基于現(xiàn)場總線的油庫監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)

1、基于現(xiàn)場總線的油庫監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)    【摘要】：面對油庫傳統(tǒng)設(shè)備多的現(xiàn)實，在我國油庫自動化水平亟待提高的背景下，應(yīng)用基于現(xiàn)場總線的Siemens自動化技術(shù)構(gòu)建了油庫監(jiān)控系統(tǒng)。介紹了PROFIBUS現(xiàn)場總線與ASi總線的特點、長處以及它們在整個SCADA系統(tǒng)中所處的不同位置和所起的不同作用，從而兩者集成而構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)不僅使得通信、控制更趨流暢、有效，而且使得對現(xiàn)場安全情況的監(jiān)視更加可靠，另一方面，本監(jiān)控系統(tǒng)適合我國油庫設(shè)備現(xiàn)狀，并且已成功應(yīng)用于油庫。關(guān)鍵【摘 要】：面對油庫傳統(tǒng)設(shè)備多的現(xiàn)實，在我國油庫自動化水平亟待提高的背景下，應(yīng)用基于現(xiàn)場總線

2、的Siemens自動化技術(shù)構(gòu)建了油庫監(jiān)控系統(tǒng)。介紹了PROFIBUS現(xiàn)場總線與ASi總線的特點、長處以及它們在整個SCADA系統(tǒng)中所處的不同位置和所起的不同作用，從而兩者集成而構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)不僅使得通信、控制更趨流暢、有效，而且使得對現(xiàn)場安全情況的監(jiān)視更加可靠，另一方面，本監(jiān)控系統(tǒng)適合我國油庫設(shè)備現(xiàn)狀，并且已成功應(yīng)用于油庫。關(guān)鍵詞：油庫監(jiān)控系統(tǒng) PROFIBUS ASi總線 主、從站l 前言油庫作為協(xié)調(diào)原油生產(chǎn)和加工、成品油運輸及供應(yīng)的紐帶，發(fā)揮著重要的作用，其業(yè)績優(yōu)劣、效率高低將直接影響到石油企業(yè)的整體效益。然而在我國，油庫自動化水平與石油能源被重視程

3、度相比還有較大距，如：自動化設(shè)備少，生產(chǎn)管理過程還依賴人工監(jiān)測、作業(yè)，人員龐大，效率不高；自動化程度低，設(shè)備功能單一，智能化儀表應(yīng)用不夠，系統(tǒng)間集成困難，數(shù)據(jù)分散；采用傳統(tǒng)信號傳輸方式，增加了傳統(tǒng)儀、管線的安裝、敷設(shè)工程量，同時加大了現(xiàn)場維護(hù)、防爆的難度。油庫一般位于較空曠的地方，占地面積較大，罐區(qū)分散，相距較遠(yuǎn)，且遠(yuǎn)離主控室，在油庫監(jiān)控中需對現(xiàn)場層的油泵閥位進(jìn)行控制以有效地控制進(jìn)出油品；對于儲罐溫度以及油霧密度、罐壁壓力等有嚴(yán)格的限制，對現(xiàn)場進(jìn)行電視監(jiān)控，從而可確保工作現(xiàn)場的安全性。由于工作環(huán)境的分散和現(xiàn)場突發(fā)事件后果嚴(yán)重的特點，所以不允許太長的檢修時滯存在，這樣就制約了人工的實時檢修，也產(chǎn)

4、生了我們需要的“集中管理、分散控制、及時報修”的控制系統(tǒng)功能要求。在輸轉(zhuǎn)油料時主要需對油庫的閥位狀態(tài)和油品流量進(jìn)行檢測，在儲存期間采集油料液位、溫度、密度、壓力等參數(shù)，同時將在罐區(qū)所測的一系列物理量參數(shù)在控制室的工控機(jī)上顯示出來，輔以信息流暢通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成統(tǒng)一的MIS系統(tǒng)，以利于油庫的管理。面對日益激烈的國際能源市場競爭，在石化企業(yè)安全事故頻發(fā)的背景下，迫切要求油庫提高效率、加快周轉(zhuǎn)，加強(qiáng)安全管理，提高自動化水平，以油庫信息化、自動化的技術(shù)手段構(gòu)建一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、處理平臺，最終優(yōu)化石油企業(yè)整體功能，增強(qiáng)其綜合競爭力。2 油庫監(jiān)控系統(tǒng)工程概況2.1 油庫介紹油庫是接卸

5、、儲存、供應(yīng)油品的基地，而原油有易爆、易燃、易揮發(fā)、易聚積靜電等屬性，所以庫區(qū)范圍大，路線遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致監(jiān)控站遠(yuǎn)離各罐區(qū)現(xiàn)場的作業(yè)層，這樣就需要現(xiàn)場的信息能夠及時有效地傳輸?shù)奖O(jiān)控站，便于主站迅速給出指令。總的來講，依照工廠自動化系統(tǒng)的架構(gòu)，整個油庫可分為3個不同層次，即底層作業(yè)層、監(jiān)控層和管理層。作業(yè)層包括現(xiàn)場的監(jiān)控設(shè)備、自動檢測、自動控制系統(tǒng)，具體實施包括計量、收、發(fā)油品的運作過程，油罐自動檢測控制部分、油庫現(xiàn)場視頻安全、油氣報警設(shè)備。監(jiān)控層在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，收集作業(yè)部分采集的數(shù)據(jù)和信息，提供系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)控平臺，滿足集中管理的要求，為最高部分的管理層系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，支持日常業(yè)務(wù)管理和決策。油庫管理系統(tǒng)

6、結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文所述油庫共設(shè)6×1000m3儲罐，彼此相距數(shù)百米，對于每個罐區(qū)，都有自動付油系統(tǒng)、罐區(qū)儲油計量系統(tǒng)、油氣泄漏監(jiān)控報警裝置和視頻監(jiān)控、噴淋降溫設(shè)備，現(xiàn)場的儀器儀表較為復(fù)雜。2.2 罐區(qū)檢測設(shè)備及控制對象如上所述，6個罐區(qū)中的每一個都具有油罐液位檢測裝置、溫度測量裝置，使用磁致伸縮式液位計測量液位，用熱電阻作為溫度感應(yīng)探頭；為了避免溫度過高使油罐內(nèi)的油品油質(zhì)變劣和保證油霧密度在本質(zhì)安全范圍內(nèi)，要求溫度被控制在低于35，為此，設(shè)置自動噴淋裝置，同時配套電機(jī)、水池等，這些組成罐區(qū)自動測量單元；在接卸、輸送油料過程中，使用流量計精確測量油料的質(zhì)量，質(zhì)量流量計的精度

7、和綜合性能較好，不僅可以測量流量和理論質(zhì)量還可測量油料的密度、壓力等參數(shù)。使用數(shù)字式電磁閥控制油料收發(fā)，同時配以防溢油開關(guān)實現(xiàn)定量以減少油氣損耗，為防止輕質(zhì)油由于氣溫變化在輸送過程中出現(xiàn)氣泡對儀表的測量精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，在流量計前安裝消氣過濾器以保證測量精度，在現(xiàn)場還配以IC卡讀寫器進(jìn)行用戶自助發(fā)油，這些組成接卸、輸送單元；在安全保護(hù)報警方面，應(yīng)用防雷、防靜電接地開關(guān)。設(shè)置安全檢測裝置，在罐區(qū)、泵房、閥門間等疑似可燃?xì)怏w泄漏點加設(shè)可燃油氣報警裝置、高阻漏油檢測裝置，以消除隱患。另外罐區(qū)還有數(shù)個不同角度的攝像頭，進(jìn)行動態(tài)監(jiān)視，多幅視頻圖像可以通過同軸電纜與切換器、監(jiān)視器相聯(lián)，這樣主控室可以全

8、面把握各罐區(qū)現(xiàn)場圖像動態(tài)信息，為采取消防措施作出迅速反應(yīng)，這些組成安全監(jiān)控及超限報警單元。以上就是現(xiàn)場的一些檢測系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，均選用較為先進(jìn)的產(chǎn)品，并根據(jù)安裝的環(huán)境要求具有相應(yīng)的防護(hù)等級。3 油庫監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)方案3.1 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是隨數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場而興起的工業(yè)控制系統(tǒng)的新型通訊標(biāo)準(zhǔn)，它有如下優(yōu)點：數(shù)字化，用于生產(chǎn)管理的企業(yè)局域網(wǎng)與自動控制的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)緊密銜接，數(shù)字信號精度高、抗干擾能力強(qiáng)，整個系統(tǒng)可靠性高；全分布式，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備智能化，系統(tǒng)分布式控制；自診斷多功能智能化現(xiàn)場儀表，避免了傳統(tǒng)儀表功能單一的弱點，可將自診斷信息上傳到主控室且獨立工作能力

9、強(qiáng)，提高了整個系統(tǒng)的可靠性和容錯能力；減少了布線工程量，設(shè)備接人總線網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)具有開放性和互操作性，符合國際標(biāo)準(zhǔn)的不同廠商的產(chǎn)品可集成使用，降低了控制系統(tǒng)的成本。3.2 應(yīng)用基于PROFIBUS的西門子全集成自動化技術(shù)構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)依據(jù)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點和適用范圍，結(jié)合本工程的實際狀況和技術(shù)要求，采用PROFIBUS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。圖2為監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。本系統(tǒng)是由一整套以PLC為核心、開放式現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)為主體架構(gòu)的計算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具體分為3個層次：管控主站層；庫區(qū)PROFIBUSDP主干網(wǎng)絡(luò)層；執(zhí)行器、傳感器層。3.2.1 管控主站層主站層全部采用SIEMENS

10、 PLC模塊，CPU414DP，通過CP4435模塊與網(wǎng)絡(luò)通訊。主站PLC（可以是多個不能相互控制但可以相互傳輸數(shù)據(jù)的PLC）與上層PC相聯(lián)構(gòu)成主控中心，工程師站用于各個現(xiàn)場從站的組態(tài)和維護(hù)，操作員站完成對油罐各個部分的運行監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集和其它自動檢測系統(tǒng)的調(diào)度功能。主站配備打印機(jī)用于報表打印、報警打印。整體采用C/S結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)服務(wù)器雙機(jī)熱備以增加系統(tǒng)可靠性，通過工業(yè)以太網(wǎng)與上層通訊接入整個企業(yè)辦公管理系統(tǒng)。該層是整個油庫監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度核心。3.2.2 庫區(qū)PROFIBUSDP主干網(wǎng)絡(luò)層庫區(qū)主干層采用的是PROFIBUS，選用4芯光纖，冗余連接，所有分站通過PROFIBUS

11、接入主站，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、信息的交流，每個罐區(qū)的溫度、液位、流量、管道壓力、視頻信號、電磁閥信號傳輸?shù)街髡尽?.2.3 執(zhí)行器、傳感器層ASi即執(zhí)行器傳感器接口，是一種用于在主控制器和傳感器/執(zhí)行器之間雙向交換信息的總線網(wǎng)絡(luò)，它屬于現(xiàn)場總線的底層網(wǎng)絡(luò)。通過網(wǎng)關(guān)它與PROFIBUS實現(xiàn)連接，網(wǎng)關(guān)作為上層總線的一個節(jié)點，下面可以掛接一批ASi從站。ASi總線主要用于具有開關(guān)量特征的傳感器/執(zhí)行器系統(tǒng)，傳感器可以是各種遠(yuǎn)離接近開關(guān)以及溫度、壓力、流量、液位開關(guān)等。執(zhí)行器可以是各種開關(guān)閥門，聲、光報警器，也可以是其它電器。傳感器/執(zhí)行器掛接在ASi總線上的方式分為兩種，一種是帶有ASi通信接

12、口的智能A/S，內(nèi)部裝有ASi模塊專用芯片，直接掛接到ASi總線上；另一種是分布式的，由專門的ASi接口模塊和普通的A/S連接起來。ASi電纜采用2芯扁平電纜，穿刺安裝把線壓在連接件上，簡單可靠，它是由特殊的合成橡膠作為絕緣保護(hù)層，當(dāng)它被從連接件上拔下，穿孔處自動閉合，因此可反復(fù)使用，它不僅傳輸報文，還通過網(wǎng)絡(luò)給A/S等電路提供電源。如圖3所示，ASi總線通過SIEMENS DP/ASi鏈路模塊與PROFIBUS-DP總線連接，這種耦合器是PROFIBUS-DP從控設(shè)備和AS-i的主控設(shè)備，可連接最多62個ASi從站模塊，這些從站模塊的狀態(tài)都被DP/ASi鏈路模塊的LED顯示。DP/

13、ASi鏈路模塊由ASi扁平電纜供電，無需附加電源。圖3中K45，K60模塊是防護(hù)等級為IP65/67的現(xiàn)場安裝ASi接口緊湊型模塊，有數(shù)字型、模擬型和氣動型，通過A/S連接器與傳感器/執(zhí)行器相聯(lián)。帶OLM光纖鏈路模塊的PROFIBUS-DP光纖網(wǎng)絡(luò)由于使用光信號傳輸，不會因為外部干擾場而受到損害，無接地問題，實現(xiàn)了電氣隔離，對于罐區(qū)的安全大有裨益，而且重量輕，安裝方便。OLM光纖鏈路模塊具有工業(yè)雙絞線（ITP）和FOC（光纖）接口，通過FOC接口，幾個OLM可組成如圖2的光纖環(huán)網(wǎng)。3.3 PLC的選型配置為保證技術(shù)先進(jìn)，操作簡便，方便后續(xù)的擴(kuò)建，設(shè)計采用西門子公司的S7-400系列P

14、LC產(chǎn)品，它模塊化結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展功能強(qiáng)，結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高、功能全面、運行速度快，具有強(qiáng)大的通訊能力和集成的系統(tǒng)功能，應(yīng)用方便，適用于油庫油料流量、罐壁壓力等的監(jiān)控工程。油庫數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)視多、程序控制較多，使用S7-400作為主站，通過CP443-5通信模塊與PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)通信，現(xiàn)場信號通過PROFIBUS傳至主站。S7-400可以帶電插拔輸入/輸出模塊，運行時即可更換模塊，以保證系統(tǒng)連續(xù)不間斷運行。S7400主要性能指標(biāo)如下：程序運算速度，位和整數(shù)運算0.1/s，浮點運算0.6/s；I/O功能，DI/DO：65536，AI/AO：4094；用戶內(nèi)存，128 kB用于程序，12

15、8 kB用于數(shù)據(jù)，可擴(kuò)展至15 MB；通用接口，多點接口MPI，PROFIBUSDP：12Mbit/s。3.4 軟件設(shè)置PROFIBUS-DP總線共有7個站，其中S7-400作為Master主站，其余均為Slave從站，應(yīng)用STEP7對各個站點進(jìn)行地址分配，使系統(tǒng)組態(tài)，并且對可以設(shè)置的模塊參數(shù)化，同時還要進(jìn)行通信組態(tài)，確保參數(shù)匹配正確，使網(wǎng)絡(luò)真正建立通信。工控機(jī)監(jiān)控軟件WinCC是基于人機(jī)交互式監(jiān)控系統(tǒng)，運行于Windows平臺上，其強(qiáng)大的過程接口界面和高度的安全數(shù)據(jù)存檔特性，適合于油庫流程和控制過程的操作及監(jiān)控。該軟件根據(jù)用戶建立的數(shù)據(jù)信息，把PLC信息直接連接到用戶應(yīng)用圖形上。操作人員可以通過操作畫面及流程圖，監(jiān)控油庫狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)，發(fā)出控制命令，也可進(jìn)行參數(shù)修改、故障處理復(fù)位、報表打印等，實現(xiàn)自動化管理。其主要操作畫面有：油庫工程平面總貌布置圖；油庫工藝流程及模擬靜態(tài)、動態(tài)圖；油庫工程自動控制系統(tǒng)及電氣接線圖；各個罐區(qū)參數(shù)顯示圖