火車定量裝車自動控制系統(tǒng)的設計與應用

張明星，許海梅，劉 峰，李 民

（中國石油克拉瑪依石化公司，克拉瑪依 834003）

某石化公司地處我國西北邊陲，遠離內地消費市場，產品運距長。長期以來，公司生產的產品除成品油依托管道輸送外其它都需要通過汽車運輸，在烏魯木齊中轉后通過鐵路運輸至疆外市場，中轉環(huán)節(jié)多、運輸成本高、運輸周期長，在一定程度上削弱了公司產品的市場競爭力。2010年12月10日，該石化公司鐵路專用線開通運行。為鐵路專用線配套設計的火車定量裝車控制系統(tǒng)也同時投入使用，該系統(tǒng)運算速度快、抗干擾能力強、可擴展性好，實現(xiàn)了火車發(fā)油的自動控制和計算機管理，提高了裝車速度，降低了人員的勞動強度，減少了人為因素的參與，使操作和管理更加完善，有力保證了裝車安全平穩(wěn)準確地進行。

1 系統(tǒng)工作原理

火車定量裝車系統(tǒng)[1]主要由上位機、RS485總線、網絡連接設備、定量裝車儀[2]、RTU、現(xiàn)場儀表、輸油管道、罐車等部分構成。

定量裝車儀是整個系統(tǒng)的核心，完成火車自動裝車和控制。主要完成裝車量大小、監(jiān)控裝車的瞬時流量、閥狀態(tài)、靜電接地狀態(tài)、溢油狀態(tài)以及與上位機通訊等任務。借助RS485總線和網絡連接設備構成集散控制系統(tǒng)，一臺上位機可以管理多套定量裝車儀。上位機軟件主要負責裝車控制和其它工藝流程的監(jiān)控及操作功能。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

該自動控制系統(tǒng)采用二級布網方式，根據石化公司現(xiàn)有管理模式形成以控制室[3]操作站為集中管控單元，現(xiàn)場裝車儀為分散獨立控制單元的集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)預留石化公司上位機通訊接口，以達到整個系統(tǒng)監(jiān)控管理集中、控制風險分散的目的，保證系統(tǒng)安全、環(huán)保、可靠、高效地運行。

新建操作室包括上位機管理系統(tǒng)部分 （1臺工程師站兼操作站、1臺操作站及通訊設備），裝車站（28套定量裝車儀），輔助部分（2套RTU）及現(xiàn)場儀表。工程師站及操作站用于對火車裝車的控制及其它工藝流程的監(jiān)視及操作，系統(tǒng)具有動態(tài)圖形化顯示，數據采集和處理功能，故障報警及生產報表的生成打印功能，通訊功能。

定量裝車儀采用一機兩位的方式，即一套裝車儀控制2個鶴位分時或同時裝車；裝車儀與上位機的通訊通過以太網來實現(xiàn)，即現(xiàn)場通過RS485總線的方式把28套裝車儀分為4組分別掛在RS485總線上，然后通過RS485－TCP／IP轉換器，連接到以太網上。

在裝車棧橋附近設一個遠程RTU，用于對裝車區(qū)域及泵房的傳感器[4]、變送器、泵、閥門等狀態(tài)信號的采集、運算以及生產過程的自動化控制。由于RTU離控制室距離比較遠，所以RTU采用光纖通訊方式與上位機通訊。整個控制系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

3 工程軟件設計

在硬件及通訊[5]上采用冗余配置，提高系統(tǒng)的可靠性，在軟件設計上采用急停、防溢、防靜電聯(lián)鎖保護，順序控制等技術來保證整個裝車過程的平穩(wěn)運行，防止罐車超裝，避免冒罐等事故的發(fā)生。程序設計對重要的參數和重要的操作進行歷史趨勢和報警記錄，可以實現(xiàn)故障的追溯和事故原因的分析，便于用戶總結經驗，提高故障處理能力和水平。同時對重要操作設置相應的權限保護，根據身份選擇用戶名及密碼進入系統(tǒng)，避免非正常用戶操作，確保操作的準確性，提高整個系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。

圖1 控制系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure diagram of the control system

3.1 下位機程序軟件及設置

下位機編程軟件[6]采用VersaPro2.04，該軟件支持多種編程語言，除了具有一般編程軟件的功能外還能在RUN模式下下載程序，并能進行在線梯形圖比較以及具備完善的幫助等強大功能。邏輯程序采用梯形圖語言RLD，根據裝車控制需要，對程序段進行科學規(guī)劃，能重復使用預配置指令和圖形目標，把實現(xiàn)同一功能的不同設備的程序做成功能塊，通過主程序調用功能塊實現(xiàn)不同設備的控制功能，提高了系統(tǒng)的可維護性和可擴展性。

3.2 上位機監(jiān)控軟件及設置

上位機用于工藝流程的操作及監(jiān)視，設備狀態(tài)的監(jiān)視、設備故障的監(jiān)視及確認，圖形化動態(tài)顯示，現(xiàn)場檢測點的顯示、檢測和報警，工藝參數的設定、閥門的遠程控制、過程趨勢的顯示及存儲、故障及生產報表打印等。上位機監(jiān)控軟件采用iFix[7]，iFix是全球領先的自動化監(jiān)控組態(tài)軟件，能提供生產操作的過程可視化、數據采集和數據監(jiān)控。同時iFix可以幫助用戶精確地監(jiān)視、控制生產過程，并優(yōu)化生產設備和企業(yè)資源管理。iFix系統(tǒng)結構靈活，方便擴展系統(tǒng)規(guī)模，具有良好的擴展性和集成性。iFix最大限度地發(fā)揮在線組態(tài)功能，進行組態(tài)修改時無需關閉或重新啟動iFix，不影響正常生產過程，界面友好的多用戶開發(fā)與組態(tài)環(huán)境適用于工程協(xié)同，提高生產率，提高用戶收益，該人機界面實現(xiàn)如下功能。

1）工藝流程畫面顯示

該系統(tǒng)動態(tài)顯示現(xiàn)場裝車系統(tǒng)的工藝流程，動態(tài)顯示生產過程中的物料流向，顯示各種生產操作流程，采集裝車現(xiàn)場設備狀態(tài)、流量等參數，并以數字、棒圖、表格等形式反映數據變化。有總貌圖、分區(qū)圖、單罐圖、測點圖等畫面。根據生產需要，操作人員可以在操作室通過鍵盤、鼠標修改控制值、調整工藝參數。

2）報警

對生產過程中出現(xiàn)的故障及一些重要參數進行聲光報警，提醒操作人員。報警根據嚴重性和輕重緩急劃分為不同的報警級別，不同級別的報警具有不同的表現(xiàn)形式。點擊報警記錄按鈕，能顯示報警記錄窗口，通過報警記錄窗口可以查看報警情況，同時通過權限設置可以修改儀表等報警限值，顯示并確認報警。生成報警數據庫，查詢并生成相應的報警報表。

3）趨勢

點擊趨勢按鈕，查看實時趨勢和歷史趨勢畫面并顯示趨勢信息，歷史趨勢可根據需要設計成 8 h、24 h、1周和1月的趨勢。

4）發(fā)液控制

進入流程圖畫面后，在參數畫面輸入二級密碼后才能進行相應的參數設定，根據相應設定可生成發(fā)液單據并打印輸出；顯示自動裝車系統(tǒng)閥門、泵、流量計等設備的相關狀態(tài)；發(fā)液相關數據自動記錄及數據庫生成；生成并輸出發(fā)油報表；遠程監(jiān)控發(fā)液過程；可在工藝流程畫面上控制裝車臺現(xiàn)場設備。具體發(fā)液控制流程圖如圖2所示。

圖2 發(fā)液控制流程圖Fig.2 Flow chart of refined oil distribution control

5）數據處理及報表

系統(tǒng)可對采集的數據進行分類、統(tǒng)計、計算等；系統(tǒng)可生產班、日、月、季、年等各類報表；系統(tǒng)提供查詢接口，可以按一個或多個查詢條件查詢數據庫并形成相應的報表。

6）系統(tǒng)自診斷

系統(tǒng)故障自診斷，顯示系統(tǒng)故障位置、類型、時間等信息，便于維護和維修。

7）安全管理

通過賬號管理機制，限制不同人員的訪問權限來實現(xiàn)系統(tǒng)安全。該控制系統(tǒng)中設置了3個級別的訪問權限，不同的操作員具有不同的操作員代碼和口令，口令和操作代碼可修改。系統(tǒng)的一些重要的相關操作均要驗證操作員代碼和口令，這些操作發(fā)生時系統(tǒng)將自動記錄操作員代碼、操作開始時間和結束時間以及操作內容，防止非法操作。

8）通訊功能

上位機與信號采集及控制設備 （定量裝車儀）之間通過RS485通訊網絡及相應的通訊協(xié)議來達到數據采集、裝車管理和流程控制的功能。

4 定量裝車儀功能

定量裝車儀是實現(xiàn)定量自動裝車的核心設備。其主要功能是對發(fā)油過程進行程序控制和安全聯(lián)鎖，定量裝車儀完成的主要功能如下：

1）參數設置功能

裝車儀可以根據發(fā)油需要，通過遠程監(jiān)控計算機或裝車儀設定發(fā)油參數。這些參數包括：流量系數、提前量、開閥延遲時間、流體密度等與發(fā)油有關的參數。

2）定量發(fā)液控制

定量裝車儀在接收到上位機下單或者現(xiàn)場輸入提液數量后，開始進行自檢并檢測現(xiàn)場靜電的狀態(tài)，待一切正常后，現(xiàn)場按啟動按鈕開始裝車，現(xiàn)場手動啟泵（根據現(xiàn)場要求也可由定量裝車儀發(fā)出啟泵信號），同時分段開啟裝車閥，開始正常裝車、流量計開始計量，同時液位開關開始監(jiān)測高液位，待裝車達到設定提前量，裝車閥開始分段關閉，并保持極小恒流，當裝車達到最后設定提前量或高液位時，關泵，關閥，裝車結束。

3）靜電接地保護功能

當檢測到系統(tǒng)沒有安全接地時，禁止啟動發(fā)液，如正在發(fā)液過程中，則系統(tǒng)自動緊急停止發(fā)液。

4）掉電保護功能

發(fā)液過程中出現(xiàn)意外掉電時可保存當前所有發(fā)液參數，待通電后可繼續(xù)發(fā)液。

5）數據采集功能

定量裝車儀可采集流量脈沖信號或標準電流信號、各種閥門的標準信號及開關量信號，還可接入靜電接地夾等開關信號。

6）閥門和泵的順序控制功能

在裝車開始時按預定時間順序依次打開裝車閥及泵，裝車到定量時再按照預定的時間和順序依次關裝車閥及泵，完成自動裝車作業(yè)。

7）現(xiàn)場急停功能

定量裝車儀和遠程監(jiān)控畫面上均應設有急停按鈕，若發(fā)油時現(xiàn)場發(fā)生緊急情況，操作員只需按急停按鈕即可立即停止發(fā)液。

8）遠程和就地實時監(jiān)視功能

定量裝車儀配有高亮度液晶顯示屏，就地操作時，實時顯示發(fā)液進程和相關設備的狀態(tài)，遠程操作時，遠程監(jiān)控計算機與定量裝車儀同步實時顯示發(fā)液進程和相關設備的狀態(tài)。

9）遠程/就地發(fā)油模式轉換功能

一般正常情況下均通過上位機遠程發(fā)液，也可根據需要在現(xiàn)場直接發(fā)液，本系統(tǒng)中每臺定量裝車儀是一個完整的計量、控制和顯示單元，獨立于上位機。

5 使用效果

該定量裝車系統(tǒng)自2010年12月正式投用以來，由于系統(tǒng)的高可靠性、多重安全設計、靈活的聯(lián)網功能以及高效的裝車速度保證了油品的及時出廠，降低了職工的勞動強度；由于采用了一系列先進安全的保護措施杜絕了裝車過程中的跑、冒現(xiàn)象；同時由于采用的是鶴管全密閉裝車，實現(xiàn)了揮發(fā)介質的密閉裝車，良好的工作環(huán)境保障了員工的身體健康和周圍環(huán)境。

6 結語

由定量裝車儀及其附屬設備構成的火車定量裝車系統(tǒng)實現(xiàn)了整個系統(tǒng)監(jiān)控管理集中、控制風險分散的目的，確保了系統(tǒng)安全高效運行，尤其對公司來說減少了中間中轉環(huán)節(jié)，提高了公司產品的市場競爭力。該系統(tǒng)投用以來，由于系統(tǒng)硬件采用了模塊化設計，易于維護[8]，系統(tǒng)日常維護量小，操作簡單，安全可靠，總體運行效果良好，滿足了火車裝車的需要，值得在各種汽車[9]、火車鶴管裝車等行業(yè)推廣應用。

[1]AWZ型隔爆型分布式定量裝車控制儀使用介紹[Z].奧圖威爾科技，2010.

[2] 陸德民.石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京：化學工業(yè)出版社，2000.

[3] 王同堯.SH/T 3006-2012石油化工控制室設計規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，2013.

[4] 黃步余，李麗華.SH3005-1999石油化工自動化儀表選型設計規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，1999.

[5] 王樹清，樂嘉謙.自動化與儀表工程師手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[6] 邱宣振.工程自動化設計應用手冊[M].北京：國際科教文出版社，2004.

[7] 翟天嵩，劉尚爭.iFIX基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2013.

[8] 樂嘉謙.儀表工手冊[M].2版.北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[9] 劉興全，隋雪剛，董有智，等.柴油定量裝車系統(tǒng)的設計與應用[J].石油化工自動化，2011，47（1）：78-81. ■