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油庫(kù)發(fā)油系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)(一)
2油庫(kù)發(fā)油系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2.1控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2.1.1控制系統(tǒng)的幾種主要形式
（1）工業(yè)以太網(wǎng)
所謂工業(yè)以太網(wǎng)，是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要的以太網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)由于其開放性好、應(yīng)用廣泛以及價(jià)格低廉等特點(diǎn),在工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)開始得到了大規(guī)模的應(yīng)用。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在信息層大都采用以太網(wǎng),而在控制層和設(shè)備層一般采用不同的現(xiàn)場(chǎng)總線或其他專用網(wǎng)絡(luò)。隨著以太網(wǎng)的不斷發(fā)展與完善,以太網(wǎng)已經(jīng)滲透到了控制層和設(shè)備層,幾乎所有的PLC和遠(yuǎn)程I/O供應(yīng)商都能提供支持TCP/IP的以太網(wǎng)接口產(chǎn)品。該系統(tǒng)應(yīng)用在中小型控制系統(tǒng)中有替代基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)的趨勢(shì)。對(duì)于大型控制系統(tǒng),由于其結(jié)構(gòu)和控制功能復(fù)雜、實(shí)時(shí)性和可靠性要求更高,構(gòu)建基于工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)目前存在著一定的技術(shù)難點(diǎn)。
（2）集散控制系統(tǒng)
集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System)以大系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，以先進(jìn)的四C(Computer,Control,Communication,CRT)技術(shù)為物質(zhì)基礎(chǔ)，采用危險(xiǎn)分散的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。集散控制系統(tǒng)將控制功能分散化、管理操作功能高度集中化，吸收了模擬控制儀表的特點(diǎn)而發(fā)展起來的一種新型數(shù)字綜合控制系統(tǒng)[3]。
DCS分為三大部分，帶I/O板的控制器、通訊網(wǎng)絡(luò)和人機(jī)界面（HMI）。控制器是DCS的核心部件，它相當(dāng)于一臺(tái)PC機(jī)。有的DCS的控制器本身就是PC機(jī)。它主要有CPU、RAM、ROM等芯片，還有兩個(gè)接口，一個(gè)向下接收I/O總線來的信號(hào)，另一個(gè)接口是向上把信號(hào)送到網(wǎng)絡(luò)上與人機(jī)界面相連。控制器中安裝有操作系統(tǒng)功能塊、組態(tài)軟件和通訊軟件。
通訊網(wǎng)絡(luò)把過程站和人機(jī)界面連成一個(gè)系統(tǒng)。通訊網(wǎng)絡(luò)有幾種不同的結(jié)構(gòu)形式。如總線形、環(huán)形和星形�？偩�形在邏輯上也是環(huán)形的。星形的只適用于小系統(tǒng)。不論是環(huán)形還是總線形，一般都采用廣播式。其它一些協(xié)議方式已用的較少。
集散控制系統(tǒng)以微型計(jì)算機(jī)作為過程控制工具，完成連續(xù)控制和順序控制功能。用上位計(jì)算機(jī)實(shí)行數(shù)據(jù)處理、監(jiān)視、控制。采用CRT(操作站)圖像和操作站為中心的人機(jī)聯(lián)系裝置實(shí)現(xiàn)集中顯示和操作，用數(shù)據(jù)通信電纜將各設(shè)備聯(lián)系起來。概括地說，集散控制系統(tǒng)是將控制功能分散開來，構(gòu)成一些以微型計(jì)算機(jī)為中心的子系統(tǒng)，然后用上位計(jì)算機(jī)來管理(監(jiān)視、操作)這些子系統(tǒng)。
DCS采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化的設(shè)計(jì)，它具有以通訊網(wǎng)絡(luò)為紐帶的集中顯示的特點(diǎn)，而操作管理、控制相對(duì)分散，配置靈活、組態(tài)方便，同時(shí)是具有高可靠性的實(shí)用系統(tǒng)。
（3）PLC+PC機(jī)控制系統(tǒng)PLC由繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，所以它在數(shù)字處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢(shì)，初期主要側(cè)重于開關(guān)量順序控制方面。隨著8位、16位、32位微處理器的應(yīng)用，使它在技術(shù)和功能上發(fā)生了飛躍，在初期邏輯運(yùn)算功能的基礎(chǔ)上增加了數(shù)值運(yùn)算、閉環(huán)調(diào)節(jié)、通信等功能，特別是通信功能的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了PLC與上位計(jì)算機(jī)之間連接成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成上下位機(jī)的控制系統(tǒng)。
用PC機(jī)+PLC組成控制系統(tǒng)時(shí)，PLC承擔(dān)了現(xiàn)場(chǎng)控制站的工作，PC機(jī)承擔(dān)操作站和工程師站的工作。在安裝有PLC系統(tǒng)軟件的PC機(jī)上可以離線（或在線）編輯PLC的控制程序（一般稱為梯形圖），控制程序下載到PLC后，PLC獨(dú)立完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、邏輯控制、模擬控制等。而操作站的各種功能都可以通過“實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件”+“PC機(jī)”來實(shí)現(xiàn)，在安裝有實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件的PC機(jī)上可以方便對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控。
計(jì)算、圖像處理、操作的方便程度、數(shù)據(jù)管理是上位機(jī)PC機(jī)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于過程控制是下位機(jī)PLC的優(yōu)勢(shì)，因而把二者的結(jié)合充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，具有一定的實(shí)際意義。另外通過來用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組態(tài)軟件的使用又可方便地把二者結(jié)合構(gòu)成完整可靠的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件采用成熟的組態(tài)軟件開發(fā)，使系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試以及對(duì)系統(tǒng)功能的升級(jí)較為方便。另外生產(chǎn)數(shù)據(jù)的及時(shí)采集和開放性處理，能夠完善生產(chǎn)管理，便于組成企業(yè)管理系統(tǒng)。
2.1.2控制系統(tǒng)方案確定
綜合上述控制系統(tǒng)的各自特點(diǎn)，我們可以看出以太網(wǎng)和DCS控制系統(tǒng)開放性好，系統(tǒng)功能強(qiáng)大，對(duì)于大型控制系統(tǒng)具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。但是，工業(yè)以太網(wǎng)畢竟不是為工業(yè)控制系統(tǒng)專門開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它更適合于對(duì)實(shí)時(shí)性要求不很高的、純粹的數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。即使在今天，某些廠商的改進(jìn)產(chǎn)品使以太網(wǎng)越來越深入現(xiàn)場(chǎng)，但整體上看，面向控制領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)還需要在技術(shù)上有重大的突破。
而對(duì)于DCS控制系統(tǒng)來說，由于各家的DCS系統(tǒng)為了搶占市場(chǎng)，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面各自為政，不同廠家的系統(tǒng)之間基本上不能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，如現(xiàn)場(chǎng)控制站、人機(jī)界面工作站、各類功能站及軟件等都是各個(gè)DCS廠家的專有技術(shù)和產(chǎn)品。從用戶的角度看，工業(yè)以太網(wǎng)和DCS系統(tǒng)都是一種購(gòu)買成本、運(yùn)行成本及維護(hù)成本都很高的控制系統(tǒng)。所以，一般中小型系統(tǒng)很少采用。
PLC+PC機(jī)控制系統(tǒng)的適用范圍比較廣泛，小到幾十點(diǎn)大到上千點(diǎn)，系統(tǒng)構(gòu)建非常靈活。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)過程中完全可以采用PLC+PC機(jī)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)的控制功能。與工業(yè)以太網(wǎng)和DCS系統(tǒng)相比，PLC+PC機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)周期短，投資成本低,在中小型控制系統(tǒng)中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，被廣泛采用。PLC+PC機(jī)控制系統(tǒng)是一種性價(jià)比高的控制系統(tǒng)，所以在發(fā)油控制系統(tǒng)中我們選用PLC+PC機(jī)控制系統(tǒng)。
2.2油庫(kù)自動(dòng)發(fā)油控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
應(yīng)用PLC技術(shù)、計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)，組成具有結(jié)構(gòu)開放的、組態(tài)靈活的、控制功能完善的、操作簡(jiǎn)單的現(xiàn)代化監(jiān)控系統(tǒng)，提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平與管理水平，是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的宗旨。
2.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則
系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以安全、可靠、實(shí)用和可擴(kuò)展為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有先進(jìn)性、完善性、靈活性等特點(diǎn)。
（1）提高控制系統(tǒng)的精度：系統(tǒng)精度是衡量系統(tǒng)好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，我們從系統(tǒng)軟硬件兩方面考慮，在硬件上選擇性價(jià)比較高的設(shè)備，更重要是從軟件設(shè)計(jì)上采用合理的控制算法來提高系統(tǒng)的精度。
（2）提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性：充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，及構(gòu)成系統(tǒng)的設(shè)備的影響因素，采取自整定控制算法，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。
（3）易操作性：系統(tǒng)的人機(jī)界面要有好，圖形與文字雙重顯示，操作簡(jiǎn)單、方便。工作人員經(jīng)過短時(shí)間的培訓(xùn)，就能夠熟練操作。
（4）可靠性：油庫(kù)自動(dòng)化系統(tǒng)要求測(cè)量、傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，運(yùn)行穩(wěn)定，出現(xiàn)故障要有緩解措施，能夠及時(shí)解救，快速恢復(fù)正常運(yùn)行，在抗干擾性方面要有一定的措施，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。
（5）安全性：安全是油庫(kù)中頭等重要的事情，所以油庫(kù)自動(dòng)化系統(tǒng)需要嚴(yán)格考慮系統(tǒng)的安全性。采用必要的安全機(jī)制，保證系統(tǒng)的安全，達(dá)到油庫(kù)防爆等。
（6）開放性：開放性是指在硬、軟設(shè)備得互連上，系統(tǒng)升級(jí)、擴(kuò)充和更新上，應(yīng)用目標(biāo)和功能變化上，以及在其他外界環(huán)境變化上，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。
2.2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
本文主要對(duì)于中小型油庫(kù)發(fā)油控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用PLC+PC機(jī)控制形式。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。本系統(tǒng)分四層網(wǎng)絡(luò)模式：管理層、操作層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)層。現(xiàn)場(chǎng)層由流量計(jì)、油泵、電液閥、溫度變送器等構(gòu)成,發(fā)油現(xiàn)場(chǎng)示意圖見圖2-2；控制層以PLC為核心，PLC與PLC之間通過RS485總線進(jìn)行連接；操作層由中央控制室的控制PC機(jī)和管理PC機(jī)構(gòu)成；管理層由遠(yuǎn)程油庫(kù)管理中心的PC機(jī)構(gòu)成。
圖 2-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
Fig.2-1 General structure of system
圖 2-2 發(fā)油現(xiàn)場(chǎng)示意圖
Fig.2-2 Oil delivery field sketch map
2.2.3 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)
（1）監(jiān)控PC機(jī)：監(jiān)控PC機(jī)主要用于系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。其通過PPI電纜與PLC進(jìn)行通訊，向PLC發(fā)送控制命令。
（2）現(xiàn)場(chǎng)控制：現(xiàn)場(chǎng)控制以PLC為核心。PLC通過接收上位機(jī)指令并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表進(jìn)行控制，同時(shí)PLC將采集的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)分析處理后通過RS485總線傳到上位機(jī)，為上位機(jī)數(shù)據(jù)分析和狀態(tài)顯示提供依據(jù)。
（3）數(shù)據(jù)顯示：為了方便客戶和現(xiàn)場(chǎng)操作人員及時(shí)了解發(fā)油信息，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置大屏幕顯示器。大屏幕顯示器實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)發(fā)油信息，如發(fā)油量、油品溫度、油品號(hào)、發(fā)油時(shí)間等。
（4）靜電接地：發(fā)油前，工作人員接好靜電接地。如果未接靜電接地或沒接好，系統(tǒng)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警提示，并禁止發(fā)油。發(fā)油完畢，工作人員將靜電接地放回原位，如果靜電接地未摘除，系統(tǒng)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警提示，并且車欄桿不動(dòng)作，禁止油罐車離開鶴位。
（5）溢油保護(hù)：將溢油保護(hù)裝置安在鶴管上，當(dāng)鶴管進(jìn)入油罐口時(shí)，溢油保護(hù)裝置位于油罐口處，進(jìn)行油位檢測(cè)。當(dāng)油位超過指定位置，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警提示，并且停止發(fā)油。
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