基于现场总线的油库监控系统研发

l 前言
油库作为协调原油生产和加工、成品油运输及供应的纽带，发挥着重要的作用，其业绩优劣、效率高低将直接影响到石油企业的整体效益。然而在我国，油库自动化水平与石油能源被重视程度相比还有较大距，如：自动化设备少，生产管理过程还依赖人工监测、作业，人员庞大，效率不高；自动化程度低，设备功能单一，智能化仪表应用不够，系统间集成困难，数据分散；采用传统信号传输方式，增加了传统仪、管线的安装、敷设工程量，同时加大了现场维护、防爆的难度。
油库一般位于较空旷的地方，占地面积较大，罐区分散，相距较远，且远离主控室，在油库监控中需对现场层的油泵阀位进行控制以有效地控制进出油品；对于储罐温度以及油雾密度、罐壁压力等有严格的限制，对现场进行电视监控，从而可确保工作现场的安全性。由于工作环境的分散和现场突发事件后果严重的特点，所以不允许太长的检修时滞存在，这样就制约了人工的实时检修，也产生了我们需要的“集中管理、分散控制、及时报修”的控制系统功能要求。在输转油料时主要需对油库的阀位状态和油品流量进行检测，在储存期间采集油料液位、温度、密度、压力等参数，同时将在罐区所测的一系列物理量参数在控制室的工控机上显示出来，辅以信息流畅通的网络结构，构成统一的MIS系统，以利于油库的管理。
面对日益激烈的国际能源市场竞争，在石化企业安全事故频发的背景下，迫切要求油库提高效率、加快周转，加强安全管理，提高自动化水平，以油库信息化、自动化的技术手段构建一个统一的数据采集、处理平台，最终优化石油企业整体功能，增强其综合竞争力。
2 油库监控系统工程概况
2.1 油库介绍
油库是接卸、储存、供应油品的基地，而原油有易爆、易燃、易挥发、易聚积静电等属性，所以库
区范围大，路线远，从而导致监控站远离各罐区现场的作业层，这样就需要现场的信息能够及时有效地传输到监控站，便于主站迅速给出指令。总的来讲，依照工厂自动化系统的架构，整个油库可分为3个不同层次，即底层作业层、监控层和管理层。作业层包括现场的监控设备、自动检测、自动控制系统，具体实施包括计量、收、发油品的运作过程，油罐自动检测控制部分、油库现场视频安全、油气报警设备。监控层在网络环境下，收集作业部分采集的数据和信息，提供系统统一监控平台，满足集中管理的要求，为最高部分的管理层系统提供数据，支持日常业务管理和决策。油库管理系统结构如图1所示。

本文所述油库共设6×1000m3储罐，彼此相距数百米，对于每个罐区，都有自动付油系统、罐区储油计量系统、油气泄漏监控报警装置和视频监控、喷淋降温设备，现场的仪器仪表较为复杂。
2.2 罐区检测设备及控制对象
如上所述，6个罐区中的每一个都具有油罐液位检测装置、温度测量装置，使用磁致伸缩式液位计测量液位，用热电阻作为温度感应探头；为了避免温度过高使油罐内的油品油质变劣和保证油雾密度在本质安全范围内，要求温度被控制在低于35℃，为此，设置自动喷淋装置，同时配套电机、水池等，这些组成罐区自动测量单元；在接卸、输送油料过程中，使用流量计精确测量油料的质量，质量流量计的精度和综合性能较好，不仅可以测量流量和理论质量还可测量油料的密度、压力等参数。使用数字式电磁阀控制油料收发，同时配以防溢油开关实现定量以减少油气损耗，为防止轻质油由于气温变化在输送过程中出现气泡对仪表的测量精度和稳定性产生影响，在流量计前安装消气过滤器以保证测量精度，在现场还配以IC卡读写器进行用户自助发油，这些组成接卸、输送单元；在安全保护报警方面，应用防雷、防静电接地开关。设置安全检测装置，在罐区、泵房、阀门间等疑似可燃气体泄漏点加设可燃油气报警装置、高阻漏油检测装置，以消除隐患。另外罐区还有数个不同角度的摄像头，进行动态监视，多幅视频图像可以通过同轴电缆与切换器、监视器相联，这样主控室可以全面把握各罐区现场图像动态信息，为采取消防措施作出迅速反应，这些组成安全监控及超限报警单元。以上就是现场的一些检测系统和执行机构，均选用较为先进的产品，并根据安装的环境要求具有相应的防护等级。
3 油库监控系统开发方案
3.1 现场总线
现场总线是随数字通信网络延伸到工业过程现场而兴起的工业控制系统的新型通讯标准，它有如下优点：①数字化，用于生产管理的企业局域网与自动控制的现场总线网络紧密衔接，数字信号精度高、抗干扰能力强，整个系统可靠性高；②全分布式，实现现场设备智能化，系统分布式控制；③自诊断多功能智能化现场仪表，避免了传统仪表功能单一的弱点，可将自诊断信息上传到主控室且独立工作能力强，提高了整个系统的可靠性和容错能力；④减少了布线工程量，设备接人总线网络；⑤系统具有开放性和互操作性，符合国际标准的不同厂商的产品可集成使用，降低了控制系统的成本。
3.2 应用基于PROFIBUS的西门子全集成自动化技术构成监控系统
依据现场总线控制系统的特点和适用范围，结合本工程的实际状况和技术要求，采用PRO—FIBUS现场总线控制系统。图2为监控系统网络结构图。
本系统是由一整套以PLC为核心、开放式现场总线网络为主体架构的计算机监控网络构成，具体分为3个层次：①管控主站层；②库区PROFIBUS–DP主干网络层；③执行器、传感器层。[page]

3.2.1 管控主站层
主站层全部采用SIEMENS PLC模块，CPU414–DP，通过CP443–5模块与网络通讯。主站PLC（可以是多个不能相互控制但可以相互传输数据的PLC）与上层PC相联构成主控中心，工程师站用于各个现场从站的组态和维护，操作员站完成对油罐各个部分的运行监视、数据采集和其它自动检测系统的调度功能。主站配备打印机用于报表打印、报警打印。整体采用C/S结构，系统服务器双机热备以增加系统可靠性，通过工业以太网与上层通讯接入整个企业办公管理系统。该层是整个油库监控系统的调度核心。
3.2.2 库区PROFIBUS–DP主干网络层
库区主干层采用的是PROFIBUS，选用4芯光纤，冗余连接，所有分站通过．PROFIBUS接入主站，实现数据的采集、信息的交流，每个罐区的温度、液位、流量、管道压力、视频信号、电磁阀信号传输到主站。
3.2.3 执行器、传感器层
AS–i即执行器—传感器接口，是一种用于在主控制器和传感器/执行器之间双向交换信息的总线网络，它属于现场总线的底层网络。通过网关它与PROFIBUS实现连接，网关作为上层总线的一个节点，下面可以挂接一批AS–i从站。AS–i总线主要用于具有开关量特征的传感器/执行器系统，传感器可以是各种远离接近开关以及温度、压力、流量、液位开关等。执行器可以是各种开关阀门，声、光报警器，也可以是其它电器。传感器/执行器挂接在AS–i总线上的方式分为两种，一种是带有AS–i通信接口的智能A/S，内部装有AS–i模块专用芯片，直接挂接到AS–i总线上；另一种是分布式的，由专门的AS–i接口模块和普通的A/S连接起来。AS–i电缆采用2芯扁平电缆，穿刺安装把线压在连接件上，简单可靠，它是由特殊的合成橡胶作为绝缘保护层，当它被从连接件上拔下，穿孔处自动闭合，因此可反复使用，它不仅传输报文，还通过网络给A/S等电路提供电源。
如图3所示，AS–i总线通过SIEMENS DP/AS–i链路模块与PROFIBUS-DP总线连接，这种耦合器是PROFIBUS-DP从控设备和AS-i的主控设备，可连接最多62个AS–i从站模块，这些从站模块的状态都被DP/AS–i链路模块的LED显示。DP/AS–i链路模块由AS–i扁平电缆供电，无需附加电源。图3中K45，K60模块是防护等级为IP65/67的现场安装AS–i接口紧凑型模块，有数字型、模拟型和气动型，通过A/S连接器与传感器/执行器相联。

带OLM光纤链路模块的PROFIBUS-DP光纤网络由于使用光信号传输，不会因为外部干扰场而受到损害，无接地问题，实现了电气隔离，对于罐区的安全大有裨益，而且重量轻，安装方便。OLM光纤链路模块具有工业双绞线（ITP）和FOC（光纤）接口，通过FOC接口，几个OLM可组成如图2的光纤环网。
3.3 PLC的选型配置
为保证技术先进，操作简便，方便后续的扩建，设计采用西门子公司的S7-400系列PLC产品，它模块化结构、扩展功能强，结构坚固、可靠性高、功能全面、运行速度快，具有强大的通讯能力和集成的系统功能，应用方便，适用于油库油料流量、罐壁压力等的监控工程。油库数据采集和状态监视多、程序控制较多，使用S7-400作为主站，通过CP443-5通信模块与PROFIBUS网络通信，现场信号通过PROFIBUS传至主站。
S7-400可以带电插拔输入/输出模块，运行时即可更换模块，以保证系统连续不间断运行。S7—400主要性能指标如下：①程序运算速度，位和整数运算0.1/μs，浮点运算0.6/μs；②I/O功能，DI/DO：65536，AI/AO：4094；③用户内存，128 kB用于程序，128 kB用于数据，可扩展至15 MB；④通用接口，多点接口MPI，PROFIBUS—DP：12Mbit/s。
3.4 软件设置
PROFIBUS-DP总线共有7个站，其中S7-400作为Master主站，其余均为Slave从站，应用STEP7对各个站点进行地址分配，使系统组态，并且对可以设置的模块参数化，同时还要进行通信组态，确保参数匹配正确，使网络真正建立通信。

工控机监控软件WinCC是基于人机交互式监控系统，运行于Windows平台上，其强大的过程接口界面和高度的安全数据存档特性，适合于油库流程和控制过程的操作及监控。该软件根据用户建立的数据信息，把PLC信息直接连接到用户应用图形上。操作人员可以通过操作画面及流程图，监控油库状态和运行数据，发出控制命令，也可进行参数修改、故障处理复位、报表打印等，实现自动化管理。其主要操作画面有：①油库工程平面总貌布置图；②油库工艺流程及模拟静态、动态图；③油库工程自动控制系统及电气接线图；④各个罐区参数显示图、实时及历史趋势图、报警摘要列表显示。
4 总结
现阶段具有总线接口的智能仪表多为进口，而油库传统设备较多，全总线系统难以一蹴而就。本监控系统以PROFIBUS为系统骨干，AS–i总线为补充的集成结构一定程度上解决了这种矛盾，适合于我国油库现状。该系统整体性好，安全可靠，功能齐全，运行维护方便，应用后获得了用户的好评。整个油库自动化是非常复杂的系统，投资大，难以一步到位，在改造、再建油库监控系统时应整体规划、渐进实施。