鶴管定量裝車控制系統(tǒng)的開發(fā)和研究

劉曉雷

[摘 要] 燃料乙醇是一種可再生的綠色能源，可作為新的燃料替代品，按一定的比例與汽油混合使用，能有效地降低機動車輛有害氣體的排放，減少對不可再生資源石油的依賴，保證國家能源安全。提高鶴管定量裝車控制系統(tǒng)的自動化程度是提高燃料乙醇儲運效率的主要辦法，也是提高燃料乙醇生產企業(yè)效益的必要手段。

研究以火車棧橋罐裝燃料乙醇為背景開發(fā)鶴管定量裝車控制監(jiān)控系統(tǒng)。通過對燃料乙醇裝車工藝的分析和研究，確定了監(jiān)控系統(tǒng)的控制對象和控制目標，設計出滿足工藝要求面向用戶的監(jiān)控系統(tǒng)。解決了工業(yè)領域的穩(wěn)定性問題。

研究給出鶴管定量裝車控制監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計方案和系統(tǒng)硬件組態(tài)，通信配置方案及程序的開發(fā)方案。說明了基于WINCC flexible組態(tài)軟件的上位機監(jiān)控程序的開發(fā)過程。友好的人機界面使得監(jiān)控系統(tǒng)的操作更加方便、簡捷。應用西門子S7-300系列型號的PLC為下位機，通過STEP 7軟件進行開發(fā)和編程，實現(xiàn)了現(xiàn)場信號的采集、處理及邏輯控制功能。

[關鍵詞] 鶴管定量裝車；可編程控制器；組態(tài)軟件；監(jiān)控系統(tǒng)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 13. 031

[中圖分類號] TP311 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2017）13- 0075- 05

1 前 言

1.1 鶴管定量裝車控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

燃料乙醇作為一種綠色可再生能源，是燃燒清潔的高辛烷值燃料。燃料乙醇經變性后與汽油按一定比例混合可制成車用燃料乙醇汽油。隨著國內燃料乙醇產量的逐年增長，燃料乙醇的存儲和運輸就顯得尤為重要。由于燃料乙醇運輸量較大，因此多采用鐵路槽罐車運輸方式。國內鐵路大鶴管定量裝車控制系統(tǒng)普遍是人工付油，手工檢尺，根據(jù)公式換算得到燃料乙醇的質量。由于人工測量操作帶來的誤差無法避免，致使灌裝量不穩(wěn)定。因此發(fā)展和完善鐵路鶴管裝車設備具有十分重要的意義。

1.2 燃料乙醇鶴管定量裝車存在的主要問題

國內燃料乙醇裝車系統(tǒng)大多有以下幾個方面存在一定的不足：

（1）自動化水平不高。

（2）可靠性及安全性設計不理想。

（3）自動化管理水平低。

1.3 研究的目的

本文研究的目的，是為了克服人工操作、管理帶來的弊端，減少環(huán)境污染，提高儲運中心的管理作業(yè)效率和燃料乙醇生產企業(yè)的整體效益，適應經濟發(fā)展的需求，實現(xiàn)燃料乙醇運輸和管理的自動化、標準化、程序化。

1.4 研究的意義

本文研究的意義是：我國較大規(guī)模的燃料乙醇生產設備也是近十年內才開始興建，因此開發(fā)適合我國國情的燃料乙醇鶴管定量裝車控制系統(tǒng)就變得非常有意義。自動化高效的裝車，精準的測量都將帶來經濟效益的提高，會推動燃料乙醇儲運和運輸?shù)淖詣踊降陌l(fā)展，進而推動燃料乙醇生產行業(yè)的發(fā)展。

1.5 本文研究的主要內容

（1）在了解燃料乙醇鶴管定量裝車控制系統(tǒng)工藝的基礎上確定控制方案。

（2）通過對鶴管定量裝車控制系統(tǒng)工藝過程的分析，對其所需設備進行選擇。

（3）設計并實現(xiàn)上位機監(jiān)控軟件WINCC flexible中過程信息的集中顯示和處理。

（4）通過下位機軟件西門子STEP 7開發(fā)PLC程序，實現(xiàn)自動化控制功能。

2 鶴管定量裝車工藝

鐵路大鶴管定量裝車過程中，主要由管線、泵、儲罐三部分構成。燃料乙醇由裝車總管再由儲罐輸送到大鶴管。燃料乙醇火車槽罐車先由被安裝在鐵軌下的電動小爬車帶動進行和大鶴管的粗對位，再由對位系統(tǒng)將大鶴管進行精準對位，然后操作控制機構，下降大鶴管到槽罐車內，打開管路閥門，燃料乙醇經大鶴管注入火車槽罐車內，當槽罐車裝滿時，關閉管路閥門。操作控制機構將鶴管收起，然后將火車槽罐車口蓋好，啟動電動小爬車，進行下一節(jié)槽罐車的裝車。裝車操作分為手動方式和自動方式。

3 系統(tǒng)設計方案

3.1 系統(tǒng)構成

一個較成熟的系統(tǒng)應具備以下特點：第一，必須具有適用于工業(yè)現(xiàn)場的硬件結構，能與監(jiān)控機組成高可靠性的系統(tǒng)；第二，系統(tǒng)不論處于何種運行狀態(tài)時，都應能保存數(shù)據(jù)；第三，系統(tǒng)應具有符合生產實際狀況和實用的診斷功能?；谝陨峡紤]，結合燃料乙醇鶴管定量裝車過程的工藝特點和技術要求，系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術，實現(xiàn)PLC和工控機觸屏及現(xiàn)場設備的集中管理和分散控制。系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。

3.2 過程監(jiān)控系統(tǒng)配置

燃料乙醇鶴管定量裝車過程控制系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能：采集現(xiàn)場信號和過程信號，并進行顯示和完成系統(tǒng)設置，實現(xiàn)過程的監(jiān)視和控制。過程控制計算機采用SIEMENS 觸屏為操作站，為解決現(xiàn)場電磁干擾和滿足數(shù)據(jù)交換，采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線和西門子S7-300進行通信，能有效地將現(xiàn)場控制設備與上位組態(tài)軟件構成一個完整可靠的系統(tǒng)。

3.3 設備控制級系統(tǒng)設計

設備控制級主要由PLC、傳感器、變送器和執(zhí)行器等組成，其功能主要是對燃料乙醇鶴管定量裝車系統(tǒng)進行定量控制，對過程參數(shù)和狀態(tài)進行采集和處理，實時過程控制和報警，對監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)上傳，接受控制指令與控制設定。PLC系統(tǒng)模塊布置如圖2所示。

根據(jù)過程工藝控制要求。參考SIEMENS S7-300系列PLC配置過程處理參量與狀態(tài)數(shù)，將所有過程信號引入PLC控制柜（正壓防爆儀表防爆操作臺）。

4 PLC在定量裝車系統(tǒng)中的作用

4.1 PLC概述

早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。

4.1.1 PLC的特點

（1）編程方法簡單易學。

（2）功能強，性能價格比高。

（3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強。

（4）可靠性高，抗干擾能力強。

（5）系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少。

（6）維修工作量小，維修方便。

（7）體積小，能耗低。

4.1.2 PLC的基本組成

PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成如圖3所示。

4.2 西門子S7-300系列PLC特點

SIMATIC S7系列PLC是德國西門子公司推出的性能價格比較高的PLC系列。采用了模塊化、無排風扇結構。根據(jù)系統(tǒng)要求，可以增加模塊，對PLC進行擴展。S7-300不需要附加任何硬件、軟件和編程，就可以建立一個MPI網絡，如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一個DP網絡。CPU斷電后無需備用電池也可以長時間保持動態(tài)數(shù)據(jù)。S7-300有很高的電磁兼容性和抗震動抗沖擊能力。有更強的耐振動和耐污染性能。

4.3 STEP 7編程軟件

4.3.1 STEP 7簡介

STEP 7編程軟件是用于編程、監(jiān)控和參數(shù)設置的標準工具。為了在個人計算機上使用STEP 7，應配置MPI通信卡或PC/MPI通信適配器，將計算機連接到MPI或PROFIBUS網絡，來下載和上載PLC的用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)。

4.3.2 STEP 7編程功能

STEP 7的標準版配置了3種基本的編程語言：梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）和語句表（STL）。

4.4 PLC控制與程序的開發(fā)

4.4.1 項目的創(chuàng)建

首先要創(chuàng)建一個項目，在項目中組態(tài)編寫程序。在（File）菜單下單擊（New），可以直接創(chuàng)建一個新項目。雙擊打開（SIMATIC Manager），單擊工具菜單上的（INSERT），指向（Station）添加SIMATIC 300 Station。

4.4.2 硬件組態(tài)及參數(shù)設置

在大鶴管程序建立后，需要對控制器進行參數(shù)的設置。參數(shù)的設置嚴格按照CPUS7-300型號和配置。

開始硬件組態(tài)，單擊（SIMTIC 300），雙擊右側顯示的（硬件），進入硬件組態(tài)畫面。先要選擇底板（從右側選項庫中拖入左側），然后再從畫面右側將相應的硬件拖入底板槽位上即可。

4.4.3 程序設計

主要用梯形圖來完成下位機的程序編寫，它的功能是實現(xiàn)各種控制要求和控制系統(tǒng)的各種保護功能：

（1）程序完成小爬車前進和后退任務，將槽罐車與大鶴管進行粗對。

（2）使用頻率測量的方法，完成對燃料乙醇的質量計量，瞬時流量以及累計流量。

（3）通過使用SR置位復位觸發(fā)器，來完成鶴管及收油斗的控制。

（4）完成對閥體的控制。

4.4.4 通信設置

在SIMATIC Manager中的硬件組態(tài)中，單擊CPU314C-2DP中的DP，右鍵屬性在Interface方框中單擊Properties進入新建PROFIBUS通信設置，Address選擇3，通信波特率選擇1.5M用于CPU與觸屏之間的通信。

5 WinCC flexible的應用與監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

5.1 組態(tài)軟件的定義

組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件。譯自英文SCADA，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制 （Supervisory Control and Data Acquisition），亦稱人機界面或HMI/MMI（Human Machine Interface/Man Machine Interface）軟件。

5.2 用WinCC flexible開發(fā)組態(tài)軟件

5.2.1 項目的建立

雙擊啟動SIMATIC WinCC flexible管理器，創(chuàng)建項目前要進行設備選擇，選擇設備觸屏。為該監(jiān)控系統(tǒng)建立一個用戶項目。

5.2.2 鶴管裝車主畫面設計

首先在WinCC flexible管理器設備中的畫面文件夾內添加畫面，名稱分別為：起始頁、設備操作、工藝流程、生產參數(shù)設置、生產記錄和操作說明。

5.2.3 鶴管裝車生產參數(shù)設置畫面設計

自動裝車過程以觸摸屏為主要操作對象，其中觸摸屏的操作可分為設備操作和生產參數(shù)設置。付油作業(yè)前，需首先檢查下列各種設備是否處于“就緒狀態(tài)”，操作人員檢查以上設置正確后方可執(zhí)行，進入“生產參數(shù)設置”畫面，根據(jù)實際裝車量來設定裝車參數(shù)，正確設置。以上操作完成后，按確認鍵。

5.2.4 鶴管裝車設備操作畫面設計

自動裝車操作，返回主菜單，點擊進入設備操作面板，進入“設備操作面板”畫面。根據(jù)工藝所規(guī)定的情況，按切斷閥鍵作為常開閥。按回流閥開鍵，打開回流閥，開乙醇泵，開始回流。按液壓泵開，啟動液壓油泵。按爬車前進鍵，將槽車與鶴管粗對位；按住鶴管向東或鶴管向西鍵使鶴管與槽車口精確對位；到位后松開該按鍵即可。按油斗提起鍵提起收油斗，到位后按鶴管下降，當鶴管下降到位后會在“當前車次”和“預置量”顯示域中有數(shù)值顯示。操作員判定屏幕上顯示的數(shù)值正確后，按裝車確認鍵，開始自動化過程： 自動打開1#兩段閥，關閉回流閥， 罐裝開始，計算機自動累積付油量；當累積值達到設定值時，自動打開回流閥，先關閉兩段閥一段（半關），當一段關閉數(shù)秒后，再關閉兩段閥二段（關100%），裝車結束。鶴管自動上升，收油斗自動收回。如圖4所示。

5.2.5 裝車數(shù)據(jù)查詢界面設計

根據(jù)工藝生產及計量統(tǒng)計的要求，設計可以存儲7天的裝車數(shù)據(jù)歷史。在批次查詢中輸入想要查詢的批次號碼，然后點擊查詢確認按鈕，畫面中就會顯示所查批次的每車的車號、預裝量和實際裝車量。如圖5所示。

5.2.6 WinCC flexible項目通信配置

在WinCC flexible管理器中，選擇“通信”文件夾中的“連接”右鍵“打開編輯器”，在右側點擊“通信驅動程序”選擇SIMATIC S7 300/400，“在線”選擇開。在MP277 的接口選擇IF1 B.在HMI設備中，波特率選擇1 500 000，網絡中的配置文選擇DP。這樣就完成了觸屏同PLC的通信配置。

6 結 語

本文以實際工程項目為背景，論述了鶴管定量控制裝車的工藝流程和國內外上位機的現(xiàn)狀和展望，從理論上對工藝進行了分析，明確了控制目的和需要在系統(tǒng)中實現(xiàn)的功能。在PLC程序和上位機監(jiān)控軟件的開發(fā)過程中，總結如下：

（1）采用西門子公司的SIMATIC S7-300系列作為下位機，使整個系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性。真正實現(xiàn)了現(xiàn)場層現(xiàn)代化和自動化。

（2）將PLC和組態(tài)軟件應用在工業(yè)控制的場所中，更好地保證了系統(tǒng)的可靠性，并且提高了工作效率，同時也滿足了安全生產的需要。

（3）利用WinCC flexible軟件開發(fā)的上位機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對鶴管定量裝車控制系統(tǒng)所有重要參數(shù)的顯示和處理功能，對需要記錄的參數(shù)進行了保存。能幫助操作人員及時地了解設備的運行狀態(tài)，制訂合理的維修計劃、降低故障率方面具有重要意義。

主要參考文獻

[1]錢瑞華.自動裝車控制系統(tǒng)應用問題考慮[J].醫(yī)藥工程設計，2007，28（6）：63-65.

[2]蔣慶淵.定量自動裝車技術在液態(tài)類物料鶴管裝車系統(tǒng)中的應用[J].當代化工，2007，36（1）：53-55.

[3]張霆.火車自動定量裝車控制系統(tǒng)的開發(fā)和研究[D].大連：大連理工大學，2008.

[4]劉鍇，周海. 深入淺出西門子S7-300PLC[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[5]廖常初. 大中型PLC應用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[6]廖常初. PLC編程及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.