油庫安全監(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 . 12參考文獻 . 錯誤!未定義書簽。 附錄 . 14一. 緒論隨著科學技術(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)

2、, 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)程嚴格、 系統(tǒng)運行狀況復雜多變且系統(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(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

3、于注水所開發(fā)出的 原油含有較多的水分,目前一般為 50%80%,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,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

4、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。 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

5、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。 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(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

6、,是目前自動化技術(shù)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(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)的綜合應用。 任何一個計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計與開發(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

7、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(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

8、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

9、統(tǒng)的硬件設計1. 4.1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(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

10、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

11、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 西安石油大學本科課程設計(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

12、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。 可以采用西門子的數(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

13、 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 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, 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: 西安石油大學本科課程設計 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:·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

14、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-1755PCI-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: ·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 &#

15、183;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 0.5MA ·RS-232C 接口·SM323數(shù)字量輸入 /輸出模塊 主

16、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(guān)、 2總線近開關(guān),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

17、平臺。 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

18、/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/IP65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 ,

19、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/IP65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 懸臂安裝某油田聯(lián)合站監(jiān)控系統(tǒng)設備清單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-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

20、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(shù)。 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-LCD-M 多路儀表在人機操作

21、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。(2 SWP-LCD-M技術(shù)指標輸入信號 模擬量輸入:電壓 0 5V 1 5V電流 0

22、10mA 4 20mA輸出信號 模擬量輸出:電流 0 10mA (負載 7504 20mA (負載 500電壓 0 5V (負載 250K 1 5V (負載 250K 開關(guān)量輸出:繼電器觸點容量:AC 220V/3A ,DC 24V/5A(阻性負載SCR 輸出 400V/0.5A SSR 輸出 6 9V/0.05A饋 電 輸 出: DC 24V/30m精 度 0.5%FS±1 字 或 0.2%FS±1 字采樣周期 1秒 /通道輸入回路 8路或 16路測量范圍 -1999-9999 字顯示方式 背光式大屏幕液晶(LCD 圖形顯示板顯示內(nèi)容由漢字、西文、數(shù)字、工程單位等組成通過

23、面板按鍵可完成畫面翻頁, LCD 背光時間長短等操作控制方式 可選擇帶回差的 ON/OFF 控制通訊輸出 RS232/485,波特率 1200pbs 28.8kpbs (可設置 參數(shù)設定 中文菜單提示, 面板按鍵設定或上位機通過通訊口設定, 設定參數(shù)密碼鎖定保護方式 設定參數(shù)永久保存, 記錄數(shù)據(jù)斷電保存, 內(nèi)置 Watchdog 電路功 耗 5W使用環(huán)境 環(huán)境溫 0 50 相對濕度 85%RH 避免強腐蝕性氣體電源電壓 AC 220V+10-15% 50 60HzAC 90V 260V(開關(guān)電源 DC 24V±2V (開關(guān)電源(3 SWP-LCD-M工作原理本儀表原理如圖 3-1所示

24、, 儀表以單片微處理器為基礎, 通過輸入電路把模擬信號經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號, 微處理器根據(jù)采樣的結(jié)果與設定內(nèi)容進行計算,比較后顯示結(jié)果及輸出控制信號。10 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 1112 四.監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)及監(jiān)控系統(tǒng)方案設計監(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。現(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:19寸彩顯研華工控機 西門子 SM322 西門子 SM323 SWP-LCD-SSR SWP-LCD-M SWP-LCD-M SWP-L