自升式平臺(tái)基于PLC的閥門智能控制系統(tǒng)分析

馬振超，李會(huì)通，申秋華

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司；2.海軍勤務(wù)學(xué)院，天津 300450）

不同閥門在自升式平臺(tái)上應(yīng)用廣泛，平臺(tái)上一些液體、氣體都需要可靠的控制技術(shù)控制閥門，一些自動(dòng)化程度較低的平臺(tái)中，其閥門控制主要以人工方式運(yùn)行，工作人員手動(dòng)操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率較低，且操作平臺(tái)高溫、高壓，人工操作存在一定安全隱患，應(yīng)將自升式平臺(tái)重要且人工操作不便的閥門設(shè)計(jì)自動(dòng)智能控制，值班室進(jìn)行遠(yuǎn)程控制及集中管理，提高閥門控制可靠性和安全性，也間接減少生產(chǎn)中人力成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)配置及控制

PLC 被稱為可編程控制器，其可以和互聯(lián)網(wǎng)連通使用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線操作，對生產(chǎn)過程科學(xué)控制。自升式平臺(tái)閥門智能控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為支持，結(jié)合PLC 控制器技術(shù)，輸入閥門實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，以網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)送命令，組成整個(gè)系統(tǒng)。之后，控制閥門驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)閥門智能控制。此外，可以通過開度對流量換算，按照流量多少控制閥門需要開的程度，滿足生產(chǎn)需求，值班室對閥門參數(shù)觀測采集，傳輸控制。

針對系統(tǒng)運(yùn)行需求，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用通用的西門子S7-200PLC 為控制系統(tǒng)核心，控制器自身功能強(qiáng)大，且設(shè)計(jì)合理，價(jià)格低廉，在不同生產(chǎn)系統(tǒng)中都有廣泛應(yīng)用。將PLC控制器和控制中心建立RS485 通信協(xié)議，系統(tǒng)則采用CPU224模塊設(shè)計(jì)，模塊中包含數(shù)字量輸入14 個(gè)，數(shù)字量輸出10 個(gè)，并設(shè)置PORT0PORT1 兩個(gè)串行通信端口。閥門控制反饋信號(hào)上，擴(kuò)展模擬量輸出模塊EM231，便于閥門開度信號(hào)精準(zhǔn)采集。此外，PORT1 可設(shè)置自由口，以此采集電壓、電流。PORT0 則和控制系統(tǒng)液晶屏、控制中心計(jì)算機(jī)相互連接，以RS485 進(jìn)行通信，將設(shè)備通信模式設(shè)置MPI 模式，波特率為19.2kbit/s。

閥門遠(yuǎn)程智能控制可采用集控手動(dòng)、集控自動(dòng)兩種方式。

（1）集控手動(dòng)操作簡單，用戶在控制中心液晶顯示屏頁面控制啟動(dòng)或停止。

（2）集控自動(dòng)操作更加簡單，且控制精度高，用戶以閥門開度輸入具體開度值，啟動(dòng)后，系統(tǒng)自動(dòng)按照編程閉環(huán)運(yùn)動(dòng)。但是，采用集控自動(dòng)方式PLC 系統(tǒng)復(fù)雜。

PLC 運(yùn)行后，系統(tǒng)檢查閥門開度位置，若閥門屬行程中某位置，則設(shè)定閥門開度值及當(dāng)前位置數(shù)值的比較，判斷閥門開啟或關(guān)閉。

2 系統(tǒng)軟件分析

軟件以模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，程序按照固定模塊有序運(yùn)行。此外，系統(tǒng)融入錯(cuò)誤及故障判斷，產(chǎn)生錯(cuò)誤后立刻判斷，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。PLC 系統(tǒng)軟件可開機(jī)自檢或循環(huán)自檢。開啟系統(tǒng)電源，程序?qū)鞲衅鬏斎胄盘?hào)、實(shí)際狀態(tài)反饋等進(jìn)行全面檢測，確保各個(gè)子系統(tǒng)信號(hào)無誤，運(yùn)行閥門控制系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行中，程序也對各個(gè)輸入信號(hào)、反饋信號(hào)自檢（循環(huán)自檢）。自檢中，將子系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)傳遞給中心計(jì)算機(jī)記錄分析，若發(fā)現(xiàn)異常情況，中心計(jì)算機(jī)發(fā)出命令停止運(yùn)行并發(fā)出警報(bào)。

PLC 系統(tǒng)先運(yùn)行主程序，初始化后采集數(shù)據(jù)，控制子程序運(yùn)作。以PORT1 采集數(shù)據(jù)，初始化程序后進(jìn)行終端參數(shù)配置，參數(shù)設(shè)置上，SMB186-SMB194 和控制、讀取上的接收信息對應(yīng)，SMB130 則讀取程序，以通訊端口配置，自由口操作，提供通訊協(xié)議支持。同時(shí)，以寄存器完成對波特率，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地質(zhì)、數(shù)據(jù)空閑時(shí)間等參數(shù)設(shè)置。

主程序設(shè)計(jì)，設(shè)置起始地址VB1100，電流、電壓讀取存在程序數(shù)據(jù)塊內(nèi)，讀取指令，發(fā)送指令，PLC 接收數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到VB1120 空間，數(shù)據(jù)按照字節(jié)讀取。智能控制落實(shí)時(shí)，啟動(dòng)運(yùn)行，主程序調(diào)動(dòng)子程序，檢測傳感器，判斷實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行各項(xiàng)控制，具體操作如下：系統(tǒng)自檢，無誤后設(shè)置閥門開度值，啟動(dòng)閥門，之后檢查閥門載荷、過流、過壓保護(hù)是否正常，若不正常，系統(tǒng)停止，若各項(xiàng)指標(biāo)正常，讀取此時(shí)閥門開度值，系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)閥門開度，判斷開度值和預(yù)先設(shè)置的開度值是否一致，若不一致，則再次檢測閥門載荷、過流、過壓保護(hù)等，若一致，則系統(tǒng)停止。

程序運(yùn)行后，可執(zhí)行開關(guān)控制命令。電機(jī)載荷在運(yùn)行中變化較大，可在軟件中融入載荷異常保護(hù)機(jī)制，通過載荷傳感器，對電機(jī)的運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測電機(jī)負(fù)載H，保障閥門運(yùn)行安全。

自升式平臺(tái)閥門啟動(dòng)后，容易產(chǎn)生較大沖擊，有較大負(fù)載。為實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的科學(xué)保護(hù)，需在對設(shè)備調(diào)試的過程中，就測試閥門的啟動(dòng)負(fù)載及最小啟動(dòng)負(fù)載，計(jì)算開關(guān)之后，設(shè)備承受的最大負(fù)載。計(jì)算各項(xiàng)負(fù)載參數(shù)后，在軟件當(dāng)中輸入數(shù)據(jù)，通過延時(shí)、極限判斷，盡可能減少設(shè)備負(fù)載，保證閥門可以正常啟動(dòng)并運(yùn)行。閥門啟動(dòng)，進(jìn)入延時(shí)序列，延時(shí)期間實(shí)際負(fù)載大于啟動(dòng)負(fù)載，則判斷為啟動(dòng)不正常，設(shè)備停機(jī)修復(fù)。閥門正常運(yùn)行中，若發(fā)現(xiàn)負(fù)載小于最小負(fù)載或大于最大負(fù)載，則表明閥門運(yùn)行錯(cuò)誤，都需停機(jī)進(jìn)行檢查。系統(tǒng)運(yùn)行中主要實(shí)時(shí)采集閥門開度數(shù)據(jù)，開關(guān)是否到位、電機(jī)電壓、電流等是否正常等，發(fā)現(xiàn)一項(xiàng)數(shù)據(jù)異常，及時(shí)停止系統(tǒng)仔細(xì)檢查。軟件設(shè)計(jì)中融入系統(tǒng)自鎖及互鎖功能，若系統(tǒng)自檢存在故障，系統(tǒng)自動(dòng)鎖定，停止閥門，直到故障排除之后才能再次啟動(dòng)控制系統(tǒng)。

在控制臺(tái)方面，主要顯示系統(tǒng)實(shí)際狀態(tài)，便于管理人員進(jìn)行操作管理。操作面板設(shè)計(jì)要盡可能人性化，考慮到人機(jī)互動(dòng)的聯(lián)系性，應(yīng)盡可能優(yōu)化人際操作界面。工作人員在工作現(xiàn)場輸入個(gè)人用戶賬號(hào)密碼后，登錄系統(tǒng)，可控制系統(tǒng)執(zhí)行操作。同時(shí)，得到閥門開度、電機(jī)電壓、電機(jī)電流等多方面信息，便于用戶分析數(shù)據(jù)、控制現(xiàn)場。

3 WinCC 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC 控制系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，將控制內(nèi)容傳遞到上位機(jī)，上位機(jī)采用通用工控計(jì)算機(jī)，展示出閥門的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)及控制情況，對故障問題及時(shí)報(bào)警，明確故障的發(fā)生范圍、處理方式。組態(tài)軟件通過西門子WinCC6.0 的視窗作為自升式平臺(tái)的控制中心，主要通過此視窗可以建立圖形、監(jiān)控及故障等畫面，將其建立圖形和內(nèi)部管理的示意圖，通過系統(tǒng)的組態(tài)，可以將實(shí)際生成的應(yīng)用軟件傳遞到對應(yīng)的控制閥門處，落實(shí)科學(xué)閥門控制。

4 系統(tǒng)抗干擾及可靠性分析

以PLC 技術(shù)支持的自升式平臺(tái)閥門智能控制系統(tǒng)，其發(fā)揮PLC 技術(shù)穩(wěn)定、安全的自動(dòng)控制特點(diǎn)，可代替管理人員完成一些危險(xiǎn)性控制工作，并減少人工成本，適用于環(huán)境惡劣的控制系統(tǒng)。但是，在其實(shí)際應(yīng)用中，需提供電力支持，提供接地及電磁屏蔽，做好抗干擾設(shè)計(jì)準(zhǔn)備。系統(tǒng)自身通過自帶的電池容量UPS 供電，及時(shí)在突發(fā)斷電的情況下，PLC 控制系統(tǒng)仍不受影響，可及時(shí)關(guān)閉閥門，減少不必要的故障及事故發(fā)生概率，且可確保供電不發(fā)生意外間斷。同時(shí)的，采用獨(dú)立、并行及串行等多種方式，保證設(shè)備接地良好，將電信號(hào)線和動(dòng)力線互相分開，單獨(dú)敷設(shè)，做好電纜敷設(shè)保護(hù)。系統(tǒng)對控制性指令的要求較高，為確保系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和安全性，需重視系統(tǒng)安全控制和智能化控制，設(shè)置應(yīng)急程序，在通訊方面，采取光纜通信或電纜通信，提高通信質(zhì)量和效率。

此外，系統(tǒng)為確保整體生產(chǎn)的合理可靠，設(shè)置自鎖和互鎖功能，一旦發(fā)生故障意外，系統(tǒng)智能選擇自鎖或互鎖，保護(hù)系統(tǒng)及設(shè)備。例如，在運(yùn)行中若閥門軟件的設(shè)定開度已經(jīng)超出最大開度，則系統(tǒng)開啟自鎖功能，自動(dòng)鎖定，不再啟動(dòng)開啟閥門系統(tǒng)。閥門實(shí)際運(yùn)行中，為避免電機(jī)方向發(fā)生意外改變，對電機(jī)設(shè)備造成較大破壞，軟件可實(shí)現(xiàn)互鎖功能，避免電機(jī)受到較大沖擊，發(fā)生損壞。閥門打開的過程中，無法啟動(dòng)閥門關(guān)閉，關(guān)閉過程中，也無法執(zhí)行啟動(dòng)閥門命令，需在停機(jī)之后，改變閥門電機(jī)的運(yùn)行方向，給閥門電機(jī)一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，提高電機(jī)使用壽命。

5 結(jié)語

綜上所述，近年來，我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，自升式平臺(tái)不斷增加，對應(yīng)的平臺(tái)自動(dòng)化、智能化控制程度逐漸增加。部分智能化程度不高的平臺(tái)需積極改造優(yōu)化，適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求。文章對基于PLC 的自升式平臺(tái)閥門智能控制系統(tǒng)詳細(xì)分析，提出以PLC 技術(shù)為支持，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，對原本系統(tǒng)優(yōu)化改造，提高閥門控制的精確度和安全度，確保平臺(tái)閥門的運(yùn)行穩(wěn)定，也減少管理人員管理工作強(qiáng)度，提高作業(yè)效率和質(zhì)量，為今后自升式平臺(tái)的維護(hù)和生產(chǎn)運(yùn)行工作開展做出一定貢獻(xiàn)。