1、西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 毕业设计（论文）任务书 题 目 储油罐液位控制的监控软件系统设计 学生姓名 学号 专业班级 设 计（ 论文） 内 容 及 基 本 要 求 1.立式储罐直径： 17m，储罐高： 9m，存储介质：轻质油，罐内压力： 0.1013MPa，最大输入流量： 5 m2/h。 2.学习研究液位控制系统的基本原理和应用。研究学习储油罐控制系统。 3. 学习现代工业组态软件的应用。 4. 设计系统的上位机监控软件，实现储罐的单罐液位的监控。液位控制精度 1%。 5.软件设计中适当考虑仿真培训内容。 6.完成相关资料检索和 开题报告。 7.完成论文的写作和 15000 字符
2、以上的英文资料翻译。 设计（论文）起止时间 2014 年 2 月 24 日 至 2013 年 6 月 13 日 设计（论文）地点 自动化教研室 指导教师签名 年 月 日 系（教研室）主任签名 年 月 日 学生签名 年 月 日 西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 储油罐液位控制的监控软件系统 设计 摘 要： 利用 组态王开发 的 监控 软件 系统 ， 是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成 的 集成系统取代 了 传统的封闭式系统。 组态王监控软件系统在石油化工生产中 起着非常重要的作用。 本文 针对生产过程中的储油罐液位 ，设计开发了基于组态王的 上位机 监控 软件
3、系统。该系统 利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态，对系统进行实时 的 操作 和监控， 在 整个原油液位控制过程中不需要下位机。 储油罐液位监控软件系统实现上位机 直接 控制， 使用 组态王软件设计人机对话界面， 完成上下限参数的在线设置， 通过在 组太王 工程浏览器中的命令语言编辑对话框里 输入 控制 程序， 并且 经过不断地调试运行， 实现计算机 在线 自动监控 。 在实际的原油生产中，该监控软件系统必须和外部硬件设备连接， 通过 RS232/485通讯电缆 进行 计算机与现场设备之间的数据交换 ，从而 实现了对过程控制装置液位的实时数据采集 和 实时 控制 。 通过分析 储
4、油罐 液位监控 软件 系统的设计要求， 文章 详细 阐述了该系统的 设计 方法和制作流程 ，并进行了 模拟 仿真 运行 ， 最终达到了液位 自动监控 。本次 设计 的 重点是 组态画面的建立以及 命令语言程序的编写，只有 准确地完成这两个方面，才能有效地实现液位的 自动控制功能。 仿真测试结果表明：该系统满足 了 设计 需求 ，能够按照给定值进行储油罐液位的实时自动监控 ，具有良好的 稳定性。 关键词 ： 监控 ； 组态王 ； 液位 西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） The design of Tank level control monitoring software system A
5、bstract: The monitoring software system developed by the Kingview is a new type of industrial automatic control system, which is an integrated system having standard industrial computer software and hardware platform. It has replaced the traditional closed system. The monitoring software based on th
6、e Kingview plays a very important role in the petrochemical industry. In this paper, aiming at the tank level in the production process, the PC monitoring software system based on the kingview has been designed and developed. The system implement the PC interface configuration using the Kingview pro
7、duced by Bejing Asia control company. It can complete the real-time operation and monitoring of the system. The oil level control in the whole process does not require the the next crew. The tank level monitoring software system achives the direct control of the host computer. It completes the on-li
8、ne set of the upper and lower parameters using the interactive interface designed by the Kingview. By importing the control program in the command language editing dialog of the engineering browser of the Kingview, continuously commissioning and operationing, the system can come true the computer on
9、-line automatic monitoring. In the actual production of the crude oil, the monitoring software system must be connected to the external hardware equipment. Exchanging the data between the computer and the field devices via RS232 / 485 communication cable, the system can achive the real-time data acq
10、uisition and control of the level of the process control devices. By analyzing the design requirements of the monitoring software system of the tank level, the article elaborated the system design methods and production processes. After the simulation of the system runned, it ultimately reached the
11、liquid level automatic monitoring. The emphasis of the design is to buid the configuration screen and write a command language program, only these two aspects were completed, the system could effectively achieve the automatic control function of the level. The simulation results show that: the syste
12、m meets the design requirements. It is also able to complete real-time automatic monitoring of the tank level with the given values. The system has a good stability. Keywords: monitoring; Kingview; level 西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 目 录 1 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.3 课题研究的目的 . 5 1.4 课题研究的内容
13、. 5 1.5 课题研究的准备工作 . 6 2 液位监控系统的整体分析 . 7 2.1 位式控制简介 . 7 2.1.1 位式控制的概念 . 7 2.1.2 位式控制与 PID 控制的区别 . 7 2.2 液位监控系统的结构分析 . 8 2.3 液位监控系统的控制方案 . 8 2.3.1 控制方案的选择 . 8 2.3.2 控制方案的基本原理 . 8 2.4 液位控制系统的程序设计 . 9 3 液位监控系统的硬件选型 . 11 3.1 液位传感器 . 11 3.2 数据采集卡 . 12 3.3 监控主机 . 12 3.4 继电器 . 13 3.5 电磁阀 . 14 3.6 电源 . 14 3.
14、7 放大电路 . 15 4 液位监控系统的软件设计 . 16 4.1 组态软件的介绍 . 16 4.1.1 组态软件的概念和产生的背景 . 16 4.1.2 组态软件的特点和功能 . 16 4.1.3 组态软件现状和使用组态软件的步骤 . 17 4.1.3.1 组态软件的现状 . 17 4.1.3.2 使用组态软件的一般步骤 . 17 4.2 KingviewV6.55 概述 . 18 4.2.1 工程管理器 . 18 4.2.2 工程浏览器 . 19 4.2.3 画面运行系统 . 19 4.3 组态王监控软件系统的设计 . 19 4.3.1 系统设计任务与要求 . 19 4.3.2 工程的建
15、立 . 19 4.2.1 定义外部设备和变量 . 22 4.2.1.1 定义外部设备 . 22 4.2.1.2 定义变量 . 22 4.2.2 画面制作 . 26 4.2.2.1 主画面的制作 . 26 西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 4.2.2.2 历史曲线画面的制作 . 30 4.2.2.3 数据报表画面的制作 . 31 4.2.3 动画连接 . 32 4.2.3.1 主画面的连接 . 33 4.2.3.2 历史曲线画面的连接 . 39 4.2.3.3 数据报表画面的连接 . 41 5 系统运行测试 . 44 5.1 硬件连接和通讯 . 44 5.2 上位机仿真运行 . 44 5.
16、2.1 主画面的运行 . 45 5.2.1.1 自动上升过程 . 45 5.2.1.2 自动下降过程 . 45 5.2.1.3 手动操作过程 . 45 5.2.2 历史曲线画面的运行 . 45 5.2.3 数据报表画面的运行 . 46 6 设计结果与分析 . 52 6.1 设计结果 . 52 6.2 设计分析 . 52 7 结论 . 54 参考文献 . 55 致 谢 . 错误 !未定义书签。 西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 1 1 绪论 1.1 课题研究 的 背景及意义 我国石油资源丰富，采 油炼油企业众多，储油罐是储存油品的重要设备，储油罐液位的精确计量对生产厂库存管理及经济运行影响
17、很大。但国内许多反应罐、大型储油罐的液位计量仍采用人工检尺和分析化验的方法，其他参数的测定也没有实行实时动态测量，这样 极 易引发安全事故，无法为生产操作和管理决策提 供准确的依据。 每天工作人员 必须 花费很多时间和工作量去测量油罐中的油品液位，这种方法存在 着 一系列的问题，如 测量精度受环境和人员因素影响很大、管理者劳动强度大、工作效率低、 无法实现全天候计 量、 安全 保障性差、存在较严重的环境污染问题等。再加上油品本身 易燃易爆的性 质和其组成部分会对人体 造成伤害， 因此在工作过程中存在很大的安全隐患。 储油罐液位控制技术 其实是在很大程度上削减了这种隐患，给工作带来了更多的便捷与
18、信心。 采用计算机自动 控制 技术，实时监测储油罐液位、 流量、压力 等参数，可以方便了解生产状况，及时监视、控制容器液位及温度等，保障安全平稳生产。 同时这 种液位控制 系统，不仅大大增强了 控制 的精度，降低了客观和主观因素所带来的误差， 而且 还减轻了工作人员的工作任务以及化简了繁琐的工作量。 工业生产中， 综合运用计算机、 PLC（西门子）、智能仪表、远程 I/O 模块、 变频调速器、智能流量调节阀、压力、流量、液位传感器等 可以 对 石油工业生产中的储油罐液位进行控制。 使用 MCGS 组态软件和 STEP7-Micro/WIN 软件，编制 计算机自动控制系统人机界面和 PLC 的驱
19、动，采集 控制对象的状态，将各控制数据通过人机界面系统输出， 可以方便操作者进行观测和控制。也可以按照工业现场的要求来实现实时 在线控制、及一些监控过程中数据的改变及数据曲线的记录。 经过设计，所得到的 计算机监控系统稳定、可靠 、效果好，不仅 可以 进行远程控制，而且具有 界面友好、参数在线整定方便等优点。 本次毕业设计针对反应罐 、大型储油罐液位实时动态测量的需要，将探讨 储油罐液位 监控系统的设计方法，着重阐述监控软件 系统的设计方案、系统功能和实现方法。利用自动监控系统可实现对储油罐进行连续液位、流量的监控，提高系统的管理水平，保障其安全运行。 通过以上环节的训练， 可以 提高学生对自
20、动化监 控软件系统的设计与调试能力，使学生加强对监控软件系统的深化理解，从而能够应用通用版及嵌入版 MCGS 组态软件进行简单的项目设计和仿真运行。 本次设计也是一次将理论运用于实际的综合应用，将为学生日后进入工作岗位奠西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 2 定坚实的基础。 1.2 国内外 研究 现状 随 着电子计算机技术和其他高 新 技术的发展， 自动控制技术获得了惊人的成就，已在工业和国民经济各行各业中起着关键作用。自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。 自动控制技术 也 是 21世纪发展最快、影响最大的技术之一。 迄今为止，在石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等
21、 各个领域，都离不开自动控制技术。 事实上，自动控制技术 就 是控制论技术 的 实际 应用，是通过具有一定控制功能的自动控制系统来完成某种控制任务 的 ， 它能够 保证某个过程按照 期望的那样顺利 进行 。 在现代化工业生产过程中，自动 控制技术在 实现各种最优的技术经 济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。 而液位是现代工业测量过程中的一个重要参数，人们对流体液位的测量 具有悠久的历史。 液位控制一般指对某一液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度，液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域内都有着广泛的应用。尤其是 在
22、石油石化行业， 对油区储油罐液位的测量与实时监控更是现代自动控制技术应用的重要标志。 液位控制系统主要有模拟式和数字式两种。目前液位测量主要是对储油罐中油品的液位、体积和重量等参数进行直接或间 接测量。早期液位测量大多采用机械原理，近年来随着电子技术的应用 ,逐步向机电一体化方向发展，并且发展了许多新的测量原理，在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构上和功能上都有很大提高。目前我国的储油罐液位测量技术还比较落后，储油罐液位测量方法存在较多的问题和弊端，有的虽安装了自动化测量系统，但测量精度普遍不高。若从国外进口高精度液位仪，价格又太高。因此，分析当前国内外储油罐液位测量技术现状与发展趋势
23、，并在此基础上研究出适合我国国情的液位测量技术就显得非常重要。目前国内外在液位测量方面采用的技术和产品很多， 传统的液位传感器按其采用的测量技术及使用方法分类已多达十余种。 液位控制系统实验装置最初的研发与生产是由德国 Amira 自动化公司完成的，由于当时该实验装置的价格太高，在国内只有少数高校引进了此设备，如哈尔滨工业大学，吉林大学、浙江大学等。现阶段伴随着我国科学技术水平和经济水平的不断提高，国内许多企业也能够自主生产该实验装置，如杭州言实公司研制的 HDU3000-1型、河北德瑞特公司研制的 RTGK-2型、深圳固高公司研制的 GTW 型等， 它们的特点如下 （ 1） 主要配件均采用工
24、业级过程控制元件，保证系统最高的质 量和可靠性。 （ 2） 实验 研究的理想平台，可以方便地构成模拟实际生产系统中的液位系统。 （ 3） 通过液位传感器对液位进行精确检测，得到实际水位的变化，方便地获西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 3 得瞬态响应指标，直观反映出控制器的控制效果，准确判断控制性能。 当前，常见的液位控制 方法 多数采用凭人工经验进行的参数整定 P、 PI、 PID 或串级控制策略。针对结构简单的液位系统，此种参数整定的方法还能达到预期的效果，一旦被控的液位对象结构复杂、自身机理特殊、各变量间关联耦合严重，常规的参数整定方法在便捷性和稳定性上就无从谈起。针对这种存在着非线
25、性、 大滞后、结构复杂等诸多不确定因素的液位控制系统，国内许多高校和科研单位研究提出了一些优化的控制方案和有效的控制算法。 中南大学的邓秋连等提出了采用 RBF-ARX 模型对水箱液位系统进行离线动态特性建模的研究。着重讨论了 RBF-ARX 模型结构的选取、模型参数辨识、 RBF 参数优化等问题。 BF-ARX 模型与 ARX 模型的进一步预测输出比较的结果证实了 BF-ARX 模型在非线性系统建模中的优越性。 吉林大学的高兴泉等提出了采用一种基于非线性静态反馈的解耦方法进行水箱液位系统控制，当系统满足一定条件时，可以寻找到一个输出与 等效新输入之间的线性微分方程关系，然后再选择合适的状态反
26、馈形式即可使该非线性系统解耦。经解耦，水箱液位控制系统就可以分解为两个相互独立的单输入单输出线性子系统，对每个子系统可采用 PI控制，从而解决了系统的非线性。 内蒙古科技大学的崔桂梅等采用模糊 -神经网络解耦控制技术，实现了对水箱液位系统的解耦以及液位控制。模糊 -神经网络解耦技术结合了模糊控制鲁棒性好和神经网络对不确定对象有显著控制效果的特点，具有直接从输入输出数据中提取模糊规则的能力。 内蒙古工业大学的韩梅等提出了采用基于 T-S 模型的模糊 PID 控制策略， 这种策略根据液位变化，通过适用度加权产生 PD 控制参数，可实现参数的平稳度过。有利于改善系统性能。 大连海事大学的孙红英等提出
27、了设计一种参数自整定模糊 PID 控制器，可以实现PID 参数的调整，使控制系统的响应速度快，超调量减少，过渡过程时间大大缩短，振荡次数减少，具有较强的鲁棒性和稳定性。 广西大学的梁颖杏等提出了用 BP 网络辨识水箱液位控制系统的方法。采用并联型辨识结构，训练网络采用 Levenberg-Marquardt 算法和 BFGS 拟牛顿算法，利用MATLAB 软件平台，实现比较训练仿真，结果表明，采用 LM 算法 和 BFGS 拟牛顿算法能较好的辨识水箱液位系统。 储油罐液位控制系统 除了以上硬件装置和控制算法 之外，最重要的就是它的监控软件系统。 自动监控 软件 系统是利用计算机技术对生产过程进
28、行集中监视、操作、管理、控制的一种控制技术，实现整个过程的自动监控和管理可以极大地提高企业自动化水平、降低生产成本、增加经济效益。 先进的监控软件系统对于储油罐运营的正常进行非常重要，一个自动化程度高，功能完善的监控系统可以极大地提高工作效率，西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 4 保证油库运营安全、可靠的运行。通过现场变送器，可对目标储油罐的液位进行实时控制管理，监控软件系统能 够实现对油罐液位、流量、压力以及环境参数进行远程实时监测、控制、报警、故障诊断和排除功能，它贴合实际情况，并且在实用性、可靠性、技术 的先进性和 经济性等 多个 方面都有着许多创新。 组态软件是指一些数据采集与过
29、程控制的专用软件，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法。它们通常有着强大的界面显示组态功能和良好的开放性功能。组态软件产品大约在 20 世纪 80年代中期在国外出现，在中国也有近 10 年的历史。 监控软件系统利用组态王工控组态软件设计， 它能充分利用 Windows 图形编辑功能 方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。该软件把每一台下位机看作是一台外部设备，在编程过程中根据“设备配置向导”的提示一步步完成连接功能。在运行期间，组
30、态王通过驱动程序和 外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据 /指令。 监控组态软件最早出现时， HMI（ Human Machine Interface， HMI）或 MMI（ Man Machine Interface， MMI）是其主要的内涵，即主 要解决人机图像界面问题。随着它的迅速发展，实时数据库、 SCADA、通信及网络、开放数据接口、对 I/O 设备的广泛支持已经成为它的主要内容。随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容，功能 也 将越来越强 。 在国内，工 控组态软件已经得到了蓬勃的发展，技术以趋于成熟并已经成为工业自动化系统的 重要 组成部分，即“基本单元”或“基本
31、元件”。作为自动化通用软件，监控组态软件始终处于“承上启下”的地位。它的控制品质及数据采集的实时性都可以很好的达到预期目标。正因如此，监控组态软件几乎已经应用于所有的工业信息化项目中了。 在一个自动化监控系统中，投入运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心，远程监控中心和数据转发中心，处 于运行状态的监控组态软件与各种控制检测设备（如 PLC、智能仪表、二次仪表等）共同构成 了 快速响应控制中心。控制方案和算法一般在设备上组态并运行，也可以在 PC 上组态，然后下载到设备中运行 。 监控组态软件的发展 一直呈现多元化，然而 据近几年调查显示，国内市场仍被几家组态软件占据，如 InTouch、
32、 FIX 等。这些软件在功能完备性、产品包装、市场推广等方面都具一定 的 优势，但并非尽善尽美。国际上较知名的监控组态软件有 ： 美 国Wonderware 公司的 InTouch； AB 公司的 RSView32； Intellution 公司的 FIX；澳大利亚 CIT 公司的 Citech 等。国内几家 产品也值得一提，诸如北京亚控的组态王；北京三维力控科技的 ForceControl；北京华富惠通的开物 2000；湖南视拓科技的CoreView。以上这些产品上市至今已经很多年了，但都以自身具有的某些特性占据 着自己的市场。在组态软件赖以普及发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面西
33、安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 5 的，但制造业的发展带来了对组态软件需求的提升 ， 也决定了组态软件将 由过去单纯的组态 监控功能，向着更高 、 更广的层面 不断 发展。 在国外， 许多国际组织 MIMOSA、 SMFPT 、 COMADEM 等，也纷纷通过监控组态软件进行设备监控、 故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标准。许多大公司也在他们的产品中加入了 互联网 功能， 如 Bentley 公司的计算机在线设备运行监测系统 DataManager200 可以通过网络动态数据交换的方式向远程终端发送设备运行状态信息；著名的 National Instruments公
34、司也在它的产品 LabWindows/CVI以及 LabVIEW 中加入了网络通讯处 理模块，因而可以通过 WWW、 FTP、 E2mail 方式在网络范围内进行监控数据的传送。法国 ALARM 研究 小 组对 工业 生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行了应用 。 总之 ，国内外 液位控制 系统都处于快速发展阶段，其前景也是非常可观的，相信在未来自动化过程控制中， 液位控制系统的 精度将越来越高，其 功能也将更加的丰富和强大。 1.3 课题研究 的目的 通过本次储油罐液位监控软件系统研究与设计，应该达到以下目的： （ 1） 熟悉并 掌握组态 软件 的使用方法 ； （
35、2） 掌握了解过程控制理论 的 基础知识； （ 3） 培养 自 主 查询 资料、 搜 索信息 、 动手实践 的 能力与 团队协作 精神。 1.4 课题研究的 内容 已知立式储罐直径为 17m，储罐高 9m，存储介质为轻质油，罐内压力保持为0.1013MPa，且最大输入流量是 5 m2/h。 本次研究 需要 通过应用组态软件设计相应的储油罐液位监控软件系统， 实现上位机直接控制 。 储油罐监控软件系统必须将现场实时液位值呈现在上位机画面上， 包括数据形式和曲线形式，通过设定的液位值，计算机可以自动地实现控制阀门的 自由 开关，最终将原油液位保持在这个值上，且无稳态误 差，除此之外，当原油液位达到上下 限时，上位机也可以迅速报警，报告给 工作人员。 当工作人员想要改变原油液位时，只需要在上位机监控画面给定值对话框 中输入另一个数字量 ，上位机就可以在最短的时间内将储油罐的实际液位调整至新的给定值，整个操作过程简单快捷，不需要人为操作现场设备，大大提高了工作效率。 在此研究期间， 必须完成以下 任务 ： （ 1） 学习研究液位控制系统的基本原理和应用。研究学习储油罐控制系统； （ 2） 学习现代工业组态软件的应用； （ 3） 设计系统的上位机监控软件，实现储罐的单罐液位的监控。液位控制精
