化工企业安全监控预警系统(共40页)

1、 化工企业安全监控预警系统 2007年4月18PAGE 第PAGE 53页安生信息科技有限公司 服务电话87286339 Email: 化工企业安全(nqun)监控(jin kn)预警系统研究报告安生(nshng)信息科技有限公司2007年4月项目(xingm)概述:对化工罐区进行有效的监控(jin kn)对提高管理水平，降低工人的劳动强度，改善工人的工作条件，避免事故的发生等等方面具有十分重要的意义。在我国，长期以来对罐区和码头的管理主要是靠人工进行，并没有真正意义上的“监控(jin kn)系统”。随着各种新技术、新方法应用到储罐计量领域，到了90年代初，各罐区

2、储罐上基本都装备了能够对液位进行自动测量的仪表，操作人员就可以坐在控制室里通过二次仪表纵观各储罐的状况，但是具体的控制工作仍需人工进行。随着工业总线系统理论的提出和产品大量进入工业过程控制，自动化控制系统及仪表正向着数字化、智能化和网络化(或分散化)方向发展，而利用PROFIBUS总线就能很好得实现对大型复杂系统的远程控制。防爆远程I/0系统的出现解决了传统防爆系统、产品投资高、可靠性低、运用复杂等问题，在工业领域得到广泛运用。基于Prof ibus现场总线技术的现场控制器真正体现了过程自动化的分散控制概念，控制可以从地理上分散到各个现场总线器件中，而不是像传统的DCS系统，所有的控制策略是在

3、其内部做出的。现场总线控制系统成为控制系统发展的方向，积极开发基于现场总线的控制系统，推进工业自动化的发展成为当今的重要课题。本报告通过分析国内外工业控制现场总线网络系统的主流类型、特点、应用领域以及对宁波港镇海港埠有限公司液体化工区现有监控系统情况进行认真分析，对集散控制系统，现场总线控制系统和远程I/O的特点进行详细比较，提出以新型远程I/O为基础的两层现场总线控制系统，对罐区监控系统进行了系统结构和系统软、硬件设计，并成功应用于宁波港液体化工区。本文设计的系统采用支持PROFIBUS现场总线协议的西门子SIMATIC S7-400为PLC，用德国CEAG公司的现场防爆Il0产品建立防爆远

4、程I/0站采集现场数据，采用PROFIBUS-DP总线来实现数据信号的传输，从而实现化工区的远程监控。重点解决的是在工罐区防爆、防火、防腐的特殊条件下，PLC系统和现场防爆I/O产品的选择。关键词:PROFIBUS，现场总线，远程防爆I/0站目录(ml)第一章绪论(xln)11. 1研究(ynji)背景11. 2研究的目的和意义21. 3国内外相关技术及其发展31. 4研究的主要内容4第二章宁波港液体化工区现状分析52. 1宁波港液体化工区概况52. 2装卸工艺简介72. 3监控现状及分析8第三章系统总体设计的基本思路103. 1监控系统设计原则103. 2监控系统的功能要求123. 3监控方

5、案研究143. 3. 1分散控制系统(DCS)143. 3. 2现场总线控制系统(FCS)153.3.3远程I/0控制系统173. 3. 4监控方案比选193. 4小结20第四章监控系统通讯网络研究224. 1现场总线技术概述224.1.1现场总线的主要特点224. 1. 2现有的几种现场总线234. 1. 3现场总线的发展趋势254. 2通讯网络选型264. 2. 1三菱CC一Link网络264.2.2 Omron Controller-Link网络274. 2. 3 Siemens Profibus网络284. 2. 4小结(xioji)314.3 Profibus-DP网络(wnglu)

6、设计314.3.1 Profibus-DP行规(hnggu)314.3.2 Profibus-DP系统配置32第五章监控系统的硬件设计335. 1现场防爆设备335. 2远程工/0从站的设计345. 2. 1防爆远程I/0站的选择345. 2. 2防爆远程I/0站的设计385. 3 PLC控制站的设计375. 4监控层的设计39第六章结论42第一章绪论1. 1背景随着化学、石油工业的不断发展，世界各国对液体化工制品的需求也在不断地增加。为了满足这一要求，各国纷纷建立为数众多的化学工厂来生产相关的产品，而为了方便液体化工原料、中间体和制品的运输、接卸、存储，在沿海地区港口建设了许多不同功能罐区，

7、用以存储、运输品种繁多的液体化工原料、中间体和制品。这些港口的管理部门每天都需要掌握罐区每个储罐罐内存储介质的液位、温度、压力、体积和质量、罐区内可燃气体浓度以及码头的管道压力、连通管道流量、阀门状态和可燃气体浓度等重要数据，既要保证数据的准确和及时，又要确保储罐、码头的安全，防止意外事故的发生。因此，罐区储罐和码头参数的精确检测，码头以及罐区各作业流程的有效管理是非常重要的。在我国，长期以来对罐区和码头的管理主要是靠人工(rngng)进行，并没有真正意义上的“监控(jin kn)系统”。对储罐计量，最初只是靠有经验的工人利用检尺通过对各储罐的液位高度(god)进行测量(即通常所讲的“人工检尺

8、”)的方法来对储罐进行监视。该方法原始而又繁琐，人为因素影响大，精度低。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，一些发达国家从八十年代开始，就借助于微电子、计算机、光纤、超声波、传感器等高科技的迅猛发展，将各种新技术、新方法应用到储罐计量领域，使储罐自动计量呈现出集功能、精度、现场一体化的新局面。到了90年代初，各罐区储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储罐的液位参数并通过统一的模拟信号如4-20mA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

9、室里通过二次仪表纵观各储罐的状况了。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，液体化工原料、中间体和制品的种类也不断增加。对罐区的管理也提出了越来越高的要来，而由操作人员对罐区储罐、管道及码头的过程数据的定时巡检记录、汇总、分析显然越来越显示出其在实时性、准确性、合理性方面的不足。因此管理人员的责任和压力也不断增加。随着计算机技术的不断发展，可靠性的不断提高，以及价格的大幅度降低，计算机在工业中的应用越来越普及。可编程控制器(PLC )以及由多台计算机递阶构成的集中与分散相结合的集散控制系统DC

10、S (Distributed Control Systerm)被广泛地应用到各行各业。因此，近年来人们开始尝试使用计算机构成监控系统来对罐区进行综合的管理。有关资料显示，在发达国家中罐区监控系统已普遍使用了DCS。在罐区DCS监控系统中，罐区现场的仪表将温度、液位、压力等参数转换成统一的模拟量信号，点对点地送往控制室可编程控制器。然而罐区突出的特点是:系统地理分布广泛、控制分散、范围大，因此如果系统结构采用点对点连接方式时，就需要用到比一般装置多得多的电缆、接线端子及桥架等附件，系统施工时要耗费大量的人力，且很难保证连接的可靠性，为数众多的连接点及故障诊断的困难也给日后系统的检修及维护带来很大

11、的不便。并且长距离的信号传输使信号的精度大大降低。为了解决这些问题，国内外的一些专家、学者正在努力将近年来发展很快的现场总线技术应用到罐区的管理中来。现场总线是近年来迅速发展起来的一种数据总线，它主要用于现场的智能化仪器仪表，控制器、执行机构、I/ 0模块等现场设备间的信息传递。智能仪表和装置之间采用现场总线技术进行数字通信，而不再用模拟信号通过电线、电缆进行互连，使信号传递方式发生了根本性变化。从而将大大节省电线、电缆数量，使信号传递更加可靠、经济，各个仪表及装置的互连更加方便灵活。现场总线技术的发展和成熟，将使目前常见的分散控制系统面临强大冲击。采用现场总线技术构成的分散控制系统，功能将更

12、加分散，系统构成将更加灵活，系统可靠性将大大提高。但是，目前在罐区领域中，由于罐区环境带有潜在爆炸危险，其应用肯定会遇到(y do)有别于其它环境的问题，因此，现场总线在罐区应用的实例还不多见。1. 2研究的目的(md)和意义以宁波港液体化工区镇海港区为例,地处，始建于1985年，现有各类储罐180余台，总容量近70万立方米，拥有1000吨级至5万吨级的各类液化专用泊位9座，已接卸苯、醇、酸、烃等10大类80多个品种的液化品。2005年，镇海港区的液化吞吐量达350万吨，液化品吞吐量已连续10年保持全国第一，是我国最大的进口(jn ku)液化品中转基地。目前，宁波港液体化工区内各罐区的自动化管

13、理水平普遍很低，通常采用常规仪表进行现场监控，罐区、管道及码头的过程数据由操作人员定时巡检记录，人工汇总分析，自动化程度低且容易产生错误。近年来，随着宁波港化工业务量的不断扩大，液体化工品种的增加，以及罐区规模、储罐数量的增加，对化工区储存、装卸、管理提出了越来越高的要求，特别对罐区的自动化管理水平提出了更高的要求。另一方面，随着自动化控制理论水平、计算机应用技术与通讯技术不断提高，以及工业计算机监控系统在工业生产过程中的成功应用，为宁波港液体化工区监控系统的建立提供了技术保障。当前，对宁波港液体化工区监控系统进行改造和升级己迫在眉睫，通过本课题研究，可以为镇海港埠有限公司正在实施的“化工区监

14、控系统”技改项目提供详细的设计依据和指导。新型(xnxng)远程I/O的出现为解决罐区监控(jin kn)系统硬件结构方面目前面临的难题带来了希望，但是该产品刚刚问世不久，还缺乏可借鉴的实际应用的经验。因此，经过本报告(bogo)的研究将其应用到实际的罐区监控系统中去，一方面更好地解决实际中的问题，另一方面建设完成必将对于提高宁波港液体化工区自动化管理水平，降低工人劳动强度，改善工人工作条件，避免事故发生，减少系统改造初期投资，以及减少今后运行费用等方面具有十分重要的意义。1. 3国内外相关技术及其发展随着计算机技术的快速发展，计算机广泛地应用到工业控制的各个领域。它的引入大大提高了工厂自动化

15、水平，改善了自动化管理水平。计算机控制技术是自动化技术和计算机技术两个学科相结合的产物，它是工业自动化的重要支柱。计算机控制技术的广泛应用，促进了生产的柔性化和集成化，提高了工厂装备的技术水平，节约了能源，降低了消耗，提高了产品质量，提高了劳动生产率和产品的国际竞争能力，降低了环境污染，改善了劳动条件，保证了生产安全可靠，改善了企业的管理方式，建立了适应现代市场经济的企业内、外部管理机制，从而提高了企业经济效益，促进了社会和经济的发展。近年来，自动化仪表及装置的发展有着数字化、智能化、模块化、高精度化和小型轻量化的特点，出现了分散型控制系统(DCS)、总线式工控机、可编程控制器(PLC)和调节

16、器、智能变送器和新一代现场总线式智能仪表等。其中，智能化是自控装置发展的最重要特点，而现场总线(Fieldbus)技术，使自控装置间信号传递，由模拟量变为编码的数字量，实现了信号传递的一次革命。微电子技术的发展，使得各种体积小、功能强、速度快的微处理器不断涌现。而自控装置的智能化，就是以微处理器为核心来研制构成各种智能仪表、I/0模块、模板，智能外设和其他智能控制装置。微处理器的加入，使得各种控制设备具有数学运算、逻辑判断、信息存贮等智能，极大地提高了设备的功能，提高了可靠性，简化了电路、降低了成本，使控制设备发生了一次“质”的飞跃。智能控制装置有可编程、可记忆、数学运算及丰富的数据处理能力和

17、数字通信功能等显著特点。与常规控制装置相比，智能控制装置具有测量精度高、能够自动校准、具有自动修正误差和自诊断(自检)能力，允许灵活地改变功能，能够实现高级控制，可以通过数字通信构成复杂控制系统等优点。因此，研制和应用智能仪表及装置已成为当前自控领域的发展趋势，智能仪表将逐步替代常规仪表。现场总线是近年来迅速发展起来的一种数据总线，它主要用于现场的智能化仪器仪表，控制器、执行机构、I/ 0模块等现场设备间的信息传递。智能仪表和装置之间采用现场总线技术进行数字通信，而不再用模拟信号通过电线、电缆进行互连，使信号传递方式(fngsh)发生了根本性变化。从而将大大节省电线、电缆数量，使信号传递更加可

18、靠、经济，各个仪表及装置的互连更加方便灵活。现场总线技术的发展和成熟，将使目前常见的分散控制系统面临强大冲击。采用现场总线技术构成的分散控制系统，功能将更加分散，系统构成将更加灵活，系统可靠性将大大提高。总之，随着科学技术的发展，化工过程控制技术的软硬件支撑手段有了重大改观(gigun)，推动了化工过程控制技术的迅速发展。电子技术和计算机技术的发展，使自动化仪表及装置的更新换代速度越来越快，其中仪表的智能化和现场总线技术是最有发展前景的技术。自动控制理论和人工智能相结合，形成了新型的智能控制理论，推出了模糊控制、人工神经元网络控制、专家控制等多种控制方法。可以预测，多目的柔性化工间歇过程控制策

19、略研究、软测量技术应用研究、化工过程动态仿真技术研究、人工智能技术在化工中的应用和远程监控与在线优化技术研究等课题将成为21世纪化工过程控制技术所需研究解决的重点课题。1.4报告(bogo)研究的主要内容1.分析宁波港液体化工区目前的罐区情况、工艺流程和监控状况，提出存在的问题;2.在满足用户对监控系统要求的前提下，对宁波港液体化工区监控系统的设计要求，设计原则和总体结构进行研究;3.对于罐区监控系统的DCS方案，现场总线方案和远程I/O方案各自的优缺点进行详细的比较和分析;4.结合本系统的特点和设计要求基础上，通过监控系统通讯网络研究，完成网络系统结构和通讯方式的选择:5.根据系统的结构，完

20、成监控系统硬件的实现，为镇海港埠有限公司正在实施的“化工区监控系统”技改项目提供详细的设计依据和指导。第二章宁波港液体化工区现状分析2. 1宁波港液体化工区概况宁波港液体化工区地处宁波港镇海港区，位于宁波雨江入海口的北面，东临东海，北靠杭州湾，前有舟山群岛作天然屏障，地理位置十分优越。该区域发展起步于1985年，自国内首座液化专用泊位16#泊位建成投产以来，经过近二十年的开发建设，目前已拥有液化油品)装卸泊位9座，其中全国最大的5万吨级(兼靠8万吨级)液化专用泊位2座，万吨级泊位1座，3000吨级以下泊位6座，己形成500万吨的年设计吞吐能力:液体化工区陆域面积0.82平方公里，建成液化油品储

21、罐180余座，总容量近70万立方米。目前，宁波港液体化工区己有15家各类合资性质(xngzh)的专业液化油品仓储企业在此落户，并与国内外40多个港口和地区建立了业务往来。到2005年年底，己接卸苯，醇，酮，酸，烃等10大类80多个品种的液化品，累计完成吞吐量近1300万吨，液化品吞吐量已连续10年保持全国第一，是我国最大的进口液化品中转基地。宁波港液体化工区共有150余个单独的储运系统，由各种储罐、管道、控制阀门等部分(b fen)组成，主要储存甲类、乙类、丙类等液体化工产品，以及原油、成品油、燃料油等油品。液体化工区的主要作用是从输入设备(如船舶、火车等)接收液体化工原料，暂时储存后，用物料

22、泵通过管道、汽车、火车或船舶输送到用户。液体化工区的监控系统即对储罐、管道、码头的工艺参数进行有效的控制，是生产过程自动化管理的基础。宁波港液体化工区从功能结构上来看，主要(zhyo)包括:码头装卸系统，岸上仓储系统，工艺储运系统，公路铁路出运系统，安全消防及环保系统，辅助设施系统等部分。本课题涉及宁波港液体化工区的主要由分布在不同地理区域的35个储罐及6个码头的装卸储运系统组成，具体如下:码头:1) 12#泊位;4) 16#泊位;2) 13#泊位:5) 17#泊位;3) 14#泊位;6 ) 18#泊位;罐区:(括号中标注为各个罐区的储罐数目)1)丙烯睛罐区(2 ); 9)红剑罐区(2):2)

23、三罐区(3); 10)翔盛罐区(2);3)一罐区(3); 11)纵横罐区(2);4)远东罐区(3); 12)天元罐区(2);5)恒逸罐区(4); 13)华鑫罐区(2);6)赐富罐区(2); 14)南方(nnfng)罐区(2);7)荣盛(rn shn)罐区(2); 15)雄峰罐区(2);8)埃力生罐区(2);为了(wi le)方便管理和数据采集，这些储罐、码头被划分为如下所述的7个区域。如图2一1所示。1#区域，包括:丙烯睛罐区、12#、13#、14#泊位，共2个储罐，3个泊位:2#区域，包括:三罐区、16#泊位，共3个储罐，1个泊位;3#区域，包括:一罐区、远东罐区、恒逸罐区，共10个储罐;4

24、#区域，包括:赐富罐区、荣盛罐区、埃力生罐区，共6个储罐;5#区域，包括:1?#泊位，共1个泊位;6#区域，包括:18#泊位，共1个泊位:7#区域，包括:红剑罐区、翔盛罐区、纵横罐区、天元罐区、华鑫罐区、南方罐区、雄峰罐区，共14个储罐;2. 2装卸工艺简介宁波港液体化工区是目前国内规模最大的液化品装卸中转基地，由于其泊位集中，罐区密集，整个区域布局紧凑，装卸工艺系统比国内其他从事液化作业的港口较为复杂。目前国内从事液化品装卸的港口数量正在迅速增长，但相对而言这些港口在规模上均比较小，专用泊位数量少，而泊位与罐区之间的功能也相对较为固定，即一个泊位固定对应一个或几个罐区群落，泊位与泊位间缺乏应

25、有联系，机动灵活性较差。宁波港液体化工区工艺布局的一个显著特点是各主要泊位间可以通过联通管线进行相互贯通，这使得泊位利用率大大提高，机动灵活性增强，这种工艺方式可使船舶在任意主要泊位上均能把货卸到指定的储罐，或直接在两个泊位间进行中转直取装卸。大部分液体化工产品均属易燃易爆，有毒有害，污染环境的危险品，在日常运输过程中一般均采用专用运输工具和管道进行运输装卸，其基本装卸生产工艺流程如图2一2所示:图2-2液化品装卸生产工艺流程图停泊于各泊位的海轮，其液体化工产品经海轮自备泵，利用泊位上设置的输油臂或金属软管，将化工液体送至各罐区储罐内储存待发。各储罐内的化工液体，通过罐区自备泵，将化工液体因需

26、送往泊位装船，或送往火车栈台装火车槽车外运，以及送往各罐区自设的汽车栈台装汽车槽车外运。山火车、汽车运到的液体化工产品经输液泵送到储罐储存，再经泵装船外运或直接从火车装船外运。另外，通过泊位之间设置的连通管，还可使各个泊位之间达到船舶直取的装卸功能。2. 3监控(jin kn)现状及分析目前，每个储罐上安装了高位报警开关，每个储罐顶、中、底三个部位分别安装了三个PT100防爆铂热电阻的探头，罐区内安装了可燃气体浓度检测探头，每个储罐上还安装了一台雷达液位计，控制(kngzh)室内安装了对应的二次仪表。每个储罐上控制液体化工制品出入的阀门均为手动阀，操作人员通过二次仪表所显示的储罐内介质的液位值

27、，了解每个储罐的情况，同时通知位于储罐旁的操作工对液体化工制品的导入和导出实施控制，即系统的控制由人工来完成。每个储罐的情况如图2-3所示。图2-3储罐工艺(gngy)控制点示意图由于罐区的分布较广，为了减少每一次实施的人工控制所需要的时间，即降低系统控制的时滞，就要求有一些操作工在控制室内监视各二次仪表的显示数据并据此通过可防爆的对讲机向另外一些位于储罐旁的操作工发出控制命令。这样做，一方面需要的操作工的数量较多;另一方面位于室外的操作工的工作环境十分的恶劣，有毒有害气体的腐蚀以及恶劣的天气都对这些人员的健康造成许多不良的影响。而且，各储罐的参数也由人工进行记录，罐区调度室若想了解每个罐的情

28、况也要等这些人工报表送去以后刁可以，这就给整个罐区及时有效的管理带来了很大的障碍。另一方面，罐区内的这些现场仪表大部分使用年限较长，型号繁多，功能不一，并且测量误差偏大，部分仪表己不能正常工作。罐区、管道及码头的过程数据均由操作人员完成，定时巡检记录、人工汇总分析，自动化程度低且容易产生错误。大大降低了化工区数据采集的实时性、集中性，对化工区的安全生产管理造成不利。因此，为了使化工区的安全生产得以顺利进行，提升全国港口第一大液体化工区形象，对宁波港液体化工区监控系统进行改造和升级已迫在眉睫。2005年，宁波港集团镇海港埠有限公司把化工区计算机监控系统列入年度技改计划，要求改造后的系统能对化工区

29、在该公司管理内的所有储罐进行监控，对工艺管线、码头进行流程显示及监测，从而提高化工区自动化管理水平。报告需通过国内外工业监控系统现状、发展水平及方向的分析、比较，设计一套适合于宁波港液体化工区实际情况，先进的、高效的、功能齐全的、经济性好的监控系统，为镇海港埠有限公司正在实施的“化工区监控预警系统”技改项目提供详细的设计依据和指导，从而使该系统建成后能保证安全、可靠地运行。第三章系统(xtng)总体设计的基本思路3. 1监控系统(xtng)设计原则鉴于宁波港液体化工区监控系统应用(yngyng)于化工码头及罐区，系统范围大，涉及的设备多，该系统是了解整个宁波港液体化工区设备运行和状态的关键系统

30、，对保证安全生产、高效运作起着十分关键的作用，因此在系统设计与实施过程中，应主要遵循以下设计原则:1、安全可靠用于监控系统中的计算机，尤其是直接与工业过程相连的前端计算机与一般用于科学计算或管理的计算机虽然在本质上并没有什么不同，但由于生产现场的恶劣环境、周围的各种干扰和不能间断进行的控制任务，对工业控制计算机(一般简称工控机)在可靠性与安全性上的要求便大大高于一般的计算机。因为一旦计算机出现故障，控制系统将会瘫痪，轻者影响生产，造成产品质量不合格，重者则会造成人员和设备的事故。另一方面，由于化工过程控制的对象往往是连续工艺流程的一部分，一个系统的事故很可能会引起前、后工序的联锁反应，最后导致

31、整个生产线的失调。因而，在计算机远程控制系统的整个设计过程中，务必将安全可靠放在首位。首先，应该选用高性能的工控机承担过程控制任务。因为工控机在整机的机械、防振动、耐冲击、防尘、抗高温、抗电磁干扰、抗电流干扰等方面往往针对生产现场的特点，采取了特殊的处理措施，以保证系统在恶劣的工业环境下仍能正常运行。其次，在设计控制方案时要考虑各种安全保护措施，使系统具有诸如异常报警、事故预测、故障诊断与处理、安全联锁、不间断电源等功能。再次，为预防计算机出故障，后备装置的设置是必需的。对于一般的控制回路，可以选用手动操作器作为后备;对于必须采用自动控制的重要回路或特殊回路，可采用常规控制仪表或后备计算机作为

32、后备。这样，一旦系统出现故障，就可将后备装置切换到控制回路中，维护生产过程的正常运行。2、操作、维护与维修方便操作方便主要体现在要求系统便于掌握、操作简单，而且显示画面直观形象。由于系统投运后将由操作工进行日常操作与维护，所以在考虑操作的先进性同时，还应兼顾操作工以往的操作习惯，使操作工容易掌握，而并不强求他们掌握计算机知识。例如，操作工己经习惯了PID调节器的面板操作，那就是或在硬件上或是在CRT画面上设计成回路操作显示面板(画面)。另外，人机对话的操作也应简单明了，尽量采用图示与中文操作提示，热键设置不宜太多。对重要的参数要设置一些保护性措施，增加操作的鲁棒性。维修方便要从软件与硬件两个方

33、面考虑，目的是易于查找故障、排除故障。硬件上宜采用标准的功能模板式结构，便于及时查找并更换故障模板。模板上还应安装上作状态指示灯和监测点，便于检修人员检查与维修。厂在软件上应配备检测与诊断程序，用于查找故障源。必要时还应考虑设计容错程序，在出现故障时能保证系统的安全。3、实时性强实时性是绝大部分监控系统最主要的特点之一，它要对内部和外部事件都能及时地响应，并在规定的时限内作出相应的处理。系统处理的事件一般有两类:一类是定时事件，如定时采样、运算处理、输出控制量到被控制对象等:另一类是随机事件，如出现事故后的报警、安全联锁、打印请求等。对于定时事件，由系统内部设置的时钟(shzhng)保证定时处

34、理。对于随机事件，系统应设置中断，根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事件发生，根据中断优先级别进行处理，保证最先处理紧急故障。4、通用性好监控系统的研制与开发需要一定的投资和周期，在设计开发监控系统时应尽量考虑采用积木式的模块化结构。在此基础上，再根据各种不同设备和不同控制对象的控制要求，灵活地构成(guchng)系统。这样设计出的系统便于随时进行系统的扩充或改造，通用性好。控制系统的通用性和灵活性设计具体体现在硬件与软件两个方面。硬件方面宜采用标准总线结构，配置各种通用的功能模板，并留有一定的冗余，在需要扩充时只需增加相应功能的通道或模板就能实现。在系统监控软件和控制算法等软件设计中

35、也应采用标准模块化结构。类似硬件设计，软件设计中也可按控制需求选择各种功能模块灵活地构成控制系统整体软件。5、经济效益(jn j xio y)高监控系统除了满足生产工艺所必需的技术质量要求以外，也应该带来良好的经济效益。这主要体现在两个方面:一方面是系统的性能价格比要尽可能的高，而投入产出比要尽可能的低，回收周期要尽可能地短;另一方面还要从提高产品质量与产量，降低能耗，减少污染、改善劳动条件等经济、社会效益各方面进行综合评估，有可能是一个多目标优化问题。随着计算机技术的飞速发展，自动控制和自动化设备更新换代非常频繁，在设计监控系统时应充分考虑监控方案的先进性和设备、通信等的先进性，在尽量缩短设

36、计研制周期的同时，要有一定的预见性。3. 2监控系统的功能(gngnng)要求根据镇海港埠有限公司化工队生产装卸实际情况，宁波港液体化工区监控系统应该具有以下(yxi)的功能:1.对罐内液位、温度、压力，罐区可燃气体，阀门状态(zhungti)进行监测:对码头可燃气体浓度，连通管道压力、流量、阀门状态进行监测。监控系统主要采集模拟量、数子量、开关量等数据。1)模拟量的采集。需要采集的模拟量主要有:温度传感器、压力传感器、可燃气体检测仪等输出的4-20mA电流信号;2)开关量的采集。需要采集的开关量主要有:阀门状态、继电器状态、手动/自动选择开关状态。3)数子量的采集。主要是液位变送器、输油管上

37、流量计数器计数脉冲的采集。2.操作控制对泵进行启停控制，对消防水喷淋进行控制。本系统可以全自动管理和控制监控工作，流程作业情况要求能在中控室监视器监看，但为了在特殊情况下人可以超越计算机进行控制，因此，应设置手动自动控制方式的转换开关。3.报警记录为了分析现场设备故障的方便，应设置故障报警记录功能，监控单元设置好各工作参数的报警阀值，如液位、温度、压力上限和下限，并在运行过程中对这些工作参数循环进行越限监视，以便实时记录报警事件、报警位置、发生的时间、报警原因，并生成报警表，供查询分析。4.事件记录SOE (Sequence of Events)包括启动自检记录，进出料记录，故障报警记录，系统

38、管理员登录记录，监控参数阀值修改记录等，并记录下所有事件的发生时间。5.人机交互利用工业通用组态软件开发监控软件平台，实时显示现场工作状况和操作结果，比如:监控参数阀值修改、自动生成报表、各操作界面(jimin)的切换等，界面友好，图形元素丰富、明了，操作简便，极易上手。6.报表(bobio)生成和打印按照镇海港埠有限公司化工队生产要求的周期和格式，生成日报、月报、季报(j bo)和年报，并在局域网内部共享，供管理部门打印、存档;根据事件记录信息生成和打印运行日志。 7.趋势曲线趋势曲线的生成和显示作为监控系统的一个重要环节，可以直观反映一些重要工作参数的变化情况，比如液位实时和历史曲线可以看

39、出每个储罐每天工作量(进料和出料)，进而来平衡各物料泵的工作时间以达到延长物料泵使用寿命的目的。趋势曲浅分为实时趋势曲线和历史趋势曲线，分别对应实时数据库和历史数据库。8.数据库管理监控系统的数据库管理也是很重要的环节，历史数据的形成和存储是数据库管理的主要内容，此外，为满足宁波港液体化工区管理的需要，必须进行一些数据处理工作。9.网络功能接入内部局域信息网，生成报表和数据库文件，供管理部门读取浏览。10.系统扩展本系统通过添加模块可以逐步扩展，罐区自动灌装、照明等部分均可以纳入该系统，形成宁波港液体化工区现场综合管理控制系统。系统功能示意图如图3-1所示。图3-1系统功能示意图3. 3监控方

40、案研究随着计算机技术的不断发展，可靠性的不断提高，以及价格的大幅度降低，计算机在工业中的应用越来越普及。目前，计算机控制系统大致可分以下几种类型:(1)数据采集系统;(2)操作指导控制系统:(3)监督控制系统(SCC); (4)直接数字控制系统(DDC);(S)多级分布式计算机控制系统(DCS);(6)基于现场总线技术的计算机控制系统(FCS ); (7)远程I/O控制系统。根据宁波港集团镇海港埠有限公司对监控系统的要求，报告分别对分散控制系统(DCS )，现场总线控制系统(FCS)，以及远程I/O控制系统加以论述、比较，提出最适合在宁波港液体化工区监控系统中应用的系统总体方案。3. 3. 1

41、分散(fnsn)控制系统(DCS)此系统(xtng)的结构示意如图3-2所示。图3-2分散(fnsn)控制系统(DCS)系统结构示意图 被称为“第四代”控制系统的分散控制系统(DCS )，是目前计算机监控系统中采用最多的系统结构形式。系统可分为四个大的部分。第一部分为位于现场的现场设备，现场级设备是各类传感器、变送器和执行器，它们都要是满足本质安全要求的设备，其中传感器、变送器将现场各种物理量统一转换为4-20mA电信号(或者其他类型的模拟量信号)，而执行器则接受模拟量信号，作用于现场设备。第二部分是将现场信号连接在一起的大量的电线电缆、接线端子以及现场接线箱、接线柜和铺设电缆所需的电缆桥架等

42、等辅助设备。第三部分为安全栅，主要起到限制从安全区到危险区的能量，使该能量足够小到不足以点燃危险区中危险爆炸混合物的程度，同时现场设备的短路或其它故障也被安全栅隔离，安全栅还起到对一些标准信号进行必要转换的作用。安全栅有齐纳式和隔离式两种类型，只能放置在安全区。第四部分为控制站，采用DCS或PLC。一般由DCS或PLC的CPU单元、各种开关量(DI/DO)和模拟量(AI/AO)以及其它特殊信号的输入/输出卡件、供电电源模块等组成。系统的工作原理为:设备将检测到的各种物理量转换成各种标准信号通过电线电缆传送到安全栅，安全栅将信号隔离后传送到DCS/PLC的输入卡件，输入卡件将这些标准信号转换成D

43、CS/PLC内部的信号并传送到CPU中进行处理，处理的结果再经过相反的路径传送到现场的执行器。该系统的优点在于:1.结构的原理简单，容易被一般的维护及操作人员所理解;2.某一点的故障一般不会影响到其它的点即故障的波及面易于控制;3.现场设备为所谓的“传统型”，与“总线型”设备比较起来历史悠久更重要的是可选择的范围宽。但是，该系统的缺点也是十分明显的:1，现场设备与控制室之间的距离远，因此在构成系统时就需要大量的电线电缆、接线端子及桥架等等辅助设备，系统的硬件成本高;2.系统控制器冗余的成本高;3.很难保证为数众多的连接点都能够一次性的做到连接准确(zhnqu)而牢固;4.系统(xtng)的安装

44、及调试需要大量的人工，因此系统的人工费用成本也高;5.系统(xtng)调试及运行后的故障点诊断十分困难;6.模拟信号的长距离传输，使得信号的衰减和干扰问题十分的突出;7.由于不同厂家的DCS/PLC之间有较大的差异，因此不同系统之间的信息无法共享，造成了一个又一个的“信息孤岛”。3. 3. 2现场总线控制系统(FCS)此系统的结构示意如图3-3所示。现场总线控制系统(FCS)被称为“第五代”控制系统。这是一种新的控制系统，它是在现场总线技术发展的驱动之下形成的新型网络集成式分布控制系统。整个系统以现场总线为基础将系统的各个部分连接起来。从上面的示意图可以看出该控制系统也分为四个部分。第一部分为

45、现场设备。目前人们将现场设备按照是否具有总线接口分成“传统型”和“总线型”两大部分。所谓“传统型”现场设备是指在现场总线技术出现之前就己经开始使用的不具备总线接口的产品，它们不能够直接挂接到现场总线上。而“总线型”现场设备是伴随着现场总线技术的发展而产生的具有总线接口可直接挂接到现场总线上的产品。在该方案中，现场设备都要采用“总线型”的产品。第二部分为起到总线分支和防爆作用的总线H1卡和总线安全栅。总线主干通过H1卡被分成许多网段，每个网段上的电流经过总线安全栅后被限制到本质安全防爆所允许的范围之内，但是每块总线安全栅只能接8块以下的现场设备，因此该系统中要配置N块H1网卡和N个总线安全栅，并

46、且H1卡和总线安全栅只能放置在安全区(一般与控制器放置在同一个控制柜内)。第三部分为控制器，常采用具有现场总线接口的DCSIPLC的CPU单元。由于现场设备都具有总线接口(即可以直接挂接到总线上与控制器进行通信)，因此就无需DCS/PLC的各种输入输出卡件了。第四部分为将前三部分连接在一起的现场总线电缆，专用接插件及其它的辅助连接设备。图3-3现场总线控制系统(FCS)系统结构示意图系统的工作原理为:现场设备将检测到的各种参数转换成符合所采用的总线协议的信号，在主控制器读取其数据的总线周期内将这些信号经过现场总线传送到H1网卡，H1网卡将这些信号汇总后传送到主控制器的总线接口模块中，该模块再将

47、这些总线信号转换成DCSIPLC内部可以识别的信号。系统的控制输出信号经过相反的传送到现场的执行器处。现场总线控制系统(kn zh x tn)(FCS)的优点则在于:1.无需接线端子(dun z)，节省控制柜空间从而节省了控制室所需的空间;2.电缆(dinln)连接通过“即插即用”的接插件，接线方便、快速、准确、牢固;3.施工简单，工作量小，可节省大量的人工费用;4.系统多种的诊断与自诊断功能，使故障点的定位十分迅速，从而缩短系统的故障停车时间;5.在屏蔽电缆内进行数字信号的传输，信号传输精度大大提高;6.系统扩展容易。而现场总线控制系统(FCS)的缺点是:1.系统结构原理较复杂，一般的维护操

48、作人员理解起来较困难;2.总线上某一从站的故障可能会波及到其它从站的正常工作;3. H1网段不支持冗余，因此系统的高可靠性较难保证;4.系统原有的仪表需更换为具备总线接口的产品，更换费用高;5.在构造大系统时，系统的循环时间长，实时性较差。3.3.3远程I/O制系统基于远程I/O的现场总线控制系统。此控制系统的结构示意如图3-4所示。所谓“总线型”远程I/O是针对传统的采用某一厂家专有的通讯协议与主控制器进行数据交换的远程I/O产品而言的，即其与主控制器之间是通过开放的现场总线进行数据的交换。图3-4基于远程I/O的现场总线控制系统结构示意图 “总线型”远程I/O备安全栅防爆功能的普通型和将安

49、全栅集成在I/O防爆型。而防爆型的远程I/O只能放在安全区和可以直接放置在危险现场的两类产品。普通型的远程I/O，一方面只能放在安全区不能靠近现场，失去了远程I/O的优势;另一方面其不具备安全栅的防爆功能，在具体应用时还要再另外使用安全栅来确保系统的安全。而对于防爆型远程I/O中只能放置在安全区的产品而言，其同样具有不能靠近现场而失去了远程I/O优势的问题。对于可以直接放置在危险现场的防爆型远程I/O而言，其既可以直接安装在危险现场充分发挥远程I/O的优势，又可以做到本质安全防爆，因此，在做“总线型”远程I/O的控制方案时，考虑采用此类的产品。报告在后面的讨论中提到的“总线型”远程I/O的控制

50、方案，如无特殊声明都指的是采用此类远程I/O的方案。从图3一可以看出(kn ch)，整个的系统可以分为五个部分。第一部分与FCS相同为具有现场总线接口的DCS/PLC的CPU单元，“总线(zn xin)型”远程(yunchng)I/O的应用使得DCS/PLC的本地输入输出模块也不再需要了。第二部分为主控器与远程I/O之间的现场总线及连接附件。此处，现场总线设计为双总线的冗余结构。第三部分为“总线型”防爆远程I/O其可以直接放置在危险现场并可以直接连接“传统型”的现场设备并将这些设备的信号转换为总线信号传送到主控制器。第四部分为“传统型”的现场设备。第五部分为现场设备与远程I/O之间的连接电缆及

51、附件。系统的工作原理为:现场设备采集的各种信号以“点对点”的方式传送到远程I/O信号进入到I/O卡件后首先经过隔离(即安全栅的作用)然后再转换成符合现场总线协议的信号，这些信号由远程I/O经外部总线传送到主控制器。从主控制器发出的控制信号经过相反的路径传送到现场设备。该系统的优点在于:1.远程I/O直接安装在现场。从而使DCS系统中需使用的现场接线箱、长距离的连接电缆及附件、大量的安全栅及端子和机柜、DCS/PLC的接线端子和I/O卡件等大量的硬件都不再需要了。而仅仅需要为数很少的总线电缆就可将位于现场的远程I/O与DCS/PLC的总线接口模块连接起来，远程I/O与现场设备之间可以通过很短的线

52、缆进行连接。即硬件数量大大减少，从而硬件成本大为降低。2.采用“传统型”的现场设备并且原有的液位仪表可以保留，进一步节省了设备投资。3.硬件数量少则施工就变得简单，从而减低了施工的难度和费用。4.现场信号被远程工I/O就近转换成数字信号后在屏蔽电缆内进行数字信号的长距离传输，因此很好地解决了信号的衰减和干扰问题，从而信号的传输精度大大提高。 5.远程I/O的自诊断功能和现场总线的诊断功能，使系统故障的快速定位可以十分简单地实现。6.冗余的现场总线，确保了系统的安全。7.系统扩展容易。该系统的劣势仅仅在于将远程I/O放置在现场，增加了现场的维护工作量。3. 3. 4监控(jin kn)方案比选在

53、化工行业中，有两个不同的过程，一个(y )是所谓的“批量(p lin)”生产过程，另一个是所谓的“连续”生产过程。在这两个过程中，一个意外的中途“停车”可能会带来很大的损失，因此，系统的连续运转能力是需要首先考虑的问题，这也就解释了在该领域内做系统设计的时候为什么十分强调“故障一安全”的原因了。也就是说，如果采用现场总线，那么，系统的连续运转能力至少不能够比采用传统的控制结构低。传统的控制结构中，某一点的故障只会影响这一个或几个相关点的工作，不至于影响到整个的控制系统，但是这种点对点的连接(一根导线上只连接两个点)概念就与现场总线的在一根总线电缆上尽可能多地串接设备的概念是相互矛盾的。为了做到

54、这一点，就要考虑将现场总线系统设计为冗余的结构，但这样做就会降低成本节省的潜力。同时，又带来了另一个重要的问题，就是要求每个现场设备要具有两个总线接口或者采用环型的总线结构来连接现场设备，很显然，这样做是不经济的。如果采用一定数量的小型远程I/O来连接现场设备的话，就可以通过在该远程I/O上配置两个网关来实现总线线路的冗余，而且最大的好处就是大大减少了现场仪表与总线的连接部件从而大大降低了接线成本。另一个更为复杂的问题是现场的爆炸防护。常规的爆炸防护方法很简单，例如，通过限制能量来避免产生火花的本安(EX i )方法，通过特殊的外壳来防护的隔爆(EX d)和浇封(EX m)的方法等等。但是，这

55、些方法都与现场总线的基本概念有相抵触的地方。如果，从限制能量的角度考虑(运用本安方法)，那么，每个总线分支上允许连接的现场设备的数量就会大大的减少，例如，PROFIBUS PA或FOUNDATION FIELDBUS的每一个总线分支上允许连接的现场设备的数量被限制在6-10个，但是本来如果没有能量限制的话，PROFIBUS DP的一个分支上可以连接100多个现场设备(通过中继器)。如运用隔爆(EX d)或浇封(EX m )的方法(它们常常与增安方法组合使用)，那么，对进入危险区的能量基本上是没有什么限制，但是，这两种方法的缺陷就是在现场设备进行检修或更换之前必须要把供电切断。但对于现场总线系统

56、来说，设备的“热插拔”应该是一个起码的要求。当然，可以采用总线是本安的，现场设备用隔爆(EX d)或浇封(EX m)方法的系统方案，也就是说，现场设备均选用无需总线供电的独立供电形式，总线上传送的信号能量达到本安的水平。如果这样做，就需要在有一条通讯电缆的同时铺设一条供电电缆。但是，每一个现场设备的供电也存在较大的困难，因为目前大多数仪表的供电电压都是直流24伏，但直流24伏电源的远传是一个较难解决的问题;如果采用交流220付供电，仪表需要改型不说，交流220伏进入危险现场本身就存在着较大的安全隐患。有没有更好的解决办法呢?比较(bjio)起来，远程I/O应该是最佳(zu ji)的选择:.与现

57、场设备采用传统的安装连接(linji)方式;.使用单一的电源模块(如必要，也可冗余配置)为众多的现场设备供电;.检修或更换现场设备时可以“热插拔”;.更加经济。总结一下上述的情况，发现采用远程I/O的方案要比采用现今的现场总线方案具有更多的优势。但是，远程I/O并不是用来取代现场总线的，它要通过现场总线与PLC或DCS相连。使用远程I/O的主要目的一方面是为了解决现场设备与总线相连需要统一的总线接口的问题，因为给每一个现场设备(包括传送开关量的设备)都配置一个总线接口目前来看是既不经济也不实际的;另一方面是为了解决现场的防爆问题，既可以做到本安防爆又可以带电插拔。进一步分析后，发现远程I/O解

58、决了现场设备与总线相连时需要统一的总线接口这一问题的同时，如果其能够直接安装在危险区域之内，也就是说它不仅仅作为一个本安设备的关联设备(需放置在安全区)而且其本身可以通过不同的防爆方法直接安装在危险区的话，那么，从危险区到安全区的大量的电线和电缆就可以十分轻松地省掉了。可以断言，这种可以直接安装在危险区(I区)的具有总线接口的远程I/O系统将是我们近年内所最最需要的。综上所述，集散控制系统，现场总线控制系统和远程工I/O三个系统比较起来，基于远程I/O的现场总线控制系统的成本最低且既发挥了现场总线的优势克服了其劣势，又延续了维护和操作人员原有的工作习惯;另外，宁波港液体化工区监控系统需采集的数

59、据较多，一方面这些数据采集点分布范围较广，数据采集点之间的最远距离达到了500-600米，另一方面是部分数据采集点位置相对集中;因此，宁波港液体化工区监控系统方案应按照基于远程I/0的现场总线控制系统的思想进行。3. 4小结宁波港液体化工区监控系统利用高精度防爆变送器，对罐区每个储罐的温度、压力、液位、各种可燃气体含量进行检测。数据采集点的分布有范围广，距离远的特点。根据点的分布和与中控室的距离，在中控室设置集中PLC系统来采集现场数据显然是不可行的，因此，如上节所述，数据采集系统设计的基本思路应该是采用分布式I/O系统，即在I/O点较集中的区域，设置分布式I/O站，现场传感器信号就近直接进入

60、分布式I/O站上的I/O模块，然后通过现场总线网络将数据传送到中控室的PLC中，实现数据的采集和处理。基于此，系统结构设计如图3-5所示。图3-5监控系统(xtng)总体结构图该监控系统共有三层体系结构，最低层为数据采集系统，从现场各类传感器设备中采集数据并执行控制指令:第二层为实时信息处理系统，由现场采集的数据及其相关(xinggun)信息写入在这一层的Web服务器和数据库服务器中，对数据进行统计、分析等处理。将实时数据、历史数据等以Web的形式实时发布;实时发布的信息通过网络同第三层用户端相连，客户计算机赋予一定的权限后可以通过浏览器直接使用和监测现场采集的数据。操作人员可在监控层计算机上