策論基于PLC模擬控制系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計

劉雪林

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300457）

0 引言

目前，大量的工業(yè)生產(chǎn)過程中都采用 PLC 對模擬量進(jìn)行控制。而國內(nèi)的LNG船舶貨物控制系統(tǒng)基本上為TGE、Hamworth、KONGSBERG國外設(shè)備商所壟斷。因此，自主研發(fā)一套基于PLC模擬控制系統(tǒng)的LNG船舶貨物控制系統(tǒng)有著重要的現(xiàn)實意義。

1 基于 PLC 的標(biāo)準(zhǔn)模擬控制系統(tǒng)的原理

1.1 基于 PLC 的標(biāo)準(zhǔn)模擬控制系統(tǒng)基本構(gòu)成

PLC 標(biāo)準(zhǔn)模擬控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1中所示，通過A/D 模塊的轉(zhuǎn)換，將測量元件所測的模擬量反饋信號變成數(shù)字量信號，并和系統(tǒng)被控量的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，獲得偏差。然后PLC將所得的偏差進(jìn)行 PID 算法處理，處理結(jié)果通過 D/A模塊變換成模擬量信號，該信號通過線路傳輸?shù)絃NG船舶貨物控制系統(tǒng)后，可對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作進(jìn)行控制，進(jìn)而讓被控量得到了有效的控制。微分、積分，將三者進(jìn)行線性分析，可以順利計算出PID的數(shù)據(jù)模型，即控制規(guī)律：

圖1 PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在上述公式中，u(t)是PID控制器的輸出值，e(t)是PID的控制偏差，是控制器的比例，為積分，為微分[1]。

1.2 PID 控制的基本原理

通常在PLC中，會設(shè)置有PID的功能，由此，在實際過程中，可以直接使用PID并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。具體而言，引入PID控制器，通過給定值與輸出值的差值，將此作為系統(tǒng)的控制偏差。

依據(jù)上述公式計算而出的偏差值，結(jié)合控制器比例、

2 LNG運輸船貨物控制系統(tǒng)中PLC 的標(biāo)準(zhǔn)模擬控制系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)

從應(yīng)用過程而言，PLC標(biāo)準(zhǔn)模擬控制系統(tǒng)主要包括硬件接線和軟件編程兩個環(huán)節(jié)。在LNG運輸船貨物控制系統(tǒng)中，在對貨物系統(tǒng)參數(shù)值進(jìn)行適時檢測的過程中，通過參數(shù)的不端對比分析，以PLC實現(xiàn)對參數(shù)大小的調(diào)節(jié)，使其保持穩(wěn)定，從而對實現(xiàn)對貨物系統(tǒng)的控制。下面，我們以LNG運輸船貨物監(jiān)測報警和控制系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹PLC的控制過程。

2.1 LNG運輸船貨物的營運流程

LNG運輸船的貨物圍護(hù)系統(tǒng)、貨物操作系統(tǒng)、LNG燃?xì)庀到y(tǒng)的控制與液化氣船貨物的營運流程相關(guān)聯(lián)，如圖2所示。它主要包括干燥、惰化、驅(qū)氣、預(yù)冷、裝貨、載貨航行、卸貨、換裝貨品、液貨艙準(zhǔn)備進(jìn)塢修理等步驟。LNG運輸船的控制系統(tǒng)對上述貨物營運流程進(jìn)行監(jiān)測報警和控制以維護(hù)貨物的安全，這些監(jiān)測報警處理的過程下面我們會詳細(xì)分析。

2.2 貨物監(jiān)測報警和控制系統(tǒng)的PLC控制過程

貨物監(jiān)測報警和控制系統(tǒng)主要由貨物監(jiān)控站、壓縮機(jī)室就地監(jiān)控站、氣室就地控制和顯示板（控制板防護(hù)箱）、燃?xì)饩偷乇O(jiān)控站及監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)采集軟件組成。通過監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)采集軟件，可以采集所有模擬量信號和開關(guān)量信號并將信號傳輸至貨物監(jiān)控站進(jìn)行處理，根據(jù)信號要求停止相關(guān)貨物電氣設(shè)備及激活ESD系統(tǒng)。為了使貨物監(jiān)測報警和控制系統(tǒng)更具自動化，在系統(tǒng)中加入一套帶有冗余的PLC標(biāo)準(zhǔn)模擬控制系統(tǒng)，用PLC對其進(jìn)行控制。冗余系統(tǒng)包括電源供應(yīng)、CPU（中央處理器）、I/O（輸入/輸出）單元和配電板的過程現(xiàn)場總線系統(tǒng)。貨物監(jiān)測報警和控制系統(tǒng)對LNG運輸船上的各個部位都進(jìn)行了監(jiān)測，如圖3所示。

圖2 液化氣船貨物的營運流程圖

圖3 貨物監(jiān)測報警和控制系統(tǒng)原理圖

對于BOG壓縮機(jī)，壓縮機(jī)機(jī)旁設(shè)有就地控制系統(tǒng)，過程控制單元、就地控制柜等是該系統(tǒng)的主要組成部分。具體來說，在過程控制單元，可以采用可編程序邏輯控制器PLC，機(jī)組控制系統(tǒng)可實現(xiàn)就地手動或自動控制，遠(yuǎn)程自動控制。空壓機(jī)的壓力、溫度、電機(jī)電流和繞組溫度等各種變量和參數(shù)信號通過數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行采集，并將其傳輸至貨物監(jiān)控站的PLC控制單元的外部輸入端子。通過該端子將信息輸入PLC內(nèi)部寄存器中，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊后這些信號變成數(shù)字量信號，將所得信號與相應(yīng)的設(shè)定值比較得出偏差，而最終將其輸入到PLC中，以PID的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。舉例而言，在算法中，最終的計算結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成模擬量信號，并經(jīng)BOG壓縮機(jī)系統(tǒng)控制之后，最終達(dá)到對被控量的控制。如電動機(jī)過載或者電動機(jī)繞組溫度過高時，PLC控制單元控制發(fā)出信號，控制相關(guān)設(shè)備報警停機(jī)。

對于液貨罐，通過貨罐液位傳感器、壓力傳感器、罐內(nèi)90%高度處溫度傳感器器、罐內(nèi)50%高度處溫度傳感器和罐內(nèi)底部溫度傳感器等傳感器對貨罐的液位、壓力和溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。這些傳感器將檢測到信號用數(shù)字量或模擬量送到貨物系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集單元采集的所有模擬量信號和開關(guān)量信號將傳輸至貨物監(jiān)控站的PLC控制單元中，將這些監(jiān)測數(shù)據(jù)與相應(yīng)的設(shè)定值對比并進(jìn)行處理，根據(jù)信號要求或停止相關(guān)貨物電氣設(shè)備或激發(fā)ESD系統(tǒng)。例如，PLC控制單元會將采集到的液罐內(nèi)壓力與設(shè)定值進(jìn)行對比，當(dāng)液罐內(nèi)壓力高于設(shè)定值時，PLC控制單元運行預(yù)先設(shè)定好的程序，控制壓力控制閥打開以便將氣體釋放到大氣中；當(dāng)液罐內(nèi)壓力再高到安全閥設(shè)定值時安全閥全部打開將氣體釋放到大氣中，對液罐進(jìn)行泄壓保護(hù)；當(dāng)罐內(nèi)壓力低于設(shè)定值時，PLC控制單元運行預(yù)先設(shè)定好的程序，控制控制閥打開使氣體注入，保護(hù)液罐不出現(xiàn)真空（負(fù)壓）[2]。又如對液罐設(shè)獨立的高液位（95%）測量，當(dāng)報警時控制系統(tǒng)起動ESD系統(tǒng)。

對于液貨泵和燃?xì)廨斔捅?，在就地控制板處設(shè)有排出壓力、密封壓力指示及起動停止電動機(jī)控制開關(guān)，并還輸出電機(jī)電流過載、電機(jī)繞組溫度高報警信號至貨物系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集單元將信號傳輸至貨物監(jiān)控站的PLC控制單元進(jìn)行處理，根據(jù)信號要求停止相關(guān)貨物電氣設(shè)備。對液貨泵還可在貨物監(jiān)控站遙控起動停止及遙測電機(jī)電流。當(dāng)貨物控制系統(tǒng)失效時，還可在貨物配電板室通過貨物配電板內(nèi)設(shè)置的應(yīng)急帶鎖開關(guān)，撇開控制系統(tǒng)越控操泵。

對于貨物管路和閥門，貨物管路的連通和截止依靠閥門來控制的，閥門由船上貨物系統(tǒng)液壓泵站控制。貨物管路的參數(shù)是通過流量計來監(jiān)測的。對于“海默多相流量計”而言，在技術(shù)角度它就是綜合了互相關(guān)流量測量技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)等多種技術(shù)，通過對管路內(nèi)油、氣、水三相流中各相的相分率、壓力、溫度、流速等流動參數(shù)的動態(tài)檢測，實現(xiàn)油氣水三相不分離狀態(tài)下油井的水、氣、油產(chǎn)量以及油井日平均含水率、混合液密度、油氣比等的連續(xù)、在線和自動計量[3]。流量計監(jiān)測的數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)采集單元，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集單元將這些信號傳輸至貨物監(jiān)控站指示及報警，并通過PLC控制單元對其進(jìn)行控制。

對于氮氣發(fā)生裝置，主要監(jiān)測其干燥機(jī)、空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)運行停止?fàn)顩r，含氧量指示及含氧量高報警，高露點報警等參數(shù)。這些信號送至貨物系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集單元將這些信號傳輸至貨物監(jiān)控站指示及報警，通過PLC控制單元遙控停止發(fā)生裝置、干燥機(jī)、空壓機(jī)。

對于貨物配電板，貨物配電板所有供電負(fù)載都由空氣開關(guān)饋電并設(shè)負(fù)載短路保護(hù)。電動機(jī)饋電回路設(shè)有接觸器，由電動機(jī)保護(hù)繼電器過載保護(hù)。貨物配電板的主要負(fù)載為壓縮機(jī)、液貨泵。泵的電機(jī)起動單元配置電子保護(hù)裝置并受集成在貨物控制系統(tǒng)內(nèi)的冗余總線系統(tǒng)控制，電動機(jī)還配備PTC電阻的繞組溫度監(jiān)測保護(hù)。所有貨物系統(tǒng)電氣負(fù)載，由貨物控制系統(tǒng)通過PLC進(jìn)行信號采集和控制，其運行、負(fù)荷和故障等信息傳輸至貨物監(jiān)控站并顯示在顯示器上[4-5]。

對于貨物貿(mào)易交接系統(tǒng)，系統(tǒng)測量貨艙的液位、氣體和液體的溫度、氣體壓力體積及在相同溫度下得總體積。系統(tǒng)將測得的貨艙液位、溫度、壓力數(shù)據(jù)均可在貨物控制

系統(tǒng)中顯示。系統(tǒng)可提供報警信號并和貨物控制系統(tǒng)有通訊接口，系統(tǒng)還提供上述項目測量值和數(shù)據(jù)記錄。系統(tǒng)從船上裝載計算機(jī)獲得的船舶縱傾橫傾模擬信號后通過PLC對船舶縱傾和橫傾時對貨艙液位和體積的影響進(jìn)行調(diào)節(jié)修正，并計算出LNG總裝載量或總卸貨量，并將數(shù)據(jù)換算成貨物的體積和質(zhì)量。

3 結(jié)束語

綜上所述，將PLC模擬控制系統(tǒng)應(yīng)用于LNG運輸船上，可以對LNG運輸船各個組成部分的信息進(jìn)行自動化監(jiān)測。在當(dāng)某一部位出現(xiàn)異常時，通過PLC控制單元預(yù)先設(shè)計好的控制程序或者指令，可以很好地報警顯示并解決故障。因此，進(jìn)行基于PLC模擬控制系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計，對于促進(jìn)LNG運輸船的發(fā)展有著重要意義。□

[1] 閆怡璇.基于PLC模擬控制系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計.西華大學(xué),2012:111.

[2] 李敬兆.張崇巍,基于PLC直接查表方式實現(xiàn)的模糊控制器研究[J],電工技術(shù)雜志,2011年09期:70－80.

[3] 任俊杰.李紅星,李媛,基于PLC和組態(tài)王的過程控制實驗系統(tǒng)[J],實驗室研究與探索,2010年05期:199－200.

[4] 張運波.PLC梯形圖設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)[J],長春工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2010年01期:35－36.

[5] 張文慶.PID算法在PLC模擬量閉環(huán)控制中的實現(xiàn)[J],信息技術(shù),2003年01期:90－91.