[摘要]
介紹石油化工企業(yè)儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化—鶴管裝車自動(dòng)化的幾種類型，包括可編程控制器在集中式和分布式儲(chǔ)運(yùn)裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流量采集、控制裝車閥門動(dòng)作等方面的不同應(yīng)用。
石油化工企業(yè)及儲(chǔ)運(yùn)油庫(kù)，其日常的生產(chǎn)原料、成品的裝車（火車罐車、汽車罐車）、碼頭裝船作業(yè)都十分繁忙，為了克服人工操作、管理帶來(lái)的弊端，減少環(huán)境污染、提高儲(chǔ)運(yùn)管理作業(yè)的效率和石油化工企業(yè)的整體效益，以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。石油化工企業(yè)迫切需求機(jī)械化自動(dòng)化程度高、安全可靠性好、便于操作維護(hù)的儲(chǔ)運(yùn)裝車自動(dòng)化系統(tǒng)。
1、儲(chǔ)運(yùn)裝車自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成
由于液下大、小鶴管裝車具有節(jié)能、安全等顯著的優(yōu)點(diǎn)，石油化工企業(yè)的儲(chǔ)運(yùn)裝車基本全部采用這種裝車設(shè)備作為標(biāo)準(zhǔn)灌裝專用設(shè)施。
按照鶴管所用管材的口徑區(qū)分，鶴管可分為大鶴管和小鶴管兩種。習(xí)慣上，把口徑DN120mm以上的鶴管稱為大鶴管，常用的口徑為DN200mm，此類鶴管主要作為大宗油品鐵路裝車的灌裝設(shè)施。把口徑為DN120mm以下的鶴管稱為小鶴管既通常所說(shuō)的鶴管。常用的口徑為DN100mm或DN80mm，此類鶴管主要作為日常火車罐車和汽車罐車的灌裝設(shè)施。控制系統(tǒng)也相應(yīng)的分為大鶴管儲(chǔ)運(yùn)裝車自動(dòng)化微機(jī)控制系統(tǒng)和小鶴管（鶴管）儲(chǔ)運(yùn)裝車自動(dòng)化微機(jī)控制系統(tǒng)。其中，小鶴管儲(chǔ)運(yùn)裝車自動(dòng)化微機(jī)控制系統(tǒng)又根據(jù)裝車現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，如棧臺(tái)、操作室的位置、裝車棧橋的長(zhǎng)短、防爆等級(jí)的要求、石化企業(yè)用戶要求等等因素，又分為集中式和分布式（分散式）裝車自動(dòng)化微機(jī)控制系統(tǒng)。儲(chǔ)運(yùn)裝車自動(dòng)化的目的，主要以定量裝車控制為主，所以儲(chǔ)運(yùn)裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)又稱儲(chǔ)運(yùn)定量裝車控制系統(tǒng)。
從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)表明，集中式和分布式自動(dòng)化定量裝車控制系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。儲(chǔ)運(yùn)裝車自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：
無(wú)論是大鶴管儲(chǔ)運(yùn)裝車自動(dòng)化系統(tǒng)還是小鶴管儲(chǔ)運(yùn)裝車自動(dòng)化系統(tǒng)，分布式還是集中式裝車自動(dòng)化系統(tǒng)，它們的工作目的、完成的功能都是基本一致的：防止裝車冒頂、液化氣過(guò)裝、裝車灌桶定量準(zhǔn)確、裝油計(jì)量、防水擊措施、防溢防靜電接地、連鎖控制、裝車業(yè)務(wù)管理和操作管理、裝車銷售統(tǒng)計(jì)開(kāi)票和銷售管理等。
2、可編程控制器在幾種儲(chǔ)運(yùn)裝車自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用
緊隨著微電子技術(shù)同步的發(fā)展的可編程控制器（可編程控制器出現(xiàn)之初，名稱很不一致，直至1980年由美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)NEMA正式將其命名為Programmable Controller，簡(jiǎn)稱PC，但時(shí)至今日，人們?nèi)匀涣?xí)慣地稱之為Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC），作為傳統(tǒng)繼電器控制裝置的替代產(chǎn)品，從當(dāng)初簡(jiǎn)單的功能比較單一的邏輯控制器，發(fā)展到今天的即能采集控制開(kāi)關(guān)量，又能采集控制模擬量、數(shù)字量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序控制、過(guò)程控制、聯(lián)鎖保護(hù)、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算、聯(lián)網(wǎng)通訊等功能的，以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置。已將傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，以結(jié)構(gòu)緊湊、I/O組態(tài)靈活、調(diào)試維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越為眾多的工業(yè)用戶青瞇，與CAD/CAM、工業(yè)機(jī)器人一同被列為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的三大支柱。正是由于PLC具有這些使用特點(diǎn)，近年來(lái)，在儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化等各種工業(yè)控制場(chǎng)合中得到廣泛的應(yīng)用。
在儲(chǔ)運(yùn)裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，PLC主要完成裝車定量程序控制、防溢出、防靜電接地檢測(cè)聯(lián)鎖控制、完成裝車現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和對(duì)裝車現(xiàn)場(chǎng)控制執(zhí)行器（裝車控制閥、泵等）的程序控制等功能。圖2為儲(chǔ)運(yùn)裝車—汽車裝車自動(dòng)化操作軟件界面。
2．1可編程控制器在集中式小鶴管裝車自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用
可編程控制器把所有功能集中，即所有的信號(hào)電纜集中進(jìn)控制室，由控制室中的主控制計(jì)算機(jī)和PLC實(shí)現(xiàn)全部信號(hào)的采集檢測(cè)、運(yùn)算管理和控制輸出。集中式小鶴管裝車自動(dòng)化系統(tǒng)便于實(shí)現(xiàn)操作管理及實(shí)現(xiàn)各種邏輯判別，對(duì)提高儲(chǔ)運(yùn)裝車安全性，加強(qiáng)銷售管理具有較大意義。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖3。
PLC集中采集裝車現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)裝車鶴位流量計(jì)（脈沖信號(hào)）、溫度（PT100—鉑電阻）、裝車防溢出開(kāi)關(guān)、防靜電接地開(kāi)關(guān)、現(xiàn)場(chǎng)確定操作開(kāi)關(guān)等所有控制信號(hào)。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)信號(hào)的采集，PLC通過(guò)配置高速計(jì)數(shù)單元來(lái)完成。PLC的高速計(jì)數(shù)單元有多種計(jì)數(shù)模式；可通過(guò)旋轉(zhuǎn)前面板的波段開(kāi)關(guān)選擇單元號(hào)（0∽9）和模式（1線性，2環(huán)性，3預(yù)置，4門控，5閂鎖，6采樣），通過(guò)調(diào)整后面板上的DIP波段開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇和設(shè)置高速計(jì)數(shù)單元的運(yùn)行模式（輸入形式選擇，內(nèi)部復(fù)位位，輸入Z，控制出入IN1）。DIP波段開(kāi)關(guān)設(shè)置為5，選擇閂鎖模式（5），在閂鎖模式中，輸入形式選用單向增減方式，有兩個(gè)選擇用內(nèi)部觸發(fā)方式的控制輸入位IN1和IN2，用IN1上升沿啟動(dòng)計(jì)數(shù)，啟動(dòng)計(jì)數(shù)20s后斷開(kāi)IN1，計(jì)數(shù)值繼續(xù)累計(jì)，當(dāng)IN1為ON時(shí)，計(jì)數(shù)又從零開(kāi)始。IN2控制閂鎖，其上升沿觸發(fā)閂鎖，即內(nèi)部IR2個(gè)計(jì)數(shù)通道中的值被閂鎖住，保持不變。當(dāng)IN2為ON時(shí)，其上升沿又使當(dāng)時(shí)計(jì)數(shù)值讀入內(nèi)部IR兩個(gè)計(jì)數(shù)通道中。內(nèi)部IR兩個(gè)計(jì)數(shù)通道中的計(jì)數(shù)值為BCD碼，計(jì)數(shù)范圍-8，388，608∽+8，388，607，計(jì)數(shù)值占用內(nèi)部低位和高位兩個(gè)IR通道的低位和高位。PLC的高速計(jì)數(shù)單元只能對(duì)采集的脈沖量進(jìn)行累計(jì)計(jì)算，但控制系統(tǒng)要求顯示裝車鶴位流量計(jì)的瞬時(shí)量（頻率）和流量的累計(jì)量（累計(jì)脈沖值）。利用PLC內(nèi)部的兩個(gè)TIMH(15)高速定時(shí)器產(chǎn)生的ms級(jí)時(shí)間差來(lái)計(jì)算流量計(jì)的頻率，用流量當(dāng)量乘以頻率得出流量計(jì)的瞬時(shí)量。
在每個(gè)鶴位開(kāi)始發(fā)油裝車時(shí)，PLC的高速計(jì)數(shù)單元對(duì)應(yīng)采集該管路上的流量計(jì)的低位和高位的通道單元都要清零。PLC控制裝車閥門置“1”信號(hào)的I/O同步執(zhí)行位（bit）傳送微分型指令 @MOVB(82)，當(dāng)執(zhí)行條件由OFF變?yōu)镺N時(shí)，指令@MOVB(82) 執(zhí)行傳送一次“1”到高速計(jì)數(shù)單元IR通道IN1映射的內(nèi)部繼電器位，即IN1位置1，從而使計(jì)數(shù)器從零開(kāi)始計(jì)數(shù)。用BCD碼裝換二進(jìn)制數(shù)指令BIn(23)指令將兩個(gè)計(jì)數(shù)通道中BCD碼裝換成二進(jìn)制數(shù)，MOV(78) 到DM區(qū)單元中。 流量計(jì)為三線制的脈沖輸入。高速計(jì)數(shù)單元的輸入頻率的電壓選擇有5V、12V、24V三種。用PLC的DO進(jìn)行選擇輸入即可。 有的儲(chǔ)運(yùn)裝車現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝車鶴位流量的儀表，安裝了高精度的質(zhì)量流量計(jì)，這種質(zhì)量流量計(jì)一般帶有傳遞數(shù)字信號(hào)的通訊接口，輸出多種測(cè)量參數(shù)和信息，如瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、密度等信號(hào)，為了保證系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表之間沒(méi)有精度轉(zhuǎn)換誤差，PLC可配置ASCII模塊（PLC專用的高級(jí)語(yǔ)言模塊，以串序的方式與現(xiàn)場(chǎng)不同ASCII裝置溝通），數(shù)字通訊信號(hào)經(jīng)由質(zhì)量流量計(jì)的通訊口連接到PLC的ASCII模塊的COM口。另外，有的汽車裝車控制系統(tǒng)中采用汽車地磅作為定量裝車的計(jì)量手段，地磅的測(cè)量重量、清零設(shè)置等通訊數(shù)字信號(hào)也通過(guò)COM口聯(lián)接到PLC的ASCII模塊上。這樣，質(zhì)量流量計(jì)和地磅的數(shù)字通訊信號(hào)就與其它常規(guī)的I/O信號(hào)（DI、DO、AI、AO、FI等）一起，由PLC統(tǒng)一采集和控制，便于日后構(gòu)成計(jì)算機(jī)冗余系統(tǒng)。 在儲(chǔ)運(yùn)裝車的過(guò)程中，由于裝車控制閥的突然開(kāi)關(guān)，容易造成管道中的壓力在一瞬間會(huì)突然升高，產(chǎn)生很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊，就是日常所稱的“水擊”或“水錘”現(xiàn)象。
“水擊”產(chǎn)生的壓力峰值往往比正常工作壓力高好幾倍，且常伴有巨大的振動(dòng)和噪聲，使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生溫升，有時(shí)會(huì)使一些液壓元件或管件損壞，并使某些液壓元件（控制閥、流量計(jì)等）產(chǎn)生誤動(dòng)作，導(dǎo)致設(shè)備損壞。因此，儲(chǔ)運(yùn)裝車自動(dòng)化控制系統(tǒng)控制的主要目標(biāo)之一，就是盡可能的消除、減小裝車開(kāi)始和累計(jì)流量達(dá)裝車定量設(shè)定流量值時(shí)，裝車控制閥的突然開(kāi)關(guān)，而產(chǎn)生的“水擊”現(xiàn)象，盡量保證管道內(nèi)介質(zhì)流速在管道安裝的流量計(jì)范圍之內(nèi)。從控制的角度上理解，氣動(dòng)閥，電動(dòng)閥、電磁閥、多段電液閥等可遙控閥門都可以作為裝車控制閥。根據(jù)裝車介質(zhì)的化學(xué)、工藝特性，多選用配套大小兩個(gè)氣動(dòng)閥或多功能電液閥。無(wú)論選用哪種控制閥門，控制原理都一樣。以PLC控制多功能電液閥裝車為例；多功能電液閥由先導(dǎo)電磁閥和主閥組成。先導(dǎo)電磁閥和球閥組成控制回路。關(guān)閉調(diào)節(jié)球閥和常開(kāi)電磁閥構(gòu)成控制回路上流管路，開(kāi)啟調(diào)節(jié)球閥和常閉電磁閥構(gòu)成控制回路的下流管路。發(fā)油時(shí)首先開(kāi)泵，然后再開(kāi)電液閥的常開(kāi)、常閉電磁閥，兩者的時(shí)間差可以在線通過(guò)上位機(jī)傳到PLC的TIM定時(shí)器單元進(jìn)行設(shè)定、修改。這時(shí)電液閥的常閉電磁閥根據(jù)時(shí)間曲線進(jìn)行，由PLC的DO模塊控制：開(kāi)（通電）－閉（斷電）－開(kāi)—閉，以防止流量過(guò)大，保護(hù)流量計(jì)，在線修改到一個(gè)合適曲線，存入PLC的TIM定時(shí)器單元，隨時(shí)調(diào)用。當(dāng)累積到設(shè)定值后，PLC自動(dòng)首先停電液閥，然后再是泵，兩者的時(shí)間也可在線修改。停電液閥是分別控制電液閥的常開(kāi)、常閉電磁閥，常開(kāi)電磁閥的工作依時(shí)間曲線進(jìn)行：開(kāi)（斷電）—閉（通電）—開(kāi)—閉，常閉電磁閥斷電即可。 鉑電阻（型號(hào)—PT100）的溫度信號(hào)，用PLC的特殊功能模塊—熱電阻模塊采集。
防溢、防靜電等開(kāi)關(guān)量信號(hào)用PLC的DI模塊采集。 2．2可編程控制器在分布式小鶴管裝車自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用
對(duì)于分布式小鶴管裝車自動(dòng)化系統(tǒng)，操作人員可以在裝車工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行所有裝車操作和監(jiān)視裝車情況。在每個(gè)鶴位都設(shè)置一臺(tái)定量裝車控制設(shè)備，執(zhí)行該?dān)Q位的定量裝車控制任務(wù)。這種系統(tǒng)便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作功能分散，管理和監(jiān)視又集中的思想。
在每個(gè)鶴位設(shè)置的定量裝車控制設(shè)備，一般采用成型儀表——定量裝車控制儀。國(guó)內(nèi)、外生產(chǎn)的廠家眾多，但價(jià)格都比較昂貴。近年來(lái)，丹東通博測(cè)控有限公司采用了箱體式PLC加操作員界面，組成定量裝車控制器，完成現(xiàn)場(chǎng)裝車體積流量或質(zhì)量流量、管路溫度檢測(cè)、液位防溢出開(kāi)關(guān)、靜電接地檢測(cè)開(kāi)關(guān)、閥門開(kāi)關(guān)狀態(tài)等的檢測(cè)，完成定量裝車控制、安全聯(lián)鎖等所有控制功能。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖4。
現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)鶴位流量計(jì)的流量系數(shù)、定量裝車值、密度、體積流量的補(bǔ)償系數(shù)、裝車介質(zhì)膨脹系數(shù)等參與計(jì)算的參數(shù)，通過(guò)操作員界面輸入PLC的內(nèi)部單元中。每臺(tái)PLC通過(guò)通信電纜線與操作室中的計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)集中管理，還可以通過(guò)聯(lián)機(jī)方式方便地將參數(shù)設(shè)置輸入每臺(tái)PLC。每臺(tái)PLC控制裝車閥門和計(jì)算管路流量的方法和集中式控制系統(tǒng)中PLC的控制思想基本一樣。
2．3可編程控制器在火車大鶴管裝車自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用
火車大鶴管裝車自動(dòng)化系統(tǒng)要比前兩種的控制系統(tǒng)復(fù)雜一些， PLC除了完成定量裝車程序控制等和小鶴管系統(tǒng)控制功能相同部分之外，PLC還要完成對(duì)大鶴管位置的左、右移位、上升、停止、下降的控制和位置檢測(cè)，接油斗的提起、放下控制和位置檢測(cè)。多至3個(gè)油品選擇閥的控制與檢測(cè)。火車油罐槽車牽引車的前進(jìn)、停止、后退控制。液壓泵的開(kāi)、關(guān)控制等。
在大火車大鶴管裝車自動(dòng)化系統(tǒng)中，操作室一般都設(shè)在棧橋上，為保證系統(tǒng)在含有油汽的環(huán)境中正常、安全地運(yùn)行，操作室內(nèi)的儀表操作臺(tái)采用正壓防爆儀表操作臺(tái)，操作臺(tái)內(nèi)正壓通風(fēng)的氣動(dòng)衡壓控制部分也是由系統(tǒng)的PLC進(jìn)行監(jiān)控，使其能按照防爆規(guī)范，保證儀表操作臺(tái)內(nèi)的氣壓值，將其保持在指定范圍內(nèi)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示：
3．結(jié)束語(yǔ)
儲(chǔ)運(yùn)裝車現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，PLC應(yīng)用在幾種儲(chǔ)運(yùn)裝車自動(dòng)控制系統(tǒng)中，都表現(xiàn)了穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。和操作員界面一起組成的發(fā)油定量控制部分，更是充分體現(xiàn)了PLC的優(yōu)良性能價(jià)格比、可靠、配置靈活、組態(tài)方便等優(yōu)點(diǎn)，滿足了現(xiàn)代儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化向網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化的過(guò)度要求。取得了良好的、濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有良好的市場(chǎng)發(fā)展前景。
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