最新油库仪表自动化控制系统.docx

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最新油库仪表自动化控制系统

油库仪表自动化控制系统

油库自动化控制系统

设计报告

姓名：

鲁金明

班级：

油气1201

学院：

能动学院

一,研究背景

目前，我国的油库罐区自动化监控与国外相比，总体水平较低。

罐数据还主要依靠人工测量、读取和录入；工艺生产很多还是人工开阀、手动控泵。

系统不仅存在监控不及时、人为误差大，还有随意性强、可靠性不高等缺点，因此，很多油库罐区都在进行以摆脱传统监控方式、作业方法，建立便捷、先进、可靠的监控系统为目的的自动化改造。

油库储油罐区是油料保障的重要储存基地,具有分布空间范围广、安全防爆要求高、监控点多、布线复杂,自动化系统的水平和垂直集成难度大的特点。

围绕储油罐区自动监测、计量和管理,采用先进测控与管理技术,设计储油罐区监测控制与数据采集系统,改善油罐测量劳动强度大、作业环境差、管理手段落后的现状,已成为目前油库自动化建设的一项重要内容。

实时、准确、可靠、经济地采集点多面广的储油罐监控信息,实现大范围的数据共享;基于多参数实时数据,进行智能分析、处理,进一步提高计量精度;基于监控信息及数据,进行储油罐区油料平衡分析,提高储油罐区安全管理的智能化水平等。

油库罐区自动化监控系统运用现代信息化、自动化技术，方便、快捷地了解现场设备实时运行情况及历史生产信息，为生产调度决策提供可靠的数据依据；同时还能迅速、及时地对现场设备进行有效控制，从而提高作业效率。

二，系统目标

1，实现对储油罐的液位、温度、压力等数据的全方位实时监测；

2，实现罐区泵房油泵运行工况实时监测，并对其中的出口油泵实行点动控制操作以及油料发放实行远程联动控制操作；

3，实现罐区油料收发业务管理的网上作业，并与监控服务器组成罐区油库综合管理系统局域网；

4，实现筑罐区电视监控系统。

三，系统构成与技术简介

1系统构成

油库罐区监控自动化系统由采集控制层和监控计量层通过现场总线连接而成，监控计量层通过服务器与以太网相连。

油库罐区监控自动化系统，主要监测和控制的设备为：

储油罐、油泵、管道、油阀和油料计量设备。

其中对储油罐的监测，采用Siemens公司的cpu15-2DP进行集中数据采集，然后将采集的储油罐工况数据送PLC和ET200M。

cpu15-2DP可以同时扫描监测所有油罐，进行数据交换和操作，收发操作数据由油料收发工作站通过已有的光缆发送到罐区监测服务器进行数据存储和处理。

对于泵房油泵设备以及对于油路管道上的油阀的监测和控制，通过专门配置的变送器或执行机构，以直接I/O的方式相连。

在控制层中，主要以PLC可编程逻辑控制器为中心，负责对泵房设备和管道设备的实时监测控制，同时，cpu15-2DP通过MODBUS通讯接口将安全报警信号传送给PLC，由PLC进行实时报警处理，并为今后安全联锁机制预留接口。

此外，在控制层中，配置Siemens公司的cpu15-2DP负责接收ZYG-A101从传送过来的储油罐实时数据，进行计算后，向信息层转发油罐油位、平均温度、标准体积、质量等数据。

系统网络结构如下图所示：

2系统技术简介

采集控制层主要由现场工艺设备、仪器仪表、可编程逻辑控制器及现场总线组成，实现对油库罐区工艺和资源的测控。

油库罐区工艺设备由油罐和管道两部分组成。

油罐涉及光导液位计、Ptl00和压力传感器等仪表；管道涉及质量流量计、温度传感器和压力传感器等仪表，这些仪表共同用来采集现场数据。

同时，管道上安装泵、阀等执行机构用于工艺流程控制。

采用基于可编程序控制器（PLC）的测控方案，确保系统的高可靠性。

PLC可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

PLC选用SiemensCPU315-2DP可编程控制器，通过CPU的DP口连接分布式站点ET200来拓展系统具有两个分布机架。

罐上数据接主机架，管道信号接扩展机架。

为增强与操作站计算机之间的通信能力，在采集控制层中插有通信处理器CP342-5，监控计量层计算机中插有CP5611网卡，通过Profibus现场总线将两者连接起来构成网络。

监控计量层由两台监控计量操作站组成，基于iFix组态软件开发。

具有工艺流程监控、资源数据监督、数据计算、趋势图查询、系统报警及用户管理等功能。

同时，由于采用精确计量算法（精度小于万分之二）进行数据处理，操作站计量精度很高。

两台监控计量操作站互为备用，监控油库罐区现场工艺，计量现场数据。

本设计中采用基于PLC的可编程逻辑控制器，当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

一、输入采样阶段

在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

二、用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

三、输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。

四，设计方案

4.1采集控制层设计方案

采集控制层主要由现场工艺设备、仪器仪表、可编程逻辑控制器及现场总线组成，可以获取各油罐液位、温度、压力，管道的流量、温度、压力等数据，采集泵、阀状态并对其进行有效控制。

为满足采集与控制需要，PLC模块配置如下：

开关量输入模块，SM321，DI32×24V，6块；开关量输出模块，SM322，DO8×Relay，8块；模拟量输入模块，SM331，AI8×16bit，10块；模拟量输入模块，SM332，AO8×12bit，4块；RS485串行通信模块CP341，1块；高频计数模块FM350-2，1块。

液位仪表选用珠峰ZYG一101电子智能光导液位计。

PLC通过CP341串行通信模块，采用RS一485总线协议方式读取数据。

质量流量计选用太航LZLB一8型质量流量计测量管道流量。

PLC通过FM350-2高频计数模块以脉冲方式读入。

与标准电流方式采集相比提高了数据的准确性。

4.1.1PLC与液位仪表的通信

PLC通过CP341按照约定的RS一485串行通信协议与珠峰ZYG一101光导液位计通信，获取各油罐的液位和温度。

CP341通信处理器是Siemens公司提供的低成本高性能串行通信解决方案，具有RS-232（V．24）、20mA（TTY）和RS一422／RS一485（X．27）三种不同传输接口，可以实现ASCII码、3964（R）和打印机驱动三种通信协议。

罐区装有光导液位计ZYG一101，进行罐内油品液位和温度测量，该仪表由二次表ZYG—A101和一次表ZYG—B101两部分组成。

10个罐装有10台一次表ZYG—B101，按内部协议方式传递液位、温度信号给控制室的一台二次表ZYG—A101（每台最多可接30台一次表），二次表轮询显示10个罐的液位和温度，并以标准RS一485总线协议输出结果。

如上图所示，CP341通过RS一485总线与光导液位计二次表ZYG—A101相连，总线两端接人120终端电阻，构成RS一485总线控制网络。

在PLC硬件组态中设定波特率1200bps、8位数据位、1位结束位、无奇偶校验、异步ASCII码通信方式。

PLC通过CP341向光导液位计二次表ZYG-A101发送查询命令，液位计返回应答信息，从而获得10个罐的液位、温度数据。

4.1.2流量脉冲数据获取

太航LZLB一8型质量流量计提供标准电流和脉冲输出，为保证测量流量的准确性，采用流量脉冲的频率和个数分别获得管道质量流量的瞬时值和累积值。

由于脉冲频率较高、范围在0～10kHz之间，不易采用开关量模块计数，故采用专用计数模块FM350-2进行频率测量和脉冲计数。

罐区入口和出口各装有一台LZLB-8型质量流量计，分别将其脉冲输出信号线接至FM350-2模块，其中入口流量计脉冲信号接0和1通道；出口流量计脉冲接2和3通道。

硬件组态FM350-2使0和2通道工作于“频率测量”模式以得到瞬时流量；1和3通道工作于“循环计数”模式以得到累积流量。

在“频率测量”模式下，“时问窗”参数太大，瞬时数据平稳但“实时性”不强；“时间窗”参数太小，瞬时数据“实时性”强但数据波动较大，经综合考虑、调试，设定频率测量“时问窗”100ms。

另外，质量流量计中组态单位脉冲代表质量流量的大小对计数精度影响较大，若该值太大，单位质量对应脉冲少或频率值较低，分度过大造成计数精度低；该值过小，单位质量对应脉冲多或频率高，又可能丢失脉冲造成流量精度差，经综合考虑、调试，质量流量计单位脉冲设定为20g，正常工作频率在3kHz左右。

4.1.3泵、阀控制

PLC检测现场泵、阀状态、各油罐液位，依据油库工艺逻辑、发出信号有效控制泵、阀。

如某罐处于进油状态：

入口阀开、入口泵运行，同时不断检测油罐液位，当液位高于高限时，PLC自动停泵、关阀。

4.2监控计量层设计方案

监控计量层采用iFix组态软件、依据精确的计量算法开发而成，包含两台互为备用的操作站。

具有工艺流程监控、资源数据监督、数据计算、趋势图查询、报警及用户管理等功能。

4.2.1软件结构

软件结构如下图所示：

4.2.2软件简介

工艺流程图展示罐区油品分布、工艺流向及设备的运行状态，管道里液体流向、温度、压力大小，以及泵、阀的工作状态等。

此外，通过工艺流程画面还能按照工艺要求进行有效控制。

资源数据包括库区单罐图、巡检图及总体资源。

单罐图显示了每个油罐的详细信息；巡检图从总体角度显示油罐的几个主要参数；总体资源图按照不同标准（如油品类型、罐类型等）进行总体参数统计、显示。

仪表测量只能得到油位高度和温度，而实际生产要根据这些数据计算出油品的体积和质量等相关数据。

这就需要依据高精度的计量算法进行数据计算和处理，并将运算结果通过实时画面、历史曲线等方式生动地表现出来。

此外，系统还有趋势图查询、系统报警及用户管理等功能。

计量算法主要包括：

罐容计算（高度到体积）、视标准密度转换、温度及压力修正等算法。

其中标准密度又是油品进行其他相关后续运算的基础，精度关系整个计量算法精度。

通常，罐容计算、温度体积修正都有固定的算法；而视密度到标准密度转换要通过查表获得，对某种油品，根据测得的温度和视密度，查《石油计量表》得到它的标准密度。

由于查表存在较多的不便，因此我们给出标准密度与视密度、温度关系的经验算法，公式如下：

P20=Pt+（1．3598—0．00081pt）（t一20）一kPt，

（1）

式中：

p20为20℃时的标准密度，kg／m；

pt为视密度，kg／m；

t为温度，oC；

k为修正系数，在0～20oC问

每5℃分段给出。

实际测试表明，通过该算法处理得到的结果与查《石油计量表》相比误差小于万分之一，从而保证了整个计量算法精度很高（精度小于万分之二）。

五，设备型号与参数

设备名称

设备型号

生产厂家

PLC

A-B品牌系列控制器

美国Rockwell公司

服务器操作系统

MicrosoftWindows2000Server（中文版）

美国微软公司

通信处理器

CP341通信处理器

Siemens公司

光导液位计

ZYG一101

河北珠峰仪器仪表设备有限公司

质量流量计

太航LZLB一8型

太原太航流量工程有限公司

分布式IO

ET200M

西门子公司

可编程控制器

CPU315-2DP

西门子公司

RS-485总线

国产

系统结构图如下