PCC—2005系列可编程自动化控制器在食用油罐区监控管理系统中的应用

0 引言

东海粮油工业（张家港）有限公司（以下简称东海粮油）是由两家世界500强企业——中国粮油食品 （集团）有限公司、美国ADM公司与新加坡KENSPOT公司联合，共同投资兴建的大型企业。它是着名的“福临门”系列食用油的主要生产基地之一，也是全球最大的综合粮油食品加工基地之一。为了配合国家食用油战略储备计划的实施，东海粮油在原有一、二号罐区的基础上，新建了三号和四号罐区，并还将陆续增建其它罐区，形成庞大的食用油战略储备基地。所有新建罐区的监控系统目前均采用贝加莱工业自动化提供的成熟产品——可编程自动化控制器PCC—2005系列作为其现场数据采集及控制站。

1 监控系统的结构

1.1 系统硬件构成

如图1所示，该系统的数据通讯网络包括两层主干通讯网络——上层的管理网（工业以太网）和中层的控制网（高可靠性的冗余光纤环网）以及底层的现场总线。管理网与控制网通过光纤环网的光纤交换机和工业以太网的电气交换机连接。光纤交换机是一种高速的网络传输中继设备，它较普通交换机而言采用了光纤电缆作为传输介质。光纤传输的优点是速度快、抗干扰能力强。它的特点就是采用传输速率较高的光纤通道与服务器网络，或者SAN网络内部组件的连接，这样，整个存储网络就具有非常宽的带宽，为高性能的数据存储提供了保障。而在这种SAN存储网络中，起着关键作用的就是我们常常听到的光纤交换机（FC Switch，也有称“光纤通道交换机”和“SAN交换机”的）了。因为这属于一种新型的设备，而且与我们平常所见的、用到的以太网交换机有太多的区别（主要体现在协议的支持上），所以许多读者，甚至是已经用上SAN存储网络的企业用户都对SAN交换机一知半解。若按功能划分，则该系统可分为数据采集与控制级（I级）和监视管理级（II级）。

I级系统以多台贝加莱的PCC为核心，包括各现场PCC站、中控室监控计算机和码头监控系统等设备。各PCC均挂接于控制网（冗余光纤环网）上，它们与各自的远程扩展装置分别通过POWERLINK、PROFIBUS-DP和CAN等现场总线实现数据交换。CAN是控制器局域网络（Controller Area Network, CAN）的简称，是由研发和生产汽车电子产品着称的德国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准（ISO118?8）。是国际上应用最广泛的现场总线之一。 近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

II级系统则以系统的数据服务器为核心，包括两台工作站和多台Web客户机和局域网客户机。它们均通过数据交换机接入工业以太网以实现数据资源共享。工业以太网是基于IEEE 802.3 （Ethernet）的强大的区域和单元网络。利用工业以太网，SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。 企业内部互联网（Intranet），外部互联网（Extranet），以及国际互联网（Internet） 提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100M波特率快速以太网（Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u 的标准）也已成功运行多年。采用何种性能的以太网取决于用户的需要。通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。

1.2 主干通讯网络的分布式体系和冗余环网结构

整个罐区的通讯网络采用基于TCP/IP协议以及Server/Client配置方式的分布式体系结构，支持实时数据共享和分布式数据库，易于扩展采用以太网和TCP/IP协议构建的通讯网络平台，并通过标准OPC协议实现数据服务器与各PCC之间的数据交换。能实现从底层到最上层的无缝连接和实时、高速的数据传输。

为了确保整个网络系统的安全性和可靠性，采取了以下措施：

（1）在主干通讯网络上使用冗余的光纤和电气交换机，确保了整个通讯网络的可靠性。

（2）在数据交换技术上采用接点带宽控制、围栏技术和流量有序控制技术，使数据在传输过程中碰撞和堵塞的几率大大降低。

（3）网络传输介质采用冗余环行光纤回路，若发生任意一处光纤介质的损坏，这样就确保了整个数据通讯链路不会由于局部损伤而导致中断。

1.3 实时数据库软件与标准OPC协议

OPC（OLE for Process Control, 用于过程控制的OLE）是一个工业标准，管理这个标准国际组织是OPC基金会，OPC基金会现有会员已超过220家。遍布全球，包括世界上所有主要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统的公司。 基于微软的OLE（现在的Active X）、COM （部件对象模型）和DCOM （分布式部件对象模型）技术。OPC包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统。在数据服务器中装入实时数据库软件，通过标准的OPC协议采集贝加莱PCC的实时数据，以PCC作为OPC server，实时数据库软件作为OPC client。数据服务器将采集的数据直接以web 的形式提供给局域网上的各用户，各客户端能利用标准的IE浏览器进行数据浏览和分析等操作。实时数据库用来存放原始数据和修正后的数据，来自该系统中各生产过程PCC分站的采集数据和手工录入数据以及修正后的数据，均应保存在实时数据库中。数据服务器软件应对各种、各种类型的数据进行合理组织，以标准化的数据结构存储于实时数据库中，既应保证数据的完整性和一致性，也应方便数据的查询和应用。

图1 罐区监控系统的硬件结构

2监控管理系统的主要功能及其特点

食用油罐区进、销、存数据采集、监控、管理系统，是集成了网络信息管理技术而设计开发的针对不同应用场合的油品储运计算机监控管理系统，它通过信息的集成和网络化管理实现了对油品进、销、存的自动化监控和管理。在整个自动化监控管理系统中，贝加莱PCC产品的许多功能和优势都得到很好的发挥。

2.1高精度实时测量模块的应用

罐内油的工艺参数测量包括液位、温度、压力、密度、流量、净油量等的实时数据和趋势曲线。雷达液位计发射能量很低的极短的微波脉冲通过天线系统发射并接收。雷达波以光速运行。运行时间可以通过电子部件被转换成物位信号。一种特殊的时间延伸方法可以确保极短时间内稳定和精确的测量。即使工况比较复杂的情况下，存在虚假回波，用最新的微处理技术和调试软件也可以准确的分析出物位的回波。由于雷达液位计的测量精度可达1mm，普通模拟量输入模块的精度不够，所以选用了贝加莱的AI780高精度模块，其分辨率可达16bit，而且该模块的供电方式灵活，可节省硬件成本。

针对流量计检测信号的特点，选用了贝加莱DI450高速计数模块，准确地获得了流量测量数据。

2.2 PCC的超大内存容量和强大的计算功能

这是贝加莱PCC产品的优势所在。对于计算每个罐体内油品的重量，过去常用的方法是通过PLC采集各相关参数，上位计算机再根据罐容表进行查询，并利用相关公式进行计算。由于整个罐区内共有数百个罐体，仅罐容表（数据）就有厚厚一打书，电脑查询和计算一遍所需的时间很长，经常造成计算机死机。该系统采用在PCC中开辟内存，把罐容表中的各项数据直接写入PCC的FIXROM中，根据实际检测到的液位参数，使用动态指针直接查询罐容表，再按照有关公式即可立即计算出油品重量，上位计算机只需实时显示即可。

2.3 方便、灵活的I/O扩展方式

整个罐区（1#~4#）的PCC均采用了扩展I/O配置方式。如比较常用的远程I/O扩展方式，以及贝加莱致力推广的POWERLINK总线扩展方式。

（1）远程I/O扩展方式：最大距离为1200m，扩展站的数目最多可达31个远程从站，传送速率在100k~2M Band之间，成本低廉，结构简单，通过屏蔽双绞线即可连接。

（2）ETHERNET POWERLINK总线扩展方式 （采用B&R的快速以太网协议），完全建立在标准快速以太网上，因此它完全符合标准以太网的拓扑结构和物理特性。它的传输速率最高为100Mbps，使用带RJ45插头的标准双绞线电缆（超五类电缆）连接。

2.4 强大的通讯功能

（1）PROFIBUS-DP主要用于自动化系统的主控设备与分散的I/O和控制装置之间的数据通信。PROFIBUS–DP用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态。诊断和报警处理。 它能实现控制底层的较高速度的数据传输，主站周期地读取从站的信息并向从站发送信息。码头监控系统的PCC通过PROFIBUS—DP现场总线与和六套托利多的称量仪表进行通讯，实时采集每次称量的重量和累计重量，并进行称量值的实时趋势分析，以控制管道阀门的开闭和油泵的启停。

（2）通过RS485串口进行数据通讯。在PCC站中配置RS485通讯卡，它与布勒打包称的称重终端进行点对点通讯，实现数据采集。

（3）UDP /TCP协议。UDP和TCP协议的主要区别是两者在如何实现信息的可靠传递方面有所不同。TCP协议中包含了专门的传递保证机制，当数据接收方收到发送方传来的信息时，会自动地向发送方发出确认信息，发送方只有在接收到该确认信息后才能继续传送其它信息，否则将一直等待直到收到确认信息为止。如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据报文的丢失，协议本身并不能做出任何检测或提示。因此，通常人们把UDP协议称为不可靠的传输协议。

在整个罐区监控系统中的1#~4#罐区子系统，它们既是各自独立又是互为连锁的，为此，各套PCC站的CPU之间需要通过冗余光纤环网保持双向数据通讯。

2.5 丰富的罐区动态功能画面

为了给该系统的操作和管理人员提供便于监视和操作的人机界面，该系统设计并组态了数十幅动态功能画面，其中某些主要画面示例如下：

图2 油罐区画面

图3 油泵房画面

图4 油罐区阀门画面

图5 装车台画面

图6 罐容表操作画面

图7 进出油操作管理画面

2.6 其它功能

（1）当发生罐或管道泄露、油位超限、水位超限、可燃气体超标等异常状况时，发出声光报警信号。

（2）该系统集成了各种控制功能，如油罐进/出油操作与液位之间的联锁、泵与阀门的联锁控制和报警系统等。

（3）配备了开放型接口，可以与现有的及最新的各种罐区测量系统连接，并可利用标准网

络技术扩展系统 。

（4）可进行油罐库存历史数据查询，并显示其历史趋势曲线，还可根据历史数据完成各种

统计和计算，如历史库存量、进出油量等。

（5）可实现油站进货管理、库存管理、销售管理和客户管理。

（6）利用网络技术可进行远程访问，对数据访问者有登录权限管理，保证了系统的信息安

全和可靠。

3 结束语

运行实践表明，以贝加莱PCC—2005系列可编程自动化控制器为主构建的东海粮油食用油罐区监控管理系统，具有全开放、可靠性高、安全性好、计算速度快、通讯功能强大和监视操作画面丰富等优点，全面达到了设计指标，完全满足了食用油罐区监控管理的工艺要求。