集油站安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計六(采用板卡、模塊方案)

1、目錄一 緒論1二初步分析5三系統(tǒng)監(jiān)控硬件選型與介紹6四監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)及監(jiān)控系統(tǒng)方案設計11參考文獻14附錄14一 緒論隨著科學技術的不斷進步，特別是工業(yè)控制技術的飛速發(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)廣泛的應用于離散過程、連續(xù)過程等各種工業(yè)自動化領域以及電力、化工、食品、水處理等各個行業(yè)?，F(xiàn)在國內(nèi)外都將計算機監(jiān)控系統(tǒng)對油田聯(lián)合站的各個生產(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)，它直接關系到外輸原油的質(zhì)量，其工藝特點是系統(tǒng)關聯(lián)緊密、操作規(guī)程嚴格、系統(tǒng)運行狀況復雜多變且系統(tǒng)

2、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

3、提高，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)。上世紀九十年代，計算機控制開始應用于聯(lián)合站生產(chǎn)過程，并取得了一定的應用效果。

4、但由于在方案選型、設計和管理維護等方面存在一些問題，總的來講，應用效果不夠理想。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)中得到了廣泛的應用。計算機監(jiān)測控制是從上世紀七十年代迅速發(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

5、術與自動化儀表相結(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。相對于常規(guī)儀表控制，它可以提供更為復雜的控制算法，通過對各種相關參數(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，是目前自動化技術在油田生產(chǎn)應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)控技術時一門綜合性的技術。他是計算機及技術（包括軟件技術，接口技術，通信技術，網(wǎng)絡技術，顯示技術）、自動控制技術、自動檢測技術和傳感技術的綜合應用。任何一個計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設

6、計與開發(fā)基本上由六階段組成的。既：可行性研究、初步設計、詳細設計、系統(tǒng)設施、系統(tǒng)測試和系統(tǒng)運行。當然，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。通過應用計算機監(jiān)控技術，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

7、技術以在各個領域都有所發(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

8、控制任務。（4）應用軟件豐富。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指標（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聯(lián)合站的油

9、氣水三相分離器，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

10、于原油的輸送，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聯(lián)合站。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)聯(lián)合站的工藝流程和各個設備的工作原理，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

11、、外輸泵各自前后的壓力，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)過相應的變送氣后都會轉(zhuǎn)換為與現(xiàn)場最大、最小值對應的 420MA電流信號，都是模擬量輸入信號。各個泵運行狀況對應數(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。當前液位的信號接入PCI-1713總線的隔

12、離高速模擬量輸入卡，與人工設置的定值相比較，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

13、點的參數(shù)表，參數(shù)表中每一個值都必須與現(xiàn)場完全對應，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 正三系統(tǒng)監(jiān)控硬件選型與介紹1. 卡的類型與功能：板卡PCI-17

14、13 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。 主要功能與技術指標： 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 給個輸入端的增益可編程 卡上4K采樣FIFO緩沖器 支持軟件、內(nèi)部定時器觸發(fā)或外部觸發(fā) 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。 主要功能與技術指標： 總線控制DMA數(shù)據(jù)傳輸，支持satter/gath

15、er技術 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SM322數(shù)字量輸出模塊該模塊是德國西門子公司生產(chǎn)的S7-300PLC系列數(shù)字量輸出模塊，為16通道的數(shù)字量輸出模塊。主要性能與指標可用于連接電磁閥，接觸器，小功能電機、燈和電機啟動器數(shù)字量輸出模塊將S7-300的內(nèi)部信號電平轉(zhuǎn)化為控制過程所需的外部信號電平16路增強數(shù)字量輸出模塊額定負載電壓，輸出范圍為20.4-28.8V輸出電流，信號為0是電流為0.5MA,信號為1時-60時的電流為0.5MARS-232C接口S

16、M323數(shù)字量輸入/輸出模塊 主要性能與指標8通道的數(shù)字量輸入/輸出模塊可用于連接開關、2總線近開關，小功率電機等可將控制過程的外部數(shù)字量電平轉(zhuǎn)化為S7-300的內(nèi)部信號電平也可將S7-300的內(nèi)部信號電平轉(zhuǎn)化為控制過程的外部數(shù)字量電平RS-232C接口3.1 主機部分 在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，腐蝕性氣體多，且需要計算機24小時連續(xù)不斷地運行，因此對生產(chǎn)現(xiàn)場的設備較其他行業(yè)要求更高。所以針對主機，我們選擇由我國臺灣省研華公司生產(chǎn)的IPC-610H型工控機，該機適合于對數(shù)據(jù)的收集，處理有極高專業(yè)要求的行業(yè)，能給各行業(yè)提供高性能、高可靠性的工業(yè)級計算機平臺。研華工控主機主要特征 IPC-610專為沖擊、震

17、動、高溫等惡劣環(huán)境設計 支持14槽ISA/PCI底板 支持四個前端抽取磁盤驅(qū)動器和一塊內(nèi)置3.5”硬盤 1個帶防塵過濾網(wǎng)的86CFM風扇選配Inter PIV 2.4GM CPU西部數(shù)據(jù)80G硬盤Kingston 256M內(nèi)存 工業(yè)鍵盤及光電鼠標顯示器帶19寸LCD和VGA/Video/S-Video/DVI端口的工業(yè)平板顯示器主要特征19寸SXGA TFT LCD分辨率達到1280*1024 輸入信號自動識別 最高亮度可達250cd/m2 多掃描功能：支持SXGA，XGA，SVGA，VGA和文本模式 支持多信號輸入:VGA,DVI,Video和S-Video 不銹鋼機箱,符合NEMA4/IP

18、65標準的防銹前面板 支持面板安裝,壁掛式安裝,機架安裝和VESA懸臂安裝研華工控主機主要特征 IPC-610專為沖擊、震動、高溫等惡劣環(huán)境設計 支持14槽ISA/PCI底板 支持四個前端抽取磁盤驅(qū)動器和一塊內(nèi)置3.5”硬盤 1個帶防塵過濾網(wǎng)的86CFM風扇選配Inter PIV 2.4GM CPU西部數(shù)據(jù)80G硬盤Kingston 256M內(nèi)存 工業(yè)鍵盤及光電鼠標RS-232C接口3.3 儀表由于所有氣體濃度、液位、溫度和壓力信號比較重要，必須要在現(xiàn)場控制柜顯示，所以要選用控制柜上的顯示儀，這里我們選擇昌暉公司的SWP-LCD-M型多通道巡檢控制儀，該表可以輪流顯示十六路模擬數(shù)據(jù)，選擇RS-

19、485接口型。氣體濃度、壓力和溫度信號共45路，所以可選用3臺，有3*16-45=3路冗余。儀表都選用RS-485接口。(1) SWP-LCD-M概述SWP-LCD-M多路儀表適合于需要同時對多組過程參量（16）進行集中監(jiān)測，超限報警，變送輸出及遠傳的場合。SWP-LCD-M多路儀表在設計上吸納了當今電腦結(jié)構(gòu)思路：硬件上采用內(nèi)帶快閃存儲器的新型微處理器，擴充了大容量的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，顯示器采用大屏幕液晶圖形顯示板，軟件上引入中文Windows的框架思路，并采用了數(shù)據(jù)壓縮技術。準電腦化的結(jié)構(gòu)，高度地體現(xiàn)了微處理器化儀表的靈活性，成功地解決了多路儀表的分度號可自由設定，測量值集中顯示等難題。SWP-L

20、CD-M多路儀表在人機操作與觀察界面上都對傳統(tǒng)的二次儀表做了挑戰(zhàn)性的改革，以中文菜單引導組態(tài)操作, 以集中的數(shù)據(jù)畫面顯示多路測量結(jié)果，以明確的文字信息標識畫面內(nèi)容的涵義，簡潔直觀地給人以“智能”的感受。SWP-LCD-M多路儀表可接 16 路被測信號，根據(jù)用戶設定要求完成從信號采集，顯示，變送到遠傳的全過程。SWP-LCD-M多路儀表的打印接口可直接與帶有 RS232 串行口的打印機連接，完成定時打印，即時打印或報警打印。SWP-LCD-M多路儀表的串行通訊接口可與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)記錄數(shù)據(jù)的集中管理。圖3-1 SWP-LCD-M工作原理3.4其他設備系統(tǒng)還需要選用打印機、電源及顯示器等

21、其他設備，這里我們選用惠普彩色噴墨打印機、山特3KVA型UPS電源（不間斷電源）。某油田聯(lián)合站監(jiān)控系統(tǒng)設備清單序號類別名稱型號技術要求數(shù)量1計算機部分工控主機研華IPC610PIV1.8/521MDRAM/40G/1.4M/50X1臺19寸彩顯19寸LCD19寸工業(yè)平板顯示器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2控制器板卡部分和儀表部分AI板卡研華PCI-171332個模擬量輸入通道一塊AO板卡研華PCI-17214個模擬量輸出通道一塊多通道巡檢控制儀昌輝SWP-LCD-M16路多通道巡檢控制儀,控制輸出方式：電壓/電流輸出，設定/顯示精度；

22、+0.5%FS+1位數(shù)max兩塊智能多回路PID控制器昌輝SWP-SSR48段PID 自整定控制儀，測量精度：0.5%ES，測量范圍：-19999999字，8路輸入，4路輸出一塊信號轉(zhuǎn)換器研華ADAM-4520RS-232到RS-485轉(zhuǎn)換器一塊3軟件部分操作系統(tǒng)Windows2000NTMicrosoft Windows2000NT一套組態(tài)軟件Kingview6.51北京亞控“組態(tài)王6.51”一套4控制柜儀表盤柜KG-221型儀表控制柜，2100900600（高寬深），配套接線端子，端子排，匯線槽及內(nèi)部接線 一臺小型操作臺西儀橫河西儀橫河計算機專用操作平臺一臺四監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)及監(jiān)控系統(tǒng)方案設計

23、監(jiān)控系統(tǒng)采用一臺研華工控機，配帶19寸LCD和VGA/Video/S-Video/DVI端口的工業(yè)平板顯示器，帶有UPS電源的A3幅面彩色噴墨打印機。系統(tǒng)采用板卡和PLC對三相分離器和各個泵的油室、水室的液位恒定控制?，F(xiàn)場所有模擬輸入量都是先接入昌輝公司十六路巡檢儀，然后計算機通過RS-485總線與巡檢儀及PID控制儀通信，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集進計算機?，F(xiàn)場所有數(shù)字量都是計算機通過研華公司的板卡PCI-1713數(shù)字量讀入現(xiàn)場泵的運行狀態(tài)，再通過研華公司的板卡PCI-1721輸出現(xiàn)場泵的啟停指令。監(jiān)控系統(tǒng)的方案硬件示意圖4.1及監(jiān)控系統(tǒng)的輸入輸出原理圖4.2如下圖： ups 19寸彩顯 打印機 研華工控機 西門子SM322 西門子SM323 SWP-LCD-SSR SWP-LCD-M SWP-LCD-M SWP-LCD-M 16路增強DO 8增強DO/DI 48段PID自整 16路多通道 16路多道 16路多道模塊 模塊 控制儀 巡檢控制儀 巡檢控制儀巡檢控制儀圖4-1 系統(tǒng)硬件示意圖打印機19寸工業(yè)平板彩色顯示器 ups研華工控機IPC-610 RS-232ADAM4520 RS-485SWP-LCD-M3 16路AISWP-LCD-M3 16路AISWP-LCD-M1 16路AISWP-LCD-SSR8增強DO/DI控制儀西門子SM3238增強DO/DI模塊西門子S16