進行加藥處理，再進入過濾罐過濾，最后將經(jīng)過處理的污水輸出根據(jù)油庫的工藝流程和各個設(shè)備的工作原理，整個監(jiān)控系統(tǒng)需要處理：（1）控制三相分離器上油室、水室的液位恒定。（2）監(jiān)測三相分離器上油室、水室的液位、溫度、壓力及報警、（3）監(jiān)測遍布整個戰(zhàn)區(qū)的氣體濃度及報（4）監(jiān)測倆個沉降罐的油室、水室的液位、溫度、壓力及報警。（5） 監(jiān)測脫水泵、脫水器、加藥泵、污水外輸泵、外輸泵各自

13、前后的壓力，控制各個泵的起、停，顯示其運行狀況及報警。（6）監(jiān)測凈化油罐、污水緩沖罐，過濾罐、加熱爐的溫度及液位及報警。二初步分析 根據(jù)此油庫的工藝流程可知系統(tǒng)需要監(jiān)控各個泵、分離器加熱爐的液位、溫度、壓力、氣體濃度，以及監(jiān)測及各個泵運行狀況顯示。其中 液位、溫度、壓力、氣體濃度等信號經(jīng)過相應(yīng)的變送氣后都會轉(zhuǎn)換為與現(xiàn)場最大、最小值對應(yīng)的 420MA電流信號，都是模擬量輸入信號。各個泵運行狀況對應(yīng)數(shù)字量輸入信號。 控制分離器上油室、水室的液位恒定可以采用板卡來控制。各個泵的運行狀況及啟停顯示都是數(shù)字量輸入信號?？梢圆捎梦鏖T子的數(shù)字量輸入模塊。當(dāng)前液位的信號接入PCI-1713總線的隔離高速模擬量

14、輸入卡，與人工設(shè)置的定值相比較，通過分析，調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來控制油室、水室的液位恒定。 根據(jù)油庫的流程圖，先要列出統(tǒng)計出系統(tǒng)的I/O點數(shù)，系統(tǒng)的I/O點數(shù)如表1所示. 系統(tǒng)I/O點數(shù)通過列表的形式列舉如下表。表2-1 油庫監(jiān)控系統(tǒng)I/O變量表序號設(shè)備名稱總點數(shù) 控制要求AIAODIDO1計量器16來油的溫度、壓力2*4=8溫度、壓力控制2*4=82兩個汽油罐6溫度、壓力、液位3*2=6 3兩個柴油罐6溫度、壓力、液位3*2=64一個來油泵4泵前后的壓力2控制泵的起、停 1泵運行情況顯示 1 5 站區(qū) 16氣體濃度監(jiān)測 16合計58 38 8 1 1在詳細統(tǒng)計完I/O點數(shù)后，還要列寫每個點的參數(shù)表，

15、參數(shù)表中每一個值都必須與現(xiàn)場完全對應(yīng)，在此僅模擬兩個：表2-2 模擬量I/O點參數(shù)表I/O位號變量名稱變量說明I/O類型工程單位信號類型量程上限量程下限報警上限報警下限偏差報警正常值1-1QYG汽油罐液位AI mmA10 0 9 1 1 5 1-2QYGK汽油罐液位控制信號AO mA 100 0 80 30 10 50 表2-3 數(shù)字量I/O點參數(shù)表I/O位號變量名稱變量說明I/O類型正常狀態(tài)信號類型信號上限信號下限邏輯極性2-1LYB來油泵啟動DO 1V24 0 正 2-2LYBK來油泵運行情況DI 1V 24 0 正 第3章 系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備選型與介紹3.1 板卡的類型與功能3.1.1板卡 P

16、CI-1721 板卡 PCI-1721 是一款高性能 PCI 總線模擬量輸出卡,每個模擬量輸出通道都帶有一個 12 位的雙緩沖 DAC. 此輸出卡具有許多強大的獨特功能,比如最大更新速率為 10MHz 的波形輸出功能,自動校準(zhǔn)功能和板卡 ID 等。PCI-1721 是要求連續(xù)高速模擬量輸出 或 實時波形輸出應(yīng)用的理想選擇。 主要功能與技術(shù)指標(biāo)： ·4 路增強模擬量輸出卡 ·5MHz 最大數(shù)字更新速率 ·PCI 總線數(shù)據(jù)傳輸 ·自動校準(zhǔn)功能 ·每個模擬量輸出通道帶一個 12 位 DAC ·帶內(nèi)部/外部觸發(fā)的實時波形輸出功能 ·

17、同步輸出功能 ·靈活的輸入類型和范圍設(shè)定 圖3-1 PCI-1721 圖3-2 板卡 PCI-1713 圖3-3 板卡PCI-1755 3.1.2 板卡 PCI-1713 PCI-1713 是一款 PCI 總線的隔離高速模擬量輸入卡， 它提供了 32 個模擬量輸 入通 道，采樣頻率可達 100KS/S，12 位分辨率及 2500YDC 的支流隔離保護。 主要功能與技術(shù)指標(biāo)： ·2500VDC 隔離保護 ·32 路單端或 16 路差分模擬量輸入，或組合輸入方式 ·12 位 A/D 轉(zhuǎn)換分辨率 ·A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣速率可達 100KS/S

18、83;給個輸入端的增益可 編程 3.1.3板卡 PCI-1755 PCI-1755 是高速 32 通道數(shù)字量輸入輸出板卡，在計算機監(jiān)控系統(tǒng)中有廣泛的運用。 主要功能與技術(shù)指標(biāo)： ·總線控制 DMA 數(shù)據(jù)傳輸，支持 satter/gather 技術(shù) ·32/16/8 位模式 I/O 處理，帶啟/停觸發(fā)功能， 2 個模式 握手 I/O 中斷處理能力 ·板載主動終端電阻，高速和遠程傳輸 ·支持模式匹配和狀態(tài)改變檢測中斷功能 ·通用 8 通道數(shù)字量32常用PLC參數(shù)介紹及其工作原理西門子在大、中型PLC領(lǐng)域中占據(jù)著重要的地位，其推出了S7-400、S7

19、-300、S7-200三個S7系列的可編程邏輯控制器。1） S7-400S7-400屬于大中型的可編程序控制器，能滿足高、中檔性能范圍的應(yīng)用。采用模塊化無風(fēng)扇設(shè)計，兼顧耐用、擴展性能好、通信能力強，可以方便的實現(xiàn)分布式控制。電源模塊（PS）電源模塊的作用是連接外部電源（120/230VAC或者24VDAC），為整個系統(tǒng)提供電源。中央處理單元（CPU）具有多種CPU可供客戶選擇，有些帶有內(nèi)置的PROFIBUS-DP接口，一個中央處理器單元可以帶多個微處理器以加強其性能。I/O信號模塊（SM）它包括數(shù)字量輸入和輸出模塊，模擬量輸入和輸出模塊。通信處理器（CP）用于實現(xiàn)總線連接和點到點的連接功能模塊

20、（FM）專門用于技術(shù)，定位和凸輪等控制任務(wù)。接口模塊用于連接中央處理單元（主PLC）和擴展單元。一個S7-400的中央處理單元最多可以連接21個擴展單元。其中一款中央處理器的指標(biāo)：型號：4174程序存儲器：2MB（可擴至10MB）數(shù)據(jù)存儲器：2MB（可擴至10MB）DI/ DO：128KAI/AO：8K二進制指令執(zhí)行時間：0.1通信接口：MPIPROFIBUS/2)S7-300S7-300系列的產(chǎn)品為小型PLC，能滿足中等性能的應(yīng)用。其中一款中央處理器的指標(biāo):型號：CPU314IFM程序存儲器：32K數(shù)據(jù)存儲器：48KB DI:20DO:16 AI:4AI:1二進制指令執(zhí)行時間：0.30.6通

21、信接口：MPIPRFIBUS3)S7-200S7-200系列為微型PLC,其典型的尺寸為中央處理器（CPU）:其中一款中央處理器的指標(biāo)：型號：CPU212DI：8AI：4DO:8AO:2 通信接口：MPIPROFIBUS/ 第4章 監(jiān)控系統(tǒng)詳細設(shè)計 4.1 總體方案圖 圖4-1 總體方案設(shè)計圖4.2 完整系統(tǒng)說明4.2.1 模擬量輸入/輸出模塊 模擬量輸入輸出共36路，其中模擬量輸出32路，輸入4路 4.2.2 數(shù)字量輸入/輸出模塊 數(shù)字量輸入輸出模塊各六塊，分別由研華PCI-1751，PCI-1755控制。 4.2.3某油田油庫監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備清單 表4.1 油庫監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備清單序號類別

22、名稱型號技術(shù)要求數(shù)量 1計算機部分工控主機研華IPC610PIV.8/521MDRAM,40G/1.1.4M/50X 1臺21寸彩顯21寸CRT21寸飛利浦彩顯 1臺UPS電源山特3KVA3KVA 0.5小時 1臺彩色打印機惠普A3 彩色噴墨打印機 1臺 234 控制器板卡部分轉(zhuǎn)換器PLC DI 板卡研華PCI-175148為PCI總線數(shù)字量輸入/輸出卡DO 板卡研華PCI-175532通道數(shù)字量輸入/輸出板卡 1塊RS232/485轉(zhuǎn)換器ADAM45202塊西門子S7系列S7-2004塊 21寸彩顯 UPS打印機研華工控主機AD/AM4520 S7-200第5章 結(jié)論 油庫安全監(jiān)控系統(tǒng)是油庫管理中很重要的一部分。隨著油田開發(fā)進入高含水后期，油庫工藝過程更加復(fù)雜，采用人工監(jiān)控和常規(guī)儀表監(jiān)控已很難滿足生產(chǎn)要求。隨著計算機監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)應(yīng)用，可以滿足相應(yīng)的技術(shù)要求。它采用計算機技術(shù)與自動化儀表相結(jié)合，對工業(yè)生產(chǎn)過程中的各種工藝參數(shù)進行處理、運算、顯示和控制。一般由一下幾個部分組成：計算機（含可視話的人機