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化工企业安全监控预警系统

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化工企业
安全监控预警系统

研
究
报
告

安生信息科技有限公司
2007年4月

项目概述:
对化工罐区进行有效的监控对提高管理水平，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
第一章绪论•...............................................................1
1. 1研究背景.............................................................1
1. 2研究的目的和意义.....................................................2
1. 3国内外相关技术及其发展•..............................................3
1. 4研究的主要内容•......................................................4
第二章宁波港液体化工区现状分析•...........................................5
2. 1宁波港液体化工区概况•................................................5
2. 2装卸工艺简介•........................................................7
2. 3监控现状及分析•......................................................8
第三章系统总体设计的基本思路.............................................10
3. 1监控系统设计原则.....................................................10
3. 2监控系统的功能要求...................................................12
3. 3监控方案研究.........................................................14
3. 3. 1分散控制系统(DCS).................................................14
3. 3. 2现场总线控制系统(FCS).............................................15
3.3.3远程I/0控制系统....................................................17
3. 3. 4监控方案比选......................................................19
3. 4小结.................................................................20
第四章监控系统通讯网络研究................................................22
4. 1现场总线技术概述.....................................................22
4.1.1现场总线的主要特点..................................................22
4. 1. 2现有的几种现场总线................................................23
4. 1. 3现场总线的发展趋势................................................25
4. 2通讯网络选型.........................................................26
4. 2. 1三菱CC一Link网络................................................26
4.2.2 Omron Controller-Link网络..........................................27
4. 2. 3 Siemens Profibus网络.............................................28
4. 2. 4小结..............................................................31
4.3 Profibus-DP网络设计.................................................31
4.3.1 Profibus-DP行规...................................................31
4.3.2 Profibus-DP系统配置...............................................32
第五章监控系统的硬件设计.................................................33
5. 1现场防爆设备........................................................33
5. 2远程工//0从站的设计.................................................34
5. 2. 1防爆远程I/0站的选择.............................................34
5. 2. 2防爆远程I/0站的设计.............................................38
5. 3 PLC控制站的设计....................................................37
5. 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，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进行，并没有真正意义上的“监控系统”。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进行测量(即通常所讲的“人工检尺”)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DCS (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“化工区监控系统”技改项目提供详细的设计依据和指导。
新型远程I/O的出现为解决罐区监控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，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)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)南方罐区(2);
7)荣盛罐区(2);                15)雄峰罐区(2);
8)埃力生罐区((2);
为了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#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，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。

第三章系统总体设计的基本思路
3. 1监控系统设计原则
鉴于宁波港液体化工区监控系统应用于化工码头及罐区，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，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betway必威官方网站
。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保证定时处理。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的功能:
1.对罐内液位、温度、压力，罐区可燃气体，阀门状态进行监测: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分散控制系统(DCS)
此系统的结构示意如图3-2所示。
图3-2分散控制系统(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DCS/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而牢固;
4.系统的安装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(FCS)的优点则在于:
1.无需接线端子，节省控制柜空间从而节省了控制室所需的空间;
2.电缆连接通过“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，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，“总线型”远程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监控方案比选
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中，有两个不同的过程，一个是所谓的“批量”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?比较起来，远程I/O应该是最佳的选择:
.与现场设备采用传统的安装连接方式;
.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监视现场情况并对现场阀门、泵实施操作、控制，而控制站完成现场信号的采集和现场阀门的联锁控制。此结构可以满足系统二级控制的要求。第四章监控系统通讯网络研究由于宁波港液体化工区监控系统是基于远程I/0的现场总线控制系统，因此，监控系统的通讯网络是以现场总线为基础构架起来的。下面将就监控系统通讯网络进行论述和设计。
4. 1现场总线技术概述
现场总线技术是伴随着计算机技术、电子技术和信息技术的发展而出现的一项系统技术，它的概念起源于70年代，当时主要考虑将操作室的现场信号和到控制仪器的控制信号由一组总线以数字信号的形式传送，不必每个信号都用一组信号线。随着仪表智能化和通讯数字化技术的发展，现场总线已经发展成为集计算机网络、现场控制、生产管理等内容为一体的现场总线控制系统FCS < Field-bus Control System ) 。
4.1.1现场总线的主要特点
现场总线系统的出现打破了传统控制系统的结构。由于采用了智能现场设备，它能够把原来DCS中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与调节阀等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能可以不依赖控制室的计算机或控制仪表而直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。又由于采用了数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线(总线)上传输多个信号(包括运行参数值、设备状态、故障信息等);为多个设备提供电源(总线供电);现场设备以外不再需要模拟/数字、数字/模拟转换部件。显然，这为简化系统结构、节约硬件设备、连接电缆以及各种安装及维护费用创造了条件。
基于现场总线技术的自动化监控及信息集成系统的特点是现场总线技术用一条通信电缆将控制器与现场设备(智能化、带有通信接口)连接，使用数字化通信完成底层设备通信及控制要求，它在技术上具有以下特点。
1.全数字化通信
现场总线系统是一个“纯数字”系统，而数字信号具有很强的抗干扰能力，所以，现场的噪声及其他干扰信号很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号，数字信号的完整性使得过程控制的准确性和可靠性更高。2一对N结构一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号。这种一对N结构使得接线简单，工程周期短，安装费用低，维护容易。如果增加现场设备或现场仪表，只需并行挂接到电缆上，无须架设新的电缆。
3.可靠性高
数字信号传输抗干扰强，精度高，无须采用抗干扰和提高精度的措施，从而降低了成本。
4.可控状态
操作员在控制室既可了解现场设备或现场仪表的工作情况，也能对其进行参数调整，还可预测或寻找故障。整个系统始终处于操作员的远程监视和可控状态，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。
5.互换性
用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场设备或现场仪表，并将不同品牌的仪表互联。即使某台仪表发生故障，换上其他品牌的同类仪表也能照常工作，实现了“即接即用”。
6.互操作性
用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态，构成其所需的控制回路，而不必绞尽脑汁，为集成不同品牌的产品在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。
了.综合功能现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，实现了一表多用，不仅方便了用户，而且降低了成本。
8.分散控制
控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表即可构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。
9.统一组态
由于现场设备或现场仪表都引人了功能块的概念，所有制造商都使用相同的功能块，并统一组态方法，使组态变得非常简单，用户不需要因为现场设备或现场仪表种类不同而带来的组态方法的不同，再去学习和培训。
10.开放式系统
现场总线为开放互联网络，所有技术和标准全是公开的，所有制造商必须遵循。这样，用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可极其方便地共享网络数据库。
4.1.2现有的几种现场总线
自从80年代末以来，CAN, HART, LONWORK, PROFIBUS这几种现场总线技术逐渐形成并在一些特定的应用领域显示自己的优势，他们具有各自的特点，也显示了较强的生命力。对现场总线技术的发展己经发挥并将会发挥更大的作用，下面对几种现场总线进行简要的介绍。
1)CAN
CAN是控制器局域网络(Control Area Network)的简称，最早是由德国BOSCH公司推出的，用于汽车内部测量与执行部件间的数据通信，其总线规范现己被ISO国际标准制定为国际标准。由于其得到Motorola ,Intel, Philip, Siemence , NEC等公司的支持，它广泛应用于离散控制系统，其信号传输介质为普通双绞线或光缆等，通信速率最高可达1 Mbps/40m，直接传输距离可达1 Okm/5kbps oCAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低，由于其采用CRC-16的校验方式，误码率仅为3 * 10-5。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，使通信线上的其他节点机通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。
2)FF
基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus)是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术，其现主要应用于自动化测控领域。基金会现场总线分为低速H1和高速H2两种通讯速率。H1的传输速率31.25kbps,通讯距离可达1900m，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率可为1M饰s和2.5Mbps两种，通讯距离分别为5 70m和500m，物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，其协议符合IEC-1158-2标准，其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特码。
3)LONWORKS
LONWORKS是由美国Echelon公司推出并有它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的，它采用ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，采用面现对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率为300bps到1.SMbps不等，通讯距离可达2700m ( 78kbps )，现在已被广泛应用于楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备等必威体育官方网站
，在工业上基本没有应用。
4)PROFIBUS
PROFIBUS (Process Fieldbus)诞生于1987年，1989年被确立为德国国家标准DIN19245a 1991年，PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP, PROFIBUS-PA先后被批准实施。1996年3月，PROFIBUS被欧洲电工标准化委员会(CENELEC)批准为欧洲标准EN501700PROFIBUS有三种类型，即FMS, DP和PA，它们均使用统一的总线访问协议。这3种类型分别适用于不同的领域。PROFIBUS-FMS主要用于工厂、楼宇自动化中的单元级，可提供34种FMS服务，实现变量访问、程序调用、运行控制和事件管理等。PROFIBUS-DP主要用在工厂和楼宇自动化中，实现自动控制系统和分散式外部设备及智能现场仪表之间的高速数据通信。PROFIBUS-PA是PROFIBUS-DP向现场的延伸，是变送器和执行器能够在易爆危险区域远距离的同中央自控仪表/系统通信。PROF工BUS总线访问协议是一种混合的协议，包括主站之间的令牌传递方式CToken Passing)和主站、从站之ICJ的主从方式(Master-Slave )o PROFIBUS的主要产品有西门子公司的PCS7过程控制系统。
5)HART
HART是可寻址远程传感器高速通信协议(Highway  Addressable  RemoteTransducer)的缩写，是用于控制系统与现场智能仪表的一种工业标准通信协议。HART通信协议是由Rosemount公司在1986年制订出来的，在其后对其进行了修订和增补，并作为开放系统标准由HART通信基金会向全世界发布。
符合HART通信协议的现场仪表保持了4-20mA标准化信号，同时以数字形式传输过程数据和现场仪表数据。属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展。
4.1.3现场总线的发展趋势
发展现场总线技术己成为工业自动化领域广为关注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统走上开放发展的征程。总体说来，自动化体系与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。大千世界，众多领域，需求各异，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。另外，从以上介绍也可以看出，几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己怕优势。加上商业利益的驱使，它们都各自正在十分激烈的市场竞争中求得发展。有理由认为:在从现在起的未来几年内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。
现场总线技术作为一种全新的技术在全世界蓬勃发展，我国在现场总线的开发和应用方面都紧跟了世界潮流，其发展速度超出预料，可以预见随着通信、网络和集成电路技术的发展，现场总线必将吸收先进技术向功能更强、控制更加分散和更加开放的方向发展，必将成为自动化领域控制的主要手段。
4. 2通讯网络选型
现场总线的通讯是整个工业自动控制最重要的部分，它是沟通监控中心和远程I/0站或现场仪表的纽带，是构成整个管理通讯网络的筋络。如果不能实现通讯功能，即使网络中的各个节点与现场总线连接完美无缺，也只能是一个个孤立的点，不能构成真正的，四通八达的网络。而如果现场总线的通讯无法达到畅行无阻和准确无误，导致整个系统错误百出，陷入瘫痪状态。因此，现场总线的通讯功能，是整个工业自动控制系统正常运转的可靠保证。宁波港液体化工区监控系统需采集的数据较多，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。针对这些特点，从可行性和经济性的角度考虑，宁波港液体化工区监控系统可选择Siemens Profibus通讯网络、三菱CC-Link网络或Omron ControllerLink通讯网络，下面分别加以论述、比较。
4. 2. 1三菱CC-L i nk网络
在1996年11月，以三菱电机为主导的多家公司以“多厂家设备环境、高性能、省配线”理念开发、公布和开放了现场总线CC-Link，并第一次正式向市场推出了CC-Link这一全新的多厂商、高性能、省配线的现场网络。

图4-1采用三菱CC-Link时的系统结构图    
CC-Link是Control&amp;amp;Communication Link(控制与通信链路系统)的简称。即:在工控系统中，可以将控制和信息数据同时以14M饰。高速传输的现场网络。
基于CC-Link网络的监控系统设计如图4-1所示:系统采用中控室集中监视，但现场温度、压力、流量、液位、可燃气体等信号的采集采用三菱的远程I/0模块实现，通过CC-LINK总线用专用电缆将信息传送至中控室的PLC，由PLC将信息传送至上位工业控制计算机。中控室的工业控制计算机(IPC)通过配置一块普通网卡，就可以接收PLC的数据。中控室的计算机通过网络互连，这样使每一台计算机也能实时固定显示某个码头和罐区的工作情况及实时报警。由于没有防爆的分布式vo可挂CC-Link网络，所以在危险区需要采用安全栅形式接口。
4.2.2 Omron Control her-Link网络
Controller-Link通信系统也称为控制器网，它是 OMRON将SYAMAC LINK网简化改进后的一种FA工业自动化网络，它具有如下特点:
1)通信介质采用双绞线和光缆
采用光缆型Controller-Link网，能够获得大容量的数据链接和长距离的通信，通信距离为20km。
2)高速度的数据通信控制器网的通信波特率可达2Mbps
3)大容量的数据链接
4)信息通信
信息通信是在用户程序中执行通信指令SEND, RECV, CMND来实现的。
5)灵活的网络互连
Controller-Link可以实现同类PLC与PLC之间或PLC与计算机之间的大容量、灵活高效的数据链接功能。数据链接区域可以是LR, IR, AR及DM与EM区，传递的数据容量非常大，其基本原理与Host Link方式一致。使用Controller-Link支持软件，可以对每一个节点各个设定数据链接区域，能向每一节点自由地分配链接区域。
每一节点发送区域的尺寸是任意的，仅发送数据或者仅接收数据的节点同样是可以设定的。更特别的是Controller-Link也可以只接受其它节点的发送区域的一部分的数据。
基于Controller-Link网络的监控系统计如图4-2所示:

图4-2   Controller-Link系统结构示意图
整个系统是由上位监控计算机和PLC站及子站组成的通讯网络。其中上位机监视各个物理量(包括液位、温度、压力、可燃气体、流量等)的变化情况，同时应用C200HW-ZW3AT2-EV2 Controller-Link支持软件向数据链接的各个节点发出启动/停止数据链接的命令，完成整个Controller-Link网的通信及控制。主站PLC选用CS1H-CPU42H型号，能同时完成960个点的处理(满足工程要求)。网络中每个节点需要安装相应的通信单元，每个PC上安装Controller-Link通信单元，上位机在扩展槽上插Controller Link支持卡。PLC站之ICJ采用菊花链式Controller-Link网通信，它在波特率为2Mbps时，传输距离可达到20km，完全满足通信距离的要求。该系统PLC主从单元负责各种物理量信号的处理，中控室通过电缆与各台PLC连接，上位机采用Controller-Link支持软件C200HW-ZW3AT2-EV2，支持整个ControllerLink网的通信，完成对整个网络系统的控制。
同样Controller-Link也不支持防爆分布式工I/O，故也需要增加安全栅。
4. 2. 3 S i emens Prof i bus网络
Profibus是一个开放的现场总线标准，它即能用于高速实时数据传输，也能用于完成复杂的通信任务。Profibus系列由三个兼容的部分组成:    .Prof i bus-DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散I/0的通信，可取代0^-20mA / 24 V信号的传输。Profibus-DP具有如下特性:
（1)传输技术:RS-485双绞线、双线电缆或光缆。波特率从9.6K bits到12M bit/s。
（2)总线存取:各主站间令牌传递，主站与从站间为主一从传送。支持单主或多主系统。总线上最多站点(主一从设备)数为126。
(3)通信:点对点(用户数据传送)或广播(控制指令)。循环主一从用户数据传送和非循环主一主数据传送。
（4)运行模式:运行，清除，停止。
(5)同步:控制指令允许输入和输出同步。同步模式:输出同步;锁定模式:输入同步。
（6)功能:DP主站和DP从站间的循环用户有数据传送。各DP从站的动态激活和可激活。DP从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断诊断信息。输入或输出的同步。通过总线给DP从站赋予地址。通过部线对DP主站(DPM 1)进行配置，每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。
(7)可靠性和保护机制:所有信息的传输按海明距离HD= 4进行。DP从站带看门狗定时器(Watchdog Timer )。对DP从站的输入/输出进行存取保护。DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。
(8)设备类型:第二类DP主站(DPM2 )是可进行编程、组态、诊断的设备。第一类DP主站(DPM 1)是中央可编程控制器，如PLC, PC等。DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。
.Prof i bus-PA是专为过程控制自动化设计的，可使传感器和执行机构接到一根总线上，并具有本质安全规范。Profibus一PA具有如下特性:
（1)适合过程自动化应用的行规使不向厂家生产的现场设备具有互换性。
(2)增加和去除总线站点，即使在本质安全地区也不会影响到其它站。
(3)在过程自动化的Profibus-PA段与制造业自动化的Profibus-DP总线段之
间通过藕合器连接，并且可实现两段间的透明通信。
(4)使用与IEC1158-2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送。
(5)在潜在的爆炸危险区可使用防爆型“本质安全”或“非本质安全”。
虽然Profibus-PA具有以上优点，但是，如果使用Profibus-PA，则会采用DP到PA扩展的方案。这样，需选DP / PA祸合器和链路，又增加了费用，更重要的是，如果采用了Profibus-PA，则原有的I/O设备都必须更换成具有PA接口的模块，这样大大增加了成本，故不宜采用。  令Prof i bus-FMS是面向车间级的监控网络，它具有令牌结构、实时多主的特点。它在单元一级完成通用目的的通信，强有力的FMS服务能够提供很强的灵活性和
十分广泛地应用。
Profibus现场总线的配置应根据实际应用要求确定:
(1)	单主系统:可编程控制器(PLC)或控制器做一级主站，不设监控站，或PC机加PROFIBUS网卡做一级主站兼监控站
(2)	多主系统:由PLC或控制器做一级主站，PC机做监控站，PC机可经网卡直接与Profibus总线连接或经串行口由RS232 / 485与PLC连接。
基于Profibus网络的监控系统设计如图4-3所示:

图4-3   Profibus系统结构示意图
此方案同样采用中控室集中监视，但现场温度、压力、流量、液位、可燃气体等信号的采集采用分布式工I/O模块实现，通过Profibus总线用光纤将信息传送至中控室的PLC，由PLC将信息传送至上位工业控制计算机。中控室的工业控制计算机(IPC)通过配置一块普通网卡，就可以接收PLC的数据。中控室的计算机通过网络互连，这样使每一台计算机也能实时固定显示某个码头和罐区的工作情况及实时报警。这种总线结构、光纤传输方式，传输速率为lOMb/sa软件设计中IPC上采用工业组态软件来设计人机界面、计算、报警等，有系统管理模块、工艺流程图仿真显示模块、仪表屏仿真显示模块、数据库管理模块、数据通讯模块、控制算法模块等。主要完成对采集的数据进行计算、显示、分析和存储，并且可以对整个系统数据进行优化计算、显示、自动分析、存储和控制策略的决策。
4. 2. 4小结
1)选用CC-Link和Controller-Link网络，则放在危险区的工I/O站必须增加安全栅，进行防爆处理。这样就必须增加安全栅以及其它关联设备。由于采集点的数量比较大，并且分布范围也很大，采用CC-Link网络时必须选用CPU A2SHCPU-S1，其价格较高，对于庞大的罐区改造工程加大了成本，故不予采纳。同样，Controller-Link网络为了满足采集量的要求选用的CPU为CS1H-CPU42H，价格也不便宜。
2)考虑到Profibus现场总线的下述情况:
1.该总线协议有为数众多的厂家支持。
2.该总线协议有为数众多的成功应用业绩。
3.符合该协议的产品种类较其它协议多。
4.协议的开放性较好。
5.国内也有较多的企业在开发符合该协议的相关产品，因此，今后的一些产品可以在国内找到而不必过分依赖国外的产品。
6.该协议在国内设有常驻的技术支持机构(中国机电一体化协会)，可以方便、迅捷地获得所需的服务。
与CC-Link和Controller-Link相比，Profibus无论从组织的规模还是实际的应用实例等方面讲都有一定的优势。系统开发和维护方便，采用西门子的PLC，其性能可靠，价格适中。而且在防爆方面西门子有对应防爆模块，许多专用防爆远程工//0支持DP，因此，宁波港液体化工区监控系统应该选择Profibus-DP通讯网络。
综上所述，宁波港液体化工区监控系统主站与现场防爆工/to站间通讯采用Profibus-DP通讯网络，它为监控系统提供了高性能的通信，主站周期地读取现场防爆I/0站的输入信息并周期地向现场防爆I/0站发送输出信息。各种控制命令、运行数据、统计数据和参数数据通过两线式总线电缆传输，因为光纤不带电，采用光传输信号，特别适用于易燃、易爆等危险环境，同时光纤不受电磁干扰，安全系数很高，保证了系统通讯的可靠。
4. 3 Prof i bus-DP网络设计
4. 3. 1 Prof i bus一DP行规
Profibus-DP协议明确规定了用户数据怎样在总线各站之间传递，但用户数据的含义是在Profibus行规中具体说明的。另外，行规还具体规定了Profibus -DP如何用于应用领域，使用行规可使不同厂商所生产的不同设备互换使用，而工厂操作人员毋须关心两者之间的差异，因为与应用有关的参数含义在行规中均作了精确的规定说明。
下面是PROF工BUS-DP行规，括弧中数字是文件编号:
NC/RC行规(3.  052)
编码器行规(3.  062)
变速传动行规(3.  071)
操作员控制和过程监视行规(HMI)
4. 3. 2 Prof i bus一DP系统配置
Profibus-DP允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接126个站点。系统配置的描述包括:站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。每个Profibus-DP系统可包括以下三种不同类型设备:
(1)一级DP主站((DPMl):一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站(如DP从站)交换信息。典型的DPM1如PLC或PCo
(2)二级DP主站(DPM2):二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。
(3)  DP从站:DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备(I/0设备、驱动器、I-HMI、阀门等)。
宁波港液体化工区监控系统Profibus-DP通讯网络应该采用单主站系统，即在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站，主站与现场防爆工//0站间通讯可采用光纤单环网结构。
按上述设计，网络路径正常时，Prof i bus-DP为环形网。若光纤某处断开，则网络结构变为总线结构，仍能正常工作。因而提高了网络传输路径的可靠性。
选用光纤网络除考虑满足传输距离要求外，还有3点原因:
1)光纤传输路径不会受到电磁干扰的影响，保证信号可靠传输;
2)采用光纤可构成环网，提高网络的可靠性;
3)光纤传输速率高，可达12M，因此DP网的传输速率仅受DP网中线缆部分的限制。该速率与距离有关，而系统中线缆很短，因而可以保证整个DP网以较高速率运行(>1 .5M )o第五章监控系统的硬件设计
5. 1现场防爆设备
根据有关国家标准，罐区属于1区(Zone 1)，即爆炸性气体混合物有可能出现的场所。宁波港液体化工区监控系统所有现场设备的选型均需符合国家关于罐区防爆安全方面的规定:如隔爆热电阻、防爆压力变送器、防爆雷达液位计、现场防爆箱、防爆光纤适配器、防爆工//0站、防爆开关电源等。现场防爆工//0站与中控室上位机的通讯采用Profibus光纤网络，因为光纤不带电，采用光传输信号，所以它是用于易燃、易爆等危险环境的理想介质，同时光纤不受电磁干扰，安全系数很高，保证了系统通讯的可靠。
现场设备保留了原有的SAAB雷达液位计的一次仪表部分，新增通讯卡件和SAAB现场通讯单元(FCU)，一次仪表以TRL/2总线方式输入SAAB防爆现场通讯单元(FCU)}FCU将信号转换成RS485信号，所有罐液位信号经台湾研华公司的Adam 4520转换成RS232信号直接输入液位专用微机。该专用微机通过以太网与客户监控站相连，实现数据共享。
另外增加了对储罐中液位进行高位报警的浮球开关;测量储罐温度的PT100热电阻，储罐、码头泊位的每个阀均设置了指示阀位开关状态的回讯开关:新增检测可燃气体浓度的可燃气体报警仪，用于测量罐区及码头泊位的可燃气体浓度。
根据国家关于《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范GB50058-92》的相关规
定，划分防爆区域和等级。
根据第2.3.5条的规定，只要保证与罐的空间距离大于3m;即可采用非防爆产品;根据第2.3.4条的规定，原油罐区泵房、锅炉房、码头泵房、空压机房等，处于“易燃物质重于空气、释放源在封闭建筑物内通风不良且为第二级释放源的生产装置区”，属于I区。内设产品采用防爆产品;根据第2.3.2条的规定，码头泊位等处，处于“易燃物质重于空气、通风良好且为第二级释放源的主要生产装置区”，在高度低于7.5m的区域，属于二区。内设产品应采用防爆区。
由此可见，在距离储罐3m以上或在其周围防火墙以外的区域属非防爆区，而在储罐及码头设置的远程I/0站应采用防爆措施。5. 2远程I /o从站的设计因为新型远程I/O的应用是本课题一个非常重要的内容，所以对于究竟选用哪一家的产品应做详细的论证。
5. 2. 1防爆远程I/0站的选择
经过从产品的结构，电源的配置，通讯网关的配置，I/O模块的性能等方面对几家主要远程I/O供货商之产品的对比(见表5-I)，我认为德国CEAG公司的产品是性能价格比最好的，且CEAG是德国专门开发、生产现场防爆I/O站及防爆设备的厂家，它的产品取得一系列防爆认证，完全能够满足国家的防爆标准，并且能够与中控室西门子PLC主机进行无缝数据通讯。因此，宁波港液体化工区监控系统应该选择该公司的产表5-1几家主要远程I/O供货商之产品的对比

德国CEAG公司的防爆远程I/0产品采用底板插卡式设计，结构灵活，增减十分简单方便，能够应用于各种易爆危险场合。从图5-1可以看出，防爆远程I/0站由底板、电源模块、通讯模块、各种工//0模块所组成，每个远程I/0系统最多能增加一块扩展I/0底板用以插入更多的I/0模块。其底板含22个工//0插槽，扩展底板含24个I/0插槽，分别可以安装2/1个电源模块，2/1个通讯模块和22/24个不同的I/0模块。220VAC可直接接入远程I/0，由于德国CEAG公司的防爆远程I/0站的底板式设计，使得现场可以实时插拔通讯卡件、电源卡件及工/0卡件，无需切断电源或动火许可，且更换工//0卡件后无需对其进行软件上的重新组态，非常方便以后的日常维护工作。通讯模块有支持不同协议的几种产品，本系统应选取支持PROFIBUS协议的通讯模块。I/0模块有处理开关量输入和输出、模拟量输入和输出以及温度输入信号的不同产品。
图5-1  CEAG防爆远程I/0产品结构图
系统的工作原理为:现场的各类仪表通过电线电缆与防爆远程I/0站的工//0模块点对点地连接，信号进入系统后即被工//0模块转换为数字信号，再经过系统内部总线(位于母板内部)传送到通讯模块，然后由通讯模块经母板上的总线接口将信号传送到上一层的PROFIBUS总线上去。最后经总线到达控制系统(PLC)。而由控制系统发出的信号则经过相反的路径进行传输。整个防爆远程I/0站的供电由系统底板上连接的电源模块(电源模块由simens)提供，电源模块的电源由外部的220VAC电经增安型的接线端子供给。
下面分析一下该产品是如何做到防爆的。CEAG防爆远程I/0站是通过增安、浇封和本质安全三种方法的综合运用来达到防爆目的。首先，通过增安保护形式的接线端子与外部电源相连，而内部的电源模块和底板则是应用浇封的方法来防爆的，这两种防爆方法对能量是没有限制的，这就保证了系统能向各I/O模块提供充足的电能。I/0模块是通过本质安全的方法满足防爆要求的，即底板分配给I/0模块每一路的电能都被限制在本质安全防爆方法所允许的范围之内，这样就保证了所连接的现场设备的安全。而上述的三种方法都被允许在危险现场(1区)使用，因此该产品可以被直接安装危险现场无需附加另外的防爆措施。
5. 2. 2防爆远程I/O站的设计
宁波港液体化工区监控系统按照储罐、泊位的地理分布将整个罐区、泊位分为七个区域，每个区域设立一个防爆远程I/O站，七个防爆远程I/O站之间通过单环光纤网连接在一起，从而实现了通讯线路的畅通，确保了系统的高可靠性。各个区域监控方式以及防爆远程I/0站基本相同，下面，只对一个区域防爆远程I/O站的设计举例说明，其余各个区域只要在编程给予安排好地址即可。现以2#区域举例说明。
每个防爆远程I/0站容量(即点数)的选择参照工业控制系统点数选择经验公式，见公式5-1:
Pi=E([ Pn/Tn ] + 1)XTn…………………(5-1)
其中:Pi一第I个防爆远程I/0站的总点数
Pn一第n种监控类型的监测点数，
Tn -1块第n种类型工//0模块的点数
2#区域包含三罐区3个储罐和16#泊位I个码头泊位。本课题中每个储罐一般需要有如下的监控信号:罐体温度信号(RTD, 3个);出料泵压力信号(AI,  1个);可燃气体浓度信号(AI, 1个);液位高位报警信号(DI, 1个);阀门回讯信号(DI,个):出料泵状态信号(DO,  1个);出料泵启动、停止信号(DO, 2个)。码头泊位一般需要监控的信号为:系统管线压力(AI,  10个);连通管线压力(AI, 11个);可燃气体浓度信号(AI, 3个):系统阀门回讯信号(DI, 20个):联通管线阀门回讯信号(DI, 22个)。
这样，可以得到2#区域的I/O统计，以及模块的配置情况。如表5-2所示。表5-2   2#区域I/O点统计
┌───────┬───────────────────┐
│拼            │    2区I/O基站                        │
│              │三罐区，16#泊位                       │
│              ├────┬────┬────┬────┤
│              │监控点数│IO模块  │配置点数│剩余点数│
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│开关量输入DI  │66      │8点x9块 │72      │6       │
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│模拟量输入AI  │30      │4点X8块 │32      │2       │
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│热电阻输入RTD │9       │4点X3块 │12      │3       │
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│继电器输出DO  │6       │8点X1块 │8       │2       │
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│小计          │111     │21块    │124     │13      │
└───────┴────┴────┴────┴────┘
根据该区域I/O点数，设计2#区域的CEAG防爆远程Il0站，详见图5-2 0

图5-2   2#区域I/O站配置
5. 3 PLC控制站的设计
PLC控制站一方面通过单环光纤网采集各防爆远程I/O站的各储罐、码头泊位的各种实时参数(温度、压力、可燃气体浓度)，经处理后通过以太网送入系统监控层的SCADA数据服务器，另一方面，根据实时参数，判断是否存在危险状况，采取及时报警措施和启动消防系统，快速对储罐进行冷却水喷淋和泡沫液灭火。
PLC的选择首先要根据输出输入的点数，再加上10%的余量，然后根据PLC输出端所带的负载是直流型的还是交流型的来确定所采用的输出方式，以确保系统的稳定运行.再根据系统的大小来确定PLC的存储容量。
在选择PLC的品牌时，考虑到罐区属于爆炸危险环境这一实际工况，因此，只对一些国外的产品进行了比较。目前，国外的PLC在国内市场上主要分为欧美和日本两大阵营。其中欧美的产品主要以SIEMENS, OMRON, AB, GE FANUC为代表;日本的产品主要以OMRON, MITSUBISHI等产品为代表。在性能要求较高的场合或者说在高端产品的竞争上，SIEMENS和AB的产品占有很大的优势;中低端产品的竞争十分的激烈，各厂家都有各自的特点，其中OMRON的产品市场占有率较高。由于该系统己经选择了SIEMENS公司的PROFIBUS-DP，在支持PROFIBUS的PLC当中，首选的应是SIEMENS公司的产品，因为SIEMENS公司一直是PROFIBUS现场总线技术的领导者和最大的支持者，而且该公司的产品在国内有很多的成功应用实例。
SIEMENS公司的S7系列PLC产品目前分为S7-200,57-300和57-400三个性能从低到高的系列。考虑到宁波港液体化工区监控系统的实际情况及今后的扩展要求，系统应该选择便于进行冗余设计且有光纤接口模块的S7-400系列产品。
西门子SIMATIC S7-400是用于中高档性能范围的可编程序控制器。模块化无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展和广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使SIMATIC S7-400成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。
SIMATIC S7-40。作为一种通用控制器由于有很高的电磁兼容性和抗冲击、耐振动性能，因而能最大限度的满足各种工业标准，其应用领域包括:通用机械工程，汽车工业，立体仓库，机床与工具，过程控制，控制技术与仪表，纺织机械，包装机械，控制设备制造，专用机械。
57-400自动化系统采用模块化设计。它所具有的模板的扩展和配置功能使其能够按照每个不同的需求灵活组合。一个系统包括:电源模板将SIMATIC S7-400连接到120/230 VAC或24VDC电源上。中央处理单元(CPU)有多种CPU可供用户选择，有些带有内置的PROFIBUS-DP接口，用于各种性能范围。一个中央控制器可包括多个CPU，以加强其性能。各种信号模板(SM)用于数字量输入和输出(DI/DO)以及模拟量的输入和输出(AI/AO)。通讯模板(CP)用于总线连接和点到点的连接。功能模板(FM):
专门用于计数、定位、凸轮控制等任务。
如果用户需要57-400还可以扩展:最多21个扩展单元(EU)21个扩展单元(EU)都可以连接到中央控制器(CC)。通过接口模板(( IM)连接:中央控制器CC和扩展单元EU通过发送IM和接收IM连接。中央控制器(CC)可插入最多6个发送IM,每个EU可容纳1个接收IM。每个发送IM有2个接口，每个接口都能连接一条扩展线路。集中式扩展:这种扩展方式适用于小型配置或控制柜直接在机器上的场合。每个发送IM接口可支持4个EU，如有必要，还可同时提供SV电源。中央控制器和最后一个EU的最大距离是I .5m(带SV电源):3m(不带SV电源)。用EU进行分布式扩展:这种方式适用于分布范围广，并在一个地方有几个EU的场合。发送IM的每个接口最多可支持4个EU。可以使用57-400EU，或SIMATIC S5 EU 。Siemens公司S7-400系列PLC共有7种不同的CPUo CPU412-1是廉价的，用于I/0数量有限的较小系统，带有PROFIBUS-DP通讯口:CPU412-2是适用于中等性能范围的应用，它带有2个PROFIBUS-DP通讯口。CPU414-2, 3是适用于中等性能范围中有较高要求的场合，它们满足对程序规模和指令处理速度的更高要求。集成的PROFIBUS-DP接口，使它们能够作为主站直接连接到 PROFIBUS-DP现场总线。CPU416-2, 416-3是功能强大的CPU，它们具有集成的PROFIBUS-DP接口，使它们能够作为主站直接连接到PROFIBUS-DP现场总线。CPU417-4是功能最强大的CPU，它具有集成的PROFIBUS-DP接口，使它能够作为主站直接连接到PROFIBUS-DP现场总线。根据宁波港液体化工区监控系统的实际情况及今后的扩展要求，系统应该选择CPU412-10
PLC控制站包括一个PS407-10A电源模块，一个CP443-1以太网通讯模块，一个IM467 FO光纤接口模块。CP443-1以太网通讯模块与上位计算机SCADA数据服务器连接，实现数据上传功能。IM467 FO光纤接口模块与远程vo的通讯口((CEAG的LB8103)相连，构成控制站与现场I/O装置的通讯。这种连接采用的是PROFIBUS-DP协议(Process Fieldbus-Decentralised Peripherals )，控制命令、运行数据、统计数据和参数数据均通过两线式总线电缆传输，提供了高性能的通信，而且光链路模块使得数据传输将通过塑料或玻璃纤维光缆予以实现。因为光纤不带电，采用光传输信号，所以它是用于易燃、易爆等危险环境的理想介质，同时光纤不受电磁干扰，安全系数很高，保证了系统通讯的可靠。
5. 4监控层的设计
根据系统的控制要求，监控层按照图5-3的形式配置。
监控层由工程师站、数据服务器(与监控现场交互信息的SCADA服务器)、监控客户站、能够向Internet提供信息服务的WEB服务器等若干上位机组成。
监控层除了起到人一机界面的作用外，还通过通信网络获取现场数据，对各储罐、码头泊位及管道压力进行监控，存储状态参数、历史数据和故障检测的结果等重要数据，打印输出各种报表等的作用，是系统功能对外体现的重要窗口。

图5-3计算机监控系统监控层结构示意图
由于系统采用了监控层与PLC控制站分开的结构形式，因此监控层计算机的性能及可靠性的压力就大为减轻了。目前选择监控层计算机的习惯做法是选用工业用的PC(外型结构等类似于商用PC)而不是通常意义的工控机。在众多品牌的工业用PC中，DELL计算机的市场占有率较高，因此我们选择了DELL的工业用PC作为监控层工程师站、监控客户站、WEB服务器。DELL计算机型号的确定主要考虑了下面几个问题:1)必须为工业用主流机型;2)其它的主要性能指标留有适当余量以便于今后的扩展。根据上述考虑我们选择了OPTIPLEX系列的DELL工业用PC。其主要指标为:CPU: P4;主频:2. 2G;内存:256MDDR;硬盘:80G;光驱:48倍速;网卡:10/100M。为了使监控画面看得清晰，系统配置了PHILPS 21寸纯平彩色显示器。
为了保证在一台计算机出现死机或其它故障时系统仍可借助于另一台计算机进行正常的工作，系统配备了两台计算机作为监控客户站，以提高系统的可靠程度。
由于SCADA数据服务器起到与可编程控制器(PLC)交互现场信息的重要作用，故应选择性能及可靠性均较高的工业用控制计算机，在目前国内市场众多品牌的工控机中，台湾研华产品具有良好的性价比，且主板上有与PLC控制站通信的接口卡的插槽;所以选用研华工控机作为SCADA数据服务器，其配置为:底板:PCA-6186; CPU : P4 2. 4G,内存:512MDDR，硬盘: 1206;光驱:52倍速，网卡:10/100M。
为了在监控层各计算机之间实现快速数据交换，选用COREGA公司的10/100M以太网交换机，将监控层各站点计算机用以太网连接。
为了实现报表的打印，系统应配置一台网络的激光打印机。另外，配置了两个音箱用于报警的语音提示，并在主机箱中配备了声卡。
计算机的系统软件采取了稳定性很高的WINDOWS 2000，其它装载在操作站中软件的情况将在系统软件部分进行论述。
总之，系统监控层的配置有如下特点:
1.双冗余结构，确保了系统操作的可靠性:
2.采用当今流行的工业用PC，节省了硬件成本;
3.大屏幕显示，使操作更加方便;
4.多媒体的人机交互，界面十分友好。

第六章结论
宁波港液体化工区是我国最大的进口液化品中转基地，其罐区原有的监控系统采用一些常规仪表进行现场监控，罐区内的大部分现场仪表使用时间较长，型号繁多，功能不一，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，降低了数据采集的实时性、集中性。把整个作业系统改造成为计算机监控系统，对化工区在该公司管理的所有罐区、码头进行监控，对工艺管线、码头泊位进行流程显示及监测。
主要任务是如何设计出一套适合于宁波港化工区实际的、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“化工区监控系统”技改项目提供详细的设计依据和指导。
通过对DCS, FCS和远程I/0的特点分析，在尽量采用原有现场设备(温度传感器、压力传感器等)的情况下，对数据采集系统进行了硬件设计，解决了现场总线系统在化工区这个特定环境的应用问题。因此，本报告具有较大的实际价值。

宁波安生信息科技有限公司
2007-4-18

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