油庫安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)四(采用PLC方案)

1、一、緒 論 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)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(gè)嶄新的自動(dòng)化控制新時(shí)代。計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(dòng)化領(lǐng)域以及電力、化工、食品、水處理等各個(gè)行業(yè)?，F(xiàn)在國內(nèi)外都將計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)油田聯(lián)合站的各個(gè)生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、與數(shù)據(jù)采集等，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展為集油站的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)注入了新的活力。因?yàn)榧驼臼怯蜌饧斶^程中的一個(gè)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(diǎn)是系統(tǒng)關(guān)聯(lián)緊密、操作規(guī)程嚴(yán)格、系統(tǒng)運(yùn)行狀況復(fù)雜多變且系統(tǒng)過程中流程多變。所以采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)其工藝過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控可以有效的提高生產(chǎn)率、減少事故發(fā)生率、

2、降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。自動(dòng)化經(jīng)過 50 年的發(fā)展,通過技術(shù)引進(jìn),消化吸收和不斷創(chuàng)新, 自動(dòng)化水平取得了長足進(jìn)步.現(xiàn)場(chǎng)從手工操作發(fā)展到自動(dòng)控制,從低級(jí)的單回路控制 發(fā)展到高級(jí)復(fù)雜系統(tǒng)控制,直到管控一體化.此外,在自動(dòng)化裝備,技術(shù),功能,規(guī)模等方面都有了很大提高;測(cè)量和控制裝置不斷更新升級(jí),正在運(yùn)行的數(shù)千套 DCS, PLC(可編程控制器)和 IPC(工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī))系統(tǒng)已成為大中型石油和化工企業(yè)及小 型骨干化工企業(yè)的主要控制手段.常規(guī)儀表性能大大提高,已 成為石油和化工企業(yè) 生產(chǎn)過程的主要檢測(cè)手段,電子儀表,數(shù)字儀表,智能變送器與執(zhí)行器的使用量逐漸 增加.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的試用取得進(jìn)展,近年來已成

3、為石 油和化工自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā) 展的熱點(diǎn)之一.對(duì)于石化行業(yè)來說,底層控制的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)信息化的基礎(chǔ). 油田,油井,計(jì)量站大部分都分布在偏遠(yuǎn)地區(qū),對(duì)其工藝過程的工作狀況,運(yùn)行 參數(shù)的監(jiān)控與控制,一直是油田的一項(xiàng)重要且困難的工作.油田的生產(chǎn),開采過程中 有大量的數(shù)據(jù)需要工作人員及時(shí)的采集和記錄,以供管理部門及時(shí)的作出決策,管理 生產(chǎn).如果這些數(shù)據(jù)都要人工采集,記錄的話,必然給工作人員帶來巨大的工作量, 而且效率低,誤差大,而且影響了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性. 隨著自動(dòng)化的發(fā)展,對(duì)油田生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè),檢測(cè)正朝著監(jiān)控自動(dòng)化的方 向發(fā)展.目前油田已經(jīng)采用自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)其各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)與故障監(jiān) 控,檢測(cè)

4、,實(shí)施智能化監(jiān)控與管理。綜上所述，在集油生產(chǎn)過程中，如何合理選擇、設(shè)計(jì)安全可靠和便于維護(hù)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，保證集油生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行和優(yōu)化控制，實(shí)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(dòng)化技術(shù)在油田生產(chǎn)應(yīng)用中面臨的重要課題。1.1 油庫的介紹 凡是用來接收、儲(chǔ)存和發(fā)放原油或原油產(chǎn)品的企業(yè)和單位都稱為油庫。同時(shí)，油庫也指用以貯存油料的專用設(shè)備，因油料具有的特異性用以相對(duì)應(yīng)的油庫進(jìn)行貯藏。油庫是協(xié)調(diào)原油生產(chǎn)、原油加工、成品油供應(yīng)及運(yùn)輸?shù)募~帶，是國家石油儲(chǔ)備和供應(yīng)的基地，它對(duì)于保障國防和促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展具有相當(dāng)重要的意義。 在此過程中，對(duì)含水的原油要進(jìn)行脫水工藝處理，這樣就形成了原油集輸?shù)?/p>

5、若干個(gè)工藝處理過程。在開采原油時(shí)，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(dá)90，因此需要將原油中所含的水用各種方法分離出來。 隨著油田開發(fā)進(jìn)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(yùn)輸中最重要的生產(chǎn)工藝過程，它是集發(fā)油、卸油等多個(gè)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)。計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)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(qiáng)大的現(xiàn)代工業(yè)過程控制方法。它采用計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化儀表相結(jié)合，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過

6、程中的各種工藝參數(shù)進(jìn)行處理、運(yùn)算、顯示和控制。相對(duì)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(duì)各種相關(guān)參數(shù)進(jìn)行綜合分析，實(shí)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(jì)安全可靠和便于維護(hù)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，保證油庫生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行和優(yōu)化控制，實(shí)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(dòng)化技術(shù)在油田生產(chǎn)應(yīng)用中面臨的重要課題。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的介紹所謂計(jì)算機(jī)監(jiān)控就是利用傳感器裝置將被監(jiān)控對(duì)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(jì)算機(jī)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(shí)操作人員能夠直觀而迅速的了解被監(jiān)控對(duì)象的變化過程。通過應(yīng)

7、用計(jì)算機(jī)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(dòng)強(qiáng)度。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以由一下幾個(gè)部分組成：計(jì)算機(jī)（含可視話的人機(jī)界面）、輸入輸出裝置（板卡），監(jiān)測(cè)、變送機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)原則有可靠性原則、使用方便原則、開放性原則、經(jīng)濟(jì)性原則、開發(fā)周期短原則。主要特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性，可靠性，較強(qiáng)的輸入輸出能力，應(yīng)用軟件豐富。 圖1-1就是一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組成原理圖。圖1-1計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.3油庫的工藝流程與主要技術(shù)要求油庫的工藝流程（1）分離器流程。從各個(gè)采油隊(duì)輸送過來的原油首先通過計(jì)量器計(jì)量后又進(jìn)入聯(lián)合站的油氣水三相分離器，在這里實(shí)現(xiàn)氣體和液體的

8、分離。原油從分離器一端進(jìn)入，然后天然氣從另一端上部流出進(jìn)行天然氣外輸，而油水混合的液體從下部流出進(jìn)入一次沉降罐。（2）油罐區(qū)流程。油罐區(qū)的儲(chǔ)罐主要的任務(wù)是進(jìn)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(jìn)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(jìn)行油水分離，這之后的原油已經(jīng)含水很少了，然后原油進(jìn)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(jìn)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

9、）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。（5）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(jìn)入緩沖罐，將含有的殘留天然氣進(jìn)行收集，然后經(jīng)過加藥泵進(jìn)行加藥處理，再進(jìn)入過濾罐過濾，最后將經(jīng)過處理的污水輸出主要技術(shù)要求主（1）控制三相分離器上油室、水室的液位恒定。（2）監(jiān)測(cè)三相分離器上油室、水室的液位、溫度、壓力及報(bào)警、（3）監(jiān)測(cè)遍布整個(gè)戰(zhàn)區(qū)的氣體濃度及報(bào)（4）監(jiān)測(cè)倆個(gè)沉降罐的油室、水室的液位、溫度、壓力及報(bào)警。（5）監(jiān)測(cè)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(gè)泵的起、停，顯示其運(yùn)行狀況及報(bào)警。（6）監(jiān)測(cè)凈化油罐

10、、污水緩沖罐，過濾罐、加熱爐的溫度及液位及報(bào)警。3 系統(tǒng)控制儀表的選型由前面分析可知，監(jiān)控系統(tǒng)可以采用一臺(tái)工控機(jī)，下面鏈接PID控制表和研華ADAM4000或者ADAM5000系列模塊來構(gòu)成。1）兩臺(tái)四相分離器油室，水室的液位恒定控制總共有4路PID控制，可選擇4路單路PID表，也可選擇SWP-ND105-010-23-N PID自整定控制儀，可對(duì)溫度、壓力、液位、速度等測(cè)量信號(hào)進(jìn)行數(shù)字量顯示控制(高亮度LED數(shù)碼顯示)及相對(duì)模擬量顯示(光柱顯示)，使測(cè)量值的顯示更為清晰直觀，并可選擇雙光柱顯示?？筛鶕?jù)被控對(duì)象自動(dòng)演算出最佳PID控制參數(shù)。2）由于所有氣體濃度監(jiān)測(cè)和液位、溫度、壓力信號(hào)比較重要

11、，必須要在現(xiàn)場(chǎng)控制柜顯示，所以要選擇用控制柜上的顯示儀。這些顯示儀可以選擇單路顯示儀，也可以選擇昌暉公司的SWPLCDM型SWP-RMD808多通道巡檢控制儀，該儀表可以輪流顯示十六路模擬數(shù)據(jù)。3）剩余6路DI信號(hào)和12路DO信號(hào)，可以選擇研華模塊來完成。由于數(shù)字量輸出去控制泵的啟停，所以輸出模塊最好選用繼電器輸出型，可以省去后接的驅(qū)動(dòng)繼電器。所以我們選用一個(gè)ADAM4052模塊和兩快ADAM-4068模塊。4)如果儀表接口選擇RS232C接口型，則每個(gè)串口只能接一塊儀表，所以上面儀表和模塊都選用了RS485接口型，這樣子某一儀表就可以接同一個(gè)串口上。一般工控機(jī)都是有兩個(gè)串口，我們可以把所有昌

12、暉公司的儀表接在一個(gè)串口，把所有研華公司的ADAM4000系列的模塊接在一個(gè)串口，計(jì)算機(jī)通過模塊以及儀表內(nèi)地址區(qū)分不同設(shè)備。但是計(jì)算機(jī)是RS232C接口，而儀表是RS485接口，所以還如要兩個(gè)ADAM4520模塊。5）系統(tǒng)還需要選用工控機(jī)、打印機(jī)、UPS等其他設(shè)備。6）系統(tǒng)還需要操作系統(tǒng)軟件和組態(tài)編程軟件。PLCSM322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(biāo)可用于連接電磁閥，接觸器，小功能電機(jī)、燈和電機(jī)啟動(dòng)器數(shù)字量輸出模塊將S7-300的內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)化為控制過程所需的外部信號(hào)電平16路增強(qiáng)數(shù)字量輸出模塊額定

13、負(fù)載電壓，輸出范圍為20.4-28.8V輸出電流，信號(hào)為0是電流為0.5MA,信號(hào)為1時(shí)-60時(shí)的電流為0.5MARS-232C接口SM323數(shù)字量輸入/輸出模塊 主要性能與指標(biāo)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(jī)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(hào)電平也可將S7-300的內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)化為控制過程的外部數(shù)字量電平RS-232C接口4 監(jiān)控系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)4.1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 監(jiān)控系統(tǒng)采用一臺(tái)研華工控機(jī)，21寸LCD和工業(yè)平板顯示器，帶有UPS電源的A3幅面彩印噴墨打印機(jī)。系統(tǒng)采用儀表監(jiān)控系統(tǒng)。 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)泵及分離器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制如圖所示。

14、監(jiān)控系統(tǒng)輸入輸出原理圖及監(jiān)控系統(tǒng)方案硬件示意圖如下ups 21寸彩顯 打印機(jī) 研華工控機(jī) 昌暉系列 昌暉系列 昌暉系列 昌暉系列 儀表溫度 儀表壓力 儀表液位 儀表PID監(jiān)控儀 監(jiān)控儀 監(jiān)控儀 監(jiān)控儀圖41 系統(tǒng)硬件示意圖打印機(jī)21寸工業(yè)平板彩色顯示器 UPS研華工控機(jī) RS-232ADAM4520 RS-485昌暉SWP-RMD808液位檢測(cè)儀昌暉SWP-RMD808壓力檢測(cè)儀昌暉SWP-ND105-010-23-N PID自整定控制儀昌暉SWP-RMD808溫度檢測(cè)儀 圖42 監(jiān)控系統(tǒng)輸入輸出原理圖某油田油庫監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備清單序號(hào)類別名稱型號(hào)技術(shù)要求數(shù)量1計(jì)算機(jī)部分工控主機(jī)研華IPC610P

15、IV1.8/521MDRAM/40G/1.4M/50X1臺(tái)19寸彩顯19寸LCD19寸工業(yè)平板顯示器1臺(tái)UPS電源山特3KVA3KVA 0.5小時(shí)1臺(tái)彩色打印機(jī)惠普A3,彩色噴墨打印機(jī)1臺(tái)2控制器板卡部分和儀表部分AI板卡研華PCI-171332個(gè)模擬量輸入通道一塊AO板卡研華PCI-17214個(gè)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(shè)定/顯示精度；+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(cè)量精度：0.5%ES，測(cè)量范圍：-19999999字，8路輸入，4路輸出一

16、塊信號(hào)轉(zhuǎn)換器研華ADAM-4520RS-232到RS-485轉(zhuǎn)換器一塊3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(tái)小型操作臺(tái)西儀橫河西儀橫河計(jì)算機(jī)專用操作平臺(tái)一臺(tái)四監(jiān)控系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì) 根據(jù)此油庫的工藝流程可知系統(tǒng)需要監(jiān)控各個(gè)泵、分離器加熱爐的液位、溫度、壓力、氣體濃度，以及監(jiān)測(cè)及各個(gè)泵運(yùn)行狀況顯示。其中 液位、溫度、壓力、氣體濃度等信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的變送器后都會(huì)轉(zhuǎn)換為與現(xiàn)場(chǎng)最大、最小值對(duì)應(yīng)的 420mA電流信號(hào)，都是模擬量輸入信號(hào)。各個(gè)泵運(yùn)行狀況對(duì)應(yīng)數(shù)字量輸入信號(hào)。 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(gè)泵的

17、運(yùn)行狀況及啟停顯示都是數(shù)字量輸入信號(hào)。可以采用西門子的數(shù)字量輸入模塊。當(dāng)前液位的信號(hào)接入PCI-1713總線的隔離高速模擬量輸入卡，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，系統(tǒng)I/O點(diǎn)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(hào)設(shè)備名稱總點(diǎn)數(shù) 控制要求AIAODIDO1計(jì)量器16來油的溫度、壓力2*4=8溫度、壓力控制2*4=82兩個(gè)汽油罐6溫度、壓力、液位3*2=6 3兩個(gè)柴油罐6溫度、壓力、液位3*2=64一個(gè)來油泵4泵前后的壓力2控制泵的起、停 1泵運(yùn)行情況顯示 1 5 站區(qū) 16氣體濃度監(jiān)測(cè) 16合計(jì)58 38 8 1 1表2-2 模擬量I/O點(diǎn)參數(shù)表I/O位號(hào)變量名稱變量說明I/O類型工程單位信號(hào)類型量程上限量程下限報(bào)警上限報(bào)警下限偏差報(bào)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(hào)AO mA 100 0 80 30 10 50 表2-3 數(shù)字量I/O點(diǎn)參數(shù)表I/O位號(hào)變量