可編程控制器在石油化工企業(yè)儲運裝車中的應(yīng)用

[摘要]    介紹石油化工企業(yè)儲運自動化—鶴管裝車自動化的幾種類型，包括可編程控制器在集中式和分布式儲運裝車自動化控制系統(tǒng)中對現(xiàn)場流量采集、控制裝車閥門動作等方面的不同應(yīng)用。 　　石油化工企業(yè)及儲運油庫，其日常的生產(chǎn)原料、成品的裝車（火車罐車、汽車罐車）、碼頭裝船作業(yè)都十分繁忙，為了克服人工操作、管理帶來的弊端，減少環(huán)境污染、提高儲運管理作業(yè)的效率和石油化工企業(yè)的整體效益，以適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展的需求。石油化工企業(yè)迫切需求機械化自動化程度高、安全可靠性好、便于操作維護的儲運裝車自動化系統(tǒng)。 　　   1、儲運裝車自動化系統(tǒng)的構(gòu)成

   由于液下大、小鶴管裝車具有節(jié)能、安全等顯著的優(yōu)點，石油化工企業(yè)的儲運裝車基本全部采用這種裝車設(shè)備作為標(biāo)準(zhǔn)灌裝專用設(shè)施。    按照鶴管所用管材的口徑區(qū)分，鶴管可分為大鶴管和小鶴管兩種。習(xí)慣上，把口徑DN120mm以上的鶴管稱為大鶴管，常用的口徑為DN200mm，此類鶴管主要作為大宗油品鐵路裝車的灌裝設(shè)施。把口徑為DN120mm以下的鶴管稱為小鶴管既通常所說的鶴管。常用的口徑為DN100mm或DN80mm，此類鶴管主要作為日常火車罐車和汽車罐車的灌裝設(shè)施。控制系統(tǒng)也相應(yīng)的分為大鶴管儲運裝車自動化微機控制系統(tǒng)和小鶴管（鶴管）儲運裝車自動化微機控制系統(tǒng)。其中，小鶴管儲運裝車自動化微機控制系統(tǒng)又根據(jù)裝車現(xiàn)場的實際情況，如棧臺、操作室的位置、裝車棧橋的長短、防爆等級的要求、石化企業(yè)用戶要求等等因素，又分為集中式和分布式（分散式）裝車自動化微機控制系統(tǒng)。儲運裝車自動化的目的，主要以定量裝車控制為主，所以儲運裝車自動化控制系統(tǒng)又稱儲運定量裝車控制系統(tǒng)。    從現(xiàn)場應(yīng)用的經(jīng)驗表明，集中式和分布式自動化定量裝車控制系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點。儲運裝車自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

   無論是大鶴管儲運裝車自動化系統(tǒng)還是小鶴管儲運裝車自動化系統(tǒng)，分布式還是集中式裝車自動化系統(tǒng)，它們的工作目的、完成的功能都是基本一致的：防止裝車冒頂、液化氣過裝、裝車灌桶定量準(zhǔn)確、裝油計量、防水擊措施、防溢防靜電接地、連鎖控制、裝車業(yè)務(wù)管理和操作管理、裝車銷售統(tǒng)計開票和銷售管理等。 　　 　　

2、可編程控制器在幾種儲運裝車自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

   緊隨著微電子技術(shù)同步的發(fā)展的可編程控制器（可編程控制器出現(xiàn)之初，名稱很不一致，直至1980年由美國電氣制造商協(xié)會NEMA正式將其命名為Programmable Controller，簡稱PC，但時至今日，人們?nèi)匀涣?xí)慣地稱之為Programmable Logic Controller，簡稱PLC），作為傳統(tǒng)繼電器控制裝置的替代產(chǎn)品，從當(dāng)初簡單的功能比較單一的邏輯控制器，發(fā)展到今天的即能采集控制開關(guān)量，又能采集控制模擬量、數(shù)字量，同時實現(xiàn)邏輯運算、順序控制、過程控制、聯(lián)鎖保護、定時、計數(shù)、算術(shù)運算、聯(lián)網(wǎng)通訊等功能的，以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置。已將傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)與現(xiàn)代計算機技術(shù)結(jié)合在一起，以結(jié)構(gòu)緊湊、I/O組態(tài)靈活、調(diào)試維護方便、抗干擾能力強及可靠性高等優(yōu)點，越來越為眾多的工業(yè)用戶青瞇，與CAD/CAM、工業(yè)機器人一同被列為現(xiàn)代工業(yè)自動化領(lǐng)域的三大支柱。正是由于PLC具有這些使用特點，近年來，在儲運自動化等各種工業(yè)控制場合中得到廣泛的應(yīng)用。    在儲運裝車自動化控制系統(tǒng)中，PLC主要完成裝車定量程序控制、防溢出、防靜電接地檢測聯(lián)鎖控制、完成裝車現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和對裝車現(xiàn)場控制執(zhí)行器（裝車控制閥、泵等）的程序控制等功能。圖2為儲運裝車—汽車裝車自動化操作軟件界面。

2．1可編程控制器在集中式小鶴管裝車自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

   可編程控制器把所有功能集中，即所有的信號電纜集中進(jìn)控制室，由控制室中的主控制計算機和PLC實現(xiàn)全部信號的采集檢測、運算管理和控制輸出。集中式小鶴管裝車自動化系統(tǒng)便于實現(xiàn)操作管理及實現(xiàn)各種邏輯判別，對提高儲運裝車安全性，加強銷售管理具有較大意義。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖3。 　　

　　PLC集中采集裝車現(xiàn)場每個裝車鶴位流量計（脈沖信號）、溫度（PT100—鉑電阻）、裝車防溢出開關(guān)、防靜電接地開關(guān)、現(xiàn)場確定操作開關(guān)等所有控制信號。對于現(xiàn)場流量計信號的采集，PLC通過配置高速計數(shù)單元來完成。PLC的高速計數(shù)單元有多種計數(shù)模式；可通過旋轉(zhuǎn)前面板的波段開關(guān)選擇單元號（0∽9）和模式（1線性，2環(huán)性，3預(yù)置，4門控，5閂鎖，6采樣），通過調(diào)整后面板上的DIP波段開關(guān)進(jìn)行選擇和設(shè)置高速計數(shù)單元的運行模式（輸入形式選擇，內(nèi)部復(fù)位位，輸入Z，控制出入IN1）。DIP波段開關(guān)設(shè)置為5，選擇閂鎖模式（5），在閂鎖模式中，輸入形式選用單向增減方式，有兩個選擇用內(nèi)部觸發(fā)方式的控制輸入位IN1和IN2，用IN1上升沿啟動計數(shù)，啟動計數(shù)20s后斷開IN1，計數(shù)值繼續(xù)累計，當(dāng)IN1為ON時，計數(shù)又從零開始。IN2控制閂鎖，其上升沿觸發(fā)閂鎖，即內(nèi)部IR2個計數(shù)通道中的值被閂鎖住，保持不變。當(dāng)IN2為ON時，其上升沿又使當(dāng)時計數(shù)值讀入內(nèi)部IR兩個計數(shù)通道中。內(nèi)部IR兩個計數(shù)通道中的計數(shù)值為BCD碼，計數(shù)范圍-8，388，608∽+8，388，607，計數(shù)值占用內(nèi)部低位和高位兩個IR通道的低位和高位。PLC的高速計數(shù)單元只能對采集的脈沖量進(jìn)行累計計算，但控制系統(tǒng)要求顯示裝車鶴位流量計的瞬時量（頻率）和流量的累計量（累計脈沖值）。利用PLC內(nèi)部的兩個TIMH(15)高速定時器產(chǎn)生的ms級時間差來計算流量計的頻率，用流量當(dāng)量乘以頻率得出流量計的瞬時量。        在每個鶴位開始發(fā)油裝車時，PLC的高速計數(shù)單元對應(yīng)采集該管路上的流量計的低位和高位的通道單元都要清零。PLC控制裝車閥門置“1”信號的I/O同步執(zhí)行位（bit）傳送微分型指令 @MOVB(82)，當(dāng)執(zhí)行條件由OFF變?yōu)镺N時，指令@MOVB(82) 執(zhí)行傳送一次“1”到高速計數(shù)單元IR通道IN1映射的內(nèi)部繼電器位，即IN1位置1，從而使計數(shù)器從零開始計數(shù)。用BCD碼裝換二進(jìn)制數(shù)指令BIN(23)指令將兩個計數(shù)通道中BCD碼裝換成二進(jìn)制數(shù)，MOV(78) 到DM區(qū)單元中。

   流量計為三線制的脈沖輸入。高速計數(shù)單元的輸入頻率的電壓選擇有5V、12V、24V三種。用PLC的DO進(jìn)行選擇輸入即可。

   有的儲運裝車現(xiàn)場測量裝車鶴位流量的儀表，安裝了高精度的質(zhì)量流量計，這種質(zhì)量流量計一般帶有傳遞數(shù)字信號的通訊接口，輸出多種測量參數(shù)和信息，如瞬時流量、累計流量、密度等信號，為了保證系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與現(xiàn)場測量儀表之間沒有精度轉(zhuǎn)換誤差，PLC可配置ASCII模塊（PLC專用的高級語言模塊，以串序的方式與現(xiàn)場不同ASCII裝置溝通），數(shù)字通訊信號經(jīng)由質(zhì)量流量計的通訊口連接到PLC的ASCII模塊的COM口。另外，有的汽車裝車控制系統(tǒng)中采用汽車地磅作為定量裝車的計量手段，地磅的測量重量、清零設(shè)置等通訊數(shù)字信號也通過COM口聯(lián)接到PLC的ASCII模塊上。這樣，質(zhì)量流量計和地磅的數(shù)字通訊信號就與其它常規(guī)的I/O信號（DI、DO、AI、AO、FI等）一起，由PLC統(tǒng)一采集和控制，便于日后構(gòu)成計算機冗余系統(tǒng)。

   在儲運裝車的過程中，由于裝車控制閥的突然開關(guān)，容易造成管道中的壓力在一瞬間會突然升高，產(chǎn)生很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊，就是日常所稱的“水擊”或“水錘”現(xiàn)象。 　　    “水擊”產(chǎn)生的壓力峰值往往比正常工作壓力高好幾倍，且常伴有巨大的振動和噪聲，使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生溫升，有時會使一些液壓元件或管件損壞，并使某些液壓元件（控制閥、流量計等）產(chǎn)生誤動作，導(dǎo)致設(shè)備損壞。因此，儲運裝車自動化控制系統(tǒng)控制的主要目標(biāo)之一，就是盡可能的消除、減小裝車開始和累計流量達(dá)裝車定量設(shè)定流量值時，裝車控制閥的突然開關(guān)，而產(chǎn)生的“水擊”現(xiàn)象，盡量保證管道內(nèi)介質(zhì)流速在管道安裝的流量計范圍之內(nèi)。從控制的角度上理解，氣動閥，電動閥、電磁閥、多段電液閥等可遙控閥門都可以作為裝車控制閥。根據(jù)裝車介質(zhì)的化學(xué)、工藝特性，多選用配套大小兩個氣動閥或多功能電液閥。無論選用哪種控制閥門，控制原理都一樣。以PLC控制多功能電液閥裝車為例；多功能電液閥由先導(dǎo)電磁閥和主閥組成。先導(dǎo)電磁閥和球閥組成控制回路。關(guān)閉調(diào)節(jié)球閥和常開電磁閥構(gòu)成控制回路上流管路，開啟調(diào)節(jié)球閥和常閉電磁閥構(gòu)成控制回路的下流管路。發(fā)油時首先開泵，然后再開電液閥的常開、常閉電磁閥，兩者的時間差可以在線通過上位機傳到PLC的TIM定時器單元進(jìn)行設(shè)定、修改。這時電液閥的常閉電磁閥根據(jù)時間曲線進(jìn)行，由PLC的DO模塊控制：開（通電）－閉（斷電）－開—閉，以防止流量過大，保護流量計，在線修改到一個合適曲線，存入PLC的TIM定時器單元，隨時調(diào)用。當(dāng)累積到設(shè)定值后，PLC自動首先停電液閥，然后再是泵，兩者的時間也可在線修改。停電液閥是分別控制電液閥的常開、常閉電磁閥，常開電磁閥的工作依時間曲線進(jìn)行：開（斷電）—閉（通電）—開—閉，常閉電磁閥斷電即可。

   鉑電阻（型號—PT100）的溫度信號，用PLC的特殊功能模塊—熱電阻模塊采集。    防溢、防靜電等開關(guān)量信號用PLC的DI模塊采集。

2．2可編程控制器在分布式小鶴管裝車自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　對于分布式小鶴管裝車自動化系統(tǒng)，操作人員可以在裝車工作現(xiàn)場進(jìn)行所有裝車操作和監(jiān)視裝車情況。在每個鶴位都設(shè)置一臺定量裝車控制設(shè)備，執(zhí)行該?dān)Q位的定量裝車控制任務(wù)。這種系統(tǒng)便于實現(xiàn)系統(tǒng)操作功能分散，管理和監(jiān)視又集中的思想。 　　在每個鶴位設(shè)置的定量裝車控制設(shè)備，一般采用成型儀表——定量裝車控制儀。國內(nèi)、外生產(chǎn)的廠家眾多，但價格都比較昂貴。近年來，丹東通博測控有限公司采用了箱體式PLC加操作員界面，組成定量裝車控制器，完成現(xiàn)場裝車體積流量或質(zhì)量流量、管路溫度檢測、液位防溢出開關(guān)、靜電接地檢測開關(guān)、閥門開關(guān)狀態(tài)等的檢測，完成定量裝車控制、安全聯(lián)鎖等所有控制功能。系統(tǒng)框圖見圖4。

   現(xiàn)場每個鶴位流量計的流量系數(shù)、定量裝車值、密度、體積流量的補償系數(shù)、裝車介質(zhì)膨脹系數(shù)等參與計算的參數(shù)，通過操作員界面輸入PLC的內(nèi)部單元中。每臺PLC通過通信電纜線與操作室中的計算機相連，實現(xiàn)集中管理，還可以通過聯(lián)機方式方便地將參數(shù)設(shè)置輸入每臺PLC。每臺PLC控制裝車閥門和計算管路流量的方法和集中式控制系統(tǒng)中PLC的控制思想基本一樣。 　　 2．3可編程控制器在火車大鶴管裝車自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

   火車大鶴管裝車自動化系統(tǒng)要比前兩種的控制系統(tǒng)復(fù)雜一些， PLC除了完成定量裝車程序控制等和小鶴管系統(tǒng)控制功能相同部分之外，PLC還要完成對大鶴管位置的左、右移位、上升、停止、下降的控制和位置檢測，接油斗的提起、放下控制和位置檢測。多至3個油品選擇閥的控制與檢測?；疖囉凸薏圮嚑恳嚨那斑M(jìn)、停止、后退控制。液壓泵的開、關(guān)控制等。    在大火車大鶴管裝車自動化系統(tǒng)中，操作室一般都設(shè)在棧橋上，為保證系統(tǒng)在含有油汽的環(huán)境中正常、安全地運行，操作室內(nèi)的儀表操作臺采用正壓防爆儀表操作臺，操作臺內(nèi)正壓通風(fēng)的氣動衡壓控制部分也是由系統(tǒng)的PLC進(jìn)行監(jiān)控，使其能按照防爆規(guī)范，保證儀表操作臺內(nèi)的氣壓值，將其保持在指定范圍內(nèi)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示：

3．結(jié)束語

　　儲運裝車現(xiàn)場實踐證明，PLC應(yīng)用在幾種儲運裝車自動控制系統(tǒng)中，都表現(xiàn)了穩(wěn)定性高、可靠性強的特點。和操作員界面一起組成的發(fā)油定量控制部分，更是充分體現(xiàn)了PLC的優(yōu)良性能價格比、可靠、配置靈活、組態(tài)方便等優(yōu)點，滿足了現(xiàn)代儲運自動化向網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化的過度要求。取得了良好的、濟效益和社會效益，具有良好的市場發(fā)展前景。