集油站安全监控系统硬件设计四采用PLC方案.docx
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集油站安全监控系统硬件设计四采用PLC方案
目录
1绪论1
1.1集油站简介1
1.2集油站布局1
1.3计算机监控系统1
1.4集油站计算机监控1
1.5计算机监控系统的主要特点2
1.6集油站监控目标及要求2
2系统总体方案设计3
2.1集油站安全监控总体要求3
2.2集油站安全监控系统各部分的功能3
2.3集油站主要工艺技术指标4
3监控系统硬件设备选型6
3.1常用PLC介绍6
3.1.1PLC的基本概念6
3.1.2PLC的基本结构6
3.1.3PLC的工作原理7
3.1.4PLC的特点7
3.2常用PLC参数8
3.2.1SM322数字量输出模块8
3.2.2SM323数字量输入/输出模块8
3.3其他硬件参数9
3.3.1研华工控主机9
3.3.2显示器9
3.4集油站安全监控系统PLC选型及原则10
3.5集油站安全监控系统所选设备的性能10
4监控系统详细设计11
4.1系统监控方案设计11
4.2集油站安全监控系统输入输出原理图11
4.3集油站安全监控系统输入输出硬件图12
4.4集油站监控系统设备清单12
5总结14
参考文献15
1绪论
1.1集油站简介
原油集油站将各个采油队输送过来的原油进行油气水分离、油水分离、原油存储、原油加热及外输、污水处理等，实现对来油气、出油气的计算、盘库。
原油集油站内主要分成原油处理和污水处理两大工艺流程，另外还包括消防、天然气密闭、大罐抽气、阴极保护等小等小的工艺流程。
1.2集油站布局
集油站将开采的原油集中进行管线运输，进行油罐存储，完成对来油、输油及有关储油量得计算、存盘管理。
在此过程中，对含水的原油要进行脱水工艺处理，这样形成了原油集输的若干个工艺处理过程。
集油站是油田原油集输生产过程中最重要的生产工艺过程。
它是集发油、卸油等多个工艺系统为一体的综合性生产过程，主要包括输油脱水，污水浅处理、污水深处理、注水、锅炉和配电等生产岗位或工艺环节。
在集油站安全监控系统中，采用下位机硬件控制和上位机软件监视构架。
在下位机控制系统中，通过PLC可编程逻辑控制器来采集与处理现场数字量信号和模拟量信号。
在上位机监视系统中，采用组态王软件开发人机界面，生产实时状况直观形象。
1.3计算机监控系统
所谓计算机监控就是利用传感器装置将被监控对象中的物理参量（如温度、压力、流量、液位、速度）转换为电量，并且在计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而时操作人员能够直观而迅速的了解被监控对象的变化过程。
通过应用计算机监控技术，可以稳定和优化生产工艺，提高产品质量，降低能源和原材料的消耗，降低生产成本。
还可以降低劳动强度。
计算机监控系统可以由一下几个部分组成：
计算机（含可视话的人机界面）、输入输出装置（板卡），监测、变送机构。
设计原则有可靠性原则、使用方便原则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。
主要特点是实时性，可靠性，较强的输入输出能力，应用软件丰富。
1.4集油站计算机监控
随着油田开发进入高含水后期，工艺过程更加复杂，采用人工监控和常规仪表监控已很难满足生产要求。
上世纪九十年代，计算机控制开始应用于联合站生产过程，并取得了一定的应用效果。
但由于在方案选型、设计和管理维护等方面存在一些问题，总的来讲，应用效果不够理想。
目前集油站生产工艺过程的控制主要有人工监测控制、常规仪表自动监测控制、计算机监测控制等三种方法。
人工监测控制是由岗位操作人员根据检测仪表反映的工艺参数变化情况，凭经验对生产过程进行人工控制，其工作效率和安全系数都很低，已不能满足较高的工业过程控制的要求。
常规仪表控制采用各种检测和控制仪表实现对现场各种工艺参数的采集处理、显示、报警和调节控制，保证生产过程的高效、安全和平稳运行。
这种控制方式已在集油站中得到了广泛的应用。
计算机监测控制是从上世纪七十年代迅速发展起来的一种功能强大的现代工业过程控制方法。
它采用计算机技术与自动化仪表相结合，对工业生产过程中的各种工艺参数进行处理、运算、显示和控制。
相对于常规仪表控制，它可以提供更为复杂的控制算法，通过对各种相关参数进行综合分析，实现协调管理和优化控制。
综上所述，在集油站中，如何合理选择、设计安全可靠和便于维护的计算机监控系统，保证油田生产的平稳运行和优化控制，实现节能降耗和安全生产，提高生产管理水平，是目前自动化技术在油田生产应用中面临的重要课题。
1.5计算机监控系统的主要特点
1）实时性，对工业生产过程进行实时在线监测与控制，按优先级进行采集和输出调节，保证被控系统的正常运行。
2）可靠性，在较恶劣的工作现场长期工作的能力，据有良好的故障诊断和维护性。
3）较强的输入/输出能力，可与工业现场的检测仪表和控制装置相连接，完成各种测量控制任务。
4）应用软件丰富，目前计算机监控系统以WINDOWS做工作平台，系统软件、应用软件丰富，可提供良好的人机界面，特别傻组件软件更为用户提供了方便。
1.6集油站监控目标及要求
本课程设计研究目的是针对集油站发油、装油、卸油等工艺过程的分析，进行监控系统的硬件设计，同时对系统的适应性进行研究，建立一套具有实际应用能力的监控系统。
本次设计应达到以下目标和要求：
1）能及时地，正确地对运行设备的运行参数和运行状况做出全监测，预防和消除事故隐患。
2）对设备和运行状况进行必要的指导，提高设备运行的安全性、可靠性和有效性，把运行设备发生事故的概率降低到最低水平，将事故造成的损失减低到最低程度。
3）通过对运行设备进行监测、隐患分析和性能评估等，为设备的结构修改、设计优化和安全运行提供数据和信息。
2系统总体方案设计
2.1集油站安全监控总体要求
油田集油站是油气集输系统的主要环节，它是由脱水转油、污水处理、注水系统三大部分组成，而脱水转油部分则是联合站的重要组成部分，脱水转油部分具生产连续，多工序关联和工艺设备复杂的特点。
集油站的主要产品是原油，当原油合格时才能外输，而原油含水率是检验原油质量的重要标准，计算机结合自动化仪表形成的监控系统能够有效的提高产品质量、增强工作效率、减轻工作负担，且性能可靠、价格比较低，已经被大家接受。
为适应竞争日趋激烈的能源市场，研究适合集油站生产过程的监控系统，对生产装置的关键回路及主要工艺流程参数进行实时采集和动态监视，同时将生产过程系统与信息管理系统紧密结合起来，实现生产与管理的信息集成，己成为集油站自动化改造的迫切需求。
针对集油站安全监控系统的要求，设计了工控机通过通讯转换器组成的分布式监控系统。
由PLC负责采集现场数据并且传输到上位机。
上位机作为管理机构，负责文件管理、数据库维护、报表自生成并定时打印。
下位机PLC要对现场进行测量、采集信息。
并通过线路送到主机，由上位机完成数据处理的任务，根据下位机传送来的信息，上位机自动生成各种报表，并在指定时间打印输出，从而将繁重的数据处理任务交给上位机完成，大大减轻了下位机的负担，以便更好地进行各个子系统的数据采集和控制功能，保证系统的可靠性和精度。
这次设计采用PLC来采集与控制现场数据，通过I/O模块控制器，将现场的模拟或数字信号传输到工控机中，通过显示器显示出现场采集的数据。
在控制系统中应配有工控机，以提高监控系统可靠性。
工艺流程图如图1-1示。
图1-1某集油站工艺流程
2.2集油站安全监控系统各部分的功能
储油区：
储油区又称油罐区，是集油站储存油品的区域，也是集油站的核心部分，安全上需要特别注意。
这个区首要任务是保证储油安全，防止火灾和泄露。
主要设施有油罐、油罐附属建筑物、岗亭、消防水池、消防间等。
根据储油种类，可选拱顶罐和浮顶罐。
公路作业区：
大多数集油站作业都是铁路来油，再通过公路用汽车罐车向外发油，它发放对象为用户或加油站。
这个区主要设施有汽车加卸油设备、罐桶间、高架罐、油泵房、工具器材库、消防水池等。
辅助生产区：
集油站内还需要有相应的一些辅助设施，如锅炉房、变配电间、材料库、消防泵房、机修间、及污水处理设备等。
这些设施是保证集油站正常运转不可缺少的，但它们在操作上又是独立的体系，因此把这些设施相对的集中在一个区域，既便于管理，又利于安全。
2.3集油站主要工艺技术指标
根据集油站的工艺流程和各个设备的工作原理，整个监控系统需要处理：
1）控制三相分离器上油室、水室的液位恒定。
2）监测三相分离器上油室、水室的液位、温度、压力及报警。
3）监测俩个沉降罐的油室、水室的液位、温度、压力及报警。
4）监测脱水泵、脱水器、加药泵、污水外输泵、外输泵各自前后的压力，控制各个泵的起、停，显示其运行状况及报警。
5）监测净化油罐、污水缓冲罐，过滤罐、加热炉的温度及液位及报警。
6）监测遍布整个战区的气体浓度及报警。
根据集油站的流程图，先要列出统计出系统的I/O点数，系统的I/O点数如表所示：
表2-1系统I/O点数列表
序号
设备名称
总点数
控制要求
AI
AO
DI
DO
1
一次沉降罐
10
沉降罐的温度、压力、液位
2*3=6
沉降罐液位恒定控制
1*4=4
2
二次沉降罐
10
沉降罐的温度、压力、液位
2*3=6
沉降罐液位恒定控制
1*4=4
3
脱水泵
5
泵前后的压力
2
泵的起停控制
2
泵的运行状态
1
4
加药泵
5
泵前后的压力
2
泵的起停控制
2
泵的运行状态
1
5
污水外输泵
5
泵前后的压力
2
泵的起停控制
2
泵的运行状态
1
6
外输泵
5
泵前后的压力
2
泵的起停控制
2
泵的起停控制
1
7
脱水器
2
脱水器液位、温度
2
8
污水缓冲罐
2
污水缓冲罐液位、温度
2
9
过滤罐
2
过滤罐的液位、温度
2
10
加热炉
2
加热炉的液位、温度
2
11
两个净化罐
4
净化罐的温度、压力
2*2=4
12
站区
10
气体浓度检测
10
合计
62
42
8
4
8
由于点数太多，仅列出部分I/O点数参数表，其他基本类同
表2-2模拟量I/O点数参数表
I/O位号
变量说明
I/O类型
正常状态
信号类型
信号上限
信号下限
逻辑极性
2-2
输油泵起动
D/O
1
V
24
0
正
2-3
输油泵运行状态
D/I
1
V
24
0
正
表2-3数字量I/O点数参数表
I/O
位号
变量名称
变量说明
I/O类型
正常状态
信号类型
信号上限
信号下限
逻辑极性
2-1
C1QD
脱水泵
启动
DO
1
V
24
0
正
2-2
C1ZK
脱水泵
运行状况
DI
1
V
24
0
正
3监控系统硬件设备选型
3.1常用PLC介绍
PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
3.1.1PLC的基本概念
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。
PLC自1969年美国数据设备公司研制出现，现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。
3.1.2PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
a.电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
b.中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
c.输入输出接口电路
现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
3.1.3PLC的工作原理
当PLC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，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1）输入采样阶段。
在输入采样阶段，PLC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。
2）用户程序执行阶段。
在用户程序执行阶段PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序。
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。
即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
3）输出刷新阶段。
当扫描用户程序结束后，PLC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PLC的真正输出。
3.1.4PLC的特点
1）功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。
现代PLC所具有的功能及其各种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以方便、灵活地组成不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。
以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。
2）使用方便，编程简单。
采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。
PLC的运用能够做到在线修改程序，改变控制的方案而无需拆开机器设备。
它能在不同环境下运行，可靠性十分强悍。
3）安装简单，容易维修。
PLC可以在各种工业环境下直接运行，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，写入程序即可运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
PLC还有强大的自检功能，这为它的维修提供了方便。
4）抗干扰能力和可靠性能力都强。
远高于其他各种机型。
隔离和滤波，是抗干扰的两大主要措施。
对PLC的内部电源还采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。
另外使输入/输出接口电路的电源彼此独立，以免电源之间的干扰。
正确的选择接地地点和完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。
为适应工作现场的恶劣环境，还采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构。
通过以上措施，保证了PLC能在恶劣环境中可靠工作，使平均故障间隔时间长，故障修复时间短。
5）环境要求低。
PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。
这是PLC产品的市场生存价值。
6）易学易用。
PLC是面向工矿企业的工控设备，接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
PLC编程大多采用类似继电器控制电路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此，很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
3.2常用PLC参数
3.2.1SM322数字量输出模块
该模块是德国西门子公司生产的S7-300PLC系列数字量输出模块，为16通道的数字量输出模块。
如图3-1。
主要性能与指标：
1）可用于连接电磁阀，接触器，小功能电机、灯和电机启动器；
2）数字量输出模块可将S7-300的内部信号电平转化为控制过程外部信号电平；
3）16路增强数字量输出模块；
4）额定负载电压，输出范围为20.4-28.8V输出电流，信号为0是电流为0.5MA,信号为1时-60℃时的电流为0.5MA。
3.2.2SM323数字量输入/输出模块
主要性能与指标：
1）8通道的数字量输入/输出模块；
2）可用于连接开关、2总线近开关，小功率电机等；
3）可将控制过程的外部数字量电平转化为S7-300的内部信号电平；
4）也可将S7-300的内部信号电平转化为控制过程的外部数字量电平。
图3-1SM322图3-2SM323
3.3其他硬件参数
3.3.1研华工控主机
主要性能与指标：
1）IPC-610专为冲击、震动、高温等恶劣环境设计；
2）支持14槽ISA/PCI底板；
3）支持四个前端抽取磁盘驱动器和一块内置硬盘；
4）1个带防尘过滤网的86CFM风扇。
3.3.2显示器
主要性能与指标：
1）带21寸LCD和VGA/Video/S-Video/DVI端口的工业平板显示器；
2）21寸SXGATFTLCD分辨率达到1280*1024；
3）输入信号自动识别；
4）最高亮度可达250cd/m2；
5）多扫描功能：
支持SXGA，XGA，SVGA和文本模式；
6）支持多信号输入：
VGA,DVI,Video和S-Video；
7）不锈钢机箱，符合NEMA4/IP65标准的防锈前面板；
8）支持面板安装，壁挂式安装，机架安装和VESA悬臂安装。
图3-3研华工控主机图3-4显示器
3.4集油站安全监控系统PLC选型及原则
在PLC选型中，工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
PLC及有关设备应是集成的、标准的、按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型。
所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。
熟悉可编程控制器、功能表图及有关的编程语言，有利于编程时间，因此，过程设计选型时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求。
然后根据控制要求，估算输入输出点数，所需存储器容量、确定PLC功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系数。
综上所述，我考虑使用Siemens的S7-300PLC。
3.5集油站安全监控系统所选设备的性能
S7-300是模块化小型PlC系统，能满足中等性能要求的应用。
其模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。
集油站安全监控系统组成：
1）中央处理单元（CPU）：
各种CPU有不同的性能，例如，有的CPU上集成有PROFIBUS—DP通讯接口等；
2）信号模块（SM）：
用于数字量和模拟量输入／输出；
3）通讯处理器（CP）：
用于连接网络和点对点连接；
4）功能模块（FM）：
用于高速计数，定位操作（开环或闭环定位）和闭环控制；
5）负载电源模块（PS）：
用于将SIMATICS7—300连接到120／230V交流电源，或24／48／60／110V直流电源；
6）接口模块（1M）：
用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。
S7—300通过分布式的主机架（CR）和3个扩展机架（ER），可以操作多达32个模块。
4监控系统详细设计
4.1系统监控方案设计
监控系统采用一台研华工控主机，配21寸飞利浦彩显，带有USB电源的A3幅面彩色喷墨打印机。
系统选用四路PID控制仪完成对四相分离器油室、水室的液位恒定控制。
现场所有模拟输入量都先接入昌辉公司十六路巡检仪，然后计算通过RS-485总线与巡检仪及PID控制仪通信，将现场数据采集进计算机。
现场所有数字量都通过研华公司ADAM4000系列仪表采集和输出，通过RS-485总线，计算机通过研华ADAM-4025模块读入现场泵的运行状态，再通过研华ADAM-4068模块输出现场泵的启停指令。
监控系统方案硬件示意图及监控系统输入
系统还需要选用打印机、电源及显示器等其他设备，这里我们选用惠普彩色喷墨打印机、山特3KVA型UPS电源。
4.2集油站安全监控系统输入输出原理图
图4-1监控系统输入输出原理图
4.3集油站安全监控系统输入输出硬件图
图4-2监控系统输入输出硬件图
4.4集油站监控系统设备清单
表4-4集油站监控系统设备清单
序号
类别
名称
型号
技术要求
数量
1
计
算
机
部
分
工控
主机
研华IPC610
PIV1.8/521MDRAM/40G/1.4M/50X
1台
19寸彩显
19寸LCD
21寸工业平板显示器
1台
UPS电源
山特3KVA
3KVA0.5小时
1台
彩色打印机
惠普
A3,彩色喷墨打印机
1台
2
控制器板卡部分和仪表部分
AI板卡
研华PCI-1713
32个模拟量输入通道
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