1、 西安石油大学本科课程设计 西安石油大学课 程 设 计电子工程学院 自动化专业 自100X班题 目 计算机控制技术课程设计油库安全监控系统硬件设计七（采用板卡、PLC方案）学 生 指导老师 徐 竟 天 二一三年十二月 计算机控制技术课程设计任务书题 目油库安全监控系统硬件设计七（采用板卡、PLC方案）学生姓名学号专业班级设计内容与要求课程设计主要完成某油库安全监控系统硬件设计。要求运用已学过各类传感器、输入输出模块、工控计算机、现场总线等的知识，完成安全监控系统硬件方案、设备选型、总体设计等各功能的设计。要求熟悉相关计算机安全监控系统的硬件组成与设计方案，学会计算机监控系统硬件设计的步骤和方法
2、，具有初步设计小型计算机安全监控系统硬件方案的能力。课程设计内容及基本要求如下：1.熟悉油库工艺流程、监控目标及监控要求。2.学会常用的监控系统I/O硬件（各类板卡、智能仪表、智能模块、PLC等）参数及使用，了解其工作原理。3.学会不同自动化设备厂家各类板卡、智能仪表、智能模块、PLC等的选型，能用所选厂家硬件搭建符合工艺流程和监控目标的硬件系统。4.完成监控系统硬件方案设计，画出原理图。 5.课程设计时间一周，完成课程设计报告。起止时间 年 月 日指导教师签名年 月 日系（教研室）主任签名年 月 日学生签名年 月 日目录一、 绪论-4二、初步分析-8三、系统监控设备选型与介绍-9四、监控系统
3、详细设计-11五、结论-15六、参考文献-15一 绪论随着科学技术的不断进步，特别是工业控制技术的飞速发展，我们已经开始步入一个崭新的自动化控制新时代。计算机自动监控系统已经广泛的应用于离散过程、连续过程等各种工业自动化领域以及电力、化工、食品、水处理等各个行业。现在国内外都将计算机监控系统对油田油库的各个生产工艺过程进行实时监控、与数据采集等，计算机监控系统的发展为油库的自动化监测注入了新的活力。因为油库是油气运输过程中的一个重要环节，它直接关系到外输原油的质量，其工艺特点是系统关联紧密、操作规程严格、系统运行状况复杂多变且系统过程中流程多变。所以采用计算机监控系统对其工艺过程进行实时监控可
4、以有效的提高生产率、减少事故发生率、降低工人的劳动强度。本文主要针对油库发油、卸油等工艺过程介绍了其计算机监控系统硬件以及软件的设计。1.1 油库 油库的简介所谓油库是指将开采的原油集中进行管线运输，进行油罐的存储，完成对来油、输油及有关储油量的计算、盘存管理。在此过程中，对含水的原油要进行脱水工艺处理，这样就形成了原油集输的若干个工艺处理过程。在开采原油时，我国的很多油田都是中后期开采，油田由于注水所开发出的原油含有较多的水分，目前一般为5080，有的甚至高达90，因此需要将原油中所含的水用各种方法分离出来。随着我国自动化水平的提高，油库生产实施自动化监控已经迫在眉睫。油库是油田集输的重要组
5、成部分，油库是实现油的安全储存，保证运输的油质量的重要过程，它直接关系到后一级单位如加油站的运作能否长期、安全平稳生产，对整个油从开采到投产使用的整个流程的经济效益有极大的影响。 随着油田开发进入高含水后期，油库工艺过程更加复杂，采用人工监控和常规仪表监控已很难满足生产要求。油库是油田原油集输生产运输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。上世纪九十年代，计算机控制开始应用于油库生产过程，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
6、效果不够理想。目前，油库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。这种控制方式已在油库生产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
7、、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，在油库生产过程中，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，保证油库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。1.2机算机监控系统的介绍计算机监控技术时一门综合性的技术。他是计算机及技术（包括软件技术，接口技术，通信技术，网络技术，显示技术）、自动控制技术、自动检测技术和传感技术的综合应用。任何一个计算机监控系统的设计与开发基本上由六阶段组成的。既：可行性研究、初步设计、详细设计、
8、系统设施、系统测试和系统运行。当然，这六个阶段并不是完全按照直线顺序进行的。在任何一个阶段出现了问题都可以返回到前面的阶段进行修改。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。还可以降低劳动这的强度，并且提高管理水平，从而带来极大的社会效益。正因为如此计算机监控技术以在各个领域都有所发展。计算机监控系统可以由一下几个部分组成：
9、计算机（含可视话的人机界面）、输入输出装置（板卡），监测、变松机构。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。图1-1就是一个典型的计算机测控系统组成原理图。图1-1计算机监控系统结构图1.3计算机监控系统的主要特点与原则 主要特点（1）实时性。对工业生产过程进行实时在线检测与控制，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。具有在较为恶劣的工业现场长期工作的能力，并具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。目前大多数计算机监控系统以WINDO
10、WS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，特别是组态软件更为用户提供了方便。设计原则可靠性原则、使用方便原则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。1.4某油田油库监控系统的硬件设计14.1油库简介 所谓油库是指将开采的原油集中进行管线运输，进行油罐的存储，完成对来油、输油及有关储油量的计算、盘存管理。在此过程中，对含水的原油要进行脱水工艺处理，这样就形成了原油集输的若干个工艺处理过程，如下图：1.4油库的工艺流程与主要技术指标（1）分离器流程。从各个采油队输送过来的原油首先通过计量器计量后又进入油库的油气水三相分离器，在这里实现气体和液体的分离。原油从分离器一端进入，然
11、后天然气从另一端上部流出进行天然气外输，而油水混合的液体从下部流出进入一次沉降罐。（2）油罐区流程。油罐区的储罐主要的任务是进行油水分离，由一次沉降罐、二次沉降罐、净化油罐组成，分离器将油水混合液体输入一次沉降罐，一次沉降罐分离出大部分的原油，并把部分天然气再行收集，而将水输到污水区，进行污水处理。经过一次沉降罐的原油流入二次沉降罐继续进行油水分离，这之后的原油已经含水很少了，然后原油进入加热炉加热和脱水器脱水。经过加热和脱水后的原油进入净化油罐，等待外输。（3）加热炉流程。从油罐区二次沉降罐输送过来的原油在这里经过加热，以利于原油的输送，然后送到脱水器脱水。（4）原油外输流程。经过加热和脱水
12、处理的原油含水已经很少，通过原油外输泵将原油输送出油库。污水处理工艺流程。在这一流程里，从一次沉降罐过来的污水首先进入缓冲罐，将含有的残留天然气进行收集，然后经过加药泵进行加药处理，再进入过滤罐过滤，最后将经过处理的污水输出根据油库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）监测遍布整个战区的气体浓度及报（4）监测俩个沉降罐的油室、水室的液位、温度、压力及报警。（5） 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。（6）
13、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。二初步分析 根据此油库的工艺流程可知系统需要监控各个泵、分离器加热炉的液位、温度、压力、气体浓度，以及监测及各个泵运行状况显示。其中 液位、温度、压力、气体浓度等信号经过相应的变送气后都会转换为与现场最大、最小值对应的 420MA电流信号，都是模拟量输入信号。各个泵运行状况对应数字量输入信号。 控制分离器上油室、水室的液位恒定可以采用板卡来控制。各个泵的运行状况及启停显示都是数字量输入信号。可以采用西门子的数字量输入模块。当前液位的信号接入PCI-1713总线的隔离高速模拟量输入卡，与人工设置的定值相比较，通过分析，调节泵的转速来控制
14、油室、水室的液位恒定。 根据油库的流程图，先要列出统计出系统的I/O点数，系统的I/O点数如表1所示. 系统I/O点数通过列表的形式列举如下表。表2-1 油库监控系统I/O变量表序号设备名称总点数 控制要求AIAODIDO1计量器16来油的温度、压力2*4=8温度、压力控制2*4=82两个汽油罐6温度、压力、液位3*2=6 3两个柴油罐6温度、压力、液位3*2=64一个来油泵4泵前后的压力2控制泵的起、停 1泵运行情况显示 1 5 站区 16气体浓度监测 16合计58 38 8 1 1在详细统计完I/O点数后，还要列写每个点的参数表，参数表中每一个值都必须与现场完全对应，在此仅模拟两个：表2-
15、2 模拟量I/O点参数表I/O位号变量名称变量说明I/O类型工程单位信号类型量程上限量程下限报警上限报警下限偏差报警正常值1-1QYG汽油罐液位AI mmA10 0 9 1 1 5 1-2QYGK汽油罐液位控制信号AO mA 100 0 80 30 10 50 表2-3 数字量I/O点参数表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2-1LYB来油泵启动DO 1V24 0 正 2-2LYBK来油泵运行情况DI 1V 24 0 正 第3章 系统监控设备选型与介绍3.1 板卡的类型与功能3.1.1板卡 PCI-1721 板卡 PCI-1721 是一款高性能 PCI
16、 总线模拟量输出卡,每个模拟量输出通道都带有一个 12 位的双缓冲 DAC. 此输出卡具有许多强大的独特功能,比如最大更新速率为 10MHz 的波形输出功能,自动校准功能和板卡 ID 等。PCI-1721 是要求连续高速模拟量输出 或 实时波形输出应用的理想选择。 主要功能与技术指标： 4 路增强模拟量输出卡 5MHz 最大数字更新速率 PCI 总线数据传输 自动校准功能 每个模拟量输出通道带一个 12 位 DAC 带内部/外部触发的实时波形输出功能 同步输出功能 灵活的输入类型和范围设定 图3-1 PCI-1721 图3-2 板卡 PCI-1713 图3-3 板卡PCI-1755 3.1.2
17、 板卡 PCI-1713 PCI-1713 是一款 PCI 总线的隔离高速模拟量输入卡， 它提供了 32 个模拟量输 入通 道，采样频率可达 100KS/S，12 位分辨率及 2500YDC 的支流隔离保护。 主要功能与技术指标： 2500VDC 隔离保护 32 路单端或 16 路差分模拟量输入，或组合输入方式 12 位 A/D 转换分辨率 A/D 转换器的采样速率可达 100KS/S 给个输入端的增益可 编程 3.1.3板卡 PCI-1755 PCI-1755 是高速 32 通道数字量输入输出板卡，在计算机监控系统中有广泛的运用。 主要功能与技术指标： 总线控制 DMA 数据传输，支持 sa
18、tter/gather 技术 32/16/8 位模式 I/O 处理，带启/停触发功能， 2 个模式 握手 I/O 中断处理能力 板载主动终端电阻，高速和远程传输 支持模式匹配和状态改变检测中断功能 通用 8 通道数字量32常用PLC参数介绍及其工作原理西门子在大、中型PLC领域中占据着重要的地位，其推出了S7-400、S7-300、S7-200三个S7系列的可编程逻辑控制器。1） S7-400S7-400属于大中型的可编程序控制器，能满足高、中档性能范围的应用。采用模块化无风扇设计，兼顾耐用、扩展性能好、通信能力强，可以方便的实现分布式控制。电源模块（PS）电源模块的作用是连接外部电源（120
19、/230VAC或者24VDAC），为整个系统提供电源。中央处理单元（CPU）具有多种CPU可供客户选择，有些带有内置的PROFIBUS-DP接口，一个中央处理器单元可以带多个微处理器以加强其性能。I/O信号模块（SM）它包括数字量输入和输出模块，模拟量输入和输出模块。通信处理器（CP）用于实现总线连接和点到点的连接功能模块（FM）专门用于技术，定位和凸轮等控制任务。接口模块用于连接中央处理单元（主PLC）和扩展单元。一个S7-400的中央处理单元最多可以连接21个扩展单元。其中一款中央处理器的指标：型号：4174程序存储器：2MB（可扩至10MB）数据存储器：2MB（可扩至10MB）DI/ D
20、O：128KAI/AO：8K二进制指令执行时间：0.1通信接口：MPIPROFIBUS/2)S7-300S7-300系列的产品为小型PLC，能满足中等性能的应用。其中一款中央处理器的指标:型号：CPU314IFM程序存储器：32K数据存储器：48KB DI:20DO:16 AI:4AI:1二进制指令执行时间：0.30.6通信接口：MPIPRFIBUS3)S7-200S7-200系列为微型PLC,其典型的尺寸为中央处理器（CPU）:其中一款中央处理器的指标：型号：CPU212DI：8AI：4DO:8AO:2 通信接口：MPIPROFIBUS/ 第4章 监控系统详细设计 4.1 总体方案图 图4-
21、1 总体方案设计图4.2 完整系统说明4.2.1 模拟量输入/输出模块 模拟量输入输出共36路，其中模拟量输出32路，输入4路 4.2.2 数字量输入/输出模块 数字量输入输出模块各六块，分别由研华PCI-1751，PCI-1755控制。 4.2.3某油田油库监控系统硬件设备清单 表4.1 油库监控系统硬件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IPC610PIV.8/521MDRAM,40G/1.1.4M/50X 1台21寸彩显21寸CRT21寸飞利浦彩显 1台UPS电源山特3KVA3KVA 0.5小时 1台彩色打印机惠普A3 彩色喷墨打印机 1台 234 控制器板卡部
22、分转换器PLC DI 板卡研华PCI-175148为PCI总线数字量输入/输出卡DO 板卡研华PCI-175532通道数字量输入/输出板卡 1块RS232/485转换器ADAM45202块西门子S7系列S7-2004块 21寸彩显 UPS打印机研华工控主机AD/AM4520 S7-200第5章 结论 油库安全监控系统是油库管理中很重要的一部分。随着油田开发进入高含水后期，油库工艺过程更加复杂，采用人工监控和常规仪表监控已很难满足生产要求。随着计算机监控系统的出现应用，可以满足相应的技术要求。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。一般由一下
23、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），监测装置、变送机构等。本次课程设计主要是对油库进行计算机监控系统的硬件设计，其中工艺流程中分离器流程实现气液分离，油罐区加热炉等流程则实现油水分离，进而完成对原油的储存，保证油料高品质的外输。在进行硬件设计时，本次设计中采用板卡和PLC的组合对油库监控系统实时控制，同时向计算机发送数据，计算机按一定的控制规律处理数据后发出相应的指令，进而通过执行机构实现油库现场设备实时监控。通过此次课程设计，我受益匪浅。不仅学会相应板卡和PLC的规格特点、选项实际应用，还对其与计算机的链接有一定的了解，再者对一些传感器、输入输出模块、工控计算机
24、、现场总线等的知识也进一步加深了理解，融合了相关课程的知识。熟悉油库工艺流程、监控目标及要求。尤其认识到在实际应用中通过建立实时监控系统来监测设备、预防事故的重要性和优越性。为以后的工作奠定了一定的基础。 参考文献1 徐竟天，汪跃龙石油安全工程课程设计指导书西安：西安石油大学出版社，2006年8月.2 程远平，李增华消防工程学徐州：中国矿业大学出版社，2002年5月3 .张乃禄，刘灿.安全评价技术Z.西安电子科技大学出版社，2006：66-74. 4 .高层面用建筑设计防火规范Z. 北京:中国计划出版社.1995：83-91. 5.杨琦. 自动喷水灭火技术的发展. 给水排水, 1997:44-46. 6.何小阳.计算机监控原理及技术Z.重庆大学出版社，2003：20-32. 7.GBJ116-88火灾自动报警系统设计规范 8. GB50045-95中国高层民用建筑设计防火规范9.GBJ16-87建筑设计防火规范10.GB50116-98火灾自动报警系统设计规范15
