张天渠联合站储油罐区安全监控系统的设计

作者:数字石油
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发布时间:2014-07-11 10:37:09
来源:数字石油

 摘要:

随着石油化工企业的发展和国家原油战略储备库项目的实施,大型的石化企业均建有大量的各种储罐。储罐是企业生产、储存、运输过程中的重要环节,具有占地面积广、布置密集和储存量大等显著特点。因其储存的物质大多具有易燃、易爆特性和毒害性,将其划为高危险性的操作单元。由于罐内储存的物品都具有较高的挥发性,一旦发生泄漏事故,挥发出的油气随风可弥散数千米的区域,如遇明火或高温物体,就有可能引发火灾或爆炸事故。因此,储油罐区一般是油库内的高危险区域[1]

油罐区是重大工业危险源,数量多、危险性大。罐区油品的进出、收付非常频繁,由此引发的事故也较多,一旦发生火灾、爆炸等事故,不仅造成经济损失,环境污染,而且还可能引发更大的联锁失火、爆炸等恶性事故,给人们的生命财产带来重大损失,甚至会给社会带来灾难性的后果。因此,为了安全的需要,控制石油储罐区,加强储油罐区的安全监控是十分必要的。

针对储油罐区的安全监控,本文主要介绍了国内外储油罐区安全监控系统的研究成果和研究动向;对储油罐区的液位、压力、温度、泄漏等重要参数的实时检测、控制;对储油罐区火灾自动探测、报警、灭火系统的设计;对储油罐区防雷防静电技术的研究。

本文介绍的内容有一定的实用价值,可供储油罐区建立安全监控系统时参考。

关键词:储油罐区安全监控;光纤传感器;消防监控系统。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tank area safety monitoring system

Abstract: 
Along with the development of petrochemical industries, as well as national oil strategic reserve library projects, oil tank is gradually to large-scale development. In 1962, the United States first established a 10 × 104m3 floating roof tank; in 1967, in Venezuela, built a 15 × 104m3floating roof tank; Japan in 1971 and built a 16 × 104m3 floating roof tank; Saudi Arabia has successfully built a 20 × 104m3 floating roof tank. The world's single-tank capacity of up to 240,000 m3. China in 1985 imported from Japan 100,000 m3 floating roof tank design and construction technology, more than ten years later the construction of 100,000 m3 Tank Tatsu large more than 20 Units. Now 100,000 m3 of storage tanks is not uncommon, and so enormous tank fire explosion, the consequences are unimaginable. For example: Huangdao depot "eight • 12" major fire accidents, causing direct economic losses of 35.4 million yuan, 600 tons of crude oil entering the sea, so near the sea and coastal pollution to a certain extent. 
Tank farm is a major industrial hazards, quantity many, high-risk. Oil tank access, collection and payment is very frequent, resulting in a lot of accidents, in the event of fire, explosion and other accidents, not only cause economic loss, environmental pollution, but also may lead to greater interlocking fire, explosion, etc. fatal accidents, to people's lives and property brought about by heavy losses, and even bring about catastrophic consequences. Therefore, necessary for safety, control of oil storage tank area, to strengthen the security monitoring tanks are very necessary. 
Storage tanks for the security surveillance, this paper introduce domestic and foreign oil tank area safety monitoring system of research results and research trends; the level of the oil tank area, pressure, temperature, leakage and other important parameters of real-time detection, control; on the oil tank area of automatic fire detection, alarm, fire extinguishing systems; on the oil tank area 
To prevent lightning and electrostatic discharge technological research and development. 
This article describes the contents of a certain degree of practical value for the oil tank area set up safety monitoring systems. 
Keywords: storage tank areas; security; parameter monitoring; fire monitoring; 
To prevent lightning and electrostatic discharge


1  绪论  

 

1.1  课题的研究背景及意义

长期以来,油罐区的安全问题未得到应有的重视,油罐区的重特大事故时有发生,造成了巨大的人身伤亡和财产损失。面对新一轮安全事故高发期的到来,血的教训使人们对油罐区的安全问题逐渐重视起来。“油罐区安全监控及防护技术研究”被列为国家“九五”项目,“石油化工储罐区火灾监测与远程灭火联动控制系统研究”被列为公安部项目,所有这些表明,油罐区的安全问题正日益得到重视。

储油罐区是油气田安全生产的重要部分,油罐内储存大量油品,具有易燃烧、易挥发、静电放电、受热膨胀、流动扩散等特点,是火灾防范中的重点。目前在石化行业中,国产“储油罐区安全监控系统”还很少,仍然以引进为主,但所引进的系统成套引进的少,局部引进的多,对国外产品的消化吸收工作很不够。另外,随着中国第四大石油开采炼化企业陕西延长石油(集团)有限责任公司(延长油矿管理局)的成立,陕北将会迎来石油石化工业的大发展,储油罐区的安全生产和安全管理形势也更加严峻。所以“储油罐区安全监控系统研究”这一项目具有重要的现实意义和理论价值。

储油罐区安全监控系统是软件和硬件监控相结合的安全监控系统,把罐区的诸多参数(如液位、压力、温度、泄漏等)进行实时监测、报警和控制,及时发现事故隐患,并在罐区设置自动消防灭火系统,一旦发生事故,及时将火灾控制住。

油罐区安全监控系统是管理软件和硬件监控相结合的安全生产监控系统即在安全管理的基础上,把罐区诸多危险因素和危险参数给予实时监测、报警和控制以便及时发现事故隐患并采取措施加以防范避免事故的发生。  
1.2  安全监控系统的由来及其发展状况

安全监控系统是随着安全问题的出现而出现的,随着生产的发展而发展的。古时候,人们从事生产的工具很简单,所使用的能源也很少,所以相对来说发生安全问题及火灾事故的原因比较简单,往往凭经验和直觉就可找出事故发生的原因和防止事故发生以及减少事故损失的方法。随着生产的发展,事故随生产规模扩大而增加,安全问题逐渐被人们重视,保障生产安全的各种技术手段也随之发展起来。安全问题最先是在煤炭生产中随之在石油、化工、冶金等工业部门中被提出来;在检(监)测技术和安全措施未完备之前,安全问题一直是困扰工业生产的重要问题。

1.2.1  安全监控系统的产生背景    

人类防范事故的科学已经历了漫长的岁月,从事后型的亡羊补牢到预防型的本质安全;从单因素的就事论事到安全系统工程;工业安全科学理论体系在不断发展和完善。追溯安全科学理论体系的发展轨迹,探讨其发展的规律和趋势,对于系统、完整和前瞻性地认识安全科学理论,以指导现代安全科学实践和事故预防工程具有现实的意义。安全科学理论体系的发展经历了具有代表性的三个阶段:从工业社会到 50 年代主要发展了事故致因理论;50 年代到 80 年代发展了安全系统工程理论;从 90 年代以来,现代安全科学原理初见端倪,目前仍在不断的发展和完善中。

从安全管理的发展过程,我们可以看出,安全管理的发展是随着工业生产的发展和人们的安全需求的逐步提高而进行的。初期阶段的安全管理,可以说是纯粹的事后管理,即完全被动地面对事故,无奈地承受事故造成的损失;在积累了一定的经验和教训之后,管理者采用了条例管理的方式,即事故后总结经验教训,制定出一系列的规章制度来约束人的行为,或采取一定的安全技术措施控制系统或设备的状态,避免事故的再发生,这时已经有了事故预防的概念。而安全监控系统的诞生则成为现代化安全管理的重要标志。通过对重要参数的实时监控,及时发现事故隐患、有效采取控制措施,将事故消灭在初期阶段。而且消防系统也采取实时监控、自动灭火系统,使事故得到及时有效的控制。

1.2.2  安全监控系统的发展状况

[在石化炼油企业中,企业均建有大量的各种储罐。企业的生产及管理部门每天都需要掌握罐内存储介质的液位、温度、体积和质量等重要数据,既要保证数据的准确和及时,又要确保储罐的安全,防止意外事故的发生。

由于我国具体的国情,长期以来对罐区的管理主要是靠人工进行,并没有形成真正意义上的“监控系统”。最初只是靠有经验的工人利用油尺通过对各油罐的液位高度进行测量(即通常所讲的“人工检尺”)的方法来对油罐进行监视。该方法原始而又繁琐,人为因素影响大,精度低。危险区中的有害有毒气体对操作工的身体造成很大的危害,而且在气候恶劣的条件下,操作工在油罐上爬上爬下很不安全。

为了提高对储罐参数测量的精度以及保护工人的身体健康,减轻工人的劳动强度,到了90年代初,各油罐上基本都装备了能够对液位进行自动测量的仪表。该仪表一般由一次仪表和二次仪表两部分组成。位于现场的一次仪表采集各油罐的液位参数并通过统一的模拟信号如420mA的直流电流信号或某种专用的通讯协议送往集中控制室的二次仪表。此时操作人员就可以坐在控制室里通过二次仪表纵观各油罐的状况了。但通过这些二次仪表仅仅能够对储罐参数进行“监视”而无法实施控制,因此具体的控制工作仍需人工进行。

随着生产规模的不断扩大,罐区的规模也越来越大,油品的种类也不断增加。管理人员按照由生产部门所制定的生产计划和常年积累下来的经验对罐区进行监视与控制的管理方式越来越显示出其在实时性、准确性、合理性方面的不足。同时,由于炼油装置的自动化水平的不断提高对罐区的管理也提出了更高的要求,因此管理人员的责任和压力也不断增加,这对生产的安全是很不利的。[1]基于光纤传感的油品罐区监控系统的研究,孟凡华,武汉理工大学硕士学位论文,20065

1815年,当时工业发达的英国发明了第一项安全仪器安全灯,它是利用瓦斯在灯焰周围燃烧,根据火焰高度来测量瓦斯含量的简单仪器。由于它构造简单、性能可靠、使用寿命长,一百多年来一直被沿用下来,至今仍在许多国家使用。随后,由于基础科学的发展和科学技术进步,在石油、化工、制药、冶金、煤炭等工业生产中,陆续出现了利用光学原理、热导原理、热催化原理、热电效应、弹性形变、半导体、器件、气敏元件等多种工作原理和不同性能的各类检测仪器,对影响生产安全的各种因素实现了不同程度的监测,并逐渐形成了不同种类的检(监)测仪器仪表。20世纪50年代之后,由于电子通讯和自动化技术的发展,出现了能够把工业生产过程中不同部位的测量信息远距离传输并集中监视、集中控制和报警的生产控制装置,初步实现了由“间断”、“就地”检测到“连续”、“远地”检测的飞跃,由单体检测仪表发展到监测系统。早期的监测系统,其监测功能少、精度低、可靠性差、信息传递速度满。20世纪80年代以来,电子技术和微电子技术的发展,特别是计算机技术的应用,实现了化工生产过程控制最优化和管理调度自动化相结合的分级计算机控制,检测仪器仪表和监测系统,无论其功能、可靠性和实用性都产生了重大的飞跃,使安全监测技术与现代化的生产过程控制紧密地联系在一起。目前,大型化工企业中的安全监测系统,已可使检(监)测的模拟量和开关量达上千个,巡检周期短,能同时完成信号的自动处理、记录、报警、联锁动作、打印、计算等;监测参数除可燃气体成分(如H2CO等)、浓度、可燃粉尘浓度、可燃液体泄漏量之外,还有温度、压力、压差、风速、火灾特征(烟、温度、光)等环境参数和生产过程参数。由于可以从连续监测数据、屏幕显示图形和经过数据处理得到各种图表,及时掌握整个化工生产过程的过程参数、环境参数和生产机械的状态,就保证了生产的连续与均衡、减少停顿和阻塞,防止重大事故发生。同时,由于及时掌握生产设备和机械的工作状态,可以分析设备的配置情况和利用率,发现生产薄弱环节,改善管理,提高生产效率。

改革开放以来,我国的工业生产发展很快,国家十分重视安全,在安全仪表的研究和生产制造方面投入了很大的力量,是安全仪表生产具备了相当的规模,形成了以北京、抚顺、重庆、西安、常州、上海等为中心的生产基地,可以生产多种型号环境参数、工业过程参数及安全参数的监测、遥测仪器。此外,具有国外20世纪90年代水平的安全监测系统已开始装备我国的石油、化工、煤矿等工业部门;安全监测、报警及联锁控制装置等,也在我国自行设计的石化生产设备中获得了应用,这标志着我国安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。但必须指出,我国安全监测传感器目前种类较少,质量不稳定;监测数据处理、计算机应用与国外一些发达国家有一定差距,这些都需要在今后重点解决。

 目前,在我国的大型石化企业中,如扬子乙烯工程、齐鲁乙烯工程等,大量装备使用各种安全监测仪表。装备和使用先进的安全监测系统,使生产事故率极大的下降,促进了生产发展,获得了很大的经济效益。因此,安全监测技术与石化生产过程控制的密切配合,是我国石化生产的发展方向,是防火防爆、预防重大火灾及爆炸事故发生的重要环节。

1.3   安全监控系统形势分析

1.3.1   国内外储油罐区安全监控系统的研究成果和研究动向

随着石油化工工业的发展,石化企业开始建造大型的储油罐,由于罐区火灾爆炸事故的危害极大,使得国内外的石油化工企业对储油罐区重要参数的监测要求越来越高,不但要求操作简单、精度高,还要求在恶劣的环境下具有持续传感的能力,并具有数字化输出、报警和实时监控等功能。

1)国内现状

在我国石油化工部门,对油品和化工产品等易燃易爆液体类物质的储存、检测和安全管理一直是个难题。长期以来,大多企业是采用人工对其进行检测和管理,劳动强度大,又有危险性,储罐爆炸事件和人员伤亡事故时有发生[6]6】油罐漏油检测系统,刘彬,北京工业大学理学硕士学位论文,20075随着我国石油化工工业和计算机技术的发展,石化企业对罐区参数的测量逐渐由人工转变为计算机控制,但是并没有形成完整的计算机监控系统。而且各种测量仪表仍然使用电动仪表,电动仪表是以电为能源,信号之间联系比较方便,适宜于远距离传送和集中恐慌子,也可以做到防火、防爆,但是电动仪表一般结构较为复杂,易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响,这严重影响了计算机监控系统的有效性。

由于光纤传感器的传输信号是光,因此具有本质防爆特性,并具有体积小、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰强、可传距离远以及操作简单、使用寿命长等一系列优点,特别是能在极端恶劣危险的环境中工作,将其应用于油罐区安全监控系统具有不可替代的作用。基于光纤的诸多优点,上世纪九十年代初期,清华大学、重庆大学、武汉理工大学等在国内率先开展传感光纤的研究。通过十多年的研究和开发,光纤传感技术已得到快速的发展,由于光纤可用于位移、应力、应变或温度等物理量的传感测量,具有较高的灵敏度和测量范围,适用于高温、高压和危险性环境等,可靠性高等优点,光纤传感技术已经应用于液位、温度等参数的探测。

在我国,光纤传感技术的产业化已经给石油、化工工业的自动化计量和安全检测技术带来重大变革。大大提高了冶金、化工、建材等行业高温测量的自动化检测水平;为电力系统高压设备参数测量和安全监测提供新的手段;为特大型工程的长期安全运行提供全新可靠的监测方法;还将带动和兴起一批为之配套的加工工业和新型敏感材料、特种光纤等新材料工业的发展。其中光纤高温测量仪、光纤液位传感器、光纤阀位回讯器[5]王绍理、魏访、吕俊杰。光纤原理与技术,科学出版社,2005三大系列产品的生产技术已达到使用化程度。目前国内应用于石油产业最广泛的还是光纤液位传感器,可以测量储罐中石油液面的高度。

2)国外现状

由于国外的计算机技术较我国要发达,这些国家已经形成较为完整的计算机监控系统 ,可以对油罐进行实时监控。而且国外光纤传感技术的应用要比我国早一些,自从1978年发明的在光纤中形成光致布拉格光栅以来,光纤光栅在光纤通信和传感中已经大量应用。美国、意大利、英国、德国等国家的学者通过长期的研究,将光纤光栅传感技术广泛应用于桥梁建筑、航天航空、石油探测储量上[7]7】王化祥。传感器原理及应用,天津大学出版社,2002一些国家已将光纤高温测量仪、光纤液位传感器等应用于计算机监控系统中,从而提高了安全监控系统的有效性。

1.4  论文的主要内容

    本文研究的核心问题是为石油石化企业储油罐区安全提供整体的解决方案。首先通过对与安全监控系统相关的内容做了详细的介绍,主要介绍了光纤传感技术在安全监控系统中的应用;然后在对安全监控系统了解的基础上对储油罐区的安全监控系统进行构建和运行;最后对罐区进行消防监控系统的设计,使罐区的安全得到有效的改善。论文结构安排如下:

第一章 绪论 主要介绍课题研究的背景与意义,安全监控系统的由来及其发展状况,以及国内外储油罐区安全监控系统的研究成果和研究动向。

第二章 主要介绍光纤传感技术的发展,了解光纤液位计、光纤压力计、光纤光栅温度传感器等的工作原理。

第三章  张天渠联合站储油罐区安全监控系统初步方案设计,对监控系统进行了简要介绍,并说明了系统的设计原则和系统能够实现的功能。

第四章 介绍张天渠联合站储油罐区的工艺流程,初步确定I/O的数目和类型并进行硬件选型,根据需要监测的参数类型,选择合适的光纤传感器;设计光纤传感安全监测系统,利用光纤液位计、光纤压力计、光纤光栅温度传感器等组成光纤传感安全监测系统。

第五章 利用《组态王6.5》编写监控软件、绘制监控画面,包括工况图、工艺流程图、实时参数画面、实时曲线、历史数据画面、历史曲线、报警参数与报警图、报表画面;并对系统进行调试,研究系统在实际应用中可能存在的问题,并提出解决方案。

第六章 总结

2  光纤传感器简介

 

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的,以光波为载体,光纤为媒质,感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤,具有一系列独特的、其它载体和媒质难以比拟的优点,如灵敏度高,抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好,防爆,光路有可挠曲性,便于构成分布式监控网络,便于与计算机联接,结构简单,体积小,重量轻,耗电少等。

目前,光纤传感器技术发展的主要方向是:

1)多用途。即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量,要能对多种物理量进行同时测量。

2)提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度,降低其成本,设计复杂的传感器网络工程。

3)新型传感材料和传感技术的开发。

4)在恶劣条件下(高温、高压、化学腐蚀)低成本传感器(支架、连接、安装)的开发和应用。

5)光纤连接器及与其他微技术(微机械、微流态学、喷镀薄膜等)结合的微光学技术[1]

2.1 光纤传感器的基本工作原理及分类

光纤传感器主要由光源、传输光纤及光检测等部分组成,其基本原理是将光源的光经光纤送入调制区,在调制区内,外界被测参数与进入调制区的光相互作用,使其光学性质如光的强度、波长(颜色)、频率、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光,再经光纤送入光探测器,并把光信号转换成电信号而获得被测参数,如图21所示。

 

2-1  光纤传感器基本工作原理示意图

目前研究的光纤传感器按其传感原理分为两类[1]:一类是传光型(或称非功能型)光纤传感器,另一类是传感型(或称功能型)光纤传感器。

在传光型光纤传感器中,光纤仅作为传播光的介质,对外界信息的“感觉”功能是依靠其它物理性质的功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的,其间有中断,中断的部分要接上其它介质的敏感元件作为调制器,调制器可能是光谱变化的敏感元件或其它敏感元件,光纤在传感器中仅起传光的作用。

传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作为传感元件,将“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中,光纤不仅起传光的作用,而且还利用光纤在外界因素作用下,其光学特性(如光强、相位、偏振态等)的变化来实现传和感的功能,因此,传感器中的光纤是连续的。

一般来说,传光型传感器主要是利用已有的其它传感技术,它的敏感元件是用别的材料,这样可以充分利用现存的优质敏感元件来提高传感器的灵敏度。而传光用的介质一光纤仅起传光作用,所以采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求。在已经实际运用的光纤传感器中,此类光纤传感器占大多数。

功能型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单,因为光纤是连续的,可以少一些光耦合器件。但为了实现对光纤外界物理量的变化,往往需要采用特殊光纤来作探头,这样就增加了传感器制造的难度。随着对光纤传感器基本原理越来越深入的研究,随着各种特殊光纤的大量问世,高灵敏度的功能型光纤传感器必将得到更广泛的应用。

2.2 光纤传感器的特点

1、光纤传感器不受雷电和电磁场的干扰;

由于光纤传感器是利用光波传输信息,当光信息在光纤中传输时,不会与电磁场产生作用,因而,信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强,也不会影响到外界的电磁场。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆等环境中能方便有效地传感。

2、光纤传感器具有本质安全的特性,系统不带电、不引雷、无电流、无电压、无热源;

3、测量精度高、响应快,其分辨率为:液位1mm;温度0.2。全量程误差:液位±2mm,温度±0.3

4、电绝缘性和化学稳定性;

光纤是非金属材料,不导电,其外层涂敷材料硅胶亦不导电,因而光纤的绝缘性能好。由于光纤是由无机玻璃等制成,其化学性质非常稳定。

5、光纤导光性能好,且耐高温;

光纤是由无机玻璃、高硅玻璃材料制成,其最低软化点至少是600℃,且折射率随温度变化大约只有0.0001°/℃,可在-250500℃的范围内工作,由于光纤外层的材料耐热性能决定了它工作温度的极限,因此可以在高温下测量。特别是对传输距离较短的光纤传感器,其传输损耗可忽略不计,利用这一特性制成了在锅炉外即可对炉内燃烧的高温火焰状态进行监测。[1]基于光纤传感的油品罐区监控系统的研究,孟凡华,武汉理工大学硕士学位论文,20065

6、防爆、耐腐蚀,适用于火险高危的环境

由于光纤内部传输的是能量很小的光信息,不会产生火花、高温、漏电等不安全因素,所以光纤传感器的安全性能好,另外光纤为非金属材料,耐腐蚀。因此特别适用于易燃、易爆、有强烈腐蚀性对象的测量[1]

7、重量轻、体积小、外形可变;

光纤可以做成非常小巧的传感器,用来对不规则振动状态下某些对象参数的测量[1]。光纤除具有重量轻、体积小的特点外,还有可绕的优点,因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。这有利于航空航天以及狭窄空间的应用[2]武汉理工大学硕士学位论文,光纤传感安全监测系统,陈逢春,20045

8、非接触、非破坏测量,对被测对象或系统无干扰

由于光纤传感是通过光的反射、投射式衍射等方式被调制而获得所需信息的,因而不会产生破坏性。 

9、便于实现远程信息化管理。

此外光纤损耗小、频带宽 , 具有高的数据传输率 , 并且具有几何形状灵活 , 易于远距离监控和多功能传感等优点 ,使得它在地质探矿、石油勘探、地震波检测、军事制导等领域有着极为重要的应用。

由于光纤具有这些优点,人们开始在各个行业应用光纤传感器。目前在石化企业应用最广泛的是光纤液位计、光纤光栅温度计,应用光纤传感器对现场参数进行测量,具有设计简单、稳定可靠、易于用电路和计算机处理所获得的测量数据等优点,因此使用光纤传感器对储油罐区的危险参数进行测量是理想方案。

2.3 几种常见的光纤传感器简介

2.3.1 光纤液位计

在油品罐区的生产和安全管理过程中,对油罐液位进行监测是十分必要的,它对进油和付油过程的控制起关键作用。光线液位计【30】集光、机、电于一体,完成液位测量。它可以直接将光信号转化为数字信号,并在仪表中显示出当前测量的液位值,当液位值不在正常范围之内时,仪表将自动报警,同时还可通过RS232输出信号给计算机等其他设备。

光纤液位计分常压型与带压型两种,它们都是利用力平衡原理实现液位的检测。所不同的是常压型是由钢线绳直接与浮球相连,而带压型是通过磁力祸合系统带动磁锤上下运动,机械检测系统与光学编码室完全隔离。下面重点介绍带压型的工作原理。

 

 

 

 

 

 

2-2 光纤液位计原理框图

[3]图截自油罐区的光纤安全监测系统探讨,湖北安全生产信息网,文静,2008 7 31

工作原理:光纤液位计是利用光脉冲调制原理研制的一种传光型传感器,系统由测量单元(包括浮球、钢丝绳、重锤、导向轮、绳轮、磁力耦合器等机械检测部分)、光纤传感器、光电变送器、二次仪表、电源和计算机以及光缆组成,其工作原理如图所示。

当被测介质液面变化时,测量浮球1上下移动,测量钢丝绳带动光纤传感器内的光码盘转动,同时光纤传感器内两组光学探头输出两组光脉冲信号,经光缆传输到光电变送器,光电变送器将该两组带有液位变化信息的光脉冲信号转变为电脉冲信号,并进行放大整形,传送给二次仪表,经二次仪表判向与计数后,显示出储罐内液位值,同时输出信号给计算机,实现罐区液位自动监测[3]

整套系统由五部分组成。磁力祸合检测系统和光纤传感器两部分安装在易燃易爆的工作现场,光电转换系统、二次仪表和计算机系统安装在安全的控制室内。现场和控制室之间液位信息的传递由光缆连接,做到了罐区无电检测、本质安全防爆[1]
2
、主要技术指标:  
    
测量范围:0~15m    测量准确度:±2mm       灵敏度:1mm  
    
最大可传输距离:5km 

2.3.2 光纤光栅温度传感器

1、工作原理:光纤光栅温度传感器工作原理如图2-3所示【35】,它由感温探头、连接光缆、传输光缆、光纤光栅调制解调器和二次仪表等组成,感温探头的数量可以根据使用要求的不同而确定,多个串接而成;光纤光栅调制解调器和二次仪表安装在控制室内,使用现场和控制室之间采用单芯单模光缆进行信号传输。光纤光栅温度传感器工作时,光源发出的连续宽带光,经传输光缆传送到测量现场,感温探头内测量光栅对该宽带光有选择性地反射回一窄带光,经同一传输光缆传送到调制解调器,通过接收系统进行解调,测定窄带光的中心波长,从而测定现场温度。当现场温度稳定不变时,系统返回的窄带光中心波长也不变;当现场温度发生变化时,系统返回的窄带光中心波长发生相应的变化,系统通过二次仪表准确地显示出测量温度。

由于光纤光栅温度传感器采用光信号进行测量和传输,现场实现了无电检测,本质安全防爆。同时由于该系统采用光栅技术,检测信号以光信号中心波长为对象,克服了传统光传感器依赖光强大小的缺陷,实现了数字化检测,可靠性好,灵敏度高,因此适用于各种恶劣环境下的温度测量,可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、煤炭等行业,是传统温度测量仪表的理想替代产品。

2-3 光纤光栅温度传感器工作原理

2FBGT 系列表面式光纤光栅温度传感器主要参数:

测量范围:-50~ +150(可定制量程);  测量精度:±0.5  分辨率:0.1  
外观尺寸:30mm×5mm×2mm(可定制其他尺寸;远传距离:5km

安装方式:粘贴或捆绑

2.3.3 光纤负压报警器

光纤压力报警器由光纤压力传感器和光电转换器组成,其工作原理见图示。

1、工作原理:光纤压力传感器放在现场,通过法兰联接,使测量单元直接与罐内气体相通,当罐内气体压力变化,达到报警压力时,将改变光纤探头的回光光强,此一变化经光缆传输到操作室内的光电转换器,转换成电信号并发出声光报警。

2、光纤压力报警器的主要技术指标:

报警范围:-300~+300Pa,可调;              报警准确度:2. 5级;

继电器输出接点容量:1A                     环境温度:4080℃;

相对湿度:95%                             仪表电源:24VDC

 

2-4 光纤负压报警器工作原理图[4]新型光纤传感器在油田联合站的研究与应用】赵愚,陈安标,姜德生。武汉理工大学学报,20025

当今社会已进入了以光纤通信技术为主要特性的信息时代,光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势,光纤传感器产业已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业,它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目,特别是在一些易燃、易爆、易腐蚀等场合如石油、化工等行业的广泛应用受到人们的极大关注[1]

2.3.4 光纤气体传感器

【基于甲烷气体的近红外吸收光谱,研究了一种高灵敏度光谱吸收型光纤甲烷气体传感器.采用DFB LD作为光源,通过光源调制实现气体浓度的谐波检测,利用二次谐波与一次谐波的比值来消除由光源的不稳定和变化所引起的检测误差.建立了谐波检测的数学模型,给出了甲烷气体的测量结果。

基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器的研究 王玉田 刘瑾 张景超 杨海马 燕山大学 电气工程学院

甲烷是一种易燃易爆气体,是沼气、天然气和多种液体燃料的主要成分。其在大气中的爆炸下限为4.9%,上限为15.4%】。储油罐由于腐蚀泄漏,或在收付过程中容易导致挥发的石油气泄漏,容易引起火灾爆炸事故,因此实时监测甲烷气体的浓度、防止爆炸,对于罐区安全运行、人身安全有着至关重要的作用(自己写的)。【应用介质对光吸收而使光产生衰减这一特性的吸收型光纤气体传感器具有传输功率损耗小,传输信息容量大,抗电磁干扰能力强,且耐高温、高压、腐蚀,绝缘、阻燃、防爆,易于实现远距离实时遥测和良好的气体选择性等特点。光纤甲烷气体传感器的研究 王书涛 车仁生(哈尔滨工业大学) 王玉田 张洁 张景超  燕山大学 2006 10 仪器仪表学报】

【甲烷的燃点只有63℃左右,当它在空气中的含量为5%15%时,遇到明火就会发生爆炸。如果此时的甲烷含量为9.5%,爆炸就最猛烈。油气泄漏引发的爆炸事故在石化行业中造成了极大的危害,为了保证罐区安全及人身安全,首先要提高甲烷浓度的检测质量。光纤甲烷气体传感器 郭伟青 王智 李欣蓓 北京交通大学 2006 12 18 红外报】

光谱吸收式光纤气体传感器是基于分子振动和转动吸收谱与光源发光光谱间的光谱一致性。光通过某种介质时,光电磁波会与介质的分子、原子相作用使得光被吸收和散射而产生衰减,由于气体分子对光的散射很徽弱,远小于可燃气体的吸收光能,故可以忽略。通过测定气体吸收特定波长光的程度,从而求出气体浓度。

如图12所示:设一束波长为入,光强为几的单色平行光射向可燃和空气混合的被测气体时,气室中的样品在入处具有吸收线或吸收带,光被吸收和散射一部分后透射过去。

2-5 光纤气体传感器原理框图[5]光纤乙炔气体传感器的研究 燕山大学工学硕士学位论文 王杰 2001  3

 
2.3.5 
光纤液位报警器

1、工作原理:光纤液位报警器是利用光的折射和反射原理实现液位定点监测。其工作原理如下图所示。在监测系统中作为液位高位报警,起双重保护作用。

                         2-6  光纤液位报警器原理框图

其主要结构由光纤探头、机械密封层、光电转换器和防爆接线盒等组成。这种液位报警器由于利用光纤对液位信号进行检测,可实现现场无电检测;结构新颖、灵敏度高且便于使用。  
2
CYB-4 型光纤液位报警器的主要参数:  
适用介质:各种油品;  响应时间:<0.5sec  工作温度:-30~80℃;  
介质工作压力:≤2.4MPa  报警控制精度:±1.0mm  报警信号:声// 

2.3.6 光纤光栅火灾报警器

光纤光栅感温火灾探测系统主要由光纤光栅感温火灾探测器和光纤光栅火灾探测信号处理器组成。光纤光栅感温火灾探测器由感温传感器探头、连接光缆、光缆连接器、传输光缆等部分组成,安装在现场。光纤光栅火灾探测信号处理器由调制解调器、信号转换处理电路和报警显示电路组成,安装在控制室。

1、工作原理:光纤光栅火灾报警器的工作原理如下图所示,将多个温度特性完全相同的光纤光栅串接在一根光纤中。宽带光源所发出的光藕合进光纤,通过Y形光分路器入射到用光纤串接的全同光纤光栅中,全同光纤光栅回选择性地反射一窄带光,窄带光的中心波长为全同光纤光栅的布拉格波长。窄带反射光经Y形光分路器的另一分路端口进入可调滤波器。可调滤波器的滤波波长按报警器要求设置为一定值。在正常状态下,全同光纤光栅反射光的布拉格波长小于可调滤波器所设置的滤波波长,可调滤波器的滤波输出端口无光输出;当全同光纤光栅中任何一个光纤光栅所处的环境温度升高,这一光纤光栅的布拉格波长将向长波方向移动,当环境温度达到所设置的报警值时,此处光纤光栅的布拉格波长将与可调滤波器的滤波波长重合,可调滤波器的滤波输出端口有光输出,光探测器探测到光信号从而触发声光报警装置。通过自动或手动扫描可调滤波器的滤波波长,即可对探测区域内的最高温度进行监测。     

 

图2-6 光纤光栅感温火灾报警器原理框图

2TGW-100 系列光纤光栅感温火灾探测器的主要参数:  
温度测量范围:095型);  
报警设定温度:5095型固定、型可调);  
测量精度:±5    响应时间:≤20s    传输距离:10km 

由于光纤光栅火灾探测系统是一种新型的温度监测报警系统,它是通过光缆传输信号,使现场实现了无电检测,因此具有本质防爆和检测灵敏的优点,可广泛用于石油、天然气、化工、能源、仓储等行业中,以及一些易燃易爆等特殊场合中的高温和火灾报警。

 

2.4 本章小结

由于光纤传感器具有独特的性能,从根本上解决了困扰大中型油库的安全、生产管理中的监测问题。现已广泛应用于石油、化工等行业易燃、易爆油料储罐的安全检测,是我国重点推广的高新技术产品。由于油库液位、温度、压力自动检测的实现,使得油库安全监测系统的实现成为可能。

在本章中主要介绍了光纤传感器的基本原理及分类,光纤传感器的特点,几种常见的光纤传感器的工作原理。通过本章的介绍,对光纤传感器有了一个基本的了解,便于在本次设计中应用光纤传感器进行探测。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3、张天渠联合站储油罐区安全监控系统初步方案设计

 

3.1 系统简介

整个系统的组成如下图所示,它由3部分组成:①基于研华工控机的监控部分,该部分主要包括监控画面、报警系统和报表系统等;②以二次仪表为主,加上光电转换器、感温火灾信号处理器构成的监测台;③由光纤液位传感器、光纤温度传感器、光纤压力传感器和光纤气体传感器构成的数据采集部分。

系统流程为:首先在数据采集部分,通过光纤传感器,将被测对象的参量变化转换为光脉冲信号,并通过光纤传送给光电转换器;其次在监测台,光电转换器将光脉冲信号转换为电脉冲信号,并进行放大整形,传给二次仪表,二次仪表对光电转换器输出的电脉冲信号进行线性化处理,并进行仪表的量程、灵敏度等调节,以数字形式显示被测参量;最后二次仪表采用串行通讯方式(RS232RS485)同监测系统采集机相连,监测系统采集机应用组态王6.5对二次仪表传送过来的信息进行处理,并实现对被监测参量的显示、报警、计量、报表处理等功能,从而实现对被测参量的自动监测。

3-1 储油罐区安全监控系统的示意图

3.2系统设计原则

先进性:系统需在了解国内外发展动态,吸收其经验和成果的基础上进行方案的设计,使系统的技术性能和水平具有明显的先进性。

适应性:软件采用模块化设计,整个系统由各种不同模块组成,用户可根据需要进行功能的删除和扩展。

可靠性:系统运行安全可靠,性能稳定,可以在恶劣环境长期连续工作。

通用性:在设计时,应充分考虑其应用对象的共性,使系统具有较强的通用性,可以在油罐区推广应用。

相容性:系统应能携挂不同类型的传感器,能够测量多种参数。

扩展性:系统的设计容量要足够大,满足系统今后的扩充需要。

经济性:系统的造价经济合理,性能价格比高。

操作维护方便性:在软件方面,要求人机界面友好,操作简便,易学易懂;在硬件方面,要求维护检修方便。

3.3 系统的主要功能

1)对油罐安全检测数据进行实时采集,能够将储罐的液位、温度、压力等参数集中实时采集到控制室的工控计算机上,进行数据处理。

2)可以实时地显示所采集的数据。

3)可以显示罐区分布图的画面,画面上的数据(如液位、温度、压力等)按数据采样周期更新。

4)能显示主要数据的历史趋势曲线,可以将数天前的历史记录从硬盘调出。

5)能显示主要数据的实时曲线,曲线随采样周期更新。

6)能对报警信息及时提示,并以文件的形式记录下来,便于查询报警信息。

7)可随时打印当前或历史数据报表。

3.3 本章小结

在本章中主要对张天渠联合站储油罐区安全监控系统进行了初步方案设计,对整个监控系统进行了简要介绍,并指出了监控系统的设计原则,以及系统可以实现的功能。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4  张天渠联合站储油罐区安全监控系统硬件的设计

 

4.1  张天渠联合站储油罐区工艺流程简介与监控内容

4.1.1工艺流程简介

在石油生产工艺过程中,联合站是油田原油集输生产中最重要的过程,它是集油水分离、污水处理、原油及天然气集输等多个工艺系统为一体的综合性生产过程.张天渠联合站位于陕北定边县,隶属于定边钻采公司东仁沟采油队,该联合站的油气水集输、分脱和污水处理回注系统,从设计到建设均达到了国内油田行业标准,部分设备在国内处于领先水平。张天渠联合站的主要设备有沉降罐、净化罐、收球筒、量油分离器、缓冲罐、污油箱、换热器、过滤器、以及不同型号的输油泵。站内的原油流程主要是:从各个油井和增压点的来油首先进入双容积量油分离器,进行来油计量,计量后的原油经过进一步的沉降净化后往其他集油站外输或者进行装车外输。张天渠联合站的两幅工艺流程图分别参见图4-1和图4-2

4-1  张天渠联合站工艺流程图1

4-2  张天渠联合站工艺流程图 2

注释:罐-1为净化油罐,罐-2700m3溢流沉降罐,罐-3500 m3的溢流沉降罐,分-1为分离缓冲罐,分-2为气液分离器,容-1为双容积量油分离器,容-2为快开式电加热收球筒,箱-1为污油箱,换-1TR60-2.5的来液换热器,换-2TR25-2.5的来液换热器,换-3TR2-1.6的单量换热器,泵-1为装车泵,泵-2为净化油外输泵,泵-3为含水油外输泵,泵-5为齿轮卸油泵。

原油的生产流程如下:

4-3  原油的生产流程图

在此流程中,来油的计量是通过双容积量油分离器来完成的。该设备主要由上下两个容器组成,上面的容器起到来油缓冲的作用,下面的容器则是一个容积已知的容器,它的主要作用就是进行来油计量。当下面的计量容器中的原油达到上限时,原油从计量容器中输出;输出完毕时,原油再从缓冲容器输入到计量容器。双容积量油分离器就是通过这种循环的方式来完成原油的计量。

(2)  站内吹扫流程

(3)  站内循环流程

(4)  站外吹扫流程

4.1.2  监控内容及功能

本文主要是针对罐区进行安全监控系统设计,所以要监测罐区的液位、压力、温度,为了防止油罐发生泄漏,还要对罐区进行气体浓度的监测。

(1)  内容:

①监测罐区共16点气体浓度。

②监测分离缓冲罐、两个净化罐、三个沉降罐、两个装车泵及四个外输泵的前后压力。

③监测三个收球筒的温度、两个TR60-2.5型、两个TR2-1.6型换热器和一个TR25-2.5型换热器的进出口温度、两个净化罐和三个沉降罐的温度、两处外输油的温度。

④监测分离缓冲罐及两个净化罐的液位高低报警。

⑤监测三个双容积量油分离器液位高低报警。

⑥监测三个齿轮卸油泵的开关状态。

⑦控制三个双容积量油分离器的液位高低。

⑧控制三个齿轮卸油泵的开关。

(2)  功能:

①信号采集:信号采集包括对现场仪表及模块信号的采集和转换处理。

②监控操作:实现对现场各个设备参数及状态的检测。

③动态显示:动态流程画面显示;实时及历史报警显示;实时及历史趋势曲线显

示。

④操作画面:通过操作画面查询和管理工艺过程;打印实时或历史报表、趋势曲

线和报警画面。

4.2  系统详细设计

如前所述,联合站计算机监控系统的设计方案有三种:上位机加I/O板卡的方案、上位机加485总线加I/O模块和工业仪表的方案以及上位机加PLC的方案。由于本次设计对稳定性的要求一般、费用预算要求不高,所以本次设计选择上位机加485总线加I/O模块和工业仪表的方案。

4.2.1  初步分析

监测三个收球筒的温度、两个TR60-2.5型和一个TR25-2.5型换热器的进出口温度、两个净化罐和三个沉降罐的温度、两处外输油的温度、分离缓冲罐压力和两个装车泵及四个外输泵的进出口压力、站区共16点气体浓度共45路信号经过相应的变送器后都会转换为与现场最大、最小值对应的4-20mA电流信号,都是模拟量输入信号。

监测分离缓冲罐及两个净化罐的液位高低报警、三个双容积量油分离器的液位高低报警、三个齿轮卸油泵的开关状态共15路信号明显是对应数字量输入信号。

控制三个双容积量油分离器的液位高低、三个齿轮卸油泵的开关共9路是数字量输出信号。

4.2.2        系统I/O点数统计

 

4-1  监控系统I/O变量表

序号

监控对象

总点数

控制要求

AI

DI

DO

1

站区

16

16点气体

浓度监测

16*1=16

2

三个收球筒(容2

3

温度监测

3*1=3

3

两个TR60-2.5型换热器(1

4

换热器进出口温度监测

2*2=4

4

两个TR2-1.6型换热器(换3

4

换热器进出口温度监测

2*2=4

 

 

5

一个TR25-2.5型换热器(2

2

换热器进出口温度监测

1*2=2

6

两个净化罐和三个沉降罐的温度

5

温度监测

5*1=5

7

两处外输油

2

温度监测

2*1=2

8

分离缓冲罐(分1两个净化罐及三个沉降罐

6

压力监测

6*1=6

 

9

两个装车泵及四个外输泵

12

泵进出口压力监测

6*2=12

10

分离缓冲罐及两个净化罐

6

液位高低报警

6*1=6

11

三个双容积量油分离器

6

液位高低报警

6*1=6

12(去掉)

三个齿轮卸油泵(泵5

3

泵开关状态监测

3*1=3

13

三个双容积量油分离器(容1

6

液位高低控制

3*2=6

14

三个齿轮卸油泵(泵5

3

开关控制

3*1=3

合计

78

54

15

9

4.2.3  硬件选型

4.2.3.1 主机部分

在储油罐区现场,腐蚀性气体较多,且需要计算机24小时连续不断地运行,因此对生产现场的设备较其他行业要求更高。所以针对主机,我们选择由我国台湾省研华公司生产的IPC-610H型工控机,该机适合于对数据的收集,能满足专业性较高的行业的要求,能给各行业提供高性能、高可靠性的工业级计算机平台。

 (1)  IPC-610H具有以下特点:

①超强的环境适应能力:IPC-610H采用高强度钢壳体、坚固耐用,具有卓越的抗电磁干扰能力,最大限度的保障了系统的可靠性。另外它还具有很宽的温度、湿度范围,可满足各种工作现场的特殊要求。IPC-610H采用大功率风扇,有效的对机箱内部进行散热,通过苛刻的环境测试设计,具有耐高温,防震动,抗冲击的能力。

②优秀的系统扩展能力:宽敞的机箱空间,前瞻性的系统设计,在满足用户对功能要求的同时,保证了充足的扩充空间和技术支持。IPC-610H的数据处理能力和存储空间随着存储技术的发展而不断地提高,能从容应对数据流量的不断增大。

③强劲的数据处理能力:拥有一颗超强、稳定的心脏——中央处理器,优异的兼容性,支持奔腾处理器,保证系统快速、稳定地工作。采用高可靠性的Intel芯片组,使得系统的数据处理能力更加强劲。针对客户不同的应用需要,给客户提供不同的配置,以满足客户的需求。

(2)  IPC-610H具有以下配置:

机箱: 高度          4U

槽数          支持14ISA/PCI插槽

冷却系统      285CFM风扇

接口          前置USBPS/2接口

磁盘驱动器    前置35.2513 .5

电源             300WATXPFC  PS/2 电源

无源底板      PCA-113P7X2PICMG/4ISA/槽底无源底板)

4-4  研华工控机IPC-610H

 

处理系统:CPU             Intel Pentium4

           最高速度          3.06GHz(选2.4GHz

           二级缓存          512/256KB

           芯片组           Intel845GV

              BIOS             Award 4Mb FWH

总线:        前端总线           400/533MHz

              PCI                 32-bit/33MHz

              ISA              HISAISA high driver

内存:        规格                DDR200/266/333 SDRAM

              最大容量           2G(选512MB

              插槽                2184-pin DIMM插槽

图形卡:      控制器            芯片组集成VGA控制器

              显存                动态分享内存864MB

EIDE:         模式             ATA 100/66/33

                 通道                2Max.4deceives

I/O接口:     USB             2 (USB2.0兼容)

              Serial                    2(RS-232)

              Parallal             1(SPP/EPP/ECP)

              FDD                 1

              PS/2                    1

硬盘:        HDD 80GB(7200rpm)

软驱:        FDD 1.44MB

光驱:        52X CDROM

4.2.3.2  模块部分

由于工控机是RS-232接口,而二次仪表是RS-485接口,所以需要两块ADAM-4520(隔离RS-232RS-422/485转换器)模块。

ADAM-4520主要特点:

l 自动内部RS-485总线监督

 

l 自动数据流控制

l 最高采样速率115.2 kbps

l 3000 Vdc隔离保护(ADAM-4520

4.2.3.3   仪表部分

(1)    YZ3301 (RS232/422/485至多模光纤转换器)

 

4-5  YZ3301 (RS232/422/485至多模光纤转换器)

1.仪表简介:

YZ3301多模光纤转换器,采用世界最新光纤技术,专门为我国电力配网自动化、工业自动化、SCADA(数据采集及监控)等工业行业数据通信而设计。YZ3301能在一对光纤上实现RS232/422/485设备之间的互连,先进的自动双向切换技术,无需方向控制信号。光纤接口为ST接口,多模光纤最远距离为2KM,由于采用光纤技术,所以避免了由于不同节点地电位不同引起的设备烧毁和强电磁感应、高电压引起的干扰,并可安全工作在要求防爆的环境中;同时省去了原来使用铜线时的雷电浪涌保护设备的投资。YZ3301适合于工业环境下高可靠性通信。YZ3301已广泛应用在电力配网自动化、工业现场过程控制、数据采集及自动化、监控系统等各行各业。

2.技术指标:

光纤接口:ST接头         距离:2KM       光纤波长:850nm

RS-485/422物理接口:工业标准接线端子       RS-232接口: DB9

RS-232/422/485速率:0-115.2kbps             电源:直流+5V

工作模式:光纤至RS232/422/485双向通信

3.工作环境:

工作温度:0~+70           湿度:10~90%25

4.产品尺寸:110mm×70mm×25mm

2)二次仪表

4-6 二次仪表

二次仪表是指用于进行信号转换及显示或控制的一类仪表,安装在监测台内。可以对光电转换器输出的电脉冲信号进行线性化处理,并进行仪表的量程、灵敏度等调节,以数字形式显示被测参量。二次仪表与传感器配套使用,可对液位、温度、压力等信号进行跟踪测量,满足高危的工作条件,主要技术参数如下:

贮存温度55~+60

工作温度:-45℃~+60

相对湿度:≤98%RH

工作电压:28.5VDC±10%

工作电流:≤100mA

输出电压:05VDC±1%            

输出线性误差:≤1%

质量:≤1kg     

4.2.3.4      现场测量仪表—光纤传感器

在本次设计中,采用光纤传感器做为测量单元,使测量现场没有引入电信号,从而达到本质安全的要求。 

<1>光纤液位计

4-7  光纤液位计

选用BTY-G系列光纤液位变送器利用力学自平衡原理实现液位或界面的检测。变送器由测量单元(包括浮子、计量钢丝绳、重锤、主动轮、过渡轮等)、光码变送器、光缆等部分组成。当被测介质液位发生变化时,浮子随液位升降产生位移,通过计量钢丝绳、主动轮、过渡轮将该直线位移转变为角位移,再通过磁耦合,使光码变送器内的光码盘同步转动,输出两组光脉冲,经光缆传输到光纤转换器。
    
光纤转换器将该两组带有液位变化信息的光脉冲信号转变为电脉冲信号,经放大整形后,进行判向和计数,然后将电信号传送到二次仪表,二次仪表处理后,以标准232422串行数据输出给计算机,显示出储罐内液位值;也可以 420mA的形式输出,并对液位进行直接显示,并实现上下限报警功能。
    BTY-G
系列光纤液位变送器安装在罐区危险场所,二次仪表、光纤转换器和计算机监控系统安装在安全场合的操作室。光纤液位变送器与光纤转换器之间通过光缆连接,完全做到罐区无电检测,本质安全防爆。
技术指标 BTY-G系列光纤液位变送器
1
、环境温度:-30100
2
、外壳防护等级:IP65
3
、光缆传输距离:5km
4
、防爆标志:iaIICT4T6
5
、外形尺寸:370×280×240
6
、光缆规格:62.5/125四芯多模铠装
7
、测量范围:065m
8、基本误差:±2mm±1mm
9
、分辨率:0.5mm1mm
10、介质密度范围:0.53.0g/cm3
11
、介质密度差:0.1g/cm3(测量界面时)

<2>光纤光栅温度传感器

4-8  光纤光栅温度传感器

FBGT 系列温度传感器的产品包括温度、应变、压力、位移、加速度等多种光纤光栅传感产品系列和光传感网络分析仪等,产品性能达到业界领先水平。产品可以广泛应用于桥梁、工民建筑、堤坝、输送管道、电力设施、海洋石油平台和其他大型架构的实时、分布式健康监测。这些产品秉承了光纤传感器所有固有的优异特性,本质安全、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、使用寿命长;在应用方面又独具有我公司的技术特色,每个产品系列都具有强大的组网能力,不同系列的产品可以任意混合组网并且可以配用相同的解调设备等,从而为客户提供简洁、完整的技术解决方案

FBGT 系列表面式光纤光栅温度传感器主要参数:  
测量范围  -50~ +150(可定制量程)      测量精度   ±0.5  
分辨率     0.1               外观尺寸   30mm×5mm×2mm(可定制其他尺寸)  
远传距离    5km              标准量程:-50~+150(可定制量程)

安装方式:粘贴或捆绑
<3>
光纤压力计

4-9  光纤光栅压力计

选用北京金井创新科技有限公司的ZFP光纤光栅压力计,它的表面有一层膜,该膜连接在一个预应变的光纤光栅上,通过该膜来感受压力。作用在膜上的压力使膜产生一定的变形,该变形就使光纤光栅的应变发生改变,从而导致反射光谱中心波长的偏移。 为了补偿温度的影响,在外包壳内部集成了一个高分辨率温度传感器。

特性:全光检测,本质安全;抗电磁干扰,防雷防爆防腐,能耐受高温高压测量精度高,范围宽,适用于监测水压,油压等。

<4>光纤气体浓度报警仪

 

4-10  可燃气体监测报警仪

BXC—02A可燃气体检测报警仪
应用领域: 
 城市天然气管道泄漏检测 
 石油化工业可燃气泄漏检测  
 密闭容器可燃气泄漏检测 
 油罐车可燃气泄漏检测 
 消防行业可燃气泄漏检测 
产品特点:
 智能化设计,多种功能,可实现数据存储、读出  
 探头通过延长线伸出1m,便于细微处测漏 
 有背景光照明,暗处数字清晰可见 
 调零、消声、校准、数据存储等均通过 
 使用充电锂电池,体积小、能量高
 3小时快速充电,节省时间
 声光报警,设置方便 仪器名称 可燃气体检测仪 氧气检测仪 
 配有耳机,不受噪声干扰 
 3LCD显示 
 根据用户要求可增加数据存储功能 
 可记录、读出100个数 
 产品采用流线型设计手感好,便于操作 
 随机配手提带、耳机、充电器、包装箱
技术参数:
 型号         BXC-02A       BXC-03A 
  
被测气体       可燃气          氧气 
  
检测范围     0—100%LEL    0—25%VOL 
  
误差             8%           0.5% 
  
响应时间        ≤30       ≤30

3.2.3.5 其他设备

系统还需要选用打印机、电源及显示器等其他设备,这里我们选用惠普彩色喷墨打印机、山特3KVAUPS电源(不间断电源)和21寸飞利浦彩色显示器。

所有硬件设备的具体情况见表4-2

4-2  监控系统设备清单

序号

名称

类别

型号

技术要求

数量

1

计算

机部

工控主机

研华IPC-610H

PIV1.8G/512MDRAM/40G/1.4M/50X

1

21寸彩显

21CRT

21寸飞利浦彩色显示器

1

UPS电源

山特3KVA

3KVA   0.5小时

1

打印机

惠普

A3,彩色喷墨打印机

1

2

软件

部分

操作系统

Windows2000/XP

Microsoft Windows2000/XP

1

组态软件

Kingview6.52

北京亚控“组态王6.52

1

3

模块仪表

部分

DI模块

研华ADAM-4052

8路隔离数字量输入

2

DO模块

研华ADAM-4060

4路继电器输出

3

信号转换器

研华ADAM-4520

RS-232RS-485转换

2

多通道巡检控制仪

昌晖SWP-LCD-M

16路多通道巡检控制仪,控制输出方式:电压/电流输出,设定/显示精度:+0.5%FS+1位数max

3

光纤转换器

YZ3301

RS485至多模光纤转换器

2

二次仪表

HC600

对转换器输出的信号进行处理

2

4

变送器

压力传感器

ZFP光纤光栅压力计

光脉冲信号输出

 

18

温度传感器

FBGT 系列

光脉冲信号输出

分辨率     0.1 

20

光纤液位计

BTY-G系列

光脉冲信号输出

分辨率:0.5mm1mm

9

气体浓度传感器

BXC—02A

可燃气体检测报警仪

 

16

5

控制柜

仪表盘柜

KG-221

仪表控制柜,2100×900×600(高×宽×深),配套接线端子、端子排、汇线槽及内部接线

1

小型操作台

西仪横河

西仪横河计算机专用平台

1

4.2.4  系统监控方案设计

监控系统采用一台研华工控机,配21寸飞利浦彩显,带有UPS电源的A3幅面彩色喷墨打印机。先由光纤传感器将现场要监测的信号转换成光脉冲信号,通过光纤传送给光电转换器,将光脉冲信号转换成电脉冲信号,再由二次仪表对电脉冲信号进行处理,最后二次仪表通过研华ADAM-4520RS-232RS-485转换)模块和RS-485总线与计算机进行通信,这样,现场数据就可以传送到计算机了。

二次仪表与传感器配套使用,可对液位、温度、压力等信号进行跟踪测量,从而完成对液位、温度、压力及气体浓度的监控。监控系统方案硬件示意图如图4-5

 

4-11  系统硬件示意图

4.3 本章小结

本章主要介绍了张天渠联合站储油罐区的工艺流程,根据图纸初步确定I/O的数目和类型并进行硬件选型,根据需要监测的参数类型,选择合适的光纤传感器。最后设计光纤传感安全监测系统,利用光纤液位计、光纤压力计、光纤光栅温度传感器等组成光纤传感安全监测系统。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5                 张天渠联合站安全监控系统软件设计

 

5.1  软件的选择

目前的计算机监控系统中,制作上位机监控程序的方法有多种,如利用VBVC等可视化编程工具制作控制界面,调用MSCOMM控件或利用Windows API函数进行上下位机串口通讯;或直接利用工业组态软件来制作上位机监控程序。由于本系统涉及变量较多,功能要求齐全,所以选用工业组态软件来进行设计。当前流行的组态软件很多,如工INTOUCHFIX、组态王、虎翼、开物2000等,其中组态王6.5性价比高,网络通讯功能比较完善,能满足本系统要求,故采用之。

5.1.1  组态王的结构

组态王软件是人机界面软件,采用了多线程、COM组件等新技术,实现了实时多任务,软件运行稳定可靠。组态王6.5软件包由工程浏览器(TouchExplorer)、工程管理器(P rojManager)和画面运行系统(TouchView)三部分组成。在工程浏览器中你可以查看工程的各个组成部分,也可以完成数据库的构造、定义外部设备等工作;工程管理器内嵌画面管理系统,用于新工程的创建和已有工程的管理。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统TOUCHMAKE和工程运行系统TOUCHVIEW来完成。

TOUCHMAKE是应用工程的开发环境。在这个环境中可以完成画面设计、动画连接等工作。TOUCHMAKE具有先进完善的图形生成功能;数据库提供多种数据类型,能合理地提取控制对象的特性;对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简洁的操作方法。

PROJMANAGER是应用程序的管理系统。PROJMANAGER具有很强的管理功能,可用于新工程的创建和删除,并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复,实现数据词典的导入和导出。

TOUCHVIEW是组态王软件的实时运行环境,在应用工程的开发环境中建立的图形画面只有在TOUCHVIEW中才能运行。TOUCHVIEW从控制设备中采集数据,并存在于实时数据库中。它还负责把数据的变化以动画的方式形象地表示出来,同时可完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能,并按实际需求记录在历史数据库中。通过用组态王软件,可以实现对液位、压力、温度的实时监控。

5.1.2  组态王的功能

(1)  基本人机界面功能

组态王作为一种应用软件,有很好的人机界面,为用户提供了丰富的快速应用的设计工具,便利的集成开发环境。

(2)  强大的通讯功能

“组态王”把每一台与之通讯的设备看作是外部设备,目前能连接PLC、智能仪表、板卡、模块、变频器等几百种外部设备,为实现和外部设备的通讯,组态王内置了大量设备的驱动作为组态王与外部设备的通讯接口。如图5-1所示,在运行期间,组态王就可通过驱动接口和外部设备交换数据,包括采集数据和发送数据指令。

5-1  组态王软件架构

组态王的大部分驱动程序采用组件(COM)技术,这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统,保证了运行系统的高效率,也使系统有很强的扩展性。

组态王与I/O设备之间的数据交换采用以下五种方式;串行通讯方式、DDE方式、板卡方式、网络节点方式、人机接口卡方式。

①串行通讯方式:这是组态王与I/O设备之间最常用的一种数据交换方式。串行通讯方式使用“组态王计算机”的串口,I/O设备通过RS-232串行通讯电缆连接到“组态王计算机”的串口。组态王最多可与32个串口设备相连。

DDE方式:DDE(动态数据交换)Windows的一个标准的传输协议。通过DDE方式任何I/O设备都可以与“组态王计算机”进行数据交换。在此方式下,DDE服务程序可以采用自己的方式与I/O设备进行数据交换,DDE服务程序与“组态王”采用标准DDE协议进行通讯。

③板卡方式:板卡类设备直接插在“组态王计算机”的扩展槽内,“组态王计算机”通过访问板卡的I/O地址直接与其进行数据交换。

④网络节点方式:I/O设备作为一个网络节点与“组态王计算机”进行数据交换。I/O设备与“组态王计算机”之间通过TCP/IP进行网络连接。采用此方式的I/O设备多数为其它计算机。

⑤人机接口卡方式:某些厂家的可编程逻辑控制器(PLC)在与计算机进行数据交换时,要求在计算机中安装一个特殊的人机接口板卡,板卡与可编程逻辑控制器(PLC)之间采用专门的通讯协议进行通讯。“组态王计算机”通过人机接口卡实现与I/O设备之间的数据交换。人机接口卡和连接电缆由PLC生产厂家提供。使用人机接口卡可以与一个PLC连接,也可以与一个PLC的网络连接。

此外,组态王还提供驱动程序开发软件包,用户可使用此软件包编制自己系统所需的驱动程序。

(3)  高效的数据采集

组态王对通讯程序做了多种优化处理,尽量使通讯瓶颈对系统的影响最小,同时保证数据传递的及时和准确性。优化措施包括:

①需求驱动的通讯方式:组态王对全部通讯过程采取动态管理的方法,只有在上位机需要时进行数据采集。对于那些暂时不需要更新的数据则尽可能减少通讯。这大大缓解了速率慢的矛盾。

②需求合并:组态王把对一个设备的多种请求(动画显示、历史数据记录、报表生成等)尽可能的合并,一次采集将满足多个功能模块的需求。

③打包处理:大多数的下位机都支持多个数据一次采集完成。组态王充分利用了这个特性,对于提供这种通讯功能的下位机,组态王将尽可能地把需要采集的变量进行优化组合,在一次采集过程中得到大量有效的数据,有效地减少了通讯的次数。

(4)  故障诊断与恢复

在工业现场中,由于通讯故障而引起的损失可能是非常巨大的,为了将这种损失降为最小,组态王精心优化了通讯故障的诊断机制,可以在极短的时间(l-2个采集周期)内报告故障的发生,并诊断出出现故障的下位机,这非常有助于现场工程师及时排除险情。

组态王的自动恢复功能是指:当下位机被更换或恢复运行后,不需要现场工程师对软件系统作任何干预,组态王通过短时间的尝试后,可以自动恢复与下位机的通讯。自动恢复功能对于保障系统可靠运行是非常必要的。

当一台下位机发生故障时,组态王会自动优化通讯链,使其与下位机之间的通讯几乎不受影响,保证了通讯的高效率。

(5)  先进的报警和事件管理

完善的“监控和数据采集系统”能检测到非正常状态的发生,并将报警信息、按照正确的顺序登录到数据库,并且不会丢失任何数据,以便事后对它进行分析。组态王是通过报警和事件这两种方式通知操作人员过程的活动情况。组态王的事件驱动报警的方式和紧凑高效的结构使得报警信息可以被完整地记录,即使突然发生大量的报警也不会遗漏。

报警是过程状态出现问题时发生的警告,同时要求操作人员做出响应。组态王报警系统具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点,提供了多种报警管理功能,包括:基于事件的报警、报警分组管理、报警优先级、报警过滤、新增死区和延时概念等功能,以及通过网络的报警管理。

(6)  广泛的数据获取和处理

一般地,工业现场的设备构成的控制网络负责完成自动控制的功能,保证工厂的运行,但它难于让工厂操作和管理人员看到生产过程的实际运行状况。组态王能够从不同的数据源获取数据,并直观、形象地显示出来,供操作和管理人员操作和分析。在组态王的开放结构中,系统可以与广泛的数据源交换数据,如I/O驱动程序,ODBC数据库,OPC服务器,动态数据交换(DDE)ActiVeX控件等,同时可以将数据以趋势、报表等形式显示出来。

(7)  强大的网络和冗余功能

组态王可以运行在基于TCP/IP网络协议的网络上,使用户能够实现上、下位机以及更高层次的连网。另外,随着网络的无限蔓延,组态王的每一台数据采集站从工业现场采集的数据,可以被网络上的所有其他站点直接访问,使数据在任何时间、任何地点畅通无阻。同时支持分布式网络报警、分布式历史数据库等,功能强大,稳定可靠。

组态王的网络是一种基于分布式处理的柔性结构。在一个分布的系统上,可以将整个应用程序分配给多个服务器,以提高项目的整体容量并改善系统的性能。

在单主机、单网络或单设备系统中,机器或设备出现检修或故障时,整个系统都将停止运行,给生产造成重大损失。组态王充分考虑到现场的各种需要,提供多重冗余手段,用户可自由选择多重冗余方式来构造自己的可靠系统。

组态王提供五种冗余方式:I/O通讯冗余、I/O设备冗余、计算机冗余、系统冗余和网络冗余。

I/O通讯冗余:I/O通讯冗余是指控制系统中主机与外部设备之间建立两条连接通道。在单通道系统中,外部设备与主机之间的通讯线路一旦出现故障,将中断数据采集,采用I/O通讯冗余后,系统中主机与外部设备之间有两条物理通道,通讯时,若主通道出现故障,从通道将连通,保证了数据采集的连续性和完整性。正常工作时仅使用主通道与外部设备通讯,这样可以减少外部设备的通讯负担。当主通道通讯出现中断时,组态王会自动切换到从通道工作,当主通道恢复通讯时,组态王又自动切换到主通道,从通道将自动停止通讯,系统恢复到正常状态。

I/O设备冗余:I/O设备冗余是指控制系统中有两台冗余的外部设备。在单设备系统中,外部设备一旦出现故障,将中断数据采集。采用I/O设备冗余,主机可以同时对两台外部设备进行控制。通讯时,若主设备出现故障,从设备将继续采集数据,保证了数据采集的连续性和完整性。正常工作时,主设备采集数据并将数据传送给组态王,进行正常通讯。当主设备通讯出现中断时,作为冗余的从设备将自动启动,与组态王进行通讯;当主设备恢复通讯时,从设备将自动停止通讯,将通讯的主动权交给主设备,系统恢复正常状态。

③计算机冗余:计算机冗余是指控制系统中监控主机的冗余,是为了保证系统的稳定运行而增加的功能。在单一主机系统中,当主机需要检修或出现故障时,整个系统都将停止运行。为避免这一情形,用户可以采用计算机冗余,即在系统中增加备用从机。当系统正常工作时,主从机都启动,但从机并不采集实时数据,而是通过网络从主机获取实时数据,同时负责对主机的监听。在主机停机后,从机采集数据并完全取代主机的功能。主机恢复运行后,从机停止数据的采集,系统恢复正常状况。

④系统冗余:系统冗余是在双机冗余的基础上实现的,不需要更改任何硬件设置,是指控制系统中客户端(Netview)与监控主机构成的系统冗余。在单系统中,当主机需要检修或出现故障时,客户端将不能获取主机的数据,在这种情形下,系统将会利用双系统冗余功能。当系统正常工作时,客户端(Netview)从主机上获取数据。在主机停机后,客户端(Netview)将从从机获取数据。主机恢复运行后,客户端(Netview)自动切换为从主机获取数据,系统恢复到正常状况。

⑤网络冗余:在单一网络系统中,当网络出现故障时,整个系统都将停止运行。为了避免这一情形,用户可以采用双网络冗余的方法配置网络。双网络冗余是指控制系统中实现两条物理网络连接〔即每台计算机有两块网卡),系统可以通过两条网络进行网络通讯,保证系统的稳定、安全运行。

(8)  组态王组态和编程

组态王可读取PLC监测到的设备运行状态、模拟量采样数据等信息,根据这些实时数据,在屏幕上动态显示各个流程情况、包括各个控制设备的运行情况等。一旦发现故障报警信息,系统即显示明显报警画面,向PLC发出相应动作指令,保存并记录故障发生的时间、方位和原因等原始数据,还可以根据客户需求保存历史数据、定时、实时打印数据。

组态王软件可将过程或生产中发生的事件清楚地记录、显示出来,完成参数设定、操作控制和动态画面的监视。它可显示当前状态并按顺序记录,所记录的数据可以全部或有选择地显示,也可编辑、输出。可结合用户程序进行信息处理、测量值处理和报表打印。运行时,它具有很强的实时性。

5.2 监控系统的软件设计

软件的设计主要进行以下四个步骤:

设计图形界面   2 构造数据库变量    3  建立动画连接    4 运行和调试

5.2.1  监控系统的功能要求

   此次设计主要是针对罐区进行的,因此以罐区为主要的分析单元,与各罐相连的其他设备也简要的分析了一下。联合站储油罐区安全监控系统是在联合站内监控中心的控制台实现对罐区的监测和控制,实现监视各个油罐的运行状态和运行参数、接收故障报警信息、通过智能终端设备下达控制信号,并具有报警功能、操作权限管理功能、报表统计和打印功能等。

(1)  状态采集功能:能动态采集下列信号:各个设备及原油温度、设备及原油压力、各个罐体的液位、温度、压力、各管线的流量、输油泵运行状态以及站区16点的气体浓度。

(2)  状态数据的处理与分析:①能对采集数据进行存储;②能对监控参数进行趋势分析;③能对监控参数进行趋势预报;④能对监控参数的异常状态进行关联分析。

(3)  报警功能:对监控参数能实施报警功能,能进行记录(包括发生时间、监测参数数据,相关参数数据等),自动生成异常状态数据库。

(4)  集中显示功能:①主要设备的运行状态显示;②工艺流程画面的动态显示;③参数的历史趋势曲线及实时趋势曲线显示;④参数的历史报警及实时报警显示;⑤参数的历史报表及实时报表显示;⑥历史数据及特种记录显示。

(5)  存储功能:①各种监控参数的动态存储;②各种监控参数的异常动态存储;③控制行为的动态存储。

(6)  查询功能:①各种监控参数的历史数据查询;②各种监控参数的曲线及趋势查询;③异常状态查询;④控制行为查询。

(7)  报表及打印功能:①各种监控参数报表的自动生成;②各种监控参数的报表打印;③异常状态及控制行为的报表打印。

5.2.2  工程的建立

“组态王”软件存于一张光盘上。光盘上的安装程序Install.exe程序会自动运行,启动组态王安装过程向导。在正确安装“组态王6.52后首先启动组态王工程管理器。工程管理器的主要功能包括:新建工程、删除工程,搜索指定路径下的所有组态王工程,修改工程属性,工程的备份、恢复,数据词典的导入导出,切换到组态王开发或运行环境等。

工程管理器运行后,当前选中的工程是你上次进行开发的工程,称为当前工程。组态王的示例工程作为默认的当前工程。

启动“组态王”工程管理器(ProjManager),选择菜单“文件\新建工程”或单击“新建”按钮,弹出如图5-2所示。

5-2  新建工程向导之一

单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之二对话框”,如图5-3所示。

5-3  新建工程向导之二

在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径,或单击“浏览…”按钮,在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之三对话框”,如图5-4所示。

5-4  新建工程向导之三

在工程名称文本框中输入工程的名称,该工程名称同时将被作为当前工程的路径名称。在工程描述文本框中输入对该工程的描述文字。工程名称长度应小于32个字符,工程描述长度应小于40个字符。单击“完成”完成工程的建立。

5.2.3画面设计

5.2.3.1  新画面的建立

使用工程管理器新建一个组态王工程后,进入组态王工程浏览器,单击工程浏览器左边“工程目录显示区”中“画面”项,右面“目录内容显示区”中显示“新建”图标,鼠标双击该图标,弹出“新画面”对话框,如图5-5所示。

5-5  新画面的建立

在对话框中可定义画面的名称、大小、位置、风格,及画面在磁盘上对应的文件名。该文件名可由“组态王”自动生成,工程人员可以根据自己的需要进行修改。输入完成后单击“确定”按钮使当前操作有效。此时,TouchExploer按照指定的风格产生一幅名为“主画面1”的画面。

在工具箱中单击文本工具,可以在在画面上输入文字,例如“张天渠联合站工艺流程图1”等字样。

5.2.3.2  图库的使用

图库是指组态王中提供的已制作成型的图素组合。图库中的每个成员称为“图库精灵”。

使用图库开发工程界面至少有三方面的好处:一是降低了工程人员设计界面的难度,使他们能更加集中精力于维护数据库和增强软件内部的逻辑控制,缩短开发周期;二是用图库开发的软件将具有统一的外观,方便工程人员学习和掌握;最后,利用图库的开放性,工程人员可以生成自己的图库元素,“一次构造,随处使用”,节省了工程人员投资。

在工程浏览器中单击“图库\打开图库”菜单,弹出“图库管理器”窗口,如图5-6所示。

5-6  图库管理器

在图库中有大量现成可以使用的设备仪器,根据自己工程的需要从图库管理器中选择所需的图库精灵,用鼠标左键双击该图库精灵,此时图库管理器窗口从画面上消失, 显示为开发系统画面窗口,此时鼠标变为“|—”形状,将鼠标移动到想要放置

图库精灵的位置,单击鼠标左键,将图库精灵放置到指定位置上。

图库精灵的大小可以直接利用鼠标改变。另外可以将图库精灵转换成普通元素,将不同的图库精灵组合成自己工程所需的元素,转换成普通元素后的图素可以改变其某种属性,比如,颜色、大小、位置等。利用以上的所介绍方法最后生成张天渠联合站的两幅工艺流程图如图5-7和图5-8

5-7  工艺流程图1

5-8  工艺流程图2

5.2.2  定义外部设备和数据变量

1)定义外部设备

组态王把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。外部设备包括:下位机(PLC、仪表、模块、板卡、变频器等),它们一般通过串行口和上位机交换数据;其他Windows应用程序,它们之间一般通过DDE交换数据;外部设备还包括网络上的其他计算机。

只有在定义了外部设备之后,组态王才能通过I/O变量和它们交换数据。在此我们使用仿真PLC和组态王通信。仿真PLC可以模拟PLC为组态王提供数据。假设仿真PLC连接在计算机的COM1口。 

(1)    在组态王工程浏览器的左侧选中“COM1”,在右侧双击“新建”,运行“设备配置向导”;

(2)    选择“仿真PLC”的“串口”项,单击“下一步”;

(3)    为外部设备取一个名称,输入PLC1,单击“下一步”;

(4)    为设备选择连接串口,假设为COM1,单击“下一步”;

(5)    填写设备地址,假设为1,单击“下一步”;

(6)    设置通信故障恢复参数,单击“下一步”;

(7)    检查各项设置是否正确,确认无误后,单击“完成”。

    设备定义完成后,可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“PLC1。在定义数据库变量时,只要把I/O变量连接到这台设备上,它就可以和组态王交换数据了。定义完成后的图如图5-9所示。

5-9  设备配置完成后图

2)数据库的作用

数据库是“组态王”软件的核心部分,工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上,操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场,所有这一切都是以实时数据库为中介环节,所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在TouchVew运行时,它含有全部数据变量的当前值。变量在画面制作系统组态王画面开发系统中定义,定义时要指定变量名和变量类型,某些类型的变量还需要一些附加信息。数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”,数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。

1)数据词典中变量的类型

  变量可以分为基本类型和特殊类型两大类。基本类型的变量又分为“内存变量”和“I/O变量”两类。

I/O变量”指的是需要“组态王”和其他应用程序交换数据的变量。这种数据交换是双向的、动态的,即在“组态王”系统运行过程中,每当I/O变量的值改变时,该值就会自动写入远程应用程序;每当远程应用程序中的值改变时,“组态王”系统中的变量值也会自动更新。所以,那些从下位机采集来的数据、发送给下位机的指令,比如“反应罐液位”、“电源开关”等变量,都需要设置成“I/O变量”。

    “内存变量”是指那些不需要和其它应用程序交换数据、也不需要从下位机得到数据、只在“组态王”内需要的变量,比如计算过程的中间变量,就可以设置成“内存变量”。

 基本类型的变量可以按照数据类型分为离散型、模拟型、长整数型和字符串型。

内存离散变量、I/O离散变量:类似一般程序设计语言中的布尔BOOL变量,只有01两种取值,用于表示一些开关量。

②内存实型变量、I/O实型变量:类似一般程序设计语言中的浮点型变量,用于表示浮点float型数据,取值范围10E-3810E+38,有效值7位。

内存整数变量、I/O整数变量:类似一般程序设计语言中的有符号长整数型变量,用于表示带符号的整型数据,取值范围-21474836482147483647

④内存字符串型变量、I/O字符串型变量:类似一般程序设计语言中的字符串变量,可用于记录一些有特定含义的字符串,如名称,密码等,该类型变量可以进行比较运算和赋值运算。字符串长度最大值为128个字符。

⑤特殊变量类型:有报警窗口变量、报警组变量、历史趋势曲线变量、时间变量四种。这几种特殊类型的变量正是体现了组态王系统面向工控软件、自动生成人机接口的特色。

2)定义变量的方法

对于我们将要建立的系统,需要从下位机采集到诸如温度、压力、气体浓度、液位等信息,所以需要在数据库中针对这些信息定义相关的变量。因为这些信息是通过驱动程序采集到的,所以需要建立的变量都是I/O变量。具体定义变量的方法如下:

<1>在工程浏览器的左侧选择“数据词典”,在右侧双击“新建”,弹出“变量属性”对话框,对话框设置为:

变量名:净化罐1液位1          变量类型:I/O实数

变化灵敏度:0                   初始值:0

最小值:0                       最大值:100

最小原始值:0                   最大原始值:100

转换方式:线性                  连接设备:PLC1

寄存器:INCREA123             数据类型:SHORT

采集频率:100毫秒             读写属性:只读

<2>设置完成后,单击“确定”。

用类似的方法建立另外几个变量。“净化罐1液位1”的“变量属性”对话框如下图5-10所示。

5-10  “变量属性”对话框

5.2.6  动画连接

1、动画连接的作用

所谓“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。对于已经建立的“张天渠联合站工艺流程流程图”,如果画面上的净化罐1图素能够随着变量“净化罐1液位1”等变量值的大小变化实时显示液位的高低,那么对于操作者来说,就能够看到一个真实反映工业现场的监控画面,这就是动画连接的目的。

2、建立动画连接

  1 在画面上双击图形对象“反应器”,弹出该对象的动画连接对话框。

5-11  动画连接对话框

变量名:“\\本站点\净化罐1液位1”,分别选择罐体,填充背景和填充的颜色。

填充设置如上图5-11所示。

2)单击“确定”按钮,完成油罐的动画连接。这样建立连接后,变量“原油液位”的变化就通过设置颜色的填充范围表示出来,并且填充的高度随着变量值的变化而变化。

  用同样的方法设置罐内压力和罐内温度的动画连接。通过“模拟值动画连接”可以知道罐液面的准确高度。

<1>在工具箱中选用文本工具,在罐旁输入“原油液位”,当工程运行时,画面上字符串的内容将被需要输出的模拟值所取代。用同样的方法,在各个罐旁输入相应字符串。

<2>双击文本对象“原油液位”,弹出“动画连接”对话框。

<3>单击“模拟值输出连接”对话框,在对话框设置如下图5-12所示:

5-12  动画连接对话框

表达式:“\\本站点\净化罐1液位1

输出格式:    整数位:1       小数位:2        对齐方式:居左

<4>单击“确定”按钮

<5>单击“动画连接”对话框的“确定”,完成设置。

用同样的方法,为其余的字符串建立“模拟值输出”动画连接。

<6>选择菜单“文件\全部存”。

<7>启动运行程序TouchvewTouchvew启动后,选择菜单“画面\打开”,在弹出的对话框中选择“张天渠联合站工艺流程图1画面即可。

5.2.7  命令语言

组态王中命令语言是一种在语法上类似C语言的程序,工程人员可以利用这些程序来增强应用程序的灵活性、处理一些算法和操作等。

命令语言都是靠事件触发执行的,如定时、数据的变化、键盘键的按下、鼠标的点击等。根据事件和功能的不同,命令语言可分为应用程序命令语言、热键命令语言、事件命令语言、数据改变命令语言、自定义函数命令语言、动画连接命令语言和画面命令语言。具有完备的词法语法查错功能和丰富的运算符、数学函数、字符串函数、控件函数、SQL函数和系统函数。各种命令语言通过“命令语言编辑器”编辑输入,在“组态王”运行系统中被编译执行。

下面运用命令语言来制作画面切换菜单,此菜单用于系统中各个画面之间的切换以及退出系统,有助于系统的管理。

首先利用工具箱在画面上画出一个菜单按钮,双击该按钮弹出“菜单定义”对话框如图5-13所示。

5-13  菜单定义对话框

对话框中“菜单文本”选项用于定义主菜单的名称,用户可以输入任何文本,包括空格,字符长度不能超过31个字符。“菜单项”用于定义各个子菜单的名称。菜单项定义为树形结构,用户可以将各个功能做成下拉菜单的形式,运行时,通过点击该下拉菜单完成用户需要的功能。在“菜单项”的空白处点击右键可以新建项。点击“命令语言” 按钮可以调出“命令语言”界面,在编辑区书写命令语言来完成菜单各项要执行的功能。“字体”项用于让用户设置菜单文本的字体。

在菜单中各项的设置如下:

菜单文本:画面切换

菜单项:张天渠工艺流程图1

        张天渠工艺流程图2

        历史报警窗口

        实时报警窗口

        实时趋势曲线图

        历史趋势曲线图

        报表画面

        退出系统

命令语言:if(menuindex==0)

showpicture("张天渠工艺流程图1");

if(menuindex==1)

showpicture("张天渠工艺流程图2");

if(menuindex==2)

showpicture("历史报警窗口");

if(menuindex==3)

showpicture("实时报警窗口");

if(menuindex==4)

showpicture("实时趋势曲线图");

if(menuindex==5)

showpicture("历史趋势曲线图");

if(menuindex==6)

showpicture("报表画面");

if(menuindex==7)

Exit(0);

完成这些设置后单击“确定”按钮完成对菜单的定义,系统运行后就可以利用此菜单来进行画面的切换以及退出系统。

在完成画面的建立、I/O设备和变量的定义、动画连接以及菜单的制作等任务后,系统运行画面如图5-14和图5-15所示。

5-14  运行画面1

 

5-15  运行画面2

5.2.8  报警画面

报警是指当系统中某些量的值超过了所规定的界限时,系统自动产生相应警告信息,表明该量的值已经超限,提醒操作人员。如油品储罐,如果往罐中输油时,如果没有规定油位的上限,系统就产生不了报警,无法有效提醒操作人员,则有可能会造成“冒罐”,形成危险。有了报警,就可以提示操作人员注意。

5.2.8.1  定义报警组

报警组是按树状组织的结构,缺省时只有一个根节点,缺省名为RootNode(可以改成其它名字)。可以通过报警组定义对话框为这个结构加入多个节点和子节点。这类似于树状的目录结构,每个子节点报警组下所属的变量,属于该报警组的同时,属于其上一级父节点报警组。如在上述缺省RootNode报警组下添加一个报警组“A”,则属于报警组“A”的变量同时属于“RootNode 报警组。

定义报警组的具体方法如下:

切换到工程浏览器,在左侧选择“报警组”,然后双击右侧的图标进入“报警组定义”对话框。在“报警组定义”对话框中单击“修改”,将对话框中的“RootNode”修改为“车间1”,单击“增加”按钮添加一个新组“车间2”。最后单击“确认”完成报警组的定义。如下图5-16所示。

5-16 报警组定义对话框

5.2.8.2  设置变量的报警定义属性

报警服务器端产生的变量报警是根据I/O服务器端定义变量时对变量的报警定义而产生的。如果不对变量的报警定义进行预先的设置,那么系统运行后则无法对变量进行报警。这里我们以变量“净化罐1的液位1”来说明报警定义的方法。

在工程浏览器的左侧选择“数据词典”,在右侧双击变量名“净化罐1的液位1”,弹出“定义变量”对话框。在“定义变量”对话框中单击“报警定义”,弹出对话框如图5-17所示。

对话框中的具体设置如下:

低:10                  高:90

报警组名:车间1        优先级:1

设置完成后,单击“确定”完成对该变量的报警定义。如需要对其他变量进行报警,则可以用同样的方法对变量进行报警定义。

5-17  报警定义对话框

5.2.8.3  建立报警窗口

组态王运行系统中报警的实时显示是通过报警窗口实现的。报警窗口分为两类:实时报警窗口和历史报警窗口。实时报警窗口主要显示当前系统中存在的符合报警窗口显示配置条件的实时报警信息和报警确认信息,当某一报警恢复后,不再在实时报警窗口中显示。实时报警窗口不显示系统中的事件。历史报警窗口显示当前系统中符合报警窗显示配置条件的所有报警和事件信息。报警窗口中最大显示的报警条数取决于报警缓冲区大小的设置。

在工具箱中单击报警窗口按钮或选择菜单“工具\报警窗口”,鼠标箭头变为单线“十”字型,在画面上适当位置按下鼠标左键并拖动,绘出一个矩形框,当矩形框大小符合报警窗口大小要求时,松开鼠标左键,报警窗口创建成功。

在创建报警窗口后,还要对报警窗口的配置属性进行设置,这样在系统运行后才能够对相关变量进行报警。

双击报警窗口对象,弹出“报警窗口配置属性页”对话框,如图5-18所示。

5-18  报警窗口配置属性页

在该属性页中,我们可以根据系统的需要对报警窗口各个属性进行设置。这些属性包括:通用属性、列属性、操作属性、条件属性、颜色和字体属性。其中在通用属性中可以设置报警窗口的类型,分别为实时报警窗口和历史报警窗口。

本系统运行后的实时报警窗口和历史报警窗口,如图5-19和图5-20

5-19  实时报警窗口

5-20  历史报警窗口

5.2.9  趋势曲线

趋势曲线用来反应数据变量随时间的变化情况。趋势曲线有实时趋势曲线和历史趋势曲线两种。曲线外形类似于坐标纸,X轴代表时间,Y轴代表变量值。对于实时趋势曲线最多可显示四条曲线;而历史趋势曲线最多可显示十六条曲线,而一个画面中可定义数量不限的趋势曲线(实时趋势曲线或历史趋势曲线)。在趋势曲线中工程人员可以规定时间间距,数据的数值范围,网格分辨率,时间坐标数目,数值坐标数目,以及绘制曲线的“笔”的颜色属性。画面程序运行时,实时趋势曲线可以自动卷动,以快速反应变量随时间的变化;历史趋势曲线不能自动卷动,它一般与功能按钮一起工作,共同完成历史数据的查看工作。这些按钮可以完成翻页、设定时间参数、启动/停止记录、打印曲线图等复杂功能。

实时趋势曲线和历史趋势曲线的创建方法如下:

在工具箱中选中“实时趋势曲线”工具,然后在画面上绘制趋势曲线。双击此实时趋势曲线对象,弹出“实时趋势曲线”对话框,如图5-21所示。

5-21  “曲线定义”对话框

在该对话框中可以根据需要对XY方向上的主/次分线以及需要在画面中显示的变量进行设置,设置完毕后点击“标识定义”,弹出对话框如图5-22所示。

5-22  标识定义”对话框

在该对话框中主要是设置曲线的显示方式,可以根据需要进行设置。本系统运行后的实时趋势曲线和历史趋势曲线,如图5-23和图5-24所示。

5-23  实时趋势曲线图

 

5-24  历史趋势曲线图

 

5.2.10  报表画面

数据报表是反应生产过程中的数据、状态等,并对数据进行记录的一种重要形式。是生产过程必不可少的一个部分。它既能反映系统实时的生产情况,也能对长期的生产过程进行统计、分析,使管理人员能够实时掌握和分析生产情况。

组态王提供内嵌式报表系统,工程人员可以任意设置报表格式,对报表进行组态。组态王为工程人员提供了丰富的报表函数,实现各种运算、数据转换、统计分析、报表打印等。既可以制作实时报表,也可以制作历史报表。组态王还支持运行状态下单元格的输入操作,在运行状态下通过鼠标拖动改变行高、列宽。另外,工程人员还可以制作各种报表模板,实现多次使用,以免重复工作。

本系统的报表画面制作过程如下:

打开工具箱,选择工具箱中的“报表窗口”工具,在画面上绘制两个报表,一个用做实时报表,另一个用做历史报表。在两个报表中可以设置表头格式、报表时间、报表格式等,完成这些设置后,系统报表的运行画面如图5-25所示。

5-27  报表运行画面

5.3  系统调试

在完成了张天渠联合站储油罐区安全监控系统的软硬件设计之后,还需要对其进行功能调试,确保系统能够对现场参数进行实时监控。

   系统调试包括硬件调试、软件调试以及现场联动调试。

 

5.3.1  系统硬件调试

认真阅读有关产品说明书,搞清楚产品接线端子和软硬件接线图等,特别要关注里面的注意事项,将说明书内容与我们设计好的硬件接线图相结合进行调试。其具体调试步骤如下:         

在与计算机I/O端口断开的条件下,对系统现场检测仪表如:光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤气体传感器等逐一进行检测,确认输出的光信号是否无误。还要对光纤转换器和二次仪表进行检查,确保输出的电信号准确无误。

5.3.2  系统软件调试

组态软件编译通过之后,首先进行软件调试。软件调试过程主要完成的工作和步骤如下所述。

(1)  软件组态检查

检查流程画面组态,实时数据、历史数据库组态,状态曲线画面组态,报警和报表等画面组态结果是否满足设计要求。

(2)  控制方案组态的检查和仿真测试   

因为控制回路要在控制站上运行,而在组态阶段,一般是不连接控制站的,但可以利用组态王软件提供的仿真调试功能,在纯软件环境下先进行一些仿真调试,确保控制策略是正确的,到系统联调时会省很多时间。

5.3.3  现场联动调试

在软件、硬件分别调试无误的情况下,进行软硬件现场联动调试。主要分以下几步来完成。

(1)  现场信号与数据组态正确性的调试

为了保证系统的各种功能特别是控制调节功能运行正确输入输出关系必须确保正确无误因此现场调试的第一步工作应该是确认所有的输入输出信号的接线与实时数据的组态是否一一对应。测试方法和步骤如下:

将工况监控画面调出,逐一对监控系统中涉及到的各种信号进行测试工况监控画面显示的参数结果是经过了所有的硬件输入(输出)信号的滤波处理物理量的转换之后得到的最终结果。由此,工况监控画面能全面地反映信号的正确性。

在进行输出信号测试与调试时使用参数设置画面用人机会话的方式设置输入输出的值用测试仪表测试出所有模块通道的值同时测量执行机构的动作如果允许调整这时有一点一定要注意就是在测量输出时一定要将所有的控制算法和逻辑屏蔽否则可能会因为较为复杂的算法和某些逻辑条件的不成立而造成输出信号无法人为控制的情况,从而给调试工作带来很多意想不到的麻烦。

(2)  系统其他功能调试

画面调试:在现场进行的流程画面,主要完成以下几方面的测试工作:测试CRT到现场后是否受环境的干扰影响(特别是强电磁干扰);画面中各动态点的测试,测试每幅画面上的各种动态点(如报表的数值显示、状态曲线)是否设置正确,显示量程是否正确。

报表打印功能的调试:用打印机打印出每张报表,检查是否正确。

报警记录打印功能检查:将系统的报警记录打印出来,检查是否正确。

5.4 本章小结:

本章主要介绍了张天渠联合站储油罐区安全监控系统的软件设计,利用《组态王6.5》编写监控软件、绘制监控画面,包括工况图、工艺流程图、实时参数画面、实时曲线、历史数据画面、历史曲线、报警参数与报警图、报表画面;并对系统进行调试,研究系统在实际应用中可能存在的问题,并提出解决方案。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

结论

 

油罐区是重大工业危险源,数量多、危险性大。罐区油品的进出、收付非常频繁,由此引发的事故也较多,一旦发生火灾、爆炸等事故,不仅造成经济损失,环境污染,而且还可能引发更大的联锁失火、爆炸等恶性事故,给人们的生命财产带来重大损失,甚至会给社会带来灾难性的后果。因此,为了安全的需要,控制石油储罐区,加强储油罐区的安全监控是十分必要的。

本文在对储油罐区安全监控系统的国内外现状、安全监控系统的原理和组成、储油罐区安全监控系统的设计概述及步骤进行了简单介绍的基础上,进行了张天渠联合站储油罐区安全监控系统的软硬件设计,首先对张天渠联合站储油罐区的工艺流程进行了全面分析,确定了I/O的数目和类型,弄清楚了哪些参量需要检测、哪些参量需要控制以及这些参量的类型,并通过组态软件的编程实现了对张天渠联合站储油罐区工艺流程的整体监控。

在硬件设计部分主要进行了系统硬件的选型,并且介绍了系统对各种硬件的要求,其中硬件选型包括:上位机的选择、监控仪表的选择、变送器的选择以及控制柜、电源等其它硬件设备的选择。然后进行了系统监控方案设计,把系统各个硬件部分有机地联系在一起。在选择监测仪表时,采用光纤传感器所独具的高精度、非电非接触式检测等特点进行多点多参数全天候自动检测与监控,大大削减了在易燃易爆场所的安全风险,使现场检测仪表具有本质安全性,使罐区管理控制达到一体化、智能化。

在软件设计部分介绍了组态软件以及系统软件的选择,并主要介绍了系统上位监控软件的设计过程。本次设计所采用的组态软件是“组态王6.5。在上位监控软件的设计过程中,利用“组态王6.5开发了张天渠联合站储油罐区安全监测系统,主要包括工艺流程画面、历史报警画面、实时报警画面、历史趋势曲线画面、实时趋势曲线画面、历史报表和实时报表画面,能够实现了数据采集与处理、系统事故报警、显示现场生产过程或实时状态、良好的人机界面等功能。现场的流程画面、过程数据、趋势曲线、生产报表(支持报表打印和数据下载)、操作记录和报警等均可轻松浏览。从而完成了对张天渠联合站储油罐区工艺流程的实时监控。

本文结合计算机监控系统的理论知识对张天渠联合站储油罐区的工艺流程进行了具体的分析,完成了张天渠联合站储油罐区安全监控系统的设计。但是由于本人水平有限,在深度和广度方面还是做的不够,在定量研究方面还需进一步加强,文中难免还存在一些缺点和不足之处。在今后的学习和工作中有待于进一步地深入研究和拓展,恳请各位老师和同学提出宝贵意见。

 

 

参考文献:

[1] 孟凡华,基于光纤传感的油品罐区监控系统的研究,武汉理工大学硕士学位论文,20065

[2] 陈逢春,光纤传感安全监测系统,武汉理工大学硕士学位论文, 20045

[3] 文静,油罐区的光纤安全监测系统探讨,湖北安全生产信息网, 2008,7, 31

[4] 赵愚,陈安标,姜德生,新型光纤传感器在油田联合站的研究与应用,武汉理工大学学报,20025

[5] 王杰,光纤乙炔气体传感器的研究,燕山大学工学硕士学位论文, 20013

[6] 刘彬,油罐漏油检测系统,北京工业大学理学硕士学位论文,20075

[30] 王漩,光纤液位计及其与VB程序的接口,武汉理工大学学报,20027月。

[35] 杨新泉,联合站自控系统设计与应用,机电一体化,2005.5

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