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化工企業安全監控預警系統

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化工企業
安全監控預警系統

研
究
報
告

安生信息科技有限公司
2007年4月

項目概述:
對化工罐區進行有效的監控對提高管理水平，降低工人的勞動強度，改善工人的工作條件，避免事故的發生等等方面具有十分重要的意義。在我國，長期以來對罐區和碼頭的管理主要是靠人工進行，并沒有真正意義上的“監控系統”。隨著各種新技術、新方法應用到儲罐計量領域，到了90年代初，各罐區儲罐上基本都裝備了能夠對液位進行自動測量的儀表，操作人員就可以坐在控制室里通過二次儀表縱觀各儲罐的狀況，但是具體的控制工作仍需人工進行。
隨著工業總線系統理論的提出和產品大量進入工業過程控制，自動化控制系統及儀表正向著數字化、智能化和網絡化(或分散化)方向發展，而利用PROFIBUS總線就能很好得實現對大型復雜系統的遠程控制。防爆遠程I/0系統的出現解決了傳統防爆系統、產品投資高、可靠性低、運用復雜等問題，在工業領域得到廣泛運用。
基于Prof ibus現場總線技術的現場控制器真正體現了過程自動化的分散控制概念，控制可以從地理上分散到各個現場總線器件中，而不是像傳統的DCS系統，所有的控制策略是在其內部做出的?，F場總線控制系統成為控制系統發展的方向，積極開發基于現場總線的控制系統，推進工業自動化的發展成為當今的重要課題。
本報告通過分析國內外工業控制現場總線網絡系統的主流類型、特點、應用領域以及對寧波港鎮海港埠有限公司液體化工區現有監控系統情況進行認真分析，對集散控制系統，現場總線控制系統和遠程I/O的特點進行詳細比較，提出以新型遠程I/O為基礎的兩層現場總線控制系統，對罐區監控系統進行了系統結構和系統軟、硬件設計，并成功應用于寧波港液體化工區。
本文設計的系統采用支持PROFIBUS現場總線協議的西門子SIMATIC S7-400為PLC，用德國CEAG公司的現場防爆Il0產品建立防爆遠程I/0站采集現場數據，采用PROFIBUS-DP總線來實現數據信號的傳輸，從而實現化工區的遠程監控。
重點解決的是在工罐區防爆、防火、防腐的特殊條件下，PLC系統和現場防爆I/O產品的選擇。

關鍵詞:PROFIBUS，現場總線，遠程防爆I/0站

目錄
第一章緒論?...............................................................1
1. 1研究背景.............................................................1
1. 2研究的目的和意義.....................................................2
1. 3國內外相關技術及其發展?..............................................3
1. 4研究的主要內容?......................................................4
第二章寧波港液體化工區現狀分析?...........................................5
2. 1寧波港液體化工區概況?................................................5
2. 2裝卸工藝簡介?........................................................7
2. 3監控現狀及分析?......................................................8
第三章系統總體設計的基本思路.............................................10
3. 1監控系統設計原則.....................................................10
3. 2監控系統的功能要求...................................................12
3. 3監控方案研究.........................................................14
3. 3. 1分散控制系統(DCS).................................................14
3. 3. 2現場總線控制系統(FCS).............................................15
3.3.3遠程I/0控制系統....................................................17
3. 3. 4監控方案比選......................................................19
3. 4小結.................................................................20
第四章監控系統通訊網絡研究................................................22
4. 1現場總線技術概述.....................................................22
4.1.1現場總線的主要特點..................................................22
4. 1. 2現有的幾種現場總線................................................23
4. 1. 3現場總線的發展趨勢................................................25
4. 2通訊網絡選型.........................................................26
4. 2. 1三菱CC一Link網絡................................................26
4.2.2 Omron Controller-Link網絡..........................................27
4. 2. 3 Siemens Profibus網絡.............................................28
4. 2. 4小結..............................................................31
4.3 Profibus-DP網絡設計.................................................31
4.3.1 Profibus-DP行規...................................................31
4.3.2 Profibus-DP系統配置...............................................32
第五章監控系統的硬件設計.................................................33
5. 1現場防爆設備........................................................33
5. 2遠程工//0從站的設計.................................................34
5. 2. 1防爆遠程I/0站的選擇.............................................34
5. 2. 2防爆遠程I/0站的設計.............................................38
5. 3 PLC控制站的設計....................................................37
5. 4監控層的設計........................................................39
第六章結論...............................................................42

第一章緒論
1. 1背景
隨著化學、石油工業的不斷發展，世界各國對液體化工制品的需求也在不斷地增加。為了滿足這一要求，各國紛紛建立為數眾多的化學工廠來生產相關的產品，而為了方便液體化工原料、中間體和制品的運輸、接卸、存儲，在沿海地區港口建設了許多不同功能罐區，用以存儲、運輸品種繁多的液體化工原料、中間體和制品。這些港口的管理部門每天都需要掌握罐區每個儲罐罐內存儲介質的液位、溫度、壓力、體積和質量、罐區內可燃氣體濃度以及碼頭的管道壓力、連通管道流量、閥門狀態和可燃氣體濃度等重要數據，既要保證數據的準確和及時，又要確保儲罐、碼頭的安全，防止意外事故的發生。因此，罐區儲罐和碼頭參數的精確檢測，碼頭以及罐區各作業流程的有效管理是非常重要的。
在我國，長期以來對罐區和碼頭的管理主要是靠人工進行，并沒有真正意義上的“監控系統”。對儲罐計量，最初只是靠有經驗的工人利用檢尺通過對各儲罐的液位高度進行測量(即通常所講的“人工檢尺”)的方法來對儲罐進行監視。該方法原始而又繁瑣，人為因素影響大，精度低。為了提高對儲罐參數測量的精度以及保護工人的身體健康，減輕工人的勞動強度，一些發達國家從八十年代開始，就借助于微電子、計算機、光纖、超聲波、傳感器等高科技的迅猛發展，將各種新技術、新方法應用到儲罐計量領域，使儲罐自動計量呈現出集功能、精度、現場一體化的新局面。到了90年代初，各罐區儲罐上基本都裝備了能夠對液位進行自動測量的儀表。該儀表一般由一次儀表和二次儀表兩部分組成。位于現場的一次儀表采集各儲罐的液位參數并通過統一的模擬信號如4-20mA的直流電流信號或某種專用的通訊協議送往集中控制室的二次儀表。此時操作人員就可以坐在控制室里通過二次儀表縱觀各儲罐的狀況了。但通過這些二次儀表僅僅能夠對儲罐參數進行“監視”而無法實施控制，因此具體的控制工作仍需人工進行。
隨著生產規模的不斷擴大，罐區的規模也越來越大，液體化工原料、中間體和制品的種類也不斷增加。對罐區的管理也提出了越來越高的要來，而由操作人員對罐區儲罐、管道及碼頭的過程數據的定時巡檢記錄、匯總、分析顯然越來越顯示出其在實時性、準確性、合理性方面的不足。因此管理人員的責任和壓力也不斷增加。隨著計算機技術的不斷發展，可靠性的不斷提高，以及價格的大幅度降低，計算機在工業中的應用越來越普及。可編程控制器(PLC )以及由多臺計算機遞階構成的集中與分散相結合的集散控制系統DCS (Distributed Control Systerm)被廣泛地應用到各行各業。因此，近年來人們開始嘗試使用計算機構成監控系統來對罐區進行綜合的管理。
有關資料顯示，在發達國家中罐區監控系統已普遍使用了DCS。在罐區DCS監控系統中，罐區現場的儀表將溫度、液位、壓力等參數轉換成統一的模擬量信號，點對點地送往控制室可編程控制器。然而罐區突出的特點是:系統地理分布廣泛、控制分散、范圍大，因此如果系統結構采用點對點連接方式時，就需要用到比一般裝置多得多的電纜、接線端子及橋架等附件，系統施工時要耗費大量的人力，且很難保證連接的可靠性，為數眾多的連接點及故障診斷的困難也給日后系統的檢修及維護帶來很大的不便。并且長距離的信號傳輸使信號的精度大大降低。
為了解決這些問題，國內外的一些專家、學者正在努力將近年來發展很快的現場總線技術應用到罐區的管理中來?，F場總線是近年來迅速發展起來的一種數據總線，它主要用于現場的智能化儀器儀表，控制器、執行機構、I/ 0模塊等現場設備間的信息傳遞。智能儀表和裝置之間采用現場總線技術進行數字通信，而不再用模擬信號通過電線、電纜進行互連，使信號傳遞方式發生了根本性變化。從而將大大節省電線、電纜數量，使信號傳遞更加可靠、經濟，各個儀表及裝置的互連更加方便靈活?，F場總線技術的發展和成熟，將使目前常見的分散控制系統面臨強大沖擊。采用現場總線技術構成的分散控制系統，功能將更加分散，系統構成將更加靈活，系統可靠性將大大提高。但是，目前在罐區領域中，由于罐區環境帶有潛在爆炸危險，其應用肯定會遇到有別于其它環境的問題，因此，現場總線在罐區應用的實例還不多見。
1. 2研究的目的和意義
以寧波港液體化工區鎮海港區為例,地處，始建于1985年，現有各類儲罐180余臺，總容量近70萬立方米，擁有1000噸級至5萬噸級的各類液化專用泊位9座，已接卸苯、醇、酸、烴等10大類80多個品種的液化品。2005年，鎮海港區的液化吞吐量達350萬噸，液化品吞吐量已連續10年保持全國第一，是我國最大的進口液化品中轉基地。
目前，寧波港液體化工區內各罐區的自動化管理水平普遍很低，通常采用常規儀表進行現場監控，罐區、管道及碼頭的過程數據由操作人員定時巡檢記錄，人工匯總分析，自動化程度低且容易產生錯誤。近年來，隨著寧波港化工業務量的不斷擴大，液體化工品種的增加，以及罐區規模、儲罐數量的增加，對化工區儲存、裝卸、管理提出了越來越高的要求，特別對罐區的自動化管理水平提出了更高的要求。另一方面，隨著自動化控制理論水平、計算機應用技術與通訊技術不斷提高，以及工業計算機監控系統在工業生產過程中的成功應用，為寧波港液體化工區監控系統的建立提供了技術保障。當前，對寧波港液體化工區監控系統進行改造和升級己迫在眉睫，通過本課題研究，可以為鎮海港埠有限公司正在實施的“化工區監控系統”技改項目提供詳細的設計依據和指導。
新型遠程I/O的出現為解決罐區監控系統硬件結構方面目前面臨的難題帶來了希望，但是該產品剛剛問世不久，還缺乏可借鑒的實際應用的經驗。因此，經過本報告的研究將其應用到實際的罐區監控系統中去，一方面更好地解決實際中的問題，另一方面建設完成必將對于提高寧波港液體化工區自動化管理水平，降低工人勞動強度，改善工人工作條件，避免事故發生，減少系統改造初期投資，以及減少今后運行費用等方面具有十分重要的意義。
1. 3國內外相關技術及其發展
隨著計算機技術的快速發展，計算機廣泛地應用到工業控制的各個領域。它的引入大大提高了工廠自動化水平，改善了自動化管理水平。計算機控制技術是自動化技術和計算機技術兩個學科相結合的產物，它是工業自動化的重要支柱。計算機控制技術的廣泛應用，促進了生產的柔性化和集成化，提高了工廠裝備的技術水平，節約了能源，降低了消耗，提高了產品質量，提高了勞動生產率和產品的國際競爭能力，降低了環境污染，改善了勞動條件，保證了生產安全可靠，改善了企業的管理方式，建立了適應現代市場經濟的企業內、外部管理機制，從而提高了企業經濟效益，促進了社會和經濟的發展。
近年來，自動化儀表及裝置的發展有著數字化、智能化、模塊化、高精度化和小型輕量化的特點，出現了分散型控制系統(DCS)、總線式工控機、可編程控制器(PLC)和調節器、智能變送器和新一代現場總線式智能儀表等。其中，智能化是自控裝置發展的最重要特點，而現場總線(Fieldbus)技術，使自控裝置間信號傳遞，由模擬量變為編碼的數字量，實現了信號傳遞的一次革命。
微電子技術的發展，使得各種體積小、功能強、速度快的微處理器不斷涌現。而自控裝置的智能化，就是以微處理器為核心來研制構成各種智能儀表、I/0模塊、模板，智能外設和其他智能控制裝置。微處理器的加入，使得各種控制設備具有數學運算、邏輯判斷、信息存貯等智能，極大地提高了設備的功能，提高了可靠性，簡化了電路、降低了成本，使控制設備發生了一次“質”的飛躍。智能控制裝置有可編程、可記憶、數學運算及豐富的數據處理能力和數字通信功能等顯著特點。與常規控制裝置相比，智能控制裝置具有測量精度高、能夠自動校準、具有自動修正誤差和自診斷(自檢)能力，允許靈活地改變功能，能夠實現高級控制，可以通過數字通信構成復雜控制系統等優點。因此，研制和應用智能儀表及裝置已成為當前自控領域的發展趨勢，智能儀表將逐步替代常規儀表。
現場總線是近年來迅速發展起來的一種數據總線，它主要用于現場的智能化儀器儀表，控制器、執行機構、I/ 0模塊等現場設備間的信息傳遞。智能儀表和裝置之間采用現場總線技術進行數字通信，而不再用模擬信號通過電線、電纜進行互連，使信號傳遞方式發生了根本性變化。從而將大大節省電線、電纜數量，使信號傳遞更加可靠、經濟，各個儀表及裝置的互連更加方便靈活。現場總線技術的發展和成熟，將使目前常見的分散控制系統面臨強大沖擊。采用現場總線技術構成的分散控制系統，功能將更加分散，系統構成將更加靈活，系統可靠性將大大提高。
總之，隨著科學技術的發展，化工過程控制技術的軟硬件支撐手段有了重大改觀，推動了化工過程控制技術的迅速發展。電子技術和計算機技術的發展，使自動化儀表及裝置的更新換代速度越來越快，其中儀表的智能化和現場總線技術是最有發展前景的技術。自動控制理論和人工智能相結合，形成了新型的智能控制理論，推出了模糊控制、人工神經元網絡控制、專家控制等多種控制方法?？梢灶A測，多目的柔性化工間歇過程控制策略研究、軟測量技術應用研究、化工過程動態仿真技術研究、人工智能技術在化工中的應用和遠程監控與在線優化技術研究等課題將成為21世紀化工過程控制技術所需研究解決的重點課題。
1.4報告研究的主要內容
1.分析寧波港液體化工區目前的罐區情況、工藝流程和監控狀況，提出存在的問題;
2.在滿足用戶對監控系統要求的前提下，對寧波港液體化工區監控系統的設計要求，設計原則和總體結構進行研究;
3.對于罐區監控系統的DCS方案，現場總線方案和遠程I/O方案各自的優缺點進行詳細的比較和分析;
4.結合本系統的特點和設計要求基礎上，通過監控系統通訊網絡研究，完成網絡系統結構和通訊方式的選擇:
5.根據系統的結構，完成監控系統硬件的實現，為鎮海港埠有限公司正在實施的“化工區監控系統”技改項目提供詳細的設計依據和指導。
第二章寧波港液體化工區現狀分析
2. 1寧波港液體化工區概況
寧波港液體化工區地處寧波港鎮海港區，位于寧波雨江入海口的北面，東臨東海，北靠杭州灣，前有舟山群島作天然屏障，地理位置十分優越。該區域發展起步于1985年，自國內首座液化專用泊位16#泊位建成投產以來，經過近二十年的開發建設，目前已擁有液化〔油品)裝卸泊位9座，其中全國最大的5萬噸級(兼靠8萬噸級)液化專用泊位2座，萬噸級泊位1座，3000噸級以下泊位6座，己形成500萬噸的年設計吞吐能力:液體化工區陸域面積0.82平方公里，建成液化油品儲罐180余座，總容量近70萬立方米。目前，寧波港液體化工區己有15家各類合資性質的專業液化油品倉儲企業在此落戶，并與國內外40多個港口和地區建立了業務往來。到2005年年底，己接卸苯，醇，酮，酸，烴等10大類80多個品種的液化品，累計完成吞吐量近1300萬噸，液化品吞吐量已連續10年保持全國第一，是我國最大的進口液化品中轉基地。
寧波港液體化工區共有150余個單獨的儲運系統，由各種儲罐、管道、控制閥門等部分組成，主要儲存甲類、乙類、丙類等液體化工產品，以及原油、成品油、燃料油等油品。液體化工區的主要作用是從輸入設備(如船舶、火車等)接收液體化工原料，暫時儲存后，用物料泵通過管道、汽車、火車或船舶輸送到用戶。液體化工區的監控系統即對儲罐、管道、碼頭的工藝參數進行有效的控制，是生產過程自動化管理的基礎。
寧波港液體化工區從功能結構上來看，主要包括:碼頭裝卸系統，岸上倉儲系統，工藝儲運系統，公路鐵路出運系統，安全消防及環保系統，輔助設施系統等部分。本課題涉及寧波港液體化工區的主要由分布在不同地理區域的35個儲罐及6個碼頭的裝卸儲運系統組成，具體如下:
碼頭:
1) 12#泊位;4) 16#泊位;
2) 13#泊位:5) 17#泊位;
3) 14#泊位;6 ) 18#泊位;
罐區:(括號中標注為各個罐區的儲罐數目)
1)丙烯睛罐區((2 );          9)紅劍罐區((2):
2)三罐區(3);              10)翔盛罐區(2);
3)一罐區(3);                  11)縱橫罐區(2);
4)遠東罐區(3);                12)天元罐區(2);
5)?恒逸罐區(4);                13)華鑫罐區(2);
6)賜富罐區(2);                14)南方罐區(2);
7)榮盛罐區(2);                15)雄峰罐區(2);
8)埃力生罐區((2);
為了方便管理和數據采集，這些儲罐、碼頭被劃分為如下所述的7個區域。如圖2
一1所示。
1#區域，包括:丙烯睛罐區、12#、13#、14#泊位，共2個儲罐，3個泊位:
2#區域，包括:三罐區、16#泊位，共3個儲罐，1個泊位;
3#區域，包括:一罐區、遠東罐區、恒逸罐區，共10個儲罐;
4#區域，包括:賜富罐區、榮盛罐區、埃力生罐區，共6個儲罐;
5#區域，包括:1?#泊位，共1個泊位;
6#區域，包括:18#泊位，共1個泊位:
7#區域，包括:紅劍罐區、翔盛罐區、縱橫罐區、天元罐區、華鑫罐區、南方
罐區、雄峰罐區，共14個儲罐;
2. 2裝卸工藝簡介
寧波港液體化工區是目前國內規模最大的液化品裝卸中轉基地，由于其泊位集中，罐區密集，整個區域布局緊湊，裝卸工藝系統比國內其他從事液化作業的港口較為復雜。目前國內從事液化品裝卸的港口數量正在迅速增長，但相對而言這些港口在規模上均比較小，專用泊位數量少，而泊位與罐區之間的功能也相對較為固定，即一個泊位固定對應一個或幾個罐區群落，泊位與泊位間缺乏應有聯系，機動靈活性較差。
寧波港液體化工區工藝布局的一個顯著特點是各主要泊位間可以通過聯通管線進行相互貫通，這使得泊位利用率大大提高，機動靈活性增強，這種工藝方式可使船舶在任意主要泊位上均能把貨卸到指定的儲罐，或直接在兩個泊位間進行中轉直取裝卸。
大部分液體化工產品均屬易燃易爆，有毒有害，污染環境的危險品，在日常運輸過程中一般均采用專用運輸工具和管道進行運輸裝卸，其基本裝卸生產工藝流程如圖2一2所示:

圖2-2液化品裝卸生產工藝流程圖
停泊于各泊位的海輪，其液體化工產品經海輪自備泵，利用泊位上設置的輸油臂或金屬軟管，將化工液體送至各罐區儲罐內儲存待發。各儲罐內的化工液體，通過罐區自備泵，將化工液體因需送往泊位裝船，或送往火車棧臺裝火車槽車外運，以及送往各罐區自設的汽車棧臺裝汽車槽車外運。山火車、汽車運到的液體化工產品經輸液泵送到儲罐儲存，再經泵裝船外運或直接從火車裝船外運。另外，通過泊位之間設置的連通管，還可使各個泊位之間達到船舶直取的裝卸功能。
2. 3監控現狀及分析
目前，每個儲罐上安裝了高位報警開關，每個儲罐頂、中、底三個部位分別安裝了三個PT100防爆鉑熱電阻的探頭，罐區內安裝了可燃氣體濃度檢測探頭，每個儲罐上還安裝了一臺雷達液位計，控制室內安裝了對應的二次儀表。每個儲罐上控制液體化工制品出入的閥門均為手動閥，操作人員通過二次儀表所顯示的儲罐內介質的液位值，了解每個儲罐的情況，同時通知位于儲罐旁的操作工對液體化工制品的導入和導出實施控制，即系統的控制由人工來完成。每個儲罐的情況如圖2-3所示。
圖2-3儲罐工藝控制點示意圖
由于罐區的分布較廣，為了減少每一次實施的人工控制所需要的時間，即降低系統控制的時滯，就要求有一些操作工在控制室內監視各二次儀表的顯示數據并據此通過可防爆的對講機向另外一些位于儲罐旁的操作工發出控制命令。這樣做，一方面需要的操作工的數量較多;另一方面位于室外的操作工的工作環境十分的惡劣，有毒有害氣體的腐蝕以及惡劣的天氣都對這些人員的健康造成許多不良的影響。而且，各儲罐的參數也由人工進行記錄，罐區調度室若想了解每個罐的情況也要等這些人工報表送去以后刁‘可以，這就給整個罐區及時有效的管理帶來了很大的障礙。另一方面，罐區內的這些現場儀表大部分使用年限較長，型號繁多，功能不一，并且測量誤差偏大，部分儀表己不能正常工作。罐區、管道及碼頭的過程數據均由操作人員完成，定時巡檢記錄、人工匯總分析，自動化程度低且容易產生錯誤。大大降低了化工區數據采集的實時性、集中性，對化工區的安全生產管理造成不利。因此，為了使化工區的安全生產得以順利進行，提升全國港口第一大液體化工區形象，對寧波港液體化工區監控系統進行改造和升級已迫在眉睫。2005年，寧波港集團鎮海港埠有限公司把化工區計算機監控系統列入年度技改計劃，要求改造后的系統能對化工區在該公司管理內的所有儲罐進行監控，對工藝管線、碼頭進行流程顯示及監測，從而提高化工區自動化管理水平。
報告需通過國內外工業監控系統現狀、發展水平及方向的分析、比較，設計一套適合于寧波港液體化工區實際情況，先進的、高效的、功能齊全的、經濟性好的監控系統，為鎮海港埠有限公司正在實施的“化工區監控預警系統”技改項目提供詳細的設計依據和指導，從而使該系統建成后能保證安全、可靠地運行。

第三章系統總體設計的基本思路
3. 1監控系統設計原則
鑒于寧波港液體化工區監控系統應用于化工碼頭及罐區，系統范圍大，涉及的設備多，該系統是了解整個寧波港液體化工區設備運行和狀態的關鍵系統，對保證安全生產、高效運作起著十分關鍵的作用，因此在系統設計與實施過程中，應主要遵循以下設計原則:
1、安全可靠
用于監控系統中的計算機，尤其是直接與工業過程相連的前端計算機與一般用于科學計算或管理的計算機雖然在本質上并沒有什么不同，但由于生產現場的惡劣環境、周圍的各種干擾和不能間斷進行的控制任務，對工業控制計算機(一般簡稱工控機)在可靠性與安全性上的要求便大大高于一般的計算機。因為一旦計算機出現故障，控制系統將會癱瘓，輕者影響生產，造成產品質量不合格，重者則會造成人員和設備的事故。另一方面，由于化工過程控制的對象往往是連續工藝流程的一部分，一個系統的事故很可能會引起前、后工序的聯鎖反應，最后導致整個生產線的失調。因而，在計算機遠程控制系統的整個設計過程中，務必將安全可靠放在首位。首先，應該選用高性能的工控機承擔過程控制任務。因為工控機在整機的機械、防振動、耐沖擊、防塵、抗高溫、抗電磁干擾、抗電流干擾等方面往往針對生產現場的特點，采取了特殊的處理措施，以保證系統在惡劣的工業環境下仍能正常運行。其次，在設計控制方案時要考慮各種安全保護措施，使系統具有諸如異常報警、事故預測、故障診斷與處理、安全聯鎖、不間斷電源等功能。再次，為預防計算機出故障，后備裝置的設置是必需的。對于一般的控制回路，可以選用手動操作器作為后備;對于必須采用自動控制的重要回路或特殊回路，可采用常規控制儀表或后備計算機作為后備。這樣，一旦系統出現故障，就可將后備裝置切換到控制回路中，維護生產過程的正常運行。
2、操作、維護與維修方便
操作方便主要體現在要求系統便于掌握、操作簡單，而且顯示畫面直觀形象。由于系統投運后將由操作工進行日常操作與維護，所以在考慮操作的先進性同時，還應兼顧操作工以往的操作習慣，使操作工容易掌握，而并不強求他們掌握計算機知識。例如，操作工己經習慣了PID調節器的面板操作，那就是或在硬件上或是在CRT畫面上設計成回路操作顯示面板(畫面)。另外，人機對話的操作也應簡單明了，盡量采用圖示與中文操作提示，熱鍵設置不宜太多。對重要的參數要設置一些保護性措施，增加操作的魯棒性。維修方便要從軟件與硬件兩個方面考慮，目的是易于查找故障、排除故障。硬件上宜采用標準的功能模板式結構，便于及時查找并更換故障模板。模板上還應安裝上作狀態指示燈和監測點，便于檢修人員檢查與維修。廠在軟件上應配備檢測與診斷程序，用于查找故障源。必要時還應考慮設計容錯程序，在出現故障時能保證系統的安全。
3、實時性強
實時性是絕大部分監控系統最主要的特點之一，它要對內部和外部事件都能及時地響應，并在規定的時限內作出相應的處理。系統處理的事件一般有兩類:一類是定時事件，如定時采樣、運算處理、輸出控制量到被控制對象等:另一類是隨機事件，如出現事故后的報警、安全聯鎖、打印請求等。對于定時事件，由系統內部設置的時鐘保證定時處理。對于隨機事件，系統應設置中斷，根據故障的輕重緩急，預先分配中斷級別，一旦事件發生，根據中斷優先級別進行處理，保證最先處理緊急故障。
4、通用性好
監控系統的研制與開發需要一定的投資和周期，在設計開發監控系統時應盡量考慮采用積木式的模塊化結構。在此基礎上，再根據各種不同設備和不同控制對象的控制要求，靈活地構成系統。這樣設計出的系統便于隨時進行系統的擴充或改造，通用性好?？刂葡到y的通用性和靈活性設計具體體現在硬件與軟件兩個方面。硬件方面宜采用標準總線結構，配置各種通用的功能模板，并留有一定的冗余，在需要擴充時只需增加相應功能的通道或模板就能實現。在系統監控軟件和控制算法等軟件設計中也應采用標準模塊化結構。類似硬件設計，軟件設計中也可按控制需求選擇各種功能模塊靈活地構成控制系統整體軟件。
5、經濟效益高
監控系統除了滿足生產工藝所必需的技術質量要求以外，也應該帶來良好的經濟效益。這主要體現在兩個方面:一方面是系統的性能價格比要盡可能的高，而投入產出比要盡可能的低，回收周期要盡可能地短;另一方面還要從提高產品質量與產量，降低能耗，減少污染、改善勞動條件等經濟、社會效益各方面進行綜合評估，有可能是一個多目標優化問題。隨著計算機技術的飛速發展，自動控制和自動化設備更新換代非常頻繁，在設計監控系統時應充分考慮監控方案的先進性和設備、通信等的先進性，在盡量縮短設計研制周期的同時，要有一定的預見性。
3. 2監控系統的功能要求
根據鎮海港埠有限公司化工隊生產裝卸實際情況，寧波港液體化工區監控系統應該具有以下的功能:
1.對罐內液位、溫度、壓力，罐區可燃氣體，閥門狀態進行監測:對碼頭可燃氣體濃度，連通管道壓力、流量、閥門狀態進行監測。監控系統主要采集模擬量、數子量、開關量等數據。
1)模擬量的采集。需要采集的模擬量主要有:溫度傳感器、壓力傳感器、可燃氣體檢測儀等輸出的4^-20mA電流信號;
2)開關量的采集。需要采集的開關量主要有:閥門狀態、繼電器狀態、手動/自動選擇開關狀態。
3)數子量的采集。主要是液位變送器、輸油管上流量計數器計數脈沖的采集。
2.操作控制
對泵進行啟停控制，對消防水噴淋進行控制。本系統可以全自動管理和控制監控工作，流程作業情況要求能在中控室監視器監看，但為了在特殊情況下人可以超越計算機進行控制，因此，應設置手動自動控制方式的轉換開關。
3.報警記錄
為了分析現場設備故障的方便，應設置故障報警記錄功能，監控單元設置好各工作參數的報警閥值，如液位、溫度、壓力上限和下限，并在運行過程中對這些工作參數循環進行越限監視，以便實時記錄報警事件、報警位置、發生的時間、報警原因，并生成報警表，供查詢分析。
4.事件記錄
SOE (Sequence of Events)包括啟動自檢記錄，進出料記錄，故障報警記錄，系統管理員登錄記錄，監控參數閥值修改記錄等，并記錄下所有事件的發生時間。
5.人機交互
利用工業通用組態軟件開發監控軟件平臺，實時顯示現場工作狀況和操作結果，比如:監控參數閥值修改、自動生成報表、各操作界面的切換等，界面友好，圖形元素豐富、明了，操作簡便，極易上手。
6.報表生成和打印
按照鎮海港埠有限公司化工隊生產要求的周期和格式，生成日報、月報、季報和年報，并在局域網內部共享，供管理部門打印、存檔;根據事件記錄信息生成和打印運行日志。   
 7.趨勢曲線
趨勢曲線的生成和顯示作為監控系統的一個重要環節，可以直觀反映一些重要工作參數的變化情況，比如液位實時和歷史曲線可以看出每個儲罐每天工作量(進料和出料)，進而來平衡各物料泵的工作時間以達到延長物料泵使用壽命的目的。趨勢曲淺分為實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線，分別對應實時數據庫和歷史數據庫。
8.數據庫管理
監控系統的數據庫管理也是很重要的環節，歷史數據的形成和存儲是數據庫管理的主要內容，此外，為滿足寧波港液體化工區管理的需要，必須進行一些數據處理工作。
9.網絡功能
接入內部局域信息網，生成報表和數據庫文件，供管理部門讀取瀏覽。
10.系統擴展
本系統通過添加模塊可以逐步擴展，罐區自動灌裝、照明等部分均可以納入該系統，形成寧波港液體化工區現場綜合管理控制系統。系統功能示意圖如圖3-1所示。
圖3-1系統功能示意圖
3. 3監控方案研究
隨著計算機技術的不斷發展，可靠性的不斷提高，以及價格的大幅度降低，計算機在工業中的應用越來越普及。目前，計算機控制系統大致可分以下幾種類型:(1)數據采集系統;(2)操作指導控制系統:(3)監督控制系統((SCC); (4)直接數字控制系統(DDC);(S)多級分布式計算機控制系統(DCS);(6)基于現場總線技術的計算機控制系統((FCS ); (7)遠程I/O控制系統。根據寧波港集團鎮海港埠有限公司對監控系統的要求，報告分別對分散控制系統(DCS )，現場總線控制系統(FCS)，以及遠程I/O控制系統加以論述、比較，提出最適合在寧波港液體化工區監控系統中應用的系統總體方案。
3. 3. 1分散控制系統(DCS)
此系統的結構示意如圖3-2所示。
圖3-2分散控制系統(DCS)系統結構示意圖   
     被稱為“第四代”控制系統的分散控制系統(DCS )，是目前計算機監控系統中采用最多的系統結構形式。系統可分為四個大的部分。第一部分為位于現場的現場設備，現場級設備是各類傳感器、變送器和執行器，它們都要是滿足本質安全要求的設備，其中傳感器、變送器將現場各種物理量統一轉換為4-20mA電信號(或者其他類型的模擬量信號)，而執行器則接受模擬量信號，作用于現場設備。第二部分是將現場信號連接在一起的大量的電線電纜、接線端子以及現場接線箱、接線柜和鋪設電纜所需的電纜橋架等等輔助設備。第三部分為安全柵，主要起到限制從安全區到危險區的能量，使該能量足夠小到不足以點燃危險區中危險爆炸混合物的程度，同時現場設備的短路或其它故障也被安全柵隔離，安全柵還起到對一些標準信號進行必要轉換的作用。安全柵有齊納式和隔離式兩種類型，只能放置在安全區。第四部分為控制站，采用DCS或PLC。一般由DCS或PLC的CPU單元、各種開關量(DI/DO)和模擬量(AI/AO)以及其它特殊信號的輸入/輸出卡件、供電電源模塊等組成。系統的工作原理為:設備將檢測到的各種物理量轉換成各種標準信號通過電線電纜傳送到安全柵，安全柵將信號隔離后傳送到DCS/PLC的輸入卡件，輸入卡件將這些標準信號轉換成DCS/PLC內部的信號并傳送到CPU中進行處理，處理的結果再經過相反的路徑傳送到現場的執行器。
該系統的優點在于:
1.結構的原理簡單，容易被一般的維護及操作人員所理解;
2.某一點的故障一般不會影響到其它的點即故障的波及面易于控制;
3.現場設備為所謂的“傳統型”，與“總線型”設備比較起來歷史悠久更重要的是可選擇的范圍寬。
但是，該系統的缺點也是十分明顯的:
1，現場設備與控制室之間的距離遠，因此在構成系統時就需要大量的電線電纜、接線端子及橋架等等輔助設備，系統的硬件成本高;
2.系統控制器冗余的成本高;
3.很難保證為數眾多的連接點都能夠一次性的做到連接準確而牢固;
4.系統的安裝及調試需要大量的人工，因此系統的人工費用成本也高;
5.系統調試及運行后的故障點診斷十分困難;
6.模擬信號的長距離傳輸，使得信號的衰減和干擾問題十分的突出;
7.由于不同廠家的DCS/PLC之間有較大的差異，因此不同系統之間的信息無法共享，造成了一個又一個的“信息孤島”。
3. 3. 2現場總線控制系統(FCS)
此系統的結構示意如圖3-3所示。
現場總線控制系統(FCS)被稱為“第五代”控制系統。這是一種新的控制系統，它是在現場總線技術發展的驅動之下形成的新型網絡集成式分布控制系統。整個系統以現場總線為基礎將系統的各個部分連接起來。從上面的示意圖可以看出該控制系統也分為四個部分。第一部分為現場設備。目前人們將現場設備按照是否具有總線接口分成“傳統型”和“總線型”兩大部分。所謂“傳統型”現場設備是指在現場總線技術出現之前就己經開始使用的不具備總線接口的產品，它們不能夠直接掛接到現場總線上。而“總線型”現場設備是伴隨著現場總線技術的發展而產生的具有總線接口可直接掛接到現場總線上的產品。在該方案中，現場設備都要采用“總線型”的產品。
第二部分為起到總線分支和防爆作用的總線H1卡和總線安全柵?？偩€主干通過H1卡被分成許多網段，每個網段上的電流經過總線安全柵后被限制到本質安全防爆所允許的范圍之內，但是每塊總線安全柵只能接8塊以下的現場設備，因此該系統中要配置N塊H1網卡和N個總線安全柵，并且H1卡和總線安全柵只能放置在安全區(一般與控制器放置在同一個控制柜內)。第三部分為控制器，常采用具有現場總線接口的DCSIPLC的CPU單元。由于現場設備都具有總線接口(即可以直接掛接到總線上與控制器進行通信)，因此就無需DCS/PLC的各種輸入輸出卡件了。第四部分為將前三部分連接在一起的現場總線電纜，專用接插件及其它的輔助連接設備。

圖3-3現場總線控制系統(FCS)系統結構示意圖
系統的工作原理為:現場設備將檢測到的各種參數轉換成符合所采用的總線協議的信號，在主控制器讀取其數據的總線周期內將這些信號經過現場總線傳送到H1網卡，H1網卡將這些信號匯總后傳送到主控制器的總線接口模塊中，該模塊再將這些總線信號轉換成DCSIPLC內部可以識別的信號。系統的控制輸出信號經過相反的傳送到現場的執行器處。
現場總線控制系統(FCS)的優點則在于:
1.無需接線端子，節省控制柜空間從而節省了控制室所需的空間;
2.電纜連接通過“即插即用”的接插件，接線方便、快速、準確、牢固;
3.施工簡單，工作量小，可節省大量的人工費用;
4.系統多種的診斷與自診斷功能，使故障點的定位十分迅速，從而縮短系統的故障停車時間;
5.在屏蔽電纜內進行數字信號的傳輸，信號傳輸精度大大提高;
6.系統擴展容易。
而現場總線控制系統(FCS)的缺點是:
1.系統結構原理較復雜，一般的維護操作人員理解起來較困難;
2.總線上某一從站的故障可能會波及到其它從站的正常工作;
3.  H1網段不支持冗余，因此系統的高可靠性較難保證;
4.系統原有的儀表需更換為具備總線接口的產品，更換費用高;
5.在構造大系統時，系統的循環時間長，實時性較差。
3.3.3遠程I/O制系統
基于遠程I/O的現場總線控制系統。此控制系統的結構示意如圖3-4所示。
所謂“總線型”遠程I/O是針對傳統的采用某一廠家專有的通訊協議與主控制器進行數據交換的遠程I/O產品而言的，即其與主控制器之間是通過開放的現場總線進行數據的交換。
圖3-4基于遠程I/O的現場總線控制系統結構示意圖

“總線型”遠程I/O備安全柵防爆功能的普通型和將安全柵集成在I/O防爆型。而防爆型的遠程I/O只能放在安全區和可以直接放置在危險現場的兩類產品。普通型的遠程I/O，一方面只能放在安全區不能靠近現場，失去了遠程I/O的優勢;另一方面其不具備安全柵的防爆功能，在具體應用時還要再另外使用安全柵來確保系統的安全。而對于防爆型遠程I/O中只能放置在安全區的產品而言，其同樣具有不能靠近現場而失去了遠程I/O優勢的問題。對于可以直接放置在危險現場的防爆型遠程I/O而言，其既可以直接安裝在危險現場充分發揮遠程I/O的優勢，又可以做到本質安全防爆，因此，在做“總線型”遠程I/O的控制方案時，考慮采用此類的產品。報告在后面的討論中提到的“總線型”遠程I/O的控制方案，如無特殊聲明都指的是采用此類遠程I/O的方案。
從圖3一可以看出，整個的系統可以分為五個部分。第一部分與FCS相同為具有現場總線接口的DCS/PLC的CPU單元，“總線型”遠程I/O的應用使得DCS/PLC的本地輸入輸出模塊也不再需要了。第二部分為主控器與遠程I/O之間的現場總線及連接附件。此處，現場總線設計為雙總線的冗余結構。第三部分為“總線型”防爆遠程I/O其可以直接放置在危險現場并可以直接連接“傳統型”的現場設備并將這些設備的信號轉換為總線信號傳送到主控制器。第四部分為“傳統型”的現場設備。第五部分為現場設備與遠程I/O之間的連接電纜及附件。
系統的工作原理為:現場設備采集的各種信號以“點對點”的方式傳送到遠程I/O信號進入到I/O卡件后首先經過隔離(即安全柵的作用)然后再轉換成符合現場總線協議的信號，這些信號由遠程I/O經外部總線傳送到主控制器。從主控制器發出的控制信號經過相反的路徑傳送到現場設備。
該系統的優點在于:
1.遠程I/O直接安裝在現場。從而使DCS系統中需使用的現場接線箱、長距離的連接電纜及附件、大量的安全柵及端子和機柜、DCS/PLC的接線端子和I/O卡件等大量的硬件都不再需要了。而僅僅需要為數很少的總線電纜就可將位于現場的遠程I/O與DCS/PLC的總線接口模塊連接起來，遠程I/O與現場設備之間可以通過很短的線纜進行連接。即硬件數量大大減少，從而硬件成本大為降低。
2.采用“傳統型”的現場設備并且原有的液位儀表可以保留，進一步節省了設備投資。
3.硬件數量少則施工就變得簡單，從而減低了施工的難度和費用。
4.現場信號被遠程工I/O就近轉換成數字信號后在屏蔽電纜內進行數字信號的長距離傳輸，因此很好地解決了信號的衰減和干擾問題，從而信號的傳輸精度大大提高。   
 5.遠程I/O的自診斷功能和現場總線的診斷功能，使系統故障的快速定位可以十分簡單地實現。
6.冗余的現場總線，確保了系統的安全。
7.系統擴展容易。
該系統的劣勢僅僅在于將遠程I/O放置在現場，增加了現場的維護工作量。
3. 3. 4監控方案比選
在化工行業中，有兩個不同的過程，一個是所謂的“批量”生產過程，另一個是所謂的“連續”生產過程。在這兩個過程中，一個意外的中途“停車”可能會帶來很大的損失，因此，系統的連續運轉能力是需要首先考慮的問題，這也就解釋了在該領域內做系統設計的時候為什么十分強調“故障一安全”的原因了。也就是說，如果采用現場總線，那么，系統的連續運轉能力至少不能夠比采用傳統的控制結構低。傳統的控制結構中，某一點的故障只會影響這一個或幾個相關點的工作，不至于影響到整個的控制系統，但是這種點對點的連接(一根導線上只連接兩個點)概念就與現場總線的在一根總線電纜上盡可能多地串接設備的概念是相互矛盾的。為了做到這一點，就要考慮將現場總線系統設計為冗余的結構，但這樣做就會降低成本節省的潛力。同時，又帶來了另一個重要的問題，就是要求每個現場設備要具有兩個總線接口或者采用環型的總線結構來連接現場設備，很顯然，這樣做是不經濟的。如果采用一定數量的小型遠程I/O來連接現場設備的話，就可以通過在該遠程I/O上配置兩個網關來實現總線線路的冗余，而且最大的好處就是大大減少了現場儀表與總線的連接部件從而大大降低了接線成本。
另一個更為復雜的問題是現場的爆炸防護。常規的爆炸防護方法很簡單，例如，通過限制能量來避免產生火花的本安(EX i )方法，通過特殊的外殼來防護的隔爆(EX d)和澆封(EX m)的方法等等。但是，這些方法都與現場總線的基本概念有相抵觸的地方。如果，從限制能量的角度考慮(運用本安方法)，那么，每個總線分支上允許連接的現場設備的數量就會大大的減少，例如，PROFIBUS PA或FOUNDATION FIELDBUS的每一個總線分支上允許連接的現場設備的數量被限制在6-10個，但是本來如果沒有能量限制的話，PROFIBUS DP的一個分支上可以連接100多個現場設備(通過中繼器)。如運用隔爆(EX d)或澆封(EX m )的方法(它們常常與增安方法組合使用)，那么，對進入危險區的能量基本上是沒有什么限制，但是，這兩種方法的缺陷就是在現場設備進行檢修或更換之前必須要把供電切斷。但對于現場總線系統來說，設備的“熱插拔”應該是一個起碼的要求。當然，可以采用總線是本安的，現場設備用隔爆(EX d)或澆封(EX m)方法的系統方案，也就是說，現場設備均選用無需總線供電的獨立供電形式，總線上傳送的信號能量達到本安的水平。如果這樣做，就需要在有一條通訊電纜的同時鋪設一條供電電纜。但是，每一個現場設備的供電也存在較大的困難，因為目前大多數儀表的供電電壓都是直流24伏，但直流24伏電源的遠傳是一個較難解決的問題;如果采用交流220付供電，儀表需要改型不說，交流220伏進入危險現場本身就存在著較大的安全隱患。
有沒有更好的解決辦法呢?比較起來，遠程I/O應該是最佳的選擇:
.與現場設備采用傳統的安裝連接方式;
.使用單一的電源模塊(如必要，也可冗余配置)為眾多的現場設備供電;
.檢修或更換現場設備時可以“熱插拔”;
.更加經濟。
總結一下上述的情況，發現采用遠程I/O的方案要比采用現今的現場總線方案具有更多的優勢。但是，遠程I/O并不是用來取代現場總線的，它要通過現場總線與PLC或DCS相連。使用遠程I/O的主要目的一方面是為了解決現場設備與總線相連需要統一的總線接口的問題，因為給每一個現場設備(包括傳送開關量的設備)都配置一個總線接口目前來看是既不經濟也不實際的;另一方面是為了解決現場的防爆問題，既可以做到本安防爆又可以帶電插拔。進一步分析后，發現遠程I/O解決了現場設備與總線相連時需要統一的總線接口這一問題的同時，如果其能夠直接安裝在危險區域之內，也就是說它不僅僅作為一個本安設備的關聯設備(需放置在安全區)而且其本身可以通過不同的防爆方法直接安裝在危險區的話，那么，從危險區到安全區的大量的電線和電纜就可以十分輕松地省掉了?？梢詳嘌裕@種可以直接安裝在危險區(I區)的具有總線接口的遠程I/O系統將是我們近年內所最最需要的。
綜上所述，集散控制系統，現場總線控制系統和遠程工I/O三個系統比較起來，基于遠程I/O的現場總線控制系統的成本最低且既發揮了現場總線的優勢克服了其劣勢，又延續了維護和操作人員原有的工作習慣;另外，寧波港液體化工區監控系統需采集的數據較多，一方面這些數據采集點分布范圍較廣，數據采集點之間的最遠距離達到了500-600米，另一方面是部分數據采集點位置相對集中;因此，寧波港液體化工區監控系統方案應按照基于遠程I/0的現場總線控制系統的思想進行。
3. 4小結
寧波港液體化工區監控系統利用高精度防爆變送器，對罐區每個儲罐的溫度、壓力、液位、各種可燃氣體含量進行檢測。數據采集點的分布有范圍廣，距離遠的特點。根據點的分布和與中控室的距離，在中控室設置集中PLC系統來采集現場數據顯然是不可行的，因此，如上節所述，數據采集系統設計的基本思路應該是采用分布式I/O系統，即在I/O點較集中的區域，設置分布式I/O站，現場傳感器信號就近直接進入分布式I/O站上的I/O模塊，然后通過現場總線網絡將數據傳送到中控室的PLC中，實現數據的采集和處理?；诖?，系統結構設計如圖3-5所示。

圖3-5監控系統總體結構圖
該監控系統共有三層體系結構，最低層為數據采集系統，從現場各類傳感器設備中采集數據并執行控制指令:第二層為實時信息處理系統，由現場采集的數據及其相關信息寫入在這一層的Web服務器和數據庫服務器中，對數據進行統計、分析等處理。將實時數據、歷史數據等以Web的形式實時發布;實時發布的信息通過網絡同第三層用戶端相連，客戶計算機賦予一定的權限后可以通過瀏覽器直接使用和監測現場采集的數據。
操作人員可在監控層計算機上監視現場情況并對現場閥門、泵實施操作、控制，而控制站完成現場信號的采集和現場閥門的聯鎖控制。此結構可以滿足系統二級控制的要求。第四章監控系統通訊網絡研究由于寧波港液體化工區監控系統是基于遠程I/0的現場總線控制系統，因此，監控系統的通訊網絡是以現場總線為基礎構架起來的。下面將就監控系統通訊網絡進行論述和設計。
4. 1現場總線技術概述
現場總線技術是伴隨著計算機技術、電子技術和信息技術的發展而出現的一項系統技術，它的概念起源于70年代，當時主要考慮將操作室的現場信號和到控制儀器的控制信號由一組總線以數字信號的形式傳送，不必每個信號都用一組信號線。隨著儀表智能化和通訊數字化技術的發展，現場總線已經發展成為集計算機網絡、現場控制、生產管理等內容為一體的現場總線控制系統FCS < Field-bus Control System ) 。
4.1.1現場總線的主要特點
現場總線系統的出現打破了傳統控制系統的結構。由于采用了智能現場設備，它能夠把原來DCS中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現場設備，加上現場設備具有通信能力，現場的測量變送儀表可以與調節閥等執行機構直接傳送信號，因而控制系統功能可以不依賴控制室的計算機或控制儀表而直接在現場完成，實現了徹底的分散控制。又由于采用了數字信號替代模擬信號，因而可實現一對電線(總線)上傳輸多個信號(包括運行參數值、設備狀態、故障信息等);為多個設備提供電源(總線供電);現場設備以外不再需要模擬/數字、數字/模擬轉換部件。顯然，這為簡化系統結構、節約硬件設備、連接電纜以及各種安裝及維護費用創造了條件。
基于現場總線技術的自動化監控及信息集成系統的特點是現場總線技術用一條通信電纜將控制器與現場設備(智能化、帶有通信接口)連接，使用數字化通信完成底層設備通信及控制要求，它在技術上具有以下特點。
1.全數字化通信
現場總線系統是一個“純數字”系統，而數字信號具有很強的抗干擾能力，所以，現場的噪聲及其他干擾信號很難扭曲現場總線控制系統里的數字信號，數字信號的完整性使得過程控制的準確性和可靠性更高。2一對N結構一對傳輸線，N臺儀表，雙向傳輸多個信號。這種一對N結構使得接線簡單，工程周期短，安裝費用低，維護容易。如果增加現場設備或現場儀表，只需并行掛接到電纜上，無須架設新的電纜。
3.可靠性高
數字信號傳輸抗干擾強，精度高，無須采用抗干擾和提高精度的措施，從而降低了成本。
4.可控狀態
操作員在控制室既可了解現場設備或現場儀表的工作情況，也能對其進行參數調整，還可預測或尋找故障。整個系統始終處于操作員的遠程監視和可控狀態，提高了系統的可靠性、可控性和可維護性。
5.互換性
用戶可以自由選擇不同制造商所提供的性能價格比最優的現場設備或現場儀表，并將不同品牌的儀表互聯。即使某臺儀表發生故障，換上其他品牌的同類儀表也能照常工作，實現了“即接即用”。
6.互操作性
用戶把不同制造商的各種品牌的儀表集成在一起，進行統一組態，構成其所需的控制回路，而不必絞盡腦汁，為集成不同品牌的產品在硬件或軟件上花費力氣或增加額外投資。
了.綜合功能現場儀表既有檢測、變換和補償功能，又有控制和運算功能，實現了一表多用，不僅方便了用戶，而且降低了成本。
8.分散控制
控制站功能分散在現場儀表中，通過現場儀表即可構成控制回路，實現了徹底的分散控制，提高了系統的可靠性、自治性和靈活性。
9.統一組態
由于現場設備或現場儀表都引人了功能塊的概念，所有制造商都使用相同的功能塊，并統一組態方法，使組態變得非常簡單，用戶不需要因為現場設備或現場儀表種類不同而帶來的組態方法的不同，再去學習和培訓。
10.開放式系統
現場總線為開放互聯網絡，所有技術和標準全是公開的，所有制造商必須遵循。這樣，用戶可以自由集成不同制造商的通信網絡，既可與同層網絡互聯，也可與不同層網絡互聯，還可極其方便地共享網絡數據庫。
4.1.2現有的幾種現場總線
自從80年代末以來，CAN, HART, LONWORK, PROFIBUS這幾種現場總線技術逐漸形成并在一些特定的應用領域顯示自己的優勢，他們具有各自的特點，也顯示了較強的生命力。對現場總線技術的發展己經發揮并將會發揮更大的作用，下面對幾種現場總線進行簡要的介紹。
1)CAN
CAN是控制器局域網絡(Control Area Network)的簡稱，最早是由德國BOSCH公司推出的，用于汽車內部測量與執行部件間的數據通信，其總線規范現己被ISO國際標準制定為國際標準。由于其得到Motorola ,Intel, Philip, Siemence , NEC等公司的支持，它廣泛應用于離散控制系統，其信號傳輸介質為普通雙絞線或光纜等，通信速率最高可達1 Mbps/40m，直接傳輸距離可達1 Okm/5kbps oCAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低，由于其采用CRC-16的校驗方式，誤碼率僅為3 * 10-5。當節點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能，以切斷該節點與總線的聯系，使通信線上的其他節點機通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。
2)FF
基金會現場總線FF（Foundation Fieldbus)是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的技術，其現主要應用于自動化測控領域?；饡F場總線分為低速H1和高速H2兩種通訊速率。H1的傳輸速率31.25kbps,通訊距離可達1900m，可支持總線供電，支持本質安全防爆環境。H2的傳輸速率可為1M飾s和2.5Mbps兩種，通訊距離分別為5 70m和500m，物理傳輸介質可支持雙絞線、光纜和無線發射，其協議符合IEC-1158-2標準，其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特碼。
3)LONWORKS
LONWORKS是由美國Echelon公司推出并有它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，于1990年正式公布而形成的，它采用ISO/OSI模型的全部七層通訊協議，采用面現對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置，其通信速率為300bps到1.SMbps不等，通訊距離可達2700m ( 78kbps )，現在已被廣泛應用于樓宇自動化、家庭自動化、保安系統、辦公設備等行業，在工業上基本沒有應用。
4)PROFIBUS
PROFIBUS (Process Fieldbus)誕生于1987年，1989年被確立為德國國家標準DIN19245a 1991年，PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP, PROFIBUS-PA先后被批準實施。1996年3月，PROFIBUS被歐洲電工標準化委員會(CENELEC)批準為歐洲標準EN501700PROFIBUS有三種類型，即FMS, DP和PA，它們均使用統一的總線訪問協議。這3種類型分別適用于不同的領域。PROFIBUS-FMS主要用于工廠、樓宇自動化中的單元級，可提供34種FMS服務，實現變量訪問、程序調用、運行控制和事件管理等。PROFIBUS-DP主要用在工廠和樓宇自動化中，實現自動控制系統和分散式外部設備及智能現場儀表之間的高速數據通信。PROFIBUS-PA是PROFIBUS-DP向現場的延伸，是變送器和執行器能夠在易爆危險區域遠距離的同中央自控儀表/系統通信。PROF工BUS總線訪問協議是一種混合的協議，包括主站之間的令牌傳遞方式CToken Passing)和主站、從站之ICJ的主從方式(Master-Slave )o PROFIBUS的主要產品有西門子公司的PCS7過程控制系統。
5)HART
HART是可尋址遠程傳感器高速通信協議(Highway  Addressable  RemoteTransducer)的縮寫，是用于控制系統與現場智能儀表的一種工業標準通信協議。HART通信協議是由Rosemount公司在1986年制訂出來的，在其后對其進行了修訂和增補，并作為開放系統標準由HART通信基金會向全世界發布。
符合HART通信協議的現場儀表保持了4-20mA標準化信號，同時以數字形式傳輸過程數據和現場儀表數據。屬于模擬系統向數字系統轉變過程中的過渡性產品，因而在當前過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較快的發展。
4.1.3現場總線的發展趨勢
發展現場總線技術己成為工業自動化領域廣為關注的焦點課題，國際上現場總線的研究、開發，使測控系統走上開放發展的征程?？傮w說來，自動化體系與設備將朝著現場總線體系結構的方向前進，這一發展趨勢是肯定的。既然是總線，就要向著趨于開放統一的方向發展，成為大家都遵守的標準規范，但由于這一技術所涉及的應用領域十分廣泛，幾乎覆蓋了所有連續、離散工業領域，如過程自動化、制造加工自動化、樓半自動化、家庭自動化等等。大千世界，眾多領域，需求各異，一個現場總線體系下可能不止容納單一的標準。另外，從以上介紹也可以看出，幾大技術均具有自己的特點，已在不同應用領域形成了自己怕優勢。加上商業利益的驅使，它們都各自正在十分激烈的市場競爭中求得發展。有理由認為:在從現在起的未來幾年內，可能出現幾大總線標準共存，甚至在一個現場總線系統內，幾種總線標準的設備通過路由網關互連實現信息共享的局面。
現場總線技術作為一種全新的技術在全世界蓬勃發展，我國在現場總線的開發和應用方面都緊跟了世界潮流，其發展速度超出預料，可以預見隨著通信、網絡和集成電路技術的發展，現場總線必將吸收先進技術向功能更強、控制更加分散和更加開放的方向發展，必將成為自動化領域控制的主要手段。
4. 2通訊網絡選型
現場總線的通訊是整個工業自動控制最重要的部分，它是溝通監控中心和遠程I/0站或現場儀表的紐帶，是構成整個管理通訊網絡的筋絡。如果不能實現通訊功能，即使網絡中的各個節點與現場總線連接完美無缺，也只能是一個個孤立的點，不能構成真正的，四通八達的網絡。而如果現場總線的通訊無法達到暢行無阻和準確無誤，導致整個系統錯誤百出，陷入癱瘓狀態。因此，現場總線的通訊功能，是整個工業自動控制系統正常運轉的可靠保證。寧波港液體化工區監控系統需采集的數據較多，一方面這些數據采集點分布范圍較廣，數據采集點之間的最遠距離達到了500-600米，另一方面是部分數據采集點位置相對集中。針對這些特點，從可行性和經濟性的角度考慮，寧波港液體化工區監控系統可選擇Siemens Profibus通訊網絡、三菱CC-Link網絡或Omron ControllerLink通訊網絡，下面分別加以論述、比較。
4. 2. 1三菱CC-L i nk網絡
在1996年11月，以三菱電機為主導的多家公司以“多廠家設備環境、高性能、省配線”理念開發、公布和開放了現場總線CC-Link，并第一次正式向市場推出了CC-Link這一全新的多廠商、高性能、省配線的現場網絡。

圖4-1采用三菱CC-Link時的系統結構圖    
CC-Link是Control&amp;amp;Communication Link(控制與通信鏈路系統)的簡稱。即:在工控系統中，可以將控制和信息數據同時以14M飾。高速傳輸的現場網絡。
基于CC-Link網絡的監控系統設計如圖4-1所示:系統采用中控室集中監視，但現場溫度、壓力、流量、液位、可燃氣體等信號的采集采用三菱的遠程I/0模塊實現，通過CC-LINK總線用專用電纜將信息傳送至中控室的PLC，由PLC將信息傳送至上位工業控制計算機。中控室的工業控制計算機(IPC)通過配置一塊普通網卡，就可以接收PLC的數據。中控室的計算機通過網絡互連，這樣使每一臺計算機也能實時固定顯示某個碼頭和罐區的工作情況及實時報警。由于沒有防爆的分布式vo可掛CC-Link網絡，所以在危險區需要采用安全柵形式接口。
4.2.2 Omron Control her-Link網絡
Controller-Link通信系統也稱為控制器網，它是 OMRON將SYAMAC LINK網簡化改進后的一種FA工業自動化網絡，它具有如下特點:
1)通信介質采用雙絞線和光纜
采用光纜型Controller-Link網，能夠獲得大容量的數據鏈接和長距離的通信，通信距離為20km。
2)高速度的數據通信控制器網的通信波特率可達2Mbps
3)大容量的數據鏈接
4)信息通信
信息通信是在用戶程序中執行通信指令SEND, RECV, CMND來實現的。
5)靈活的網絡互連
Controller-Link可以實現同類PLC與PLC之間或PLC與計算機之間的大容量、靈活高效的數據鏈接功能。數據鏈接區域可以是LR, IR, AR及DM與EM區，傳遞的數據容量非常大，其基本原理與Host Link方式一致。使用Controller-Link支持軟件，可以對每一個節點各個設定數據鏈接區域，能向每一節點自由地分配鏈接區域。
每一節點發送區域的尺寸是任意的，僅發送數據或者僅接收數據的節點同樣是可以設定的。更特別的是Controller-Link也可以只接受其它節點的發送區域的一部分的數據。
基于Controller-Link網絡的監控系統計如圖4-2所示:

圖4-2   Controller-Link系統結構示意圖
整個系統是由上位監控計算機和PLC站及子站組成的通訊網絡。其中上位機監視各個物理量(包括液位、溫度、壓力、可燃氣體、流量等)的變化情況，同時應用C200HW-ZW3AT2-EV2 Controller-Link支持軟件向數據鏈接的各個節點發出啟動/停止數據鏈接的命令，完成整個Controller-Link網的通信及控制。主站PLC選用CS1H-CPU42H型號，能同時完成960個點的處理(滿足工程要求)。網絡中每個節點需要安裝相應的通信單元，每個PC上安裝Controller-Link通信單元，上位機在擴展槽上插Controller Link支持卡。PLC站之ICJ采用菊花鏈式Controller-Link網通信，它在波特率為2Mbps時，傳輸距離可達到20km，完全滿足通信距離的要求。該系統PLC主從單元負責各種物理量信號的處理，中控室通過電纜與各臺PLC連接，上位機采用Controller-Link支持軟件C200HW-ZW3AT2-EV2，支持整個ControllerLink網的通信，完成對整個網絡系統的控制。
同樣Controller-Link也不支持防爆分布式工I/O，故也需要增加安全柵。
4. 2. 3 S i emens Prof i bus網絡
Profibus是一個開放的現場總線標準，它即能用于高速實時數據傳輸，也能用于完成復雜的通信任務。Profibus系列由三個兼容的部分組成:    .Prof i bus-DP是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散I/0的通信，可取代0^-20mA / 24 V信號的傳輸。Profibus-DP具有如下特性:
（1)傳輸技術:RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從9.6K bits到12M bit/s。
（2)總線存取:各主站間令牌傳遞，主站與從站間為主一從傳送。支持單主或多主系統?？偩€上最多站點(主一從設備)數為126。
(3)通信:點對點(用戶數據傳送)或廣播(控制指令)。循環主一從用戶數據傳送和非循環主一主數據傳送。
（4)運行模式:運行，清除，停止。
(5)同步:控制指令允許輸入和輸出同步。同步模式:輸出同步;鎖定模式:輸入同步。
（6)功能:DP主站和DP從站間的循環用戶有數據傳送。各DP從站的動態激活和可激活。DP從站組態的檢查。強大的診斷功能，三級診斷診斷信息。輸入或輸出的同步。通過總線給DP從站賦予地址。通過部線對DP主站(DPM 1)進行配置，每DP從站的輸入和輸出數據最大為246字節。
(7)可靠性和保護機制:所有信息的傳輸按海明距離HD= 4進行。DP從站帶看門狗定時器(Watchdog Timer )。對DP從站的輸入/輸出進行存取保護。DP主站上帶可變定時器的用戶數據傳送監視。
(8)設備類型:第二類DP主站(DPM2 )是可進行編程、組態、診斷的設備。第一類DP主站(DPM 1)是中央可編程控制器，如PLC, PC等。DP從站是帶二進制值或模擬量輸入輸出的驅動器、閥門等。
.Prof i bus-PA是專為過程控制自動化設計的，可使傳感器和執行機構接到一根總線上，并具有本質安全規范。Profibus一PA具有如下特性:
（1)適合過程自動化應用的行規使不向廠家生產的現場設備具有互換性。
(2)增加和去除總線站點，即使在本質安全地區也不會影響到其它站。
(3)在過程自動化的Profibus-PA段與制造業自動化的Profibus-DP總線段之
間通過藕合器連接，并且可實現兩段間的透明通信。
(4)使用與IEC1158-2技術相同的雙絞線完成遠程供電和數據傳送。
(5)在潛在的爆炸危險區可使用防爆型“本質安全”或“非本質安全”。
雖然Profibus-PA具有以上優點，但是，如果使用Profibus-PA，則會采用DP到PA擴展的方案。這樣，需選DP / PA禍合器和鏈路，又增加了費用，更重要的是，如果采用了Profibus-PA，則原有的I/O設備都必須更換成具有PA接口的模塊，這樣大大增加了成本，故不宜采用。  令Prof i bus-FMS是面向車間級的監控網絡，它具有令牌結構、實時多主的特點。它在單元一級完成通用目的的通信，強有力的FMS服務能夠提供很強的靈活性和
十分廣泛地應用。
Profibus現場總線的配置應根據實際應用要求確定:
(1)	單主系統:可編程控制器(PLC)或控制器做一級主站，不設監控站，或PC機加PROFIBUS網卡做一級主站兼監控站
(2)	多主系統:由PLC或控制器做一級主站，PC機做監控站，PC機可經網卡直接與Profibus總線連接或經串行口由RS232 / 485與PLC連接。
基于Profibus網絡的監控系統設計如圖4-3所示:

圖4-3   Profibus系統結構示意圖
此方案同樣采用中控室集中監視，但現場溫度、壓力、流量、液位、可燃氣體等信號的采集采用分布式工I/O模塊實現，通過Profibus總線用光纖將信息傳送至中控室的PLC，由PLC將信息傳送至上位工業控制計算機。中控室的工業控制計算機(IPC)通過配置一塊普通網卡，就可以接收PLC的數據。中控室的計算機通過網絡互連，這樣使每一臺計算機也能實時固定顯示某個碼頭和罐區的工作情況及實時報警。這種總線結構、光纖傳輸方式，傳輸速率為lOMb/sa軟件設計中IPC上采用工業組態軟件來設計人機界面、計算、報警等，有系統管理模塊、工藝流程圖仿真顯示模塊、儀表屏仿真顯示模塊、數據庫管理模塊、數據通訊模塊、控制算法模塊等。主要完成對采集的數據進行計算、顯示、分析和存儲，并且可以對整個系統數據進行優化計算、顯示、自動分析、存儲和控制策略的決策。
4. 2. 4小結
1)選用CC-Link和Controller-Link網絡，則放在危險區的工I/O站必須增加安全柵，進行防爆處理。這樣就必須增加安全柵以及其它關聯設備。由于采集點的數量比較大，并且分布范圍也很大，采用CC-Link網絡時必須選用CPU A2SHCPU-S1，其價格較高，對于龐大的罐區改造工程加大了成本，故不予采納。同樣，Controller-Link網絡為了滿足采集量的要求選用的CPU為CS1H-CPU42H，價格也不便宜。
2)考慮到Profibus現場總線的下述情況:
1.該總線協議有為數眾多的廠家支持。
2.該總線協議有為數眾多的成功應用業績。
3.符合該協議的產品種類較其它協議多。
4.協議的開放性較好。
5.國內也有較多的企業在開發符合該協議的相關產品，因此，今后的一些產品可以在國內找到而不必過分依賴國外的產品。
6.該協議在國內設有常駐的技術支持機構(中國機電一體化協會)，可以方便、迅捷地獲得所需的服務。
與CC-Link和Controller-Link相比，Profibus無論從組織的規模還是實際的應用實例等方面講都有一定的優勢。系統開發和維護方便，采用西門子的PLC，其性能可靠，價格適中。而且在防爆方面西門子有對應防爆模塊，許多專用防爆遠程工//0支持DP，因此，寧波港液體化工區監控系統應該選擇Profibus-DP通訊網絡。
綜上所述，寧波港液體化工區監控系統主站與現場防爆工/to站間通訊采用Profibus-DP通訊網絡，它為監控系統提供了高性能的通信，主站周期地讀取現場防爆I/0站的輸入信息并周期地向現場防爆I/0站發送輸出信息。各種控制命令、運行數據、統計數據和參數數據通過兩線式總線電纜傳輸，因為光纖不帶電，采用光傳輸信號，特別適用于易燃、易爆等危險環境，同時光纖不受電磁干擾，安全系數很高，保證了系統通訊的可靠。
4. 3 Prof i bus-DP網絡設計
4. 3. 1 Prof i bus一DP行規
Profibus-DP協議明確規定了用戶數據怎樣在總線各站之間傳遞，但用戶數據的含義是在Profibus行規中具體說明的。另外，行規還具體規定了Profibus -DP如何用于應用領域，使用行規可使不同廠商所生產的不同設備互換使用，而工廠操作人員毋須關心兩者之間的差異，因為與應用有關的參數含義在行規中均作了精確的規定說明。
下面是PROF工BUS-DP行規，括弧中數字是文件編號:
NC/RC行規(3.  052)
編碼器行規(3.  062)
變速傳動行規(3.  071)
操作員控制和過程監視行規(HMI)
4. 3. 2 Prof i bus一DP系統配置
Profibus-DP允許構成單主站或多主站系統。在同一總線上最多可連接126個站點。系統配置的描述包括:站數、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數據格式、診斷信息格式及所使用的總線參數。每個Profibus-DP系統可包括以下三種不同類型設備:
(1)一級DP主站((DPMl):一級DP主站是中央控制器，它在預定的信息周期內與分散的站(如DP從站)交換信息。典型的DPM1如PLC或PCo
(2)二級DP主站(DPM2):二級DP主站是編程器、組態設備或操作面板，在DP系統組態操作時使用，完成系統操作和監視目的。
(3)  DP從站:DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發送的外圍設備(I/0設備、驅動器、I-HMI、閥門等)。
寧波港液體化工區監控系統Profibus-DP通訊網絡應該采用單主站系統，即在總線系統的運行階段，只有一個活動主站，主站與現場防爆工//0站間通訊可采用光纖單環網結構。
按上述設計，網絡路徑正常時，Prof i bus-DP為環形網。若光纖某處斷開，則網絡結構變為總線結構，仍能正常工作。因而提高了網絡傳輸路徑的可靠性。
選用光纖網絡除考慮滿足傳輸距離要求外，還有3點原因:
1)光纖傳輸路徑不會受到電磁干擾的影響，保證信號可靠傳輸;
2)采用光纖可構成環網，提高網絡的可靠性;
3)光纖傳輸速率高，可達12M，因此DP網的傳輸速率僅受DP網中線纜部分的限制。該速率與距離有關，而系統中線纜很短，因而可以保證整個DP網以較高速率運行(>1 .5M )o第五章監控系統的硬件設計
5. 1現場防爆設備
根據有關國家標準，罐區屬于1區(Zone 1)，即爆炸性氣體混合物有可能出現的場所。寧波港液體化工區監控系統所有現場設備的選型均需符合國家關于罐區防爆安全方面的規定:如隔爆熱電阻、防爆壓力變送器、防爆雷達液位計、現場防爆箱、防爆光纖適配器、防爆工//0站、防爆開關電源等?，F場防爆工//0站與中控室上位機的通訊采用Profibus光纖網絡，因為光纖不帶電，采用光傳輸信號，所以它是用于易燃、易爆等危險環境的理想介質，同時光纖不受電磁干擾，安全系數很高，保證了系統通訊的可靠。
現場設備保留了原有的SAAB雷達液位計的一次儀表部分，新增通訊卡件和SAAB現場通訊單元(FCU)，一次儀表以TRL/2總線方式輸入SAAB防爆現場通訊單元(FCU)}FCU將信號轉換成RS485信號，所有罐液位信號經臺灣研華公司的Adam 4520轉換成RS232信號直接輸入液位專用微機。該專用微機通過以太網與客戶監控站相連，實現數據共享。
另外增加了對儲罐中液位進行高位報警的浮球開關;測量儲罐溫度的PT100熱電阻，儲罐、碼頭泊位的每個閥均設置了指示閥位開關狀態的回訊開關:新增檢測可燃氣體濃度的可燃氣體報警儀，用于測量罐區及碼頭泊位的可燃氣體濃度。
根據國家關于《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范GB50058-92》的相關規
定，劃分防爆區域和等級。
根據第2.3.5條的規定，只要保證與罐的空間距離大于3m;即可采用非防爆產品;根據第2.3.4條的規定，原油罐區泵房、鍋爐房、碼頭泵房、空壓機房等，處于“易燃物質重于空氣、釋放源在封閉建筑物內通風不良且為第二級釋放源的生產裝置區”，屬于I區。內設產品采用防爆產品;根據第2.3.2條的規定，碼頭泊位等處，處于“易燃物質重于空氣、通風良好且為第二級釋放源的主要生產裝置區”，在高度低于7.5m的區域，屬于二區。內設產品應采用防爆區。
由此可見，在距離儲罐3m以上或在其周圍防火墻以外的區域屬非防爆區，而在儲罐及碼頭設置的遠程I/0站應采用防爆措施。5. 2遠程I /o從站的設計因為新型遠程I/O的應用是本課題一個非常重要的內容，所以對于究竟選用哪一家的產品應做詳細的論證。
5. 2. 1防爆遠程I/0站的選擇
經過從產品的結構，電源的配置，通訊網關的配置，I/O模塊的性能等方面對幾家主要遠程I/O供貨商之產品的對比(見表5-I)，我認為德國CEAG公司的產品是性能價格比最好的，且CEAG是德國專門開發、生產現場防爆I/O站及防爆設備的廠家，它的產品取得一系列防爆認證，完全能夠滿足國家的防爆標準，并且能夠與中控室西門子PLC主機進行無縫數據通訊。因此，寧波港液體化工區監控系統應該選擇該公司的產表5-1幾家主要遠程I/O供貨商之產品的對比

德國CEAG公司的防爆遠程I/0產品采用底板插卡式設計，結構靈活，增減十分簡單方便，能夠應用于各種易爆危險場合。從圖5-1可以看出，防爆遠程I/0站由底板、電源模塊、通訊模塊、各種工//0模塊所組成，每個遠程I/0系統最多能增加一塊擴展I/0底板用以插入更多的I/0模塊。其底板含22個工//0插槽，擴展底板含24個I/0插槽，分別可以安裝2/1個電源模塊，2/1個通訊模塊和22/24個不同的I/0模塊。220VAC可直接接入遠程I/0，由于德國CEAG公司的防爆遠程I/0站的底板式設計，使得現場可以實時插拔通訊卡件、電源卡件及工/0卡件，無需切斷電源或動火許可，且更換工//0卡件后無需對其進行軟件上的重新組態，非常方便以后的日常維護工作。通訊模塊有支持不同協議的幾種產品，本系統應選取支持PROFIBUS協議的通訊模塊。I/0模塊有處理開關量輸入和輸出、模擬量輸入和輸出以及溫度輸入信號的不同產品。
圖5-1  CEAG防爆遠程I/0產品結構圖
系統的工作原理為:現場的各類儀表通過電線電纜與防爆遠程I/0站的工//0模塊點對點地連接，信號進入系統后即被工//0模塊轉換為數字信號，再經過系統內部總線(位于母板內部)傳送到通訊模塊，然后由通訊模塊經母板上的總線接口將信號傳送到上一層的PROFIBUS總線上去。最后經總線到達控制系統(PLC)。而由控制系統發出的信號則經過相反的路徑進行傳輸。整個防爆遠程I/0站的供電由系統底板上連接的電源模塊(電源模塊由simens)提供，電源模塊的電源由外部的220VAC電經增安型的接線端子供給。
下面分析一下該產品是如何做到防爆的。CEAG防爆遠程I/0站是通過增安、澆封和本質安全三種方法的綜合運用來達到防爆目的。首先，通過增安保護形式的接線端子與外部電源相連，而內部的電源模塊和底板則是應用澆封的方法來防爆的，這兩種防爆方法對能量是沒有限制的，這就保證了系統能向各I/O模塊提供充足的電能。I/0模塊是通過本質安全的方法滿足防爆要求的，即底板分配給I/0模塊每一路的電能都被限制在本質安全防爆方法所允許的范圍之內，這樣就保證了所連接的現場設備的安全。而上述的三種方法都被允許在危險現場(1區)使用，因此該產品可以被直接安裝危險現場無需附加另外的防爆措施。
5. 2. 2防爆遠程I/O站的設計
寧波港液體化工區監控系統按照儲罐、泊位的地理分布將整個罐區、泊位分為七個區域，每個區域設立一個防爆遠程I/O站，七個防爆遠程I/O站之間通過單環光纖網連接在一起，從而實現了通訊線路的暢通，確保了系統的高可靠性。各個區域監控方式以及防爆遠程I/0站基本相同，下面，只對一個區域防爆遠程I/O站的設計舉例說明，其余各個區域只要在編程給予安排好地址即可?，F以2#區域舉例說明。
每個防爆遠程I/0站容量(即點數)的選擇參照工業控制系統點數選擇經驗公式，見公式5-1:
Pi=E([ Pn/Tn ] + 1)XTn…………………(5-1)
其中:Pi一第I個防爆遠程I/0站的總點數
Pn一第n種監控類型的監測點數，
Tn -1塊第n種類型工//0模塊的點數
2#區域包含三罐區3個儲罐和16#泊位I個碼頭泊位。本課題中每個儲罐一般需要有如下的監控信號:罐體溫度信號(RTD, 3個);出料泵壓力信號(AI,  1個);可燃氣體濃度信號(AI, 1個);液位高位報警信號(DI, 1個);閥門回訊信號(DI,個):出料泵狀態信號(DO,  1個);出料泵啟動、停止信號(DO, 2個)。碼頭泊位一般需要監控的信號為:系統管線壓力(AI,  10個);連通管線壓力(AI, 11個);可燃氣體濃度信號(AI, 3個):系統閥門回訊信號(DI, 20個):聯通管線閥門回訊信號(DI, 22個)。
這樣，可以得到2#區域的I/O統計，以及模塊的配置情況。如表5-2所示。表5-2   2#區域I/O點統計
┌───────┬───────────────────┐
│拼            │    2區I/O基站                        │
│              │三罐區，16#泊位                       │
│              ├────┬────┬────┬────┤
│              │監控點數│IO模塊  │配置點數│剩余點數│
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│開關量輸入DI  │66      │8點x9塊 │72      │6       │
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│模擬量輸入AI  │30      │4點X8塊 │32      │2       │
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│熱電阻輸入RTD │9       │4點X3塊 │12      │3       │
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│繼電器輸出DO  │6       │8點X1塊 │8       │2       │
├───────┼────┼────┼────┼────┤
│小計          │111     │21塊    │124     │13      │
└───────┴────┴────┴────┴────┘
根據該區域I/O點數，設計2#區域的CEAG防爆遠程Il0站，詳見圖5-2 0

圖5-2   2#區域I/O站配置
5. 3 PLC控制站的設計
PLC控制站一方面通過單環光纖網采集各防爆遠程I/O站的各儲罐、碼頭泊位的各種實時參數(溫度、壓力、可燃氣體濃度)，經處理后通過以太網送入系統監控層的SCADA數據服務器，另一方面，根據實時參數，判斷是否存在危險狀況，采取及時報警措施和啟動消防系統，快速對儲罐進行冷卻水噴淋和泡沫液滅火。
PLC的選擇首先要根據輸出輸入的點數，再加上10%的余量，然后根據PLC輸出端所帶的負載是直流型的還是交流型的來確定所采用的輸出方式，以確保系統的穩定運行.再根據系統的大小來確定PLC的存儲容量。
在選擇PLC的品牌時，考慮到罐區屬于爆炸危險環境這一實際工況，因此，只對一些國外的產品進行了比較。目前，國外的PLC在國內市場上主要分為歐美和日本兩大陣營。其中歐美的產品主要以SIEMENS, OMRON, AB, GE FANUC為代表;日本的產品主要以OMRON, MITSUBISHI等產品為代表。在性能要求較高的場合或者說在高端產品的競爭上，SIEMENS和AB的產品占有很大的優勢;中低端產品的競爭十分的激烈，各廠家都有各自的特點，其中OMRON的產品市場占有率較高。由于該系統己經選擇了SIEMENS公司的PROFIBUS-DP，在支持PROFIBUS的PLC當中，首選的應是SIEMENS公司的產品，因為SIEMENS公司一直是PROFIBUS現場總線技術的領導者和最大的支持者，而且該公司的產品在國內有很多的成功應用實例。
SIEMENS公司的S7系列PLC產品目前分為S7-200,57-300和57-400三個性能從低到高的系列?？紤]到寧波港液體化工區監控系統的實際情況及今后的擴展要求，系統應該選擇便于進行冗余設計且有光纖接口模塊的S7-400系列產品。
西門子SIMATIC S7-400是用于中高檔性能范圍的可編程序控制器。模塊化無風扇的設計，堅固耐用，容易擴展和廣泛的通訊能力，容易實現的分布式結構以及用戶友好的操作使SIMATIC S7-400成為中、高檔性能控制領域中首選的理想解決方案。
SIMATIC S7-40。作為一種通用控制器由于有很高的電磁兼容性和抗沖擊、耐振動性能，因而能最大限度的滿足各種工業標準，其應用領域包括:通用機械工程，汽車工業，立體倉庫，機床與工具，過程控制，控制技術與儀表，紡織機械，包裝機械，控制設備制造，專用機械。
57-400自動化系統采用模塊化設計。它所具有的模板的擴展和配置功能使其能夠按照每個不同的需求靈活組合。一個系統包括:電源模板將SIMATIC S7-400連接到120/230 VAC或24VDC電源上。中央處理單元(CPU)有多種CPU可供用戶選擇，有些帶有內置的PROFIBUS-DP接口，用于各種性能范圍。一個中央控制器可包括多個CPU，以加強其性能。各種信號模板(SM)用于數字量輸入和輸出(DI/DO)以及模擬量的輸入和輸出(AI/AO)。通訊模板(CP)用于總線連接和點到點的連接。功能模板(FM):
專門用于計數、定位、凸輪控制等任務。
如果用戶需要57-400還可以擴展:最多21個擴展單元(EU)21個擴展單元(EU)都可以連接到中央控制器(CC)。通過接口模板(( IM)連接:中央控制器CC和擴展單元EU通過發送IM和接收IM連接。中央控制器(CC)可插入最多6個發送IM,每個EU可容納1個接收IM。每個發送IM有2個接口，每個接口都能連接一條擴展線路。集中式擴展:這種擴展方式適用于小型配置或控制柜直接在機器上的場合。每個發送IM接口可支持4個EU，如有必要，還可同時提供SV電源。中央控制器和最后一個EU的最大距離是I .5m(帶SV電源):3m(不帶SV電源)。用EU進行分布式擴展:這種方式適用于分布范圍廣，并在一個地方有幾個EU的場合。發送IM的每個接口最多可支持4個EU。可以使用57-400EU，或SIMATIC S5 EU 。Siemens公司S7-400系列PLC共有7種不同的CPUo CPU412-1是廉價的，用于I/0數量有限的較小系統，帶有PROFIBUS-DP通訊口:CPU412-2是適用于中等性能范圍的應用，它帶有2個PROFIBUS-DP通訊口。CPU414-2, 3是適用于中等性能范圍中有較高要求的場合，它們滿足對程序規模和指令處理速度的更高要求。集成的PROFIBUS-DP接口，使它們能夠作為主站直接連接到 PROFIBUS-DP現場總線。CPU416-2, 416-3是功能強大的CPU，它們具有集成的PROFIBUS-DP接口，使它們能夠作為主站直接連接到PROFIBUS-DP現場總線。CPU417-4是功能最強大的CPU，它具有集成的PROFIBUS-DP接口，使它能夠作為主站直接連接到PROFIBUS-DP現場總線。根據寧波港液體化工區監控系統的實際情況及今后的擴展要求，系統應該選擇CPU412-10
PLC控制站包括一個PS407-10A電源模塊，一個CP443-1以太網通訊模塊，一個IM467 FO光纖接口模塊。CP443-1以太網通訊模塊與上位計算機SCADA數據服務器連接，實現數據上傳功能。IM467 FO光纖接口模塊與遠程vo的通訊口((CEAG的LB8103)相連，構成控制站與現場I/O裝置的通訊。這種連接采用的是PROFIBUS-DP協議(Process Fieldbus-Decentralised Peripherals )，控制命令、運行數據、統計數據和參數數據均通過兩線式總線電纜傳輸，提供了高性能的通信，而且光鏈路模塊使得數據傳輸將通過塑料或玻璃纖維光纜予以實現。因為光纖不帶電，采用光傳輸信號，所以它是用于易燃、易爆等危險環境的理想介質，同時光纖不受電磁干擾，安全系數很高，保證了系統通訊的可靠。
5. 4監控層的設計
根據系統的控制要求，監控層按照圖5-3的形式配置。
監控層由工程師站、數據服務器(與監控現場交互信息的SCADA服務器)、監控客戶站、能夠向Internet提供信息服務的WEB服務器等若干上位機組成。
監控層除了起到人一機界面的作用外，還通過通信網絡獲取現場數據，對各儲罐、碼頭泊位及管道壓力進行監控，存儲狀態參數、歷史數據和故障檢測的結果等重要數據，打印輸出各種報表等的作用，是系統功能對外體現的重要窗口。

圖5-3計算機監控系統監控層結構示意圖
由于系統采用了監控層與PLC控制站分開的結構形式，因此監控層計算機的性能及可靠性的壓力就大為減輕了。目前選擇監控層計算機的習慣做法是選用工業用的PC(外型結構等類似于商用PC)而不是通常意義的工控機。在眾多品牌的工業用PC中，DELL計算機的市場占有率較高，因此我們選擇了DELL的工業用PC作為監控層工程師站、監控客戶站、WEB服務器。DELL計算機型號的確定主要考慮了下面幾個問題:1)必須為工業用主流機型;2)其它的主要性能指標留有適當余量以便于今后的擴展。根據上述考慮我們選擇了OPTIPLEX系列的DELL工業用PC。其主要指標為:CPU: P4;主頻:2. 2G;內存:256MDDR;硬盤:80G;光驅:48倍速;網卡:10/100M。為了使監控畫面看得清晰，系統配置了PHILPS 21寸純平彩色顯示器。
為了保證在一臺計算機出現死機或其它故障時系統仍可借助于另一臺計算機進行正常的工作，系統配備了兩臺計算機作為監控客戶站，以提高系統的可靠程度。
由于SCADA數據服務器起到與可編程控制器(PLC)交互現場信息的重要作用，故應選擇性能及可靠性均較高的工業用控制計算機，在目前國內市場眾多品牌的工控機中，臺灣研華產品具有良好的性價比，且主板上有與PLC控制站通信的接口卡的插槽;所以選用研華工控機作為SCADA數據服務器，其配置為:底板:PCA-6186; CPU : P4 2. 4G,內存:512MDDR，硬盤: 1206;光驅:52倍速，網卡:10/100M。
為了在監控層各計算機之間實現快速數據交換，選用COREGA公司的10/100M以太網交換機，將監控層各站點計算機用以太網連接。
為了實現報表的打印，系統應配置一臺網絡的激光打印機。另外，配置了兩個音箱用于報警的語音提示，并在主機箱中配備了聲卡。
計算機的系統軟件采取了穩定性很高的WINDOWS 2000，其它裝載在操作站中軟件的情況將在系統軟件部分進行論述。
總之，系統監控層的配置有如下特點:
1.雙冗余結構，確保了系統操作的可靠性:
2.采用當今流行的工業用PC，節省了硬件成本;
3.大屏幕顯示，使操作更加方便;
4.多媒體的人機交互，界面十分友好。

第六章結論
寧波港液體化工區是我國最大的進口液化品中轉基地，其罐區原有的監控系統采用一些常規儀表進行現場監控，罐區內的大部分現場儀表使用時間較長，型號繁多，功能不一，測量誤差偏大，部分儀表己不能正常工作。罐區、管道及碼頭的過程數據由操作人員定時巡檢記錄，人工匯總分析，自動化程度低且容易產生錯誤，降低了數據采集的實時性、集中性。把整個作業系統改造成為計算機監控系統，對化工區在該公司管理的所有罐區、碼頭進行監控，對工藝管線、碼頭泊位進行流程顯示及監測。
主要任務是如何設計出一套適合于寧波港化工區實際的、先進的、高效的、功能齊全的、經濟性好的監控系統，為鎮海港埠有限公司正在實施的“化工區監控系統”技改項目提供詳細的設計依據和指導。
通過對DCS, FCS和遠程I/0的特點分析，在盡量采用原有現場設備(溫度傳感器、壓力傳感器等)的情況下，對數據采集系統進行了硬件設計，解決了現場總線系統在化工區這個特定環境的應用問題。因此，本報告具有較大的實際價值。

寧波安生信息科技有限公司
2007-4-18

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