鐵路槽車自控裝車系統(tǒng)選型分析

(中國石化 洛陽分公司，河南 洛陽 471012)

鐵路槽車自控裝車系統(tǒng)選型分析

李吉香

(中國石化 洛陽分公司，河南 洛陽 471012)

通過對以定值控制器為控制核心的小鶴管自動(dòng)控制裝車和以PLC為控制核心的小鶴管集中自動(dòng)控制裝車的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)進(jìn)行對比分析，找出合理的小鶴管自控裝車模式，為以后小鶴管自控裝車系統(tǒng)的改造與選型提供依據(jù)。

定值控制器；自控裝車系統(tǒng)

0 概述

鐵路槽車裝車現(xiàn)已逐步由人工看液面、人工進(jìn)行檢尺計(jì)量發(fā)展為自動(dòng)控制裝車。目前國內(nèi)較為常見的兩種小鶴管自動(dòng)控制裝車模式是：集散式自動(dòng)控制裝車系統(tǒng)和集中式自動(dòng)控制裝車系統(tǒng)。

集散式自動(dòng)控制裝車系統(tǒng)是以微處理器(或定值控制器)為基礎(chǔ)的集中分散型控制系統(tǒng)。其主要特性是它的集中管理和分散控制。其基本思路是把集中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分解為分散的控制系統(tǒng)，有專門的過程分散控制裝置，并從模擬電動(dòng)儀表的操作習(xí)慣出發(fā)，開發(fā)人—機(jī)間良好的操作界面，用于操作人員的操作監(jiān)視。同時(shí)，為了使操作站與過程控制裝置間建立數(shù)據(jù)的通信，建立了數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)，使室內(nèi)計(jì)算機(jī)與室外控制器之間的部分?jǐn)?shù)據(jù)能相互傳遞。

PLC集中自動(dòng)控制裝車系統(tǒng)是以PLC為控制核心，其PLC與上位機(jī)采用TCP/IP協(xié)議，用一根網(wǎng)線連接，將PLC采集的各種信息數(shù)據(jù)傳輸給室內(nèi)的計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)顯示并控制操作，PLC的選型與其控制的點(diǎn)數(shù)相對應(yīng)。

1 兩種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制原理

1.1 集散式自動(dòng)控制裝車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集散式自動(dòng)控制裝車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 集散式自動(dòng)控制裝車系統(tǒng)控制原理

圖1 集散式自動(dòng)控制裝車系統(tǒng)

現(xiàn)場控制器自動(dòng)控制裝車系統(tǒng)主要由室內(nèi)PC機(jī)和室外(現(xiàn)場)多個(gè)控制器組成。以分散的現(xiàn)場控制器(科技公司自行研制的單片機(jī)或小型PLC)為控制核心，現(xiàn)場控制器與室內(nèi)上位機(jī)的連接方式采用現(xiàn)場總線方式，由RS-485標(biāo)準(zhǔn)總線來實(shí)現(xiàn)通訊，通訊接口采用光電隔離技術(shù)，總線最多連接64臺(tái)定值控制器?？偩€最大距離為1 200 m，連接電纜為屏蔽雙絞線。系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線，收集現(xiàn)場定值控制器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至中心控制室內(nèi)計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上顯示現(xiàn)場狀態(tài)，并通過計(jì)算機(jī)控制現(xiàn)場定值控制器實(shí)現(xiàn)開關(guān)閥的操作，生成記錄，以供查閱?，F(xiàn)場控制器本身為集成芯片，內(nèi)設(shè)有流量采集芯片、回訊信號(hào)處理芯片、閥門開關(guān)控制芯片等小型單片機(jī)或小型PLC，在控制器上設(shè)有多個(gè)控制按鈕(如設(shè)置、修改、確認(rèn)、復(fù)位、啟動(dòng)等)，每個(gè)按鈕有其特定的功能，可獨(dú)立對單個(gè)鶴位進(jìn)行操作，完成一節(jié)槽車的充裝任務(wù)。現(xiàn)場控制器也可以與室內(nèi)計(jì)算機(jī)結(jié)合，將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)(流量、開關(guān)閥回訊、高液位報(bào)警等)，通過485通訊總線傳輸，由RS-232信號(hào)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換連接至室內(nèi)計(jì)算機(jī)，由室內(nèi)計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)顯示及對現(xiàn)場進(jìn)行批量裝車操作與監(jiān)控。

1.3 PLC集中自動(dòng)控制裝車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC集中自動(dòng)控制裝車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PLC集中自動(dòng)控制裝車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.4 PLC集中自動(dòng)控制裝車系統(tǒng)控制原理

PLC自動(dòng)控制裝車系統(tǒng)的控制部分全部在室內(nèi)，主要由主板和擴(kuò)展單元組成。包括CPU單元、電源單元、ID單元、DO單元、A/D單元等，安裝在室內(nèi)PLC機(jī)柜內(nèi)，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，現(xiàn)場的流量計(jì)信號(hào)、閥門開關(guān)信號(hào)、高液位報(bào)警信號(hào)、現(xiàn)場就緒信號(hào)等通過儀表信號(hào)線接至PLC的輸入端進(jìn)行裝車時(shí)過程控制，包括讀取流量計(jì)信號(hào)，控制閥門裝車等，并保護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行。PLC設(shè)有通訊接口，可與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，將其各種信號(hào)傳送給上位計(jì)算機(jī)，以便遠(yuǎn)端對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控、顯示和管理。

2 兩種控制系統(tǒng)基本性能比較

2.1 兩種系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性比較

影響控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的因素除儀表元件本身的質(zhì)量問題外，主要影響因素有：溫度(高溫或低溫)、濕度、油氣腐蝕、灰塵等。

PLC集中式自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)：因PLC的各類元件及端子柜均在室內(nèi)，其影響儀表元件的使用壽命和工作穩(wěn)定的環(huán)境因素(如溫度、濕度及油氣腐蝕等)穩(wěn)定可控，故系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定。現(xiàn)場控制器集散式自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)：現(xiàn)場控制器的控制核心在現(xiàn)場，而大多數(shù)成品油充裝現(xiàn)場為露天(或簡易棚)，其控制器上各種儀表元件(主板、芯片等)易受到現(xiàn)場環(huán)境的影響，夏季高溫、冬季的低溫均會(huì)對現(xiàn)場控制器的控制誤差造成影響?，F(xiàn)場控制器安裝在現(xiàn)場一個(gè)防爆控制箱內(nèi)，因檢修或維護(hù)經(jīng)常需要開蓋，或因人為因素，控制器蓋蓋不嚴(yán)，會(huì)有油氣進(jìn)入到控制器內(nèi)腐蝕主板及芯片，導(dǎo)致控制器故障。

2.2 兩種系統(tǒng)的系統(tǒng)造價(jià)對比

兩種控制系統(tǒng)所需共同的設(shè)備(如流量計(jì)、裝車鶴管、裝車氣動(dòng)閥、高液位報(bào)警開關(guān)等)在此不計(jì)算在系統(tǒng)造價(jià)中。其中，PLC集中式自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)主要包括：①控制系統(tǒng)組態(tài)費(fèi)用。內(nèi)包括PLC一套(包括CPU、存儲(chǔ)器、電源、各種擴(kuò)展卡件)、相應(yīng)編程軟件、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、PLC機(jī)柜及端子柜數(shù)個(gè)，其鶴位數(shù)不同，PLC選型不同，其卡件數(shù)量不同，報(bào)價(jià)有很大的差異。②多種較大量的信號(hào)電纜、電源電纜及儀表槽盒等材料費(fèi)用。③包括放電纜及安裝儀表槽盒的施工費(fèi)用。現(xiàn)場控制器集散式自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)主要包括：①控制系統(tǒng)的組態(tài)費(fèi)用。內(nèi)包括現(xiàn)場控制器數(shù)個(gè)、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、操作臺(tái)等。②電源電纜1根、信號(hào)電纜1根等材料費(fèi)用。③放電纜的施工費(fèi)用。兩種系統(tǒng)的基本造價(jià)均與現(xiàn)場安裝的裝車鶴位有關(guān)。假設(shè)現(xiàn)場至操作室位置最遠(yuǎn)400 m，最近100 m，現(xiàn)以10個(gè)、20個(gè)及40個(gè)鶴位為例來計(jì)算系統(tǒng)造價(jià)(一些小的耗材不計(jì))。PLC集中式自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)(西門子PLC為例)總造價(jià)為215萬元?，F(xiàn)場控制器集散式自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)(以某公司自行開發(fā)的單片機(jī)為例)總造價(jià)為168.8萬元。

2.3 兩種系統(tǒng)的故障情況對比及系統(tǒng)維護(hù)工作量對比

控制系統(tǒng)的故障一般來自兩個(gè)方面：一方面來自于外部設(shè)備(現(xiàn)場設(shè)備)，另一方面來自內(nèi)部系統(tǒng)的硬件部分。

2.3.1 集中控制系統(tǒng)故障缺陷分析

集中控制系統(tǒng)采用PLC為控制核心，而PLC技術(shù)使用廣泛，制造技術(shù)成熟。根據(jù)PLC控制系統(tǒng)的故障理論分析，其PLC故障點(diǎn)分布圖如圖3所示。

從圖3可以看出，PLC本身的內(nèi)部故障率很低，且PLC對其本身發(fā)生的故障具有一定的自診斷功能，其通過PLC中各單元信號(hào)燈的指示狀態(tài)，可以判定故障原因。因此，PLC控制系統(tǒng)具有故障率低，故障判斷容易、維護(hù)簡單的特點(diǎn)。

2.3.2 分散式控制系統(tǒng)故障分析

分散式控制系統(tǒng)的控制核心一般為某公司自制單片機(jī)，其控制器的組成包括有：控制按鈕、控制芯片(CPU、流量、信號(hào)、高液位報(bào)警等)、接線柱、電源等。其內(nèi)部故障包括控制按鈕故障(5%)、控制芯片故障(90%)、其它故障(5%)。從某公司24個(gè)鶴位的分散式控制系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中發(fā)生故障來分析，主要有以下兩個(gè)方面的缺陷：①系統(tǒng)自診斷功能差，系統(tǒng)故障原因判斷難。系統(tǒng)出現(xiàn)故障表現(xiàn)出來的均為通訊故障，即某一個(gè)控制器出現(xiàn)通訊故障后，在操作室內(nèi)不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。若正在裝車出現(xiàn)通訊故障，順時(shí)流量和累積流量均會(huì)消失，對裝車作業(yè)安全影響很大。其故障現(xiàn)象很簡單，但導(dǎo)致通訊故障的原因卻很多。其中任何一個(gè)按鈕不到位、芯片上有損壞、接線松動(dòng)等都可能導(dǎo)致系統(tǒng)通訊故障，而系統(tǒng)不能自診斷出故障來源。每次故障都要對所有芯片進(jìn)行一次插拔、測量，對所有接線柱進(jìn)行檢查處理等，處理完正常后，卻并不知道問題根源，不能徹底排除故障。且下一次故障還是不知道怎樣正確迅速處理。②定值控制器糾錯(cuò)功能差，系統(tǒng)故障處理時(shí)間長?，F(xiàn)場控制器的傳輸方式為一條信號(hào)線接多個(gè)現(xiàn)場定值控制器。一般情況下，一個(gè)棧臺(tái)同一種裝車作業(yè)敷設(shè)一條信號(hào)線，其每單個(gè)鶴位的控制器信號(hào)線從這條線路上并接?，F(xiàn)場定值控制器主板糾錯(cuò)功能不好，當(dāng)某一個(gè)鶴位(即某一個(gè)控制器)出現(xiàn)故障時(shí)，計(jì)算機(jī)有可能讀取數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，而在其它鶴位上顯示錯(cuò)誤或全體鶴位均顯示故障，導(dǎo)致根本不能正確判斷到底是哪一個(gè)定值控制器出現(xiàn)故障。故每次出現(xiàn)故障時(shí)，要依次逐個(gè)斷開定值控制器來判斷究竟是哪一臺(tái)定值控制器出現(xiàn)了問題，等找到故障定值控制器時(shí)幾個(gè)小時(shí)已過去了，對故障定值控制器檢修又要幾個(gè)小時(shí)去判斷是哪一個(gè)芯片或接線等故障。這樣下來有時(shí)要花兩三天時(shí)間來檢修。

圖3 PLC故障點(diǎn)分布圖

2.4 兩種系統(tǒng)性能比較

從以上分析可以得出兩種系統(tǒng)的性能比較，如表1所示。

表1 兩種系統(tǒng)性能比較

3 結(jié)論

通過兩種系統(tǒng)的優(yōu)劣進(jìn)行分析，我們可以看出，兩種系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在選擇具體的操作系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件合理選擇。筆者認(rèn)為可選擇現(xiàn)場定值控制器集散式自控裝車系統(tǒng)有如下幾種情況：①設(shè)計(jì)能力低于9萬t/a的生產(chǎn)任務(wù)；②操作室位置限制(或只需現(xiàn)場操作)，施工工期緊，鶴位數(shù)少于10個(gè)?？蛇x擇PLC集中自控操作系統(tǒng)的有如下情況：①棧臺(tái)長、出廠生產(chǎn)任務(wù)量大，鶴位數(shù)超過10個(gè)以上，需批量作業(yè)的。②遠(yuǎn)程控制，即操作室與現(xiàn)場超過1.2 km以上的。

2013-12-28

李吉香(1973-)，女，工程師，國家注冊安全工程師，從事安全管理工作，電話：13938807354。

TQ056.22

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1003-3467(2014)02-0051-03