基于西門(mén)子PROFIBUS和AS–i總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)油庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、前言

油庫(kù)作為協(xié)調(diào)原油生產(chǎn)和加工、成品油運(yùn)輸及供應(yīng)的紐帶，發(fā)揮著重要的作用，其業(yè)績(jī)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(guó)，油庫(kù)自動(dòng)化水平與石油能源被重視程度相比還有較大距，如：自動(dòng)化設(shè)備少，生產(chǎn)管理過(guò)程還依賴(lài)人工監(jiān)測(cè)、作業(yè)，人員龐大，效率不高；自動(dòng)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(hào)傳輸方式，增加了傳統(tǒng)儀、管線的安裝、敷設(shè)工程量，同時(shí)加大了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、防爆的難度。

油庫(kù)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(kù)監(jiān)控中需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層的油泵閥位進(jìn)行控制以有效地控制進(jìn)出油品；對(duì)于儲(chǔ)罐溫度以及油霧密度、罐壁壓力等有嚴(yán)格的限制，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電視監(jiān)控，從而可確保工作現(xiàn)場(chǎng)的安全性。由于工作環(huán)境的分散和現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)事件后果嚴(yán)重的特點(diǎn)，所以不允許太長(zhǎng)的檢修時(shí)滯存在，這樣就制約了人工的實(shí)時(shí)檢修，也產(chǎn)生了我們需要的“集中管理、分散控制、及時(shí)報(bào)修”的控制系統(tǒng)功能要求。在輸轉(zhuǎn)油料時(shí)主要需對(duì)油庫(kù)的閥位狀態(tài)和油品流量進(jìn)行檢測(cè)，在儲(chǔ)存期間采集油料液位、溫度、密度、壓力等參數(shù)，同時(shí)將在罐區(qū)所測(cè)的一系列物理量參數(shù)在控制室的工控機(jī)上顯示出來(lái)，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(kù)的管理。

面對(duì)日益激烈的國(guó)際能源市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，在石化企業(yè)安全事故頻發(fā)的背景下，迫切要求油庫(kù)提高效率、加快周轉(zhuǎn)，加強(qiáng)安全管理，提高自動(dòng)化水平，以油庫(kù)信息化、自動(dòng)化的技術(shù)手段構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、處理平臺(tái)，最終優(yōu)化石油企業(yè)整體功能，增強(qiáng)其綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

2、油庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)工程概況

2.1 油庫(kù)介紹

油庫(kù)是接卸、儲(chǔ)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(kù)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(chǎng)的作業(yè)層，這樣就需要現(xiàn)場(chǎng)的信息能夠及時(shí)有效地傳輸?shù)奖O(jiān)控站，便于主站迅速給出指令。總的來(lái)講，依照工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的架構(gòu)，整個(gè)油庫(kù)可分為3個(gè)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(chǎng)的監(jiān)控設(shè)備、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)，具體實(shí)施包括計(jì)量、收、發(fā)油品的運(yùn)作過(guò)程，油罐自動(dòng)檢測(cè)控制部分、油庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)視頻安全、油氣報(bào)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(tái)，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(kù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文所述油庫(kù)共設(shè)6×1000m3儲(chǔ)罐，彼此相距數(shù)百米，對(duì)于每個(gè)罐區(qū)，都有自動(dòng)付油系統(tǒng)、罐區(qū)儲(chǔ)油計(jì)量系統(tǒng)、油氣泄漏監(jiān)控報(bào)警裝置和視頻監(jiān)控、噴淋降溫設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)的儀器儀表較為復(fù)雜。

2.2 罐區(qū)檢測(cè)設(shè)備及控制對(duì)象

如上所述，6個(gè)罐區(qū)中的每一個(gè)都具有油罐液位檢測(cè)裝置、溫度測(cè)量裝置，使用磁致伸縮式液位計(jì)測(cè)量液位，用熱電阻作為溫度感應(yīng)探頭；為了避免溫度過(guò)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(dòng)噴淋裝置，同時(shí)配套電機(jī)、水池等，這些組成罐區(qū)自動(dòng)測(cè)量單元；在接卸、輸送油料過(guò)程中，使用流量計(jì)精確測(cè)量油料的質(zhì)量，質(zhì)量流量計(jì)的精度和綜合性能較好，不僅可以測(cè)量流量和理論質(zhì)量還可測(cè)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(shí)配以防溢油開(kāi)關(guān)實(shí)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(guò)程中出現(xiàn)氣泡對(duì)儀表的測(cè)量精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，在流量計(jì)前安裝消氣過(guò)濾器以保證測(cè)量精度，在現(xiàn)場(chǎng)還配以IC卡讀寫(xiě)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(bào)警方面，應(yīng)用防雷、防靜電接地開(kāi)關(guān)。設(shè)置安全檢測(cè)裝置，在罐區(qū)、泵房、閥門(mén)間等疑似可燃?xì)怏w泄漏點(diǎn)加設(shè)可燃油氣報(bào)警裝置、高阻漏油檢測(cè)裝置，以消除隱患。另外罐區(qū)還有數(shù)個(gè)不同角度的攝像頭，進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視，多幅視頻圖像可以通過(guò)同軸電纜與切換器、監(jiān)視器相聯(lián)，這樣主控室可以全面把握各罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)圖像動(dòng)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(bào)警單元。以上就是現(xiàn)場(chǎng)的一些檢測(cè)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(jí)。

3、 油庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案

3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線是隨數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)：①數(shù)字化，用于生產(chǎn)管理的企業(yè)局域網(wǎng)與自動(dòng)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)緊密銜接，數(shù)字信號(hào)精度高、抗干擾能力強(qiáng)，整個(gè)系統(tǒng)可靠性高；②全分布式，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化，系統(tǒng)分布式控制；③自診斷多功能智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表，避免了傳統(tǒng)儀表功能單一的弱點(diǎn)，可將自診斷信息上傳到主控室且獨(dú)立工作能力強(qiáng)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力；④減少了布線工程量，設(shè)備接人總線網(wǎng)絡(luò)；⑤系統(tǒng)具有開(kāi)放性和互操作性，符合國(guó)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(mén)子全集成自動(dòng)化技術(shù)構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和適用范圍，結(jié)合本工程的實(shí)際狀況和技術(shù)要求，采用PRO—FIBUS現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)為主體架構(gòu)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具體分為3個(gè)層次：①管控主站層；②庫(kù)區(qū)PROFIBUS–DP主干網(wǎng)絡(luò)層；③執(zhí)行器、傳感器層。

3.2.1 管控主站層

主站層全部采用SIEMENS PLC模塊，CPU414–DP，通過(guò)CP443–5模塊與網(wǎng)絡(luò)通訊。主站PLC（可以是多個(gè)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(gè)現(xiàn)場(chǎng)從站的組態(tài)和維護(hù)，操作員站完成對(duì)油罐各個(gè)部分的運(yùn)行監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集和其它自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的調(diào)度功能。主站配備打印機(jī)用于報(bào)表打印、報(bào)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(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與上層通訊接入整個(gè)企業(yè)辦公管理系統(tǒng)。該層是整個(gè)油庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度核心。

3.2.2 庫(kù)區(qū)PROFIBUS–DP主干網(wǎng)絡(luò)層

庫(kù)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(guò)．PROFIBUS接入主站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、信息的交流，每個(gè)罐區(qū)的溫度、液位、流量、管道壓力、視頻信號(hào)、電磁閥信號(hào)傳輸?shù)街髡尽?/p>

3.2.3 執(zhí)行器、傳感器層

AS–i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(chǎng)總線的底層網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)網(wǎng)關(guān)它與PROFIBUS實(shí)現(xiàn)連接，網(wǎng)關(guān)作為上層總線的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，下面可以掛接一批AS–i從站。AS–i總線主要用于具有開(kāi)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(kāi)關(guān)以及溫度、壓力、流量、液位開(kāi)關(guān)等。執(zhí)行器可以是各種開(kāi)關(guān)閥門(mén)，聲、光報(bào)警器，也可以是其它電器。傳感器/執(zhí)行器掛接在AS–i總線上的方式分為兩種，一種是帶有AS–i通信接口的智能A/S，內(nèi)部裝有AS–i模塊專(zhuān)用芯片，直接掛接到AS–i總線上；另一種是分布式的，由專(zhuān)門(mén)的AS–i接口模塊和普通的A/S連接起來(lái)。AS–i電纜采用2芯扁平電纜，穿刺安裝把線壓在連接件上，簡(jiǎn)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(dòng)閉合，因此可反復(fù)使用，它不僅傳輸報(bào)文，還通過(guò)網(wǎng)絡(luò)給A/S等電路提供電源。

如圖3所示，AS–i總線通過(guò)SIEMENS DP/AS–i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(gè)AS–i從站模塊，這些從站模塊的狀態(tài)都被DP/AS–i鏈路模塊的LED顯示。DP/AS–i鏈路模塊由AS–i扁平電纜供電，無(wú)需附加電源。圖3中K45，K60模塊是防護(hù)等級(jí)為IP65/67的現(xiàn)場(chǎng)安裝AS–i接口緊湊型模塊，有數(shù)字型、模擬型和氣動(dòng)型，通過(guò)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(hào)傳輸，不會(huì)因?yàn)橥獠扛蓴_場(chǎng)而受到損害，無(wú)接地問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，對(duì)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(guò)FOC接口，幾個(gè)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(jiǎn)便，方便后續(xù)的擴(kuò)建，設(shè)計(jì)采用西門(mén)子公司的S7-400系列PLC產(chǎn)品，它模塊化結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展功能強(qiáng)，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高、功能全面、運(yùn)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(kù)油料流量、罐壁壓力等的監(jiān)控工程。油庫(kù)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(guò)CP443-5通信模塊與PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)通信，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)通過(guò)PROFIBUS傳至主站。

S7-400可以帶電插拔輸入/輸出模塊，運(yùn)行時(shí)即可更換模塊，以保證系統(tǒng)連續(xù)不間斷運(yùn)行。S7—400主要性能指標(biāo)如下：①程序運(yùn)算速度，位和整數(shù)運(yùn)算0.1/μs，浮點(diǎn)運(yùn)算0.6/μs；②I/O功能，DI/DO：65536，AI/AO：4094；③用戶內(nèi)存，128 kB用于程序，128 kB用于數(shù)據(jù)，可擴(kuò)展至15 MB；④通用接口，多點(diǎn)接口MPI，PROFIBUS—DP：12Mbit/s。

3.4 軟件設(shè)置

PROFIBUS-DP總線共有7個(gè)站，其中S7-400作為Master主站，其余均為Slave從站，應(yīng)用STEP7對(duì)各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行地址分配，使系統(tǒng)組態(tài)，并且對(duì)可以設(shè)置的模塊參數(shù)化，同時(shí)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(yùn)行于Windows平臺(tái)上，其強(qiáng)大的過(guò)程接口界面和高度的安全數(shù)據(jù)存檔特性，適合于油庫(kù)流程和控制過(guò)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(guò)操作畫(huà)面及流程圖，監(jiān)控油庫(kù)狀態(tài)和運(yùn)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(bào)表打印等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。其主要操作畫(huà)面有：①油庫(kù)工程平面總貌布置圖；②油庫(kù)工藝流程及模擬靜態(tài)、動(dòng)態(tài)圖；③油庫(kù)工程自動(dòng)控制系統(tǒng)及電氣接線圖；④各個(gè)罐區(qū)參數(shù)顯示圖、實(shí)時(shí)及歷史趨勢(shì)圖、報(bào)警摘要列表顯示。

4、總結(jié)

現(xiàn)階段具有總線接口的智能儀表多為進(jìn)口，而油庫(kù)傳統(tǒng)設(shè)備較多，全總線系統(tǒng)難以一蹴而就。本監(jiān)控系統(tǒng)以PROFIBUS為系統(tǒng)骨干，AS–i總線為補(bǔ)充的集成結(jié)構(gòu)一定程度上解決了這種矛盾，適合于我國(guó)油庫(kù)現(xiàn)狀。該系統(tǒng)整體性好，安全可靠，功能齊全，運(yùn)行維護(hù)方便，應(yīng)用后獲得了用戶的好評(píng)。整個(gè)油庫(kù)自動(dòng)化是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，投資大，難以一步到位，在改造、再建油庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)應(yīng)整體規(guī)劃、漸進(jìn)實(shí)施。

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