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1、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
2、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、
3、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 ET2
4、00M 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讯接口将安全报警信号 传送给PLG由PLC进行实时报警处理，并为今后安全联锁机制预留接口。止匕外， 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
5、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。PLCT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
6、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。PLCM用Siemens CPU315-2DP编程控制器，通过CPUD以连接分布 式站点ET20味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Pro巾bus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，
7、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
8、，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?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
9、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奠块配置如下： 开关量输入模块，SM321 DI32X24V, 6块；开关量输出模块，SM322 DO8Relay , 8块；模拟
10、量输入模块，SM331 AI8Xl6bit , 10块；模拟量输入模块，SM332 AO8Xl2bit , 4块；RS485I行通彳9模块CP341, 1块；高频计数模块FM350-2, 1块。液 位仪表选用珠峰ZYGr 101电子智能光导液位计。PLO!过CP34件行通信模块，采 用RS-485总线协议方式读取数据。质量流量计选用太航LZLB-8型质量流量计测 量管道流量。PLC!过FM350-2W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。4.1.1 PLC与液位仪表的通信PLC!过CP34校照约定的RS-485串行通信协与珠峰ZYG-101光导液位计 通信，获取
11、各油罐的液位和温度。CP341!信处理器是Siemen於司提供的低成本 高性能串行通信解决方案，具有 RS-232(V. 24)、20 mA(TTY刖RS-422/RS- 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ZYGH101,进行罐内油品液位和温度测量， 该仪表 由二次表ZYG-A10侪口一次表ZYG-B101两部分组成。10个罐装有10台一次表ZYG 一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-
12、485总线协议输出结果。如上图所示， CP3411过R*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-485总线控制网 络。在PL0M件组态中设定波特率1 200 bps、8位数据位、1位结束位、无奇偶校 验、异步ASCII码通信方式。PLC!过CP34向光导液位计二次表ZYG-A10我送查 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-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01
13、0 kHz之间，不易采用开关量模块计数，故采用专用计数模块FM350-2!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” 100 ms。另外，质量流量计中组态单位
14、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20 g ,正常工作频率在3 kHz左右。4.1.3 泵、阀控制PLC佥测现场泵、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!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
15、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:监控计量软件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。止匕外，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
16、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。止匕外，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 . 359 8 0. 000 81
17、pt )(t 20) k Pt , (1)式中：p20为20c时的标准密度，kg/m ;pt为视密度，kg/m ;t为温度，C;k为修正系数，在020 C问每5c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PLCA-B品牌系列控制器美国Rockwell公司服务器操作系统Microsoft Windows 2000Server （中义版）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- 101河北珠峰仪器仪表设备 有限公司质重濡里计太航LZLB 8型太原太航流量工程有限 公司分布式IOET200M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:监控计量层/ 以太网1#操作站2#操作站现场总线