1、西安石油大學課程設計電子工程學院安全工程專業自0801班題目計算機控制技術課程設計油庫安全監控系統硬件設計九（采用儀表、PLC方案）生張滿倉指導老師徐竟天二。年十二月計算機控制技術課程設計任務書題目油庫安全監控系統硬件設計九（米用儀表、PLC方案）學生姓名二張滿倉學號2專業班級自0803設計內容與要求起止時間2011年12月19日至2011年12月25日課程設計主要完成某油庫安全監控系統硬件設計。要求運用已學過各類傳感器、輸入輸出模塊、工控計算機、現場總線等的知識，完成安全監控系統硬件方案、設備選型、總體設計等各功能的設計。要求熟悉相關計算機安全監控系統的硬件組成與設計方案，學會計算機監控系統

2、硬件設計的步驟和方法，具有初步設計小型計算機安全監控系統硬件方案的能力。課程設計內容及基本要求如下：1. 熟悉油庫工藝流程、監控目標及監控要求。2. 學會常用的監控系統I/O硬件（各類板卡、智能儀表、智能模塊、PLC等）參數及使用，了解其工作原理。3. 學會不同自動化設備廠家各類板卡、智能儀表、智能模塊、PLC等的選型，能用所選廠家硬件搭建符合工藝流程和監控目標的硬件系統。4. 完成監控系統硬件方案設計，畫出原理圖。5. 課程設計時間一周，完成課程設計報告。指導教師簽名系（教研室）主任簽名學生簽名目錄1緒論.11.1 油庫.11.2 計算機監控系統的介紹21.3 計算機監控系統的主要特點與原則

3、31.3.1 主要特點.31.3.2 設計原則31.4 某油田油庫監控系統的硬件設計31.4.1 油庫簡介3.1.4.2 油庫的工藝流程與主要技術指標4.2系統總體方案設計.63硬件系統設備選型.83.1 主機部分.83.1.1 研華工控主機.83.1.2 顯示器.83.2 PLC.83.2.1 SM322數字量輸出模塊.83.2.2 SM323數字量輸入/輸出模塊93.3 儀表103.3.1 SWP-LCD-M概述1.03.3.2 SWP-LCD-M技術指標103.3.3 SWP-LCD-M工作原理1.1其他設備124監控系統詳細設計.145結論.166參考文獻.1緒論隨著科學技術的不斷進步

4、，特別是工業控制技術的飛速發展，我們已經開始步入一個嶄新的自動化控制新時代。計算機自動監控系統已經廣泛的應用于離散過程、連續過程等各種工業自動化領域以及電力、化工、食品、水處理等各個行業。現在國內外都將計算機監控系統對油田聯合站的各個生產工藝過程進行實時監控、與數據采集等，計算機監控系統的發展為油庫的自動化監測注入了新的活力。因為油庫是油氣運輸過程中的一個重要環節，它直接關系到外輸原油的質量，其工藝特點是系統關聯緊密、操作規程嚴格、系統運行狀況復雜多變且系統過程中流程多變。所以采用計算機監控系統對其工藝過程進行實時監控可以有效的提高生產率、減少事故發生率、降低工人的勞動強度。本文主要針對油庫發

5、油、卸油等工藝過程介紹了其計算機監控系統硬件以及軟件的設計。1.1油庫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的若十個工藝處理過程。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，油庫生產實施自動化監控已經迫在眉睫。油庫是油田集輸的重要組成部分，油庫是實現油的安全儲存，保證運輸的油質量的重要過程,它直接關系到后一級單位

6、如加油站的運作能否長期、安全平穩生產,對整個油從開采到投產使用的整個流程的經濟效益有極大的影響。隨著油田開發進入高含水后期，油庫工藝過程更加復雜，采用人工監控和常規儀表監控已很難滿足生產要求。油庫是油田原油集輸生產運輸中最重要的生產工藝過程，它是集發油、卸油等多個工藝系統為一體的綜合性生產過程，主要包括輸油脫水、污水淺處理、污水深處理、注水、鍋爐和配電等生產崗位或工藝環節。上世紀九十年代,計算機控制開始應用于聯合站生產過程,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，油庫生產工藝過程的控制主要有人工監測控制、常規儀表自動監測控制

7、、計算機監測控制等三種方法。人工監測控制是由崗位操作人員根據檢測儀表反映的工藝參數變化情況,憑經驗對生產過程進行人工控制，其工作效率和安全系數都很低，已不能滿足較高的工業過程控制的要求。常規儀表控制采用各種檢測和控制儀表實現對現場各種工藝參數的采集處理、顯示、報警和調節控制，保證生產過程的高效、安全和平穩運行。這種控制方式已在油庫生產中得到了廣泛的應用。計算機監測控制是從上世紀七十年代迅速發展起來的一種功能強大的現代工業過程控制方法。它采用計算機技術與自動化儀表相結合，對工業生產過程中的各種工藝參數進行處理、運算、顯示和控制。相對于常規儀表控制，它可以提供更為復雜的控制算法，通過對各種相關參數

8、進行綜合分析，實現協調管理和優化控制。綜上所述，在油庫生產過程中，如何合理選擇、設計安全可靠和便于維護的計算機監控系統，保證油庫生產的平穩運行和優化控制，實現節能降耗和安全生產，提高生產管理水平，是目前自動化技術在油田生產應用中面臨的重要課題。1.2計算機監控系統的介紹計算機監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。任何一個計算機監控系統的設計與開發基本上由六階段組成的。既：可行性研究、初步設計、詳細設計、系統設施、系統測試和系統運行。當然，這六個階段并不是完全按照直線順序進行的。在任何

9、一個階段出現了問題都可以返回到前面的階段進行修改。所謂計算機監控就是利用傳感器裝置將被監控對象中的物理參量(如溫度、壓力、流量、液位、速度)轉換為電量，并且在計算機的顯示裝置中以數字、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控對象的變化過程。通過應用計算機監控技術，可以穩定和優化生產工藝，提高產品質量，降低能源和原材料的消耗，降低生產成本。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控技術以在各個領域都有所發展。計算機監控系統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)，監測、變松機構。設計原則有可靠

10、性原則、使用方便原則、開放性原則、經濟性原則、開發周期短原則。圖1-1就是一個典型的計算機測控系統組成原理圖。1.3.1 圖1-1計算機監控系統結構圖1.3計算機監控系統的主要特點與原則主要特點(1) 實時性。對工業生產過程進行實時在線檢測與控制，按優先級進行采集和輸出調節，保證被控系統的正常運行。(2) 可靠性。具有在較為惡劣的工業現場長期工作的能力，并具有良好的故障診斷和維護性。(3) 較強的輸入/輸出能力。可與工業現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。目前大多數計算機監控系統以WINDOWS做工作平臺，系統軟件、應用軟件豐富，可提供良好的人機界面，特

11、別是組態軟件更為用戶提供了方便。1.3.2設計原則可靠性原則、使用方便原則、開放性原則、經濟性原則、開發周期短原則。1.4某油田油庫監控系統的硬件設計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的若十個工藝處理過程，如下圖：1.4.2油庫的工藝流程與主要技術指標分離器流程。從各個采油隊輸送過來的原油首先通過計量器計量后乂進入聯合站的油氣水三相分離器，在這里實現氣體和液體的分離。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

12、體從下部流出進入一次沉降罐。油罐區流程。油罐區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，而將水輸到污水區，進行污水處理。經過一次沉降罐的原油流入二次沉降罐繼續進行油水分離，這之后的原油已經含水很少了，然后原油進入加熱爐加熱和脫水器脫水。經過加熱和脫水后的原油進入凈化油罐，等待外輸。(1) 加熱爐流程。從油罐區二次沉降罐輸送過來的原油在這里經過加熱，以利于原油的輸送，然后送到脫水器脫水。原油外輸流程。經過加熱和脫水處理的原油含水已經很少，通過原油外輸泵將原油輸送出聯合站。污水處

13、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，然后經過加藥泵進行加藥處理，再進入過濾罐過濾，最后將經過處理的污水輸出根據聯合站的工藝流程和各個設備的工作原理,整個監控系統需要處理：(1) 控制三相分離器上油室、水室的液位恒定。(2) 監測三相分離器上油室、水室的液位、溫度、壓力及報警。(3) 監測遍布整個戰區的氣體濃度及報監測倆個沉降罐的油室、水室的液位、溫度、壓力及報警。(4) 監測脫水泵、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。(5) 監測凈化油罐、污水緩沖罐，過濾罐、加熱爐的溫度及液位及報警

14、。2系統總體方案設計根據此油庫的工藝流程可知系統需要監控各個泵、分離器加熱爐的液位、溫度、壓力、氣體濃度，以及監測及各個泵運行狀況顯示。其中液位、溫度、壓力、氣體濃度等信號經過相應的變送氣后都會轉換為與現場最大、最小值對應的420MA!流信號，都是模擬量輸入信號。各個泵運行狀況對應數字量輸入信號。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字量輸入信號。可以采用西門子的數字量輸入模塊。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，調節泵的轉速來控制油室、水室的液位恒定。根據油庫的流程圖，先要列出統計出系統

15、的I/O點數，系統的I/O點數如表1所小.系統I/O點數通過歹0表的形式歹0舉如下表。序號設備名稱總點數控制要求AIAODIDO1耳TTMW16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=63兩個柴油罐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15站區16氣體濃度監測16合計5838811表2-1油庫監控系統I/O變量表在詳細統計完I/O點數后，還要列寫每個點的參數表，參數表中每一個值都必須與現場完全對應，在此僅模擬兩個：表2-2模擬量I/O點參數表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

16、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AImmA10091151-2QYGK汽油罐液位控制信號AOCmA100080301050表2-3數字量I/O點參數表I/O位號變量名稱變量說明I/O類型正常狀態信號類型信號上限信號下限邏輯極性2-1LYB來油泵啟動DO1V240正2-2LYBK來油泵運行情況DI1V240正3系統監控碩件選型與介紹3.1主機部分在聯合站工業生產現場，腐蝕性氣體多，且需要計算機24小時連續不斷地運行，因此對生產現場的設備較其他行業要求更高。所以針對主機，我們選擇由我國臺灣省研華公司生產的IPC-610H型工控機，該機適合于對數據的收集，處理有極高專業

17、要求的行業，能給各行業提供高性能、高可靠性的工業級計算機平臺。3.1.1 研華工控主機 主要特征IPC-610專為沖擊、震動、高溫等惡劣環境設計支持14槽ISA/PCI底板支持四個前端抽取磁盤驅動器和一塊內置3.5”硬盤1個帶防塵過濾網的86CFMM扇選配InterPIV2.4GMCPU西部數據80G®盤Kingston256M內存工業鍵盤及光電鼠標3.1.2顯示器帶19寸LCtJ日VGA/Video/S-Video/DVI端口的工業平板顯示器3.2.1 主要特征19寸SXGATFTLCD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SXGAX

18、GASVGAVGA日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/IP65S準的防銹前面板支持面板安裝，壁掛式安裝，機架安裝和VESAI臂安裝3.2PLCSM322數字量輸出模塊該模塊是德國西門子公司生產的S7-300PLC系列數字量輸出模塊，為16通道的數字量輸出模塊。 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。數字量輸出模塊將S7-300的內部信號電平轉化為控制過程所需外部信號電平。 16路增強數字量輸出模塊。額定負載電壓，輸出范圍為20.4-28.8V。輸出電流，信號為0時電流0.5MA，信號為1時-60C時的電流

19、0.5MA。RS-232徵口。 SM32敬字量輸入/輸出模塊主要性能與指標8通道的數字量輸入/輸出模塊。可用丁連接開關、2總線近開關，小功率電機等。可將控制過程的外部數字量電平轉化為S7-300的內部信號電平也可將S7-300的內部信號電平轉化為控制過程的外部數字量電平。 RS-232C接口。 研華工控主機主要特征IPC-610專為沖擊、震動、高溫等惡劣環境設計。支持14槽ISA/PCI底板。支持四個前端抽取磁盤驅動器和一塊內置3.5彼盤。 1個帶防塵過濾網的86CFM風扇選配InterPIV2.4GMCPU。西部數據80GM盤。 Kingston256M內存。工業鍵盤及光電鼠標。 RS-23

20、2徵口。 顯示器帶19寸LCtJ日VGA/Video/S-Video/DVI端口的工業平板顯示器主要特征19寸SXGATFTLCD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SXGAXGASVGAVGA日文本模式。支持多信號輸入：VGA,DVI,Video和S-Video。不銹鋼機箱，符合NEMA4/IP6林準的防銹前面板。支持面板安裝，壁掛式安裝，機架安裝和VESAI臂安裝。3.3儀表由丁所有氣體濃度、液位、溫度和壓力信號比較重要，必須要在現場控制柜顯示,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-陞多通道巡檢控制儀，該表

21、可以輪流顯示十六路模擬數據，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3*16-45=3路冗余。儀表都選用RS-485接口。3.3.1 SWP-LCD-K述SWP-LCD-曜路儀表適合于需要同時對多組過程參量（V16）進行集中監測，超限報警，變送輸出及遠傳的場合。SWP-LCD-曜路儀表在設計上吸納了當今電腦結構思路：硬件上采用內帶快閃存儲器的新型微處理器，擴充了大容量的數據存儲區，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，并采用了數據壓縮技術。準電腦化的結構，高度地體現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

22、設定，測量值集中顯示等難題。SWP-LCD-使路儀表在人機操作與觀察界面上都對傳統的二次儀表做了挑戰性的改革，以中文菜單引導組態操作，以集中的數據畫面顯示多路測量結果，以明確的文字信息標識畫面內容的涵義，簡潔直觀地給人以“智能”的感受。SWP-LCD-使路儀表可接16路被測信號，根據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-曜路儀表的打印接口可直接與帶有RS232申行口的打印機連接，完成定時打印，即時打印或報警打印。SWP-LCD-使路儀表的申行通訊接口可與上位機進行數據傳輸，實現記錄數據的集中管理。3.3.2 SWP-LCD-Mfc術指標輸入信號模擬量輸入：電壓0

23、5V15V電流010mA420mA輸出信號模擬量輸出：電流010mA（負載750Q）420mA（負載V500Q）電壓05V（負載A250KQ）15V（負載A250KQ）開關里車刖出：繼電器觸點容量：AC220V/3A,DC24V/5A（阻性負載）SCR輸出一-400V/0.5ASSR輸出-6-9V/0.05A饋電輸出DC24V/30m精度0.5%FS土1字或0.2%FS土1字采樣周期1秒/通道輸入回路8路或16路測量范圍-19999999字顯示方式背光式大屏幕液晶（LCD圖形顯示板顯示內容由漢字、西文、數字、工程單位等組成通過面板按鍵可完成畫面翻貞，LCD背光時間長短等操作控制方式可選擇帶回差

24、的ON/OFF控制通訊輸出RS232/485，波特率1200pbs28.8kpbs（可設置）參數設定中文菜單提示，面板按鍵設定或上位機通過通訊口設定，設定參數密碼鎖定保護方式設定參數永久保存，記錄數據斷電保存，內置Watchdog電路功耗<5W使用環境環境溫0-50C相對濕度<85%RH避免強腐蝕性氣體3.3.3 電源電壓AC220V+10-15%5060HzAC90V260V（開關電源）DC24V±2V（開關電源）SWP-LCD-IM：作原理本儀表原理如圖3-1所示，儀表以單片微處理器為基礎，通過輸入電路把模擬信號經A/D轉換器轉換成數字信號，微處理器根據采樣的結果與設

25、定內容進行計算，比較后顯示結果及輸出控制信號。圖3-1SWP-LCD-M工作原理3.4其他設備系統還需要選用打印機、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®UPS電源（不問斷電源）。某油田聯合站監控系統設備清單序號類別名稱型號技術要求數量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寸工業平板顯示器1臺UPSI源山特3KVA3KVA0.5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邰分AI板卡研華PCI-171332個模擬量輸入通道一塊AO&卡研華

26、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；+0.5%FS+1位數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：土0.5%ES,測量范圍：-19999999字，8路輸入，4路輸出一塊信號轉換器研華ADAM-4520RS-232到RS-485轉換器一塊3軟件部分操作系統Windows2000NTMicrosoftWindows2000NT一套組態軟件Kingview6.51北和控“組態王6.51”一套4控制柜儀表盤柜KG-221型儀表控制柜，2100X90

27、0X600（高X免X深），配套接線端子，端子排，匯線槽及內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4監控系統詳細設計監控系統采用一臺研華工控機，配帶19寸LCtJ日VGA/Video/S-Video/DVI端口的工業平板顯示器，帶有UP馳源的A3面彩色噴墨打印機。系統采用板卡和PLC對三相分離器和各個泵的油室、水室的液位包定控制。現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，將現場數據采集進計算機。現場所有數字量都是計算機通過研華公司的板卡PCI-1713數字量讀入現場泵的運行狀態，再通過研華公司的板卡PCI-1721輸出現場泵的啟停指令。監控系統的方案硬件示意圖4.1及監控系統的輸入輸出原理圖4.2如下圖：ups19寸彩顯打印機研華工控機西門子SM322西門子SM32316路增強DO8增強DO/DI模塊模塊48SWP-LCD-SS段PID自整控制儀SWP-LCD-MSWP-LCD-MSWP-LCD-M6路多通