基于S7-300PLC的油库计算机监控系统设计

　　摘 要

　　油库是储存油料的基地，油库系统的稳定性和高效性直接影响着整个产业的工艺生产和经济效益。因此，设计一个安全高效的油库监控系统，对于提高油库生产效率和提升系统自动化监管水平是极其重要的。

　　本课题以西安市某油库为研究对象，按照厂家要求和油库工艺特点确定了控制需求，设计了基于西门子 S7-300 PLC 和 PROFINET 与 PROFIBUS-DP 总线相结合的计算机监控系统设计方案。在确定总体方案的基础上，进行了系统硬件部分设计和软件部分设计，硬件部分采用了 IPC+PLC+ET200M 分站的架构形式，并对 PLC 模块和现场硬件设备进行了选型。软件部分采用 KingView 6.55 设计上位监控计算机程序，运用 STEP 7 V5.6 完 成 PLC 控制程序编写，使用 WinCC Flexible 2008 完成触摸屏程序设计。

　　在油库工艺生产过程中，为实现对厂区供油管道内流量的恒定控制，本文根据管道内流量控制对象的特性，提出了基于 BP 神经网络 PID 的控制策略，并通过 MATLAB 仿真对比实验，验证了基于 BP 神经网络 PID 算法的优越性和可靠性。

　　实际应用表明，本文设计的基于 S7-300 PLC 的油库监控系统稳定性高、可靠性强、控制效果显着，可以满足该油库监控自动化的需求。

　　关键词：油库 S7-300 PLC BP 神经网络 PID 控制 监控系统

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 录

　　第一章 绪论

　　1.1 课题研究背景

　　近几年，随着我国现代化的发展，油产品的生产速度与成品油的消耗速度远不能形成正比，因此，高效管控油产品的运作，提高油产品的生产效率，提升油产品储运的安全性，减少安全事故的发生就显得至关重要[1].油库作为存储成品油的仓库，目前在管理控制方面，还有很多问题存在，例如油库占地面积大导致难以管理、油库工艺流程繁琐、油库监控系统迟滞、油罐数量繁多等，这些都会致使油库出现安全问题进而影响其运转效率，如果不对这些潜在的安全隐患问题予以重视并实施有效的解决方案，一旦发生安全事故，小到油库个体，大到整个社会，可能都会因此遭受无法弥补的损失。

　　油库通常坐落在远离城市中心的边沿区域，这就增加了油库系统控制管理的难度，目前油库监控系统存在的问题主要分为以下几方面：

　　（1）系统管理效率低油库占地面积大，一般分布在空旷的城市边缘且人迹罕至的区域，这些区域工作环境恶劣，各个站点之间距离远，现有的控制系统并不能完全实现油库自动化管理，大部分还是依靠人工去管理控制油库，这就会导致油库控制系统出现控制结果实时性低、控制不到位、油产品生产效率低等问题[2]. （2）系统安全性低油库是油品存储的基地，而油料的特性是易燃性和易爆性，油库中油品的工艺流程操作复杂并且危险性极高，现有的油库控制系统工艺生产安全性低，存在工艺生产过程无法实时监控、故障报警不及时、工艺参数检测不准确等安全性问题，容易引发安全事故[3].（3）信息化管理质量低油库现有的信息管理系统存储容量有限，数据查询效率低，功能设计不灵活，数据更新速度较慢，系统容易崩溃并且不方便后续升级和扩展，对于油库的业务发展需求难以长期满足，从而影响油库的生产效率[4].

　　如今，在工业现代化和智能化的推动下，油库控制系统的自动化和现代化发展也刻不容缓，在油库系统的管控中加入智能控制技术、数据库技术和现代通信技术等，设计一套智能的、高效的油库系统可以提高系统发送指令的及时性和准确性、数据采集的高效性、检测效果的实时性、故障预警的快速性，进而为整个油库的生产工艺、工作人员以及指挥调度保驾护航[5].

　　综上，为了提高油库控制系统的生产作业效率，预防油库发生安全事故，设计一套稳定、安全、控制效果优良的油库监控系统是极其重要的。

　　1.2 课题研究现状

　　1.2.1 国外研究现状

　　如今，石油企业现代化的重要标志之一是油产品储运的自动化水平。在油库管控系统方面，国外对油库系统自动化研究时间较早且一直深入贯彻实施工业自动化，并将自动化应用到油库的工业生产过程、数据的采集管理以及智能设备等各个领域中，技术也相对娴熟。如今很多发达国家，例如美国、加拿大、日本以及很多欧洲国家，通常都采用同样的自动化管理建设标准来对不同规模的油库进行设计，现在已经实现了油库的收/发油实时控制、工艺运行与设备管理实时监测、数据信息实时共享的管控一体化建设[6].

　　日本鹿岛炼油厂的建设是石油行业自动化发展领域中极为经典的一个案例，它通过为油厂设计一个自动化系统来实现油厂的自动管控，在该自动化监控系统中，操作人员可以在控制室内来监测油品的工艺流程、工艺参数、故障点等，还可以对油品的进销情况进行存储与查询，不仅提高了系统的生产效率，还减轻了工作人员的工作强度[7].在工业自动化控制领域，国外的一些厂家例如霍尼韦尔、横河、西门子等公司具有先驱地位，例如霍尼韦尔公司设计的油库自动化系统，就曾经被来自各国的六十多家石化仓储公司引进并投入使用，其中就包括着名的壳牌（Shell Group of Companies）、马石油（Petronas）、印度石油（IOCL）等公司，通过引进自动控制技术，这些企业不仅提高了油品储运期间的安全性，还使其运营和管理成本降低，运作效率提高[8].

　　油库监控系统的建设基础通常是由 DCS 集散控制系统（Distributed Control Systems）、PLC 可编程逻辑控制器系统（Programmable Logic Controller）、SCADA 数据采集与监控系统（Supervisory Control And Data Acquisition）这三个系统为基础组成的[9].

　　DCS 属于分散式控制系统，它拥有可靠性高、控制算法多、容易和其他软件兼容配合使用等优点，经过这些年不断地更新改进，它的使用范围越来越广[10].在现代工业控制系统中，集散控制系统是较为常用的一种控制系统。目前，它的控制功能在不断发展、信息的采集和处理越来越迅速精确、控制系统的稳定性也在逐步提高，但是它也存在控制成本较高，不同的通信协议会影响彼此间的信息交互，数字控制方面功能较弱等问题。

　　PLC 是一种通用的工业控制装置，它的功能丰富，控制效果好，可信赖度高，便于操作人员开发、维护，在不同的工业生产现场，可以选择不同规模的产品来实现相应的控制需求。西门子的 PLC 凭借着控制成本低，控制性能好的优势，在工业自动化控制领域的使用率遥遥领先，其中 S7-300 系列的 PLC 控制器性能价格比高，适应性强，被普遍地应用在各行各业[11].

　　SCADA系统主要由两个部分组成，即分布式数据采集系统和数据显示与处理系统，它是以计算机网络通讯技术和工业自动化技术为基础的自动化监控系统，可以实时监测工艺设备的运行状况，并对工艺生产中的数据信息进行实时采集和分析处理，在电力、交通、石油、化工等领域被广泛应用[12].SCADA 系统在目前的发展与使用中具有一定的脆弱性，使用时要加强对其网络安全的风险评估，进而提高系统的稳定性[13].

　　随着计算机技术和工业自动化技术不断向控制领域渗透，从产品生产到工艺控制再到企业管理，控制自动化和管理智能化已经逐渐涵盖了石化企业的各个方面，而 PLC 控制系统在油库中的广泛应用，更是极大地推动了油库管控一体化发展。

　　1.2.2 国内研究现状

　　全国很多城市都分布有油库，油库系统的控制难度大，操作危险性高，容易引发安全事故。经分析与研究发现，国内油库自动化控制系统存在以下弊端：油库的发油控制系统、收油控制系统、数据管理系统、监测系统等各个区域之间无法实现信息实时共享；油库系统设计不灵活且功能单一，不方便系统的后续升级和扩展；油库控制系统无法实时监测工艺设备的运行状况、检测工艺参数和故障报警等[14].如今智能控制技术、计算机技术、工业自动化技术、数据库技术等正在蓬勃发展，将其应用到油库控制系统中，设计一套安全可靠的油库监控系统，该系统可以实现油库的工艺流程实时操控、工艺参数实时采集、故障报警实时提示以及数据报表存储等功能，对油库的信息化建设发展和自动化管理水平的提高具有重大意义[15].

　　从人工监控到普通仪表监控系统再到如今的计算机监控系统，国内油库控制系统打破了原有的监控管理模式，结合了互联网通讯技术、计算机技术等不断地发展和改进。

　　传统的油库监控系统主要是由工作人员通过巡检对系统进行控制，这就导致工作人员无法实时获取库区的数据信息和处理报警事件，控制结果会有延时和误差，控制的准确性也会大大降低；常规仪表监控在人工控制的基础上更进一步，相比人工监控系统，仪表监控通过仪表检测设备对现场各种控制参数进行数据采集处理，很大程度地提高了控制系统的精确性；计算机监控系统是近些年应用较为广泛的一种控制系统，它由计算机技术和自动化仪表组成，功能强大，和普通仪表控制相比，它的控制性能更好，控制精度更高，稳定性更强。

　　在油库监控系统的发展历程中，很多研究学者提出了大量关于油库系统的控制策略，并为油库设计了监控系统，较为典型的有以下这些：

　　1）厉罡等研究人员通过为胜利油田孤岛原油库设计了一套自动化 DCS 控制系统，并应用了相关自动化仪表，完成了胜利油田孤岛原油库的自动化升级改造，不仅保障了油库的安全运行，提高了设备的运转效率，同时也提高了油库的数字化水平，实现了其科学管理[16].但是 DCS 控制系统在运转过程中，易受外界因素干扰，从而导致整个系统不稳定，所以在使用 DCS 控制系统时，需要对该系统抗干扰性进行分析研究。

　　2）河南大学电工学院设计了一套基于无线通信的 DCS 油库监控系统，解决了因油库占地面积广，油罐分布散，导致信号在传输时过程中受到干扰等难题，在山西、安徽等地的大型油库被广泛应用，提高了油库控制系统的自动化水平[17]. 3）中石化洛阳工程的研究人员陈月兰等，针对该地油库罐区的现场监控管理水平，基于采集控制层和监控计量层，提出并设计了 SCADA 控制系统解决方案，实践表明设计的油库控制系统有效地改善了该油库罐区的监管水平，同时该系统在投入使用时，需要加强 SCADA 系统的安全性[18]. 4）甘霖、孟彭云等研究人员为长庆油田设计了一套 SCADA 系统，由于先前长庆油田管理采用的是站控系统，该系统运行起来有着易受外界干扰、控制不集中、数据维护困难等缺点，通过设计并投入使用了 SCADA 系统，较好地解决了上述弊端[19]. 5）芮晶磊、徐斌等学者提出了将西门子冗余 PLC 控制系统应用到油库系统的发油作业中，将常规油库中使用油泵控制系统启停的系统替换成 PLC 控制系统，提高了油库发油作业的效率，确保了系统的恒压供油[20]. 6）车秀波、陈曦等技术人员针对山东某油库罐区的控制系统需求，设计了基于 PLC和组态软件的油库计算机监控系统，并采用上位监控计算机双机冗余和 PLC 软冗余方案，PLC 控制系统功能强大，性能价格比高，方便维护，自投入使用来，大幅度提高了该石油公司的生产效率和自动化管理程度[21].

　　在油库自动化监控系统设计方面，国内和国外的设计思路大体相同，通常都是以 PLC为控制核心而设计的。PLC 系统具有组态灵活、维修方便、性能价格比高等优点，应用在油库控制领域，可以有效地提高油库系统整体的监管效率。

　　综上，本次油库计算机监控系统基于西门子 S7-300 PLC 核心控制器进行设计，通过该设计来实现油库工艺流程的实时显示和控制、工业参数的实时监测、生产数据的实时处理等功能。相比其他控制系统，西门子 S7-300 PLC 控制性能好，功能强大，方便工作人员维护，而且性能价格比高，提高了油库日常生产的安全性和高效性[22].控制系统总线结构采用 PROFINET 和 PROFIBUS-DP 相结合的模式，提高了系统整体的响应速度，采用上位监控计算机双机冗余的控制方式对工业现场进行控制，极大地提升了系统整体监控管理的效率和质量，提高了油库工业自动化生产水平。

　　1.3 课题研究意义

　　任何国家的经济发展都离不开石油资源，而油库是储存这些资源的一个基地。油库地域分布广、油罐数量多、油产品危险性高，属于重大工业危险源之一。如今现代工业化在不断发展，工业生产的安全性和高效性对于企业至关重要，通过本次设计的可靠性强且自动化程度高的监控系统来对油库进行监控和管理，提高了油库系统成品油的生产效率，避免了油库安全事故的发生。

　　本课题依托于陕西省西安市某地区的 501 油库，针对 501 成品油库的控制需求，设计了基于 S7-300 PLC 的油库计算机监控系统，该系统可以实时检测油库中油料的液位、流量、温度、压力等直接影响到整个控制系统的安全性和稳定性的工艺参数，提高了该油库日常生产的安全性和高效性。其中对油产品液位的实时监测避免了因油罐内油料的液位超出上限阈值而溢出，或者因油料的液位低于下限阈值而无法泵出油液等事故的发生；对供油厂区管道内流量进行实时检测，不仅方便了操作人员对进出油料的流量进行统计，还可以实时监测并控制供油管道内的流量；对油产品温度的实时监测避免了因某种油产品的温度骤然升高而引起爆炸等安全事故的发生；对油罐内压力的实时监测避免了因罐内压力产生失稳现象而引发安全事故的发生。此外，该计算机监控系统还具备了实时响应功能和数据存档等功能，实时响应功能确保了当发生工业事故时，系统可以第一时间发现故障并进行连锁操作，将损失和危险降到最低；数据存档和记录功能则方便了工作人进行历史记录的查询和分析。

　　本次设计的油库计算机监控系统，可以实时地对分布在 501 油库不同区域的成品油进行工艺流程控制、数据采集处理、故障预警、信息传递等，有效地提升了整个油库控制系统的监控实时性、工艺安全性、系统可靠性和稳定性[23].

　　1.4 论文研究内容

　　本文分析了当前国内外油库监控系统的现状，针对西安市某油库，根据工业现场的实际生产状况和控制需求，设计了一套安全高效、稳定可靠的油库自动化管理控制系统，论文的主要研究内容分章节完成。

　　第一章，绪论。分析油库监控系统的研究背景，研究国内外油库监控系统的发展过程和发展现状，对本次课题的研究意义进行阐述和论证。

　　第二章，油库计算机监控系统总体方案设计。分析油库工程概况，研究油库生产工艺流程原理，细化控制系统需求，设计油库监控系统整体架构，确定油库计算机监控系统的总体方案，在此基础上，确定系统的硬件方案和软件方案。

　　第三章，油库计算机监控系统硬件设计。确定 PLC 型号以及与控制需求适配的相关功能模块，采用合适的上位监控计算机和检测传感器设备，完成油库系统的硬件架构设计，完成控制系统硬件接线设计和监控系统控制柜设计。

　　第四章，油库系统控制策略研究。分析 PID 算法和 BP 神经网络算法的基本原理，设计基于 BP 神经网络的 PID 控制器，使用 MATLAB/Simulink 仿真软件对系统进行仿真，验证了基于 BP 神经网络 PID 控制算法的正确性，实现了油库厂区供油管道内流量的恒定控制。

　　第五章，油库计算机监控系统软件设计。软件设计主要由上位监控计算机软件设计、PLC 控制程序设计、触摸屏程序设计组成，采用的软件分别是 KingView 6.55 组态软件、STEP 7 V5.6 编程软件、WinCC Flexible 2008 触摸屏编程软件。其中上位监控计算机软件设计主要包括软件配置以及相关实时画面设计；PLC 程序设计包括对主程序、子程序的设计以及硬件组态设计；触摸屏程序设计包括现场监控画面、参数设置以及报警画面设计等。

　　第六章，结论和展望。对油库计算机监控系统设计进行总结，并指出本次设计的不足之处。

　　第二章 油库计算机监控系统总体方案设计

　　2.1 油库项目介绍

　　2.1.1 油库简介

　　2.1.2 工艺流程原理

　　2.2 油库监控系统需求分析

　　2.2.1 油库监控系统建设需求分析

　　2.2.2 监控系统变量分析与统计

　　2.3 油库监控系统总体设计方案

　　2.3.1 油库监控系统设计依据

　　2.3.2 油库监控系统总体架构

　　2.4 本章小结

　　第三章 油库监控系统硬件设计

　　3.1 油库监控系统硬件架构

　　3.2 监控系统硬件选型

　　3.2.1 上位监控计算机选型

　　3.2.2 PLC 选型

　　3.2.3 传感器选型

　　3.2.4 触摸屏选型

　　3.3 控制系统硬件接线设计

　　3.4 监控系统控制柜设计

　　3.5 本章小结

　　第四章 油库系统控制策略研究

　　4.1 油库供油系统控制策略分析

　　4.2 BP 神经网络 PID 控制器设计

　　4.2.1 PID 控制器设计

　　4.2.2 BP 神经网络设计

　　4.2.3 BP 神经网络 PID 控制系统结构

　　4.3 系统仿真

　　4.3.1 流量控制系统建模

　　4.3.2 控制系统仿真及结果分析

　　4.3.3 MATLAB 与组态王通讯方法

　　4.4 本章小结

　　第五章 油库监控系统软件设计

　　5.1 上位监控计算机软件设计

　　5.1.1 组态软件配置

　　5.1.2 登陆界面设计

　　5.1.3 主画面设计

　　5.1.4 实时参数画面设计

　　5.1.5 实时曲线画面设计

　　5.1.6 实时报警画面设计

　　5.1.7 实时报表画面设计

　　5.2 PLC 程序设计

　　5.2.1 硬件组态与通讯设置

　　5.2.2 PLC 主程序设计

　　5.2.3 PLC 子程序设计

　　5.3 触摸屏程序设计

　　5.4 控制系统调试

　　5.5 本章小结

第六章 结论与展望

　　6.1 结论

　　本文将 501 油库中各类成品油的工艺参数作为研究对象，通过对国内外油库研究现状分析研究，确定采用基于 S7-300 PLC 的控制系统，实现了油库中成品油工艺参数的实时监测和控制，其中 CPU 和现场检测设备的数据信息传递是通过 PROFINET 和PROFIBUS-DP 结合的总线结构进行传送的。在此基础上，为了优化系统，采用了基于BP 神经网络 PID 的供油管道内流量控制算法，实现了流量的准确快速控制。本次设计的结论如下：

　　1）在油库监控系统中，设计了 BP 神经网络 PID 控制器，实现了供油管道内流量的恒定控制，提高了系统的稳态性和动态性能，减小了系统超调量，缩短了系统的调节时间。

　　2）采用西门子 S7-300 PLC 作为 501 油库控制系统的下位控制核心，自投入使用以来，提高了 501 油库油产品的生产效率，减少了事故发生的频率，从根本上提升了油库的自动化生产水平。

　　3）采用 KingView 6.55 作为上位监控核心的控制系统，能实时监测油库的工艺生产流程和各种参数的变化，当油罐的温度、液位等超出限定值时，能及时进行故障报警，并对报警数据进行存储，方便后续查询，大幅度提高了 501 油库系统的安全性和稳定性。

　　本次设计的创新点是在 501 油库计算机监控系统中，采用基于 BP 神经网络 PID 的控制算法，设计了 BP 神经网络 PID 控制器，实现了 501 油库供油厂区管道内流量的恒定控制。

　　6.2 展望

　　本次设计将整个油库的实际情况作为设计依据，选用了基于 S7-300 PLC 的油库控制系统方案，为 501 油库设计了计算机监控系统，实现了总体工况和工艺流程的实时监测和控制，提高了系统的安全性和稳定性，同时还实现了厂区供油管道流量的恒定控制，但是设计中还存在一些不足的地方：

　　1）在 501 油库供油厂区管道流量控制时引入了基于 BP 神经网络 PID 的控制算法，并设计了 BP 神经网络 PID 控制器然后将其应用到油库计算机监控系统的设计中，实验证明，其控制效果相较于常规 PID 更为优良，但是并没有深入研究其他更高级的控制算法，如果加入更高级的控制算法，可能控制效果会更显着，同时对优化整体系统以及提高流量控制精度具有更重要的意义。

　　2）厂区供油管道流量受到影响因素很多，可是当前控制技术有限，在仿真时，对流量控制系统模型选取建立的过程中，简化了一些控制参数，对不同控制参数之间的耦合问题考虑也不周，这可能会导致在实际工业生产过程中存在一定的偏差。

致谢

　　研究生的三年时光，如白驹过隙，转瞬即逝，可是在这三年里值得铭记一生的感动却如高山大川，延绵不绝。

　　我最想感谢的是我的导师，徐竟天老师。三年的研究生时光里，徐老师即是我学术上的导师，也是我生活中的朋友。徐老师在科研方面严谨认真，一丝不苟，在我做毕业设计给予我细心的指导和不懈的支持；在生活方面，徐老师是一个至纯至善的好老师，他会与我们分享生活中的趣事，也会在人生大事的关键时刻提点我们，给我们宝贵的建议。研究生阶段遇到徐老师这样亦师亦友的老师，真是我最大的幸运。除了徐老师之外，我也想感谢我们实验室的小伙伴乔丹，以及其他同窗好友和师兄妹，感谢你们在我生活科研上方方面面对我的帮助，让我在轻松愉快的氛围中学习进步，也感谢我的室友对我生活上的照顾与帮助，让我虽在异乡也能感受到家庭般的温情。

　　此外感谢我的家人，是他们的辛苦与努力，让我没有后顾之忧，努力科研；是他们对我的关爱、鼓励以及理解，让我在求学路上不断努力奋进。

　　最后，感谢各位老师和评审专家在百忙之中对我的论文进行评审，谢谢老师们。

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