基于PLC系統(tǒng)定量裝車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李堯堯

摘要：化工產(chǎn)品裝車是精細(xì)化工企業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。以國內(nèi)某精細(xì)化工公司新建項(xiàng)目危險(xiǎn)化學(xué)品裝車為例，根據(jù)該產(chǎn)品的總體銷售計(jì)劃及生產(chǎn)能力，并結(jié)合該產(chǎn)品物料特性確定了合理的裝車流程。該系統(tǒng)主要是為了提高裝車的效率、保證發(fā)貨精度、保障裝車作業(yè)的安全、降低人工成本，最大限度地減少

人為因素引發(fā)的各種事故。本文根據(jù)工藝流程，對(duì)定量裝車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)儀表的組成以及安全聯(lián)鎖措施的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：化工;自動(dòng)化儀表;定量裝車系統(tǒng);PLC

1定量裝車控制系統(tǒng)組成

定量裝車系統(tǒng)由上位機(jī)、批量控制器、和現(xiàn)場(chǎng)儀表以及電氣設(shè)備、物料儲(chǔ)罐、裝車鶴管、裝車泵、氣體緩沖罐以及其他安全設(shè)施等組成 。本文主要介紹定量裝車系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)即定量裝車控制系統(tǒng)，其主要包括：上位機(jī)、批量控制器、和現(xiàn)場(chǎng)儀表三部分。此外由于本套定量裝車系統(tǒng)涉及有毒氣體，為防止有毒氣體泄漏造成人員中毒，本套定量裝車系統(tǒng)設(shè)置有單獨(dú)GDS系統(tǒng)。

1.1批量控制器

批量控制器是定量裝車系統(tǒng)的核心控制設(shè)備，批量控制器是定量裝車控制系統(tǒng)的大腦，類似于電腦的CPU處理器，對(duì)整體裝車流程進(jìn)行控制。并設(shè)有安全保護(hù)聯(lián)鎖程序，也可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前裝車過程，使現(xiàn)場(chǎng)人員了解充裝過程，并讀取現(xiàn)場(chǎng)操作動(dòng)作包括：?jiǎn)翁?hào)輸入、啟動(dòng)裝車及停止裝車等。本次批量控制器采用浙大中控G3系列PLC控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)所有邏輯聯(lián)鎖程序均由PLC實(shí)現(xiàn)，流量計(jì)信號(hào)、防靜電信號(hào)、壓力信號(hào)、液位開關(guān)信號(hào)、液位計(jì)信號(hào)、氣動(dòng)閥門控制信號(hào)、裝車泵遠(yuǎn)程控制信號(hào)均進(jìn)入PLC控制系統(tǒng)。

1.2上位機(jī)系統(tǒng)

本套定量裝車系統(tǒng)的上位機(jī)采用昆侖通態(tài)10寸觸摸屏，觸摸屏與PLC之間相互通訊，以便現(xiàn)場(chǎng)操作人員能實(shí)時(shí)讀取儀表信號(hào)和發(fā)出控制指令。另外本套系統(tǒng)將上位機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過RS485通訊接口與中央控制DCS系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)通訊，以便中央控制室人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝車情況進(jìn)行監(jiān)控，遠(yuǎn)程DCS系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝車系統(tǒng)只有監(jiān)控功能，不進(jìn)行控制。DCS系統(tǒng)具有OPC功能，可以將現(xiàn)場(chǎng)裝車實(shí)時(shí)情況上傳至企業(yè)ERP系統(tǒng)。

1.3現(xiàn)場(chǎng)儀表

裝車系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)儀表主要包括：壓力變送器、質(zhì)量流量計(jì)、靜電接地報(bào)警器、磁翻板液位計(jì)、音叉液位開關(guān)、氣動(dòng)切斷閥。

1.4 GDS系統(tǒng)

GDS系統(tǒng)包括氣體探測(cè)器和報(bào)警控制單元，基于2014年國家安監(jiān)總局下發(fā)的《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見》（安監(jiān)總管三[2014]第116號(hào)）中第四章第十一條明確要求“嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和實(shí)施有毒有害和可燃?xì)怏w檢測(cè)保護(hù)系統(tǒng)，為確保其功能可靠，相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于基本過程控制系統(tǒng)”。且相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50493–2019第3.0.8條“可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于其他系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置”。因此現(xiàn)場(chǎng)有毒氣體報(bào)警探測(cè)器的信號(hào)并未直接進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)PLC系統(tǒng)，信號(hào)直接進(jìn)入獨(dú)立GDS系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)氣體探測(cè)器采用電化學(xué)式有毒氣體探頭。

2、工藝流程及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1PID流程

在裝置儲(chǔ)罐與裝車泵之間設(shè)置一條物料管線，由裝車泵輸送至裝車鶴管，裝車出售，并將鶴管氣相管道與儲(chǔ)罐氣相空間相通。此外整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置有氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)。

具體工藝流程如下圖所示。

2.2裝車系統(tǒng)供電

按照《儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范》HG/T20509-2014規(guī)定“儀表電源負(fù)荷分級(jí)的劃分應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50052-2009自規(guī)定，儀表電源負(fù)荷可分為兩個(gè)等級(jí)，即一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷和三級(jí)負(fù)荷。儀表電源負(fù)荷屬于一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷時(shí)，應(yīng)采用 UPS”。在大多數(shù)情況下，儀表用電負(fù)荷屬于一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷。這類負(fù)荷在電源中斷后會(huì)打亂生產(chǎn)過程，造成設(shè)備損壞和人身傷害事故，并造成經(jīng)濟(jì)損失，需要設(shè)置 UPS 。因此本項(xiàng)目批量控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)儀表供電均采用UPS后備電源供電，后備時(shí)間為30min。且批量控制器停電后會(huì)保存上個(gè)裝車數(shù)據(jù)，上電后可繼續(xù)裝車。

2.3流量計(jì)

流量計(jì)的精度和穩(wěn)定性直接影響整個(gè)裝車系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定。因此本項(xiàng)目采用進(jìn)口品牌艾默生高精度科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，計(jì)量精度為0.1%FS，流量計(jì)輸出信號(hào)為兩路4～20mA+HART。批量控制器采集其兩路4～20mA模擬信號(hào)，其中一路4～20mA模擬信號(hào)用于完成對(duì)裝車量的實(shí)時(shí)計(jì)量，另外一路4～20mA模擬信號(hào)用于監(jiān)控物料密度。HART信號(hào)用于調(diào)試與日常檢維修。

2.4控制閥

由于裝車過程無需調(diào)節(jié)流量大小因此本套定量裝車系統(tǒng)閥門主要采用開關(guān)閥。從能源驅(qū)動(dòng)來分類開關(guān)閥可以分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三大類。從失能位置來分類可以分為發(fā)生故障時(shí)閥門處于開的位置（FO）、發(fā)生故障時(shí)閥門處于關(guān)的位置（FC）、發(fā)生故障時(shí)閥門處于保持原有狀態(tài)位置（FL）?？紤]本質(zhì)安全本次選用的開關(guān)閥為單作用氣開閥（FC），當(dāng)閥門失去氣源或電源時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，防止物料溢出。

2.5靜電接地報(bào)警器

靜電接地報(bào)警器是專用于車輛、容器等金屬類靜電安全釋放的報(bào)警裝置，當(dāng)容器或車輛需要釋放靜電時(shí)，將報(bào)警器一端夾在容器或車輛，另一端夾住接地樁或與接地網(wǎng)絡(luò)連線，即可進(jìn)行靜電安全轉(zhuǎn)移、釋放，當(dāng)沒有正確連接或通路不暢時(shí)設(shè)備會(huì)自動(dòng)發(fā)出持續(xù)性蜂鳴聲，并有遠(yuǎn)傳開關(guān)量信號(hào)至批量控制器報(bào)警、聯(lián)鎖。

2.6液位開關(guān)

本套定量裝車控制系統(tǒng)在裝車氣相鶴管上安裝有一個(gè)液位開關(guān)，并在氣相緩沖罐上也安裝有一個(gè)液位開關(guān)，當(dāng)檢測(cè)到有液位時(shí)報(bào)警并聯(lián)鎖停止裝車，主要作用是確保異常工況下的液體物料進(jìn)入氣相管道。另外在裝車泵入口設(shè)置有一個(gè)液位開關(guān)用于泵的保護(hù)。本次液位開關(guān)采用進(jìn)口品牌音叉式液位開關(guān)，音叉液位開關(guān)是物位控制開關(guān)中使用范圍較為廣泛的一種。常用于化工產(chǎn)品生產(chǎn)中原料儲(chǔ)罐、槽罐、反應(yīng)釜的液位監(jiān)測(cè)，以及泵保護(hù)系統(tǒng)中管道液位監(jiān)測(cè)。音叉液位開關(guān)采用壓電器件實(shí)現(xiàn)叉體的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)。當(dāng)叉體與被測(cè)液體接觸時(shí)，叉體的諧振頻率明顯降低，振動(dòng)頻率的變化直接反應(yīng)在壓電檢測(cè)器件的輸出信號(hào)上，檢測(cè)電路對(duì)頻率的變化進(jìn)行判別并輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)。

2.7其他儀表

本套定量裝車系統(tǒng)涉及的其他儀表如：在裝車泵出口處設(shè)置的壓力變送器用于測(cè)量泵出口壓力，監(jiān)測(cè)裝車泵運(yùn)行狀態(tài)。在氣相緩沖罐上設(shè)置有一個(gè)磁翻板液位計(jì)用于和氣相緩沖罐液位開關(guān)冗余。

2.8聯(lián)鎖措施

本系統(tǒng)采用多重保護(hù)措施，以防止裝車過程可能導(dǎo)致泄漏、爆炸、火災(zāi)、中毒事故。監(jiān)測(cè)到異常情況停泵關(guān)閥，且考慮在批量控制器組態(tài)中設(shè)定適當(dāng)?shù)年P(guān)閥延時(shí)時(shí)間，防止停止裝車時(shí)管道憋壓。具體聯(lián)鎖措施如下：

1、裝車泵進(jìn)口管低液位開關(guān)顯示空液位時(shí)，停止裝車泵，延時(shí)10s關(guān)閉裝車泵出口切斷閥;

2、裝車尾氣緩沖罐進(jìn)口管高液位開關(guān)顯示有液位時(shí)，停止裝車泵，延時(shí)10s關(guān)閉裝車泵出口切斷閥;

3、裝車尾氣緩沖罐液位高于設(shè)定值時(shí)，停止裝車泵，延時(shí)10s關(guān)閉裝車泵出口切斷閥;

4、裝車泵功率低于設(shè)定值時(shí)，，停止裝車泵，延時(shí)10s關(guān)閉裝車泵出口切斷閥;

5、裝車泵出口瞬時(shí)流量小于設(shè)定值時(shí)，停止裝車泵，延時(shí)10s關(guān)閉裝車泵出口切斷閥;

6、裝車泵出口流量累計(jì)值大于設(shè)定值時(shí)，停止裝車泵，延時(shí)10s關(guān)閉裝車泵出口切斷閥。

聯(lián)鎖關(guān)系見下圖。

4結(jié)束語

總之，定量裝車控制系統(tǒng)相對(duì)于人工裝車人工記賬而言，明顯提高了裝車效率減輕了工作負(fù)擔(dān)，提高了交付的精確度。從安全角度看定量裝車控制系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，聯(lián)鎖保護(hù)措施完備，提高了自動(dòng)化水平，減少了事故的發(fā)生幾率，降低了生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。批量控制器的無流量報(bào)警停車功能，能防止泵長時(shí)間空轉(zhuǎn)而損壞，從而降低了企業(yè)的維護(hù)成本。靜電溢流報(bào)警停車功能，使得發(fā)生火災(zāi)等突發(fā)狀況時(shí)可以實(shí)時(shí)啟用緊急停車功能，保證了自動(dòng)裝車的安全性。上位機(jī)軟件和批量控制器良好的人機(jī)界面降低了操作工的使用門檻。裝車系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控使企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層能夠?qū)崟r(shí)掌握裝車進(jìn)度，有助于根據(jù)企業(yè)的總體戰(zhàn)略調(diào)配資源以實(shí)現(xiàn)效率最大化。

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