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(jī)動(dòng)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(dòng)化程度是提高燃料乙醇儲(chǔ)運(yùn)效率的主要辦法，也是提高燃料乙醇生產(chǎn)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(biāo)，設(shè)計(jì)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(lǐng)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(shè)計(jì)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(jī)監(jiān)控程序的開發(fā)過程。友好的人機(jī)界面使得監(jiān)控系統(tǒng)的操作更加方便、簡捷。應(yīng)用西門子S7-300系列型號的PLC為下位機(jī)，通過STEP 7軟件進(jìn)行開發(fā)和編程，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場信號的采集、處理及邏輯控制功能。

[關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(jīng)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(nèi)燃料乙醇產(chǎn)量的逐年增長，燃料乙醇的存儲(chǔ)和運(yùn)輸就顯得尤為重要。由于燃料乙醇運(yùn)輸量較大，因此多采用鐵路槽罐車運(yùn)輸方式。國內(nèi)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(zhì)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(shè)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(nèi)燃料乙醇裝車系統(tǒng)大多有以下幾個(gè)方面存在一定的不足：

（1）自動(dòng)化水平不高。

（2）可靠性及安全性設(shè)計(jì)不理想。

（3）自動(dòng)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(chǔ)運(yùn)中心的管理作業(yè)效率和燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)的整體效益，適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，實(shí)現(xiàn)燃料乙醇運(yùn)輸和管理的自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)設(shè)備也是近十年內(nèi)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(dòng)化高效的裝車，精準(zhǔn)的測量都將帶來經(jīng)濟(jì)效益的提高，會(huì)推動(dòng)燃料乙醇儲(chǔ)運(yùn)和運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化水平的發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)燃料乙醇生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展。

1.5 本文研究的主要內(nèi)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(chǔ)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(shè)備進(jìn)行選擇。

（3）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)上位機(jī)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(jī)軟件西門子STEP 7開發(fā)PLC程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(chǔ)罐三部分構(gòu)成。燃料乙醇由裝車總管再由儲(chǔ)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(dòng)小爬車帶動(dòng)進(jìn)行和大鶴管的粗對位，再由對位系統(tǒng)將大鶴管進(jìn)行精準(zhǔn)對位，然后操作控制機(jī)構(gòu)，下降大鶴管到槽罐車內(nèi)，打開管路閥門，燃料乙醇經(jīng)大鶴管注入火車槽罐車內(nèi)，當(dāng)槽罐車裝滿時(shí)，關(guān)閉管路閥門。操作控制機(jī)構(gòu)將鶴管收起，然后將火車槽罐車口蓋好，啟動(dòng)電動(dòng)小爬車，進(jìn)行下一節(jié)槽罐車的裝車。裝車操作分為手動(dòng)方式和自動(dòng)方式。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

一個(gè)較成熟的系統(tǒng)應(yīng)具備以下特點(diǎn)：第一，必須具有適用于工業(yè)現(xiàn)場的硬件結(jié)構(gòu)，能與監(jiān)控機(jī)組成高可靠性的系統(tǒng)；第二，系統(tǒng)不論處于何種運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，都應(yīng)能保存數(shù)據(jù)；第三，系統(tǒng)應(yīng)具有符合生產(chǎn)實(shí)際狀況和實(shí)用的診斷功能。基于以上考慮，結(jié)合燃料乙醇鶴管定量裝車過程的工藝特點(diǎn)和技術(shù)要求，系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)PLC和工控機(jī)觸屏及現(xiàn)場設(shè)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(shí)現(xiàn)的主要功能：采集現(xiàn)場信號和過程信號，并進(jìn)行顯示和完成系統(tǒng)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)過程的監(jiān)視和控制。過程控制計(jì)算機(jī)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(jìn)行通信，能有效地將現(xiàn)場控制設(shè)備與上位組態(tài)軟件構(gòu)成一個(gè)完整可靠的系統(tǒng)。

3.3 設(shè)備控制級系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)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(jìn)行定量控制，對過程參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行采集和處理，實(shí)時(shí)過程控制和報(bào)警，對監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)上傳，接受控制指令與控制設(shè)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(tái)）。

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(shí)現(xiàn)邏輯控制。

4.1.1 PLC的特點(diǎn)

（1）編程方法簡單易學(xué)。

（2）功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高。

（3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)。

（4）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。

（5）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)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(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成如圖3所示。

4.2 西門子S7-300系列PLC特點(diǎn)

SIMATIC S7系列PLC是德國西門子公司推出的性能價(jià)格比較高的PLC系列。采用了模塊化、無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)要求，可以增加模塊，對PLC進(jìn)行擴(kuò)展。S7-300不需要附加任何硬件、軟件和編程，就可以建立一個(gè)MPI網(wǎng)絡(luò)，如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一個(gè)DP網(wǎng)絡(luò)。CPU斷電后無需備用電池也可以長時(shí)間保持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。S7-300有很高的電磁兼容性和抗震動(dòng)抗沖擊能力。有更強(qiáng)的耐振動(dòng)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(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。為了在個(gè)人計(jì)算機(jī)上使用STEP 7，應(yīng)配置MPI通信卡或PC/MPI通信適配器，將計(jì)算機(jī)連接到MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，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(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目的創(chuàng)建

首先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，在項(xiàng)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(gè)新項(xiàng)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(shè)置

在大鶴管程序建立后，需要對控制器進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。參數(shù)的設(shè)置嚴(yán)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(cè)顯示的（硬件），進(jìn)入硬件組態(tài)畫面。先要選擇底板（從右側(cè)選項(xiàng)庫中拖入左側(cè)），然后再從畫面右側(cè)將相應(yīng)的硬件拖入底板槽位上即可。

4.4.3 程序設(shè)計(jì)

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

（1）程序完成小爬車前進(jìn)和后退任務(wù)，將槽罐車與大鶴管進(jìn)行粗對。

（2）使用頻率測量的方法，完成對燃料乙醇的質(zhì)量計(jì)量，瞬時(shí)流量以及累計(jì)流量。

（3）通過使用SR置位復(fù)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(shè)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(jìn)入新建PROFIBUS通信設(shè)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(yīng)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(jī)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(xiàng)目的建立

雙擊啟動(dòng)SIMATIC WinCC flexible管理器，創(chuàng)建項(xiàng)目前要進(jìn)行設(shè)備選擇，選擇設(shè)備觸屏。為該監(jiān)控系統(tǒng)建立一個(gè)用戶項(xiàng)目。

5.2.2 鶴管裝車主畫面設(shè)計(jì)

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

5.2.3 鶴管裝車生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置畫面設(shè)計(jì)

自動(dòng)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(shè)備操作和生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置。付油作業(yè)前，需首先檢查下列各種設(shè)備是否處于“就緒狀態(tài)”，操作人員檢查以上設(shè)置正確后方可執(zhí)行，進(jìn)入“生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置”畫面，根據(jù)實(shí)際裝車量來設(shè)定裝車參數(shù)，正確設(shè)置。以上操作完成后，按確認(rèn)鍵。

5.2.4 鶴管裝車設(shè)備操作畫面設(shè)計(jì)

自動(dòng)裝車操作，返回主菜單，點(diǎn)擊進(jìn)入設(shè)備操作面板，進(jìn)入“設(shè)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(dòng)液壓油泵。按爬車前進(jìn)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(dāng)鶴管下降到位后會(huì)在“當(dāng)前車次”和“預(yù)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(rèn)鍵，開始自動(dòng)化過程： 自動(dòng)打開1#兩段閥，關(guān)閉回流閥， 罐裝開始，計(jì)算機(jī)自動(dòng)累積付油量；當(dāng)累積值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)打開回流閥，先關(guān)閉兩段閥一段（半關(guān)），當(dāng)一段關(guān)閉數(shù)秒后，再關(guān)閉兩段閥二段（關(guān)100%），裝車結(jié)束。鶴管自動(dòng)上升，收油斗自動(dòng)收回。如圖4所示。

5.2.5 裝車數(shù)據(jù)查詢界面設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝生產(chǎn)及計(jì)量統(tǒng)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)可以存儲(chǔ)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(diǎn)擊查詢確認(rèn)按鈕，畫面中就會(huì)顯示所查批次的每車的車號、預(yù)裝量和實(shí)際裝車量。如圖5所示。

5.2.6 WinCC flexible項(xiàng)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(cè)點(diǎn)擊“通信驅(qū)動(dòng)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(shè)備中，波特率選擇1 500 000，網(wǎng)絡(luò)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(jié) 語

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

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

（2）將PLC和組態(tài)軟件應(yīng)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(shí)也滿足了安全生產(chǎn)的需要。

（3）利用WinCC flexible軟件開發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)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(jìn)行了保存。能幫助操作人員及時(shí)地了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，制訂合理的維修計(jì)劃、降低故障率方面具有重要意義。

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