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基于S7-300PLC的油庫計算機監控系統設計

添加時間:2021/08/16 來源:未知 作者:樂楓
在油庫工藝生產過程中,為實現對廠區供油管道內流量的恒定控制,本文根據管道內流量控制對象的特性,提出了基于 BP 神經網絡 PID 的控制策略,并通過 MATLAB 仿真對比實驗,驗證了基于 BP 神經網絡 PID 算法的優越性和可靠性。
以下為本篇論文正文:

  摘 要

  油庫是儲存油料的基地,油庫系統的穩定性和高效性直接影響著整個產業的工藝生產和經濟效益。因此,設計一個安全高效的油庫監控系統,對于提高油庫生產效率和提升系統自動化監管水平是極其重要的。

  本課題以西安市某油庫為研究對象,按照廠家要求和油庫工藝特點確定了控制需求,設計了基于西門子 S7-300 PLC 和 PROFINET 與 PROFIBUS-DP 總線相結合的計算機監控系統設計方案。在確定總體方案的基礎上,進行了系統硬件部分設計和軟件部分設計,硬件部分采用了 IPC+PLC+ET200M 分站的架構形式,并對 PLC 模塊和現場硬件設備進行了選型。軟件部分采用 KingView 6.55 設計上位監控計算機程序,運用 STEP 7 V5.6 完 成 PLC 控制程序編寫,使用 WinCC Flexible 2008 完成觸摸屏程序設計。

  在油庫工藝生產過程中,為實現對廠區供油管道內流量的恒定控制,本文根據管道內流量控制對象的特性,提出了基于 BP 神經網絡 PID 的控制策略,并通過 MATLAB 仿真對比實驗,驗證了基于 BP 神經網絡 PID 算法的優越性和可靠性。

  實際應用表明,本文設計的基于 S7-300 PLC 的油庫監控系統穩定性高、可靠性強、控制效果顯著,可以滿足該油庫監控自動化的需求。

  關鍵詞:油庫 S7-300 PLC BP 神經網絡 PID 控制 監控系統

Abstract

  Oil depot is the base for storing oil. The stability and efficiency of oil depot system directly affect the process production and economic benefits of the whole industry. Therefore, it is very important to design a safe and efficient oil depot monitoring system to improve the production efficiency of oil depot and improve the level of automatic supervision of the system.

  This paper takes an oil depot in Xi'an as the research object, determines the control requirements according to the manufacturer's requirements and the process characteristics of the oil depot, and designs the design scheme of computer monitoring system based on Siemens S7-300 PLC and the combination of PROFINET and PROFIBUS-DP bus. On the basis of determining the overall scheme, the hardware part and software part of the system are designed. The hardware part adopts the architecture form of IPC + PLC + et200m substation, and the PLC module and field hardware equipment are selected. In the software part, Kingview 6.55 is used to design the upper monitoring computer program, step 7 V5.6 is used to complete the PLC control program, and WinCC flexible 2008 is used to complete the touch screen program design.

  In the process of oil depot production, in order to realize the constant control of the flow in the oil supply pipeline in the plant area, according to the characteristics of the flow control object in the pipeline, this paper puts forward the control strategy based on BP neural network PID, and verifies the superiority and reliability of the PID algorithm based on BP neural network through MATLAB simulation and comparative experiment.

  The practical application shows that the oil depot monitoring system based on S7-300 PLC designed in this paper has high stability, strong reliability and remarkable control effect, which can meet the needs of the oil depot monitoring automation.

  Key words: oil depot S7-300 PLC BP neural network PID control monitoring system

目 錄

  第一章 緒論

  1.1 課題研究背景

  近幾年,隨著我國現代化的發展,油產品的生產速度與成品油的消耗速度遠不能形成正比,因此,高效管控油產品的運作,提高油產品的生產效率,提升油產品儲運的安全性,減少安全事故的發生就顯得至關重要[1].油庫作為存儲成品油的倉庫,目前在管理控制方面,還有很多問題存在,例如油庫占地面積大導致難以管理、油庫工藝流程繁瑣、油庫監控系統遲滯、油罐數量繁多等,這些都會致使油庫出現安全問題進而影響其運轉效率,如果不對這些潛在的安全隱患問題予以重視并實施有效的解決方案,一旦發生安全事故,小到油庫個體,大到整個社會,可能都會因此遭受無法彌補的損失。

  油庫通常坐落在遠離城市中心的邊沿區域,這就增加了油庫系統控制管理的難度,目前油庫監控系統存在的問題主要分為以下幾方面:

 。1)系統管理效率低油庫占地面積大,一般分布在空曠的城市邊緣且人跡罕至的區域,這些區域工作環境惡劣,各個站點之間距離遠,現有的控制系統并不能完全實現油庫自動化管理,大部分還是依靠人工去管理控制油庫,這就會導致油庫控制系統出現控制結果實時性低、控制不到位、油產品生產效率低等問題[2]. (2)系統安全性低油庫是油品存儲的基地,而油料的特性是易燃性和易爆性,油庫中油品的工藝流程操作復雜并且危險性極高,現有的油庫控制系統工藝生產安全性低,存在工藝生產過程無法實時監控、故障報警不及時、工藝參數檢測不準確等安全性問題,容易引發安全事故[3].(3)信息化管理質量低油庫現有的信息管理系統存儲容量有限,數據查詢效率低,功能設計不靈活,數據更新速度較慢,系統容易崩潰并且不方便后續升級和擴展,對于油庫的業務發展需求難以長期滿足,從而影響油庫的生產效率[4].

  如今,在工業現代化和智能化的推動下,油庫控制系統的自動化和現代化發展也刻不容緩,在油庫系統的管控中加入智能控制技術、數據庫技術和現代通信技術等,設計一套智能的、高效的油庫系統可以提高系統發送指令的及時性和準確性、數據采集的高效性、檢測效果的實時性、故障預警的快速性,進而為整個油庫的生產工藝、工作人員以及指揮調度保駕護航[5].

  綜上,為了提高油庫控制系統的生產作業效率,預防油庫發生安全事故,設計一套穩定、安全、控制效果優良的油庫監控系統是極其重要的。

  1.2 課題研究現狀

  1.2.1 國外研究現狀

  如今,石油企業現代化的重要標志之一是油產品儲運的自動化水平。在油庫管控系統方面,國外對油庫系統自動化研究時間較早且一直深入貫徹實施工業自動化,并將自動化應用到油庫的工業生產過程、數據的采集管理以及智能設備等各個領域中,技術也相對嫻熟。如今很多發達國家,例如美國、加拿大、日本以及很多歐洲國家,通常都采用同樣的自動化管理建設標準來對不同規模的油庫進行設計,現在已經實現了油庫的收/發油實時控制、工藝運行與設備管理實時監測、數據信息實時共享的管控一體化建設[6].

  日本鹿島煉油廠的建設是石油行業自動化發展領域中極為經典的一個案例,它通過為油廠設計一個自動化系統來實現油廠的自動管控,在該自動化監控系統中,操作人員可以在控制室內來監測油品的工藝流程、工藝參數、故障點等,還可以對油品的進銷情況進行存儲與查詢,不僅提高了系統的生產效率,還減輕了工作人員的工作強度[7].在工業自動化控制領域,國外的一些廠家例如霍尼韋爾、橫河、西門子等公司具有先驅地位,例如霍尼韋爾公司設計的油庫自動化系統,就曾經被來自各國的六十多家石化倉儲公司引進并投入使用,其中就包括著名的殼牌(Shell Group of Companies)、馬石油(Petronas)、印度石油(IOCL)等公司,通過引進自動控制技術,這些企業不僅提高了油品儲運期間的安全性,還使其運營和管理成本降低,運作效率提高[8].

  油庫監控系統的建設基礎通常是由 DCS 集散控制系統(Distributed Control Systems)、PLC 可編程邏輯控制器系統(Programmable Logic Controller)、SCADA 數據采集與監控系統(Supervisory Control And Data Acquisition)這三個系統為基礎組成的[9].

  DCS 屬于分散式控制系統,它擁有可靠性高、控制算法多、容易和其他軟件兼容配合使用等優點,經過這些年不斷地更新改進,它的使用范圍越來越廣[10].在現代工業控制系統中,集散控制系統是較為常用的一種控制系統。目前,它的控制功能在不斷發展、信息的采集和處理越來越迅速精確、控制系統的穩定性也在逐步提高,但是它也存在控制成本較高,不同的通信協議會影響彼此間的信息交互,數字控制方面功能較弱等問題。

  PLC 是一種通用的工業控制裝置,它的功能豐富,控制效果好,可信賴度高,便于操作人員開發、維護,在不同的工業生產現場,可以選擇不同規模的產品來實現相應的控制需求。西門子的 PLC 憑借著控制成本低,控制性能好的優勢,在工業自動化控制領域的使用率遙遙領先,其中 S7-300 系列的 PLC 控制器性能價格比高,適應性強,被普遍地應用在各行各業[11].

  SCADA系統主要由兩個部分組成,即分布式數據采集系統和數據顯示與處理系統,它是以計算機網絡通訊技術和工業自動化技術為基礎的自動化監控系統,可以實時監測工藝設備的運行狀況,并對工藝生產中的數據信息進行實時采集和分析處理,在電力、交通、石油、化工等領域被廣泛應用[12].SCADA 系統在目前的發展與使用中具有一定的脆弱性,使用時要加強對其網絡安全的風險評估,進而提高系統的穩定性[13].

  隨著計算機技術和工業自動化技術不斷向控制領域滲透,從產品生產到工藝控制再到企業管理,控制自動化和管理智能化已經逐漸涵蓋了石化企業的各個方面,而 PLC 控制系統在油庫中的廣泛應用,更是極大地推動了油庫管控一體化發展。

  1.2.2 國內研究現狀

  全國很多城市都分布有油庫,油庫系統的控制難度大,操作危險性高,容易引發安全事故。經分析與研究發現,國內油庫自動化控制系統存在以下弊端:油庫的發油控制系統、收油控制系統、數據管理系統、監測系統等各個區域之間無法實現信息實時共享;油庫系統設計不靈活且功能單一,不方便系統的后續升級和擴展;油庫控制系統無法實時監測工藝設備的運行狀況、檢測工藝參數和故障報警等[14].如今智能控制技術、計算機技術、工業自動化技術、數據庫技術等正在蓬勃發展,將其應用到油庫控制系統中,設計一套安全可靠的油庫監控系統,該系統可以實現油庫的工藝流程實時操控、工藝參數實時采集、故障報警實時提示以及數據報表存儲等功能,對油庫的信息化建設發展和自動化管理水平的提高具有重大意義[15].

  從人工監控到普通儀表監控系統再到如今的計算機監控系統,國內油庫控制系統打破了原有的監控管理模式,結合了互聯網通訊技術、計算機技術等不斷地發展和改進。

  傳統的油庫監控系統主要是由工作人員通過巡檢對系統進行控制,這就導致工作人員無法實時獲取庫區的數據信息和處理報警事件,控制結果會有延時和誤差,控制的準確性也會大大降低;常規儀表監控在人工控制的基礎上更進一步,相比人工監控系統,儀表監控通過儀表檢測設備對現場各種控制參數進行數據采集處理,很大程度地提高了控制系統的精確性;計算機監控系統是近些年應用較為廣泛的一種控制系統,它由計算機技術和自動化儀表組成,功能強大,和普通儀表控制相比,它的控制性能更好,控制精度更高,穩定性更強。

  在油庫監控系統的發展歷程中,很多研究學者提出了大量關于油庫系統的控制策略,并為油庫設計了監控系統,較為典型的有以下這些:

  1)厲罡等研究人員通過為勝利油田孤島原油庫設計了一套自動化 DCS 控制系統,并應用了相關自動化儀表,完成了勝利油田孤島原油庫的自動化升級改造,不僅保障了油庫的安全運行,提高了設備的運轉效率,同時也提高了油庫的數字化水平,實現了其科學管理[16].但是 DCS 控制系統在運轉過程中,易受外界因素干擾,從而導致整個系統不穩定,所以在使用 DCS 控制系統時,需要對該系統抗干擾性進行分析研究。

  2)河南大學電工學院設計了一套基于無線通信的 DCS 油庫監控系統,解決了因油庫占地面積廣,油罐分布散,導致信號在傳輸時過程中受到干擾等難題,在山西、安徽等地的大型油庫被廣泛應用,提高了油庫控制系統的自動化水平[17]. 3)中石化洛陽工程的研究人員陳月蘭等,針對該地油庫罐區的現場監控管理水平,基于采集控制層和監控計量層,提出并設計了 SCADA 控制系統解決方案,實踐表明設計的油庫控制系統有效地改善了該油庫罐區的監管水平,同時該系統在投入使用時,需要加強 SCADA 系統的安全性[18]. 4)甘霖、孟彭云等研究人員為長慶油田設計了一套 SCADA 系統,由于先前長慶油田管理采用的是站控系統,該系統運行起來有著易受外界干擾、控制不集中、數據維護困難等缺點,通過設計并投入使用了 SCADA 系統,較好地解決了上述弊端[19]. 5)芮晶磊、徐斌等學者提出了將西門子冗余 PLC 控制系統應用到油庫系統的發油作業中,將常規油庫中使用油泵控制系統啟停的系統替換成 PLC 控制系統,提高了油庫發油作業的效率,確保了系統的恒壓供油[20]. 6)車秀波、陳曦等技術人員針對山東某油庫罐區的控制系統需求,設計了基于 PLC和組態軟件的油庫計算機監控系統,并采用上位監控計算機雙機冗余和 PLC 軟冗余方案,PLC 控制系統功能強大,性能價格比高,方便維護,自投入使用來,大幅度提高了該石油公司的生產效率和自動化管理程度[21].

  在油庫自動化監控系統設計方面,國內和國外的設計思路大體相同,通常都是以 PLC為控制核心而設計的。PLC 系統具有組態靈活、維修方便、性能價格比高等優點,應用在油庫控制領域,可以有效地提高油庫系統整體的監管效率。

  綜上,本次油庫計算機監控系統基于西門子 S7-300 PLC 核心控制器進行設計,通過該設計來實現油庫工藝流程的實時顯示和控制、工業參數的實時監測、生產數據的實時處理等功能。相比其他控制系統,西門子 S7-300 PLC 控制性能好,功能強大,方便工作人員維護,而且性能價格比高,提高了油庫日常生產的安全性和高效性[22].控制系統總線結構采用 PROFINET 和 PROFIBUS-DP 相結合的模式,提高了系統整體的響應速度,采用上位監控計算機雙機冗余的控制方式對工業現場進行控制,極大地提升了系統整體監控管理的效率和質量,提高了油庫工業自動化生產水平。

  1.3 課題研究意義

  任何國家的經濟發展都離不開石油資源,而油庫是儲存這些資源的一個基地。油庫地域分布廣、油罐數量多、油產品危險性高,屬于重大工業危險源之一。如今現代工業化在不斷發展,工業生產的安全性和高效性對于企業至關重要,通過本次設計的可靠性強且自動化程度高的監控系統來對油庫進行監控和管理,提高了油庫系統成品油的生產效率,避免了油庫安全事故的發生。

  本課題依托于陜西省西安市某地區的 501 油庫,針對 501 成品油庫的控制需求,設計了基于 S7-300 PLC 的油庫計算機監控系統,該系統可以實時檢測油庫中油料的液位、流量、溫度、壓力等直接影響到整個控制系統的安全性和穩定性的工藝參數,提高了該油庫日常生產的安全性和高效性。其中對油產品液位的實時監測避免了因油罐內油料的液位超出上限閾值而溢出,或者因油料的液位低于下限閾值而無法泵出油液等事故的發生;對供油廠區管道內流量進行實時檢測,不僅方便了操作人員對進出油料的流量進行統計,還可以實時監測并控制供油管道內的流量;對油產品溫度的實時監測避免了因某種油產品的溫度驟然升高而引起爆炸等安全事故的發生;對油罐內壓力的實時監測避免了因罐內壓力產生失穩現象而引發安全事故的發生。此外,該計算機監控系統還具備了實時響應功能和數據存檔等功能,實時響應功能確保了當發生工業事故時,系統可以第一時間發現故障并進行連鎖操作,將損失和危險降到最低;數據存檔和記錄功能則方便了工作人進行歷史記錄的查詢和分析。

  本次設計的油庫計算機監控系統,可以實時地對分布在 501 油庫不同區域的成品油進行工藝流程控制、數據采集處理、故障預警、信息傳遞等,有效地提升了整個油庫控制系統的監控實時性、工藝安全性、系統可靠性和穩定性[23].

  1.4 論文研究內容

  本文分析了當前國內外油庫監控系統的現狀,針對西安市某油庫,根據工業現場的實際生產狀況和控制需求,設計了一套安全高效、穩定可靠的油庫自動化管理控制系統,論文的主要研究內容分章節完成。

  第一章,緒論。分析油庫監控系統的研究背景,研究國內外油庫監控系統的發展過程和發展現狀,對本次課題的研究意義進行闡述和論證。

  第二章,油庫計算機監控系統總體方案設計。分析油庫工程概況,研究油庫生產工藝流程原理,細化控制系統需求,設計油庫監控系統整體架構,確定油庫計算機監控系統的總體方案,在此基礎上,確定系統的硬件方案和軟件方案。

  第三章,油庫計算機監控系統硬件設計。確定 PLC 型號以及與控制需求適配的相關功能模塊,采用合適的上位監控計算機和檢測傳感器設備,完成油庫系統的硬件架構設計,完成控制系統硬件接線設計和監控系統控制柜設計。

  第四章,油庫系統控制策略研究。分析 PID 算法和 BP 神經網絡算法的基本原理,設計基于 BP 神經網絡的 PID 控制器,使用 MATLAB/Simulink 仿真軟件對系統進行仿真,驗證了基于 BP 神經網絡 PID 控制算法的正確性,實現了油庫廠區供油管道內流量的恒定控制。

  第五章,油庫計算機監控系統軟件設計。軟件設計主要由上位監控計算機軟件設計、PLC 控制程序設計、觸摸屏程序設計組成,采用的軟件分別是 KingView 6.55 組態軟件、STEP 7 V5.6 編程軟件、WinCC Flexible 2008 觸摸屏編程軟件。其中上位監控計算機軟件設計主要包括軟件配置以及相關實時畫面設計;PLC 程序設計包括對主程序、子程序的設計以及硬件組態設計;觸摸屏程序設計包括現場監控畫面、參數設置以及報警畫面設計等。

  第六章,結論和展望。對油庫計算機監控系統設計進行總結,并指出本次設計的不足之處。

  第二章 油庫計算機監控系統總體方案設計

  2.1 油庫項目介紹

  2.1.1 油庫簡介

  2.1.2 工藝流程原理

  2.2 油庫監控系統需求分析

  2.2.1 油庫監控系統建設需求分析

  2.2.2 監控系統變量分析與統計

  2.3 油庫監控系統總體設計方案

  2.3.1 油庫監控系統設計依據

  2.3.2 油庫監控系統總體架構

  2.4 本章小結

  第三章 油庫監控系統硬件設計

  3.1 油庫監控系統硬件架構

  3.2 監控系統硬件選型

  3.2.1 上位監控計算機選型

  3.2.2 PLC 選型

  3.2.3 傳感器選型

  3.2.4 觸摸屏選型

  3.3 控制系統硬件接線設計

  3.4 監控系統控制柜設計

  3.5 本章小結

  第四章 油庫系統控制策略研究

  4.1 油庫供油系統控制策略分析

  4.2 BP 神經網絡 PID 控制器設計

  4.2.1 PID 控制器設計

  4.2.2 BP 神經網絡設計

  4.2.3 BP 神經網絡 PID 控制系統結構

  4.3 系統仿真

  4.3.1 流量控制系統建模

  4.3.2 控制系統仿真及結果分析

  4.3.3 MATLAB 與組態王通訊方法

  4.4 本章小結

  第五章 油庫監控系統軟件設計

  5.1 上位監控計算機軟件設計

  5.1.1 組態軟件配置

  5.1.2 登陸界面設計

  5.1.3 主畫面設計

  5.1.4 實時參數畫面設計

  5.1.5 實時曲線畫面設計

  5.1.6 實時報警畫面設計

  5.1.7 實時報表畫面設計

  5.2 PLC 程序設計

  5.2.1 硬件組態與通訊設置

  5.2.2 PLC 主程序設計

  5.2.3 PLC 子程序設計

  5.3 觸摸屏程序設計

  5.4 控制系統調試

  5.5 本章小結

第六章 結論與展望

  6.1 結論

  本文將 501 油庫中各類成品油的工藝參數作為研究對象,通過對國內外油庫研究現狀分析研究,確定采用基于 S7-300 PLC 的控制系統,實現了油庫中成品油工藝參數的實時監測和控制,其中 CPU 和現場檢測設備的數據信息傳遞是通過 PROFINET 和PROFIBUS-DP 結合的總線結構進行傳送的。在此基礎上,為了優化系統,采用了基于BP 神經網絡 PID 的供油管道內流量控制算法,實現了流量的準確快速控制。本次設計的結論如下:

  1)在油庫監控系統中,設計了 BP 神經網絡 PID 控制器,實現了供油管道內流量的恒定控制,提高了系統的穩態性和動態性能,減小了系統超調量,縮短了系統的調節時間。

  2)采用西門子 S7-300 PLC 作為 501 油庫控制系統的下位控制核心,自投入使用以來,提高了 501 油庫油產品的生產效率,減少了事故發生的頻率,從根本上提升了油庫的自動化生產水平。

  3)采用 KingView 6.55 作為上位監控核心的控制系統,能實時監測油庫的工藝生產流程和各種參數的變化,當油罐的溫度、液位等超出限定值時,能及時進行故障報警,并對報警數據進行存儲,方便后續查詢,大幅度提高了 501 油庫系統的安全性和穩定性。

  本次設計的創新點是在 501 油庫計算機監控系統中,采用基于 BP 神經網絡 PID 的控制算法,設計了 BP 神經網絡 PID 控制器,實現了 501 油庫供油廠區管道內流量的恒定控制。

  6.2 展望

  本次設計將整個油庫的實際情況作為設計依據,選用了基于 S7-300 PLC 的油庫控制系統方案,為 501 油庫設計了計算機監控系統,實現了總體工況和工藝流程的實時監測和控制,提高了系統的安全性和穩定性,同時還實現了廠區供油管道流量的恒定控制,但是設計中還存在一些不足的地方:

  1)在 501 油庫供油廠區管道流量控制時引入了基于 BP 神經網絡 PID 的控制算法,并設計了 BP 神經網絡 PID 控制器然后將其應用到油庫計算機監控系統的設計中,實驗證明,其控制效果相較于常規 PID 更為優良,但是并沒有深入研究其他更高級的控制算法,如果加入更高級的控制算法,可能控制效果會更顯著,同時對優化整體系統以及提高流量控制精度具有更重要的意義。

  2)廠區供油管道流量受到影響因素很多,可是當前控制技術有限,在仿真時,對流量控制系統模型選取建立的過程中,簡化了一些控制參數,對不同控制參數之間的耦合問題考慮也不周,這可能會導致在實際工業生產過程中存在一定的偏差。

致謝

  研究生的三年時光,如白駒過隙,轉瞬即逝,可是在這三年里值得銘記一生的感動卻如高山大川,延綿不絕。

  我最想感謝的是我的導師,徐竟天老師。三年的研究生時光里,徐老師即是我學術上的導師,也是我生活中的朋友。徐老師在科研方面嚴謹認真,一絲不茍,在我做畢業設計給予我細心的指導和不懈的支持;在生活方面,徐老師是一個至純至善的好老師,他會與我們分享生活中的趣事,也會在人生大事的關鍵時刻提點我們,給我們寶貴的建議。研究生階段遇到徐老師這樣亦師亦友的老師,真是我最大的幸運。除了徐老師之外,我也想感謝我們實驗室的小伙伴喬丹,以及其他同窗好友和師兄妹,感謝你們在我生活科研上方方面面對我的幫助,讓我在輕松愉快的氛圍中學習進步,也感謝我的室友對我生活上的照顧與幫助,讓我雖在異鄉也能感受到家庭般的溫情。

  此外感謝我的家人,是他們的辛苦與努力,讓我沒有后顧之憂,努力科研;是他們對我的關愛、鼓勵以及理解,讓我在求學路上不斷努力奮進。

  最后,感謝各位老師和評審專家在百忙之中對我的論文進行評審,謝謝老師們。

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