油庫(kù)儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)

1、油庫(kù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告 姓名：魯 金 明 班級(jí)：油氣1201 學(xué)院：能動(dòng)學(xué)院一,研究背景目前，我國(guó)的油庫(kù)罐區(qū)自動(dòng)化監(jiān)控與國(guó)外相比，總體水平較低。罐數(shù)據(jù)還主要依靠人工測(cè)量、讀取和錄入；工藝生產(chǎn)很多還是人工開(kāi)閥、手動(dòng)控泵。系統(tǒng)不僅存在監(jiān)控不及時(shí)、人為誤差大，還有隨意性強(qiáng)、可靠性不高等缺點(diǎn)，因此，很多油庫(kù)罐區(qū)都在進(jìn)行以擺脫傳統(tǒng)監(jiān)控方式、作業(yè)方法，建立便捷、先進(jìn)、可靠的監(jiān)控系統(tǒng)為目的的自動(dòng)化改造。油庫(kù)儲(chǔ)油罐區(qū)是油料保障的重要儲(chǔ)存基地,具有分布空間范圍廣、安全防爆要求高、監(jiān)控點(diǎn)多、布線復(fù)雜,自動(dòng)化系統(tǒng)的水平和垂直集成難度大的特點(diǎn)。圍繞儲(chǔ)油罐區(qū)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、計(jì)量和管理,采用先進(jìn)測(cè)控與管理技術(shù),設(shè)計(jì)儲(chǔ)油罐區(qū)

2、監(jiān)測(cè)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),改善油罐測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差、管理手段落后的現(xiàn)狀,已成為目前油庫(kù)自動(dòng)化建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠、經(jīng)濟(jì)地采集點(diǎn)多面廣的儲(chǔ)油罐監(jiān)控信息,實(shí)現(xiàn)大范圍的數(shù)據(jù)共享;基于多參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),進(jìn)行智能分析、處理,進(jìn)一步提高計(jì)量精度;基于監(jiān)控信息及數(shù)據(jù),進(jìn)行儲(chǔ)油罐區(qū)油料平衡分析,提高儲(chǔ)油罐區(qū)安全管理的智能化水平等。油庫(kù)罐區(qū)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用現(xiàn)代信息化、自動(dòng)化技術(shù)，方便、快捷地了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行情況及歷史生產(chǎn)信息，為生產(chǎn)調(diào)度決策提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)；同時(shí)還能迅速、及時(shí)地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行有效控制，從而提高作業(yè)效率。二，系統(tǒng)目標(biāo)1，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)油罐的液位、溫度、壓力等數(shù)據(jù)的全方位實(shí)時(shí)

3、監(jiān)測(cè)；2，實(shí)現(xiàn)罐區(qū)泵房油泵運(yùn)行工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)其中的出口油泵實(shí)行點(diǎn)動(dòng)控制操作以及油料發(fā)放實(shí)行遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)控制操作； 3，實(shí)現(xiàn)罐區(qū)油料收發(fā)業(yè)務(wù)管理的網(wǎng)上作業(yè)，并與監(jiān)控服務(wù)器組成罐區(qū)油庫(kù)綜合管理系統(tǒng)局域網(wǎng)； 4，實(shí)現(xiàn)筑罐區(qū)電視監(jiān)控系統(tǒng)。三，系統(tǒng)構(gòu)成與技術(shù)簡(jiǎn)介1 系統(tǒng)構(gòu)成油庫(kù)罐區(qū)監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)由采集控制層和監(jiān)控計(jì)量層通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接而成，監(jiān)控計(jì)量層通過(guò)服務(wù)器與以太網(wǎng)相連。油庫(kù)罐區(qū)監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)，主要監(jiān)測(cè)和控制的設(shè)備為：儲(chǔ)油罐、油泵、管道、油閥和油料計(jì)量設(shè)備。其中對(duì)儲(chǔ)油罐的監(jiān)測(cè)，采用Siemens公司的cpu15-2DP進(jìn)行集中數(shù)據(jù)采集，然后將采集的儲(chǔ)油罐工況數(shù)據(jù)送PLC和ET200M。cpu15-2D

4、P可以同時(shí)掃描監(jiān)測(cè)所有油罐，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和操作，收發(fā)操作數(shù)據(jù)由油料收發(fā)工作站通過(guò)已有的光纜發(fā)送到罐區(qū)監(jiān)測(cè)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。對(duì)于泵房油泵設(shè)備以及對(duì)于油路管道上的油閥的監(jiān)測(cè)和控制，通過(guò)專(zhuān)門(mén)配置的變送器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以直接I/O的方式相連。在控制層中，主要以PLC可編程邏輯控制器為中心，負(fù)責(zé)對(duì)泵房設(shè)備和管道設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，同時(shí)，cpu15-2DP通過(guò)MODBUS通訊接口將安全報(bào)警信號(hào)傳送給PLC，由PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警處理，并為今后安全聯(lián)鎖機(jī)制預(yù)留接口。此外，在控制層中，配置Siemens公司的cpu15-2DP負(fù)責(zé)接收Z(yǔ)YG-A101從傳送過(guò)來(lái)的儲(chǔ)油罐實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算后，向信息層轉(zhuǎn)發(fā)油罐

5、油位、平均溫度、標(biāo)準(zhǔn)體積、質(zhì)量等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示：監(jiān)控計(jì)量層 管道油罐監(jiān)控計(jì)量層1#操作站2#操作站Cpu315-2DPET200M壓力液位溫度壓力溫度流量ZYG-A101以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)脈沖信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)2 系統(tǒng)技術(shù)簡(jiǎn)介采集控制層主要由現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備、儀器儀表、可編程邏輯控制器及現(xiàn)場(chǎng)總線組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)油庫(kù)罐區(qū)工藝和資源的測(cè)控。油庫(kù)罐區(qū)工藝設(shè)備由油罐和管道兩部分組成。油罐涉及光導(dǎo)液位計(jì)、Ptl00和壓力傳感器等儀表；管道涉及質(zhì)量流量計(jì)、溫度傳感器和壓力傳感器等儀表，這些儀表共同用來(lái)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。同時(shí)，管道上安裝泵、閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于工藝流程控制。采用基于可編程序控制器

6、(PLC)的測(cè)控方案，確保系統(tǒng)的高可靠性 。PLC可編程邏輯控制器，它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC選用Siemens CPU315-2DP可編程控制器，通過(guò)CPU的DP口連接分布式站點(diǎn)ET200來(lái)拓展系統(tǒng)具有兩個(gè)分布機(jī)架 。罐上數(shù)據(jù)接主機(jī)架，管道信號(hào)接擴(kuò)展機(jī)架。為增強(qiáng)與操作站計(jì)算機(jī)之間的通信能力，在采集控制層中插有通信處理器CP342-5，監(jiān)控計(jì)量層計(jì)算機(jī)中插有CP561 1網(wǎng)卡，通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線將兩者連接起來(lái)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控計(jì)量層由兩臺(tái)監(jiān)控計(jì)

7、量操作站組成，基于iFix組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)。具有工藝流程監(jiān)控、資源數(shù)據(jù)監(jiān)督、數(shù)據(jù)計(jì)算、趨勢(shì)圖查詢(xún)、系統(tǒng)報(bào)警及用戶(hù)管理等功能 。同時(shí)，由于采用精確計(jì)量算法(精度小于萬(wàn)分之二)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，操作站計(jì)量精度很高。兩臺(tái)監(jiān)控計(jì)量操作站互為備用，監(jiān)控油庫(kù)罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)工藝，計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中采用基于PLC的可編程邏輯控制器，當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶(hù)程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱(chēng)作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。一、輸入采樣階段在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀

8、態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶(hù)程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。二、用戶(hù)程序執(zhí)行階段在用戶(hù)程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶(hù)程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)

9、位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。三、輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶(hù)程序結(jié)束后，可編程邏輯控制器就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是可編程邏輯控制器的真正輸出。四，設(shè)計(jì)方案4.1采集控制層設(shè)計(jì)方案采集控制層主要由現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備、儀器儀表、可編程邏輯控制器及現(xiàn)場(chǎng)總線組成，可以獲取各油罐液位、溫度、壓力，管道的流量、溫度、壓力等數(shù)據(jù)，采集泵、閥狀態(tài)并對(duì)其進(jìn)行有效控制。為滿(mǎn)足采集與控制需要，PLC模塊配置如下：開(kāi)關(guān)量輸入模塊，SM321，DI3

10、2×24V，6塊；開(kāi)關(guān)量輸出模塊，SM322，DO8×Relay，8塊；模擬量輸入模塊，SM331，AI8×16bit，10塊；模擬量輸入模塊，SM332，AO8×12bit，4塊；RS485串行通信模塊CP341，1塊；高頻計(jì)數(shù)模塊FM350-2，1塊。液位儀表選用珠峰ZYG一101電子智能光導(dǎo)液位計(jì)。PLC通過(guò)CP341串行通信模塊，采用RS一485總線協(xié)議方式讀取數(shù)據(jù)。質(zhì)量流量計(jì)選用太航LZLB一8型質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量管道流量。PLC通過(guò)FM350-2高頻計(jì)數(shù)模塊以脈沖方式讀入。與標(biāo)準(zhǔn)電流方式采集相比提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。4.1.1 PLC與液位儀表的通

11、信PLC通過(guò)CP341按照約定的RS一485串行通信協(xié)議與珠峰ZYG一101光導(dǎo)液位計(jì)通信，獲取各油罐的液位和溫度。CP341通信處理器是Siemens公司提供的低成本高性能串行通信解決方案，具有RS-232(V24)、20 mA(TTY)和RS一422RS一485(X27)三種不同傳輸接口，可以實(shí)現(xiàn)ASCII碼、3964(R)和打印機(jī)驅(qū)動(dòng)三種通信協(xié)議。罐區(qū)裝有光導(dǎo)液位計(jì)ZYG一101，進(jìn)行罐內(nèi)油品液位和溫度測(cè)量，該儀表由二次表ZYGA101和一次表ZYGB101兩部分組成。10個(gè)罐裝有10臺(tái)一次表ZYGB101，按內(nèi)部協(xié)議方式傳遞液位、溫度信號(hào)給控制室的一臺(tái)二次表ZYGA101(每臺(tái)最多可接

12、30臺(tái)一次表)，二次表輪詢(xún)顯示10個(gè)罐的液位和溫度，并以標(biāo)準(zhǔn)RS一485總線協(xié)議輸出結(jié)果。如上圖所示，CP341通過(guò)RS一485總線與光導(dǎo)液位計(jì)二次表ZYGA101相連，總線兩端接人120終端電阻，構(gòu)成RS一485總線控制網(wǎng)絡(luò)。在PLC硬件組態(tài)中設(shè)定波特率1 200 bps、8位數(shù)據(jù)位、1位結(jié)束位、無(wú)奇偶校驗(yàn)、異步ASCII碼通信方式。PLC通過(guò)CP341向光導(dǎo)液位計(jì)二次表ZYG-A101發(fā)送查詢(xún)命令，液位計(jì)返回應(yīng)答信息，從而獲得10個(gè)罐的液位、溫度數(shù)據(jù)。4.1.2 流量脈沖數(shù)據(jù)獲取太航LZLB一8型質(zhì)量流量計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)電流和脈沖輸出 ，為保證測(cè)量流量的準(zhǔn)確性，采用流量脈沖的頻率和個(gè)數(shù)分別獲得管

13、道質(zhì)量流量的瞬時(shí)值和累積值。由于脈沖頻率較高、范圍在010 kHz之間，不易采用開(kāi)關(guān)量模塊計(jì)數(shù)，故采用專(zhuān)用計(jì)數(shù)模塊FM350-2進(jìn)行頻率測(cè)量和脈沖計(jì)數(shù)。罐區(qū)入口和出口各裝有一臺(tái)LZLB-8型質(zhì)量流量計(jì)，分別將其脈沖輸出信號(hào)線接至FM350-2模塊，其中入口流量計(jì)脈沖信號(hào)接0 和1 通道；出口流量計(jì)脈沖接2 和3 通道。硬件組態(tài)FM350-2使0 和2 通道工作于“頻率測(cè)量”模式以得到瞬時(shí)流量；1 和3 通道工作于“循環(huán)計(jì)數(shù)”模式以得到累積流量。在“頻率測(cè)量”模式下，“時(shí)問(wèn)窗”參數(shù)太大，瞬時(shí)數(shù)據(jù)平穩(wěn)但“實(shí)時(shí)性”不強(qiáng)；“時(shí)間窗”參數(shù)太小，瞬時(shí)數(shù)據(jù)“實(shí)時(shí)性”強(qiáng)但數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，經(jīng)綜合考慮、調(diào)試，設(shè)定頻

14、率測(cè)量“時(shí)問(wèn)窗”100 ms。另外，質(zhì)量流量計(jì)中組態(tài)單位脈沖代表質(zhì)量流量的大小對(duì)計(jì)數(shù)精度影響較大，若該值太大，單位質(zhì)量對(duì)應(yīng)脈沖少或頻率值較低，分度過(guò)大造成計(jì)數(shù)精度低；該值過(guò)小，單位質(zhì)量對(duì)應(yīng)脈沖多或頻率高，又可能丟失脈沖造成流量精度差，經(jīng)綜合考慮、調(diào)試，質(zhì)量流量計(jì)單位脈沖設(shè)定為20 g，正常工作頻率在3 kHz左右。4.1.3 泵、閥控制PLC檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)泵、閥狀態(tài)、各油罐液位，依據(jù)油庫(kù)工藝邏輯、發(fā)出信號(hào)有效控制泵、閥。如某罐處于進(jìn)油狀態(tài)：入口閥開(kāi)、入口泵運(yùn)行，同時(shí)不斷檢測(cè)油罐液位，當(dāng)液位高于高限時(shí)，PLC自動(dòng)停泵、關(guān)閥。4.2 監(jiān)控計(jì)量層設(shè)計(jì)方案監(jiān)控計(jì)量層采用iFix組態(tài)軟件、依據(jù)精確的計(jì)量算法開(kāi)

15、發(fā)而成，包含兩臺(tái)互為備用的操作站。具有工藝流程監(jiān)控、資源數(shù)據(jù)監(jiān)督、數(shù)據(jù)計(jì)算、趨勢(shì)圖查詢(xún)、報(bào)警及用戶(hù)管理等功能。4.2.1 軟件結(jié)構(gòu)軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示：監(jiān)控計(jì)量軟件數(shù)據(jù)資源數(shù)據(jù)計(jì)量工藝流程用戶(hù)管理系統(tǒng)警報(bào)趨勢(shì)圖罐流程圖設(shè)備流程圖巡檢圖總體資源罐計(jì)算器歷史曲線系統(tǒng)計(jì)量報(bào)警瀏覽用戶(hù)登錄用戶(hù)管理實(shí)時(shí)曲線單罐圖4.2.2軟件簡(jiǎn)介工藝流程圖展示罐區(qū)油品分布、工藝流向及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，管道里液體流向、溫度、壓力大小，以及泵、閥的工作狀態(tài)等。此外，通過(guò)工藝流程畫(huà)面還能按照工藝要求進(jìn)行有效控制。資源數(shù)據(jù)包括庫(kù)區(qū)單罐圖、巡檢圖及總體資源。單罐圖顯示了每個(gè)油罐的詳細(xì)信息；巡檢圖從總體角度顯示油罐的幾個(gè)主要參數(shù)；總體

16、資源圖按照不同標(biāo)準(zhǔn)(如油品類(lèi)型、罐類(lèi)型等)進(jìn)行總體參數(shù)統(tǒng)計(jì)、顯示。儀表測(cè)量只能得到油位高度和溫度，而實(shí)際生產(chǎn)要根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出油品的體積和質(zhì)量等相關(guān)數(shù)據(jù)。這就需要依據(jù)高精度的計(jì)量算法進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和處理，并將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)實(shí)時(shí)畫(huà)面、歷史曲線等方式生動(dòng)地表現(xiàn)出來(lái)。此外，系統(tǒng)還有趨勢(shì)圖查詢(xún)、系統(tǒng)報(bào)警及用戶(hù)管理等功能。計(jì)量算法主要包括：罐容計(jì)算(高度到體積)、視標(biāo)準(zhǔn)密度轉(zhuǎn)換、溫度及壓力修正等算法。其中標(biāo)準(zhǔn)密度又是油品進(jìn)行其他相關(guān)后續(xù)運(yùn)算的基礎(chǔ)，精度關(guān)系整個(gè)計(jì)量算法精度。通常，罐容計(jì)算、溫度體積修正都有固定的算法；而視密度到標(biāo)準(zhǔn)密度轉(zhuǎn)換要通過(guò)查表獲得，對(duì)某種油品，根據(jù)測(cè)得的溫度和視密度，查石油計(jì)量表得到它的標(biāo)準(zhǔn)密度。由于查表存在較多的不便，因此我們給出標(biāo)準(zhǔn)密度與視密度、溫度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)算法，公式如下：P20=Pt +(1359 80000 81pt )(t一20)一k Pt， (1)式中：p20 為20 時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)密度，kgm ；pt 為視密度，kgm ；t為溫度，oC；k為修正系數(shù)，在020 oC問(wèn)每5 分段給出。實(shí)際測(cè)試表明，通過(guò)該算法處理得到的結(jié)果與查石油計(jì)量表相比誤差小于萬(wàn)分之一，從而保證了整個(gè)計(jì)量算法精度很高(精度小于萬(wàn)分之二)。五， 設(shè)備型號(hào)與參數(shù)設(shè)備名稱(chēng)設(shè)備型號(hào)生產(chǎn)廠家PLCA-B 品牌系列控制器美國(guó)Rockwell公司