鹤管定量装车控制系统的开发和研究

刘晓雷

[摘 要] 燃料乙醇是一种可再生的绿色能源，可作为新的燃料替代品，按一定的比例与汽油混合使用，能有效地降低机动车辆有害气体的排放，减少对不可再生资源石油的依赖，保证国家能源安全。提高鹤管定量装车控制系统的自动化程度是提高燃料乙醇储运效率的主要办法，也是提高燃料乙醇生产企业效益的必要手段。

研究以火车栈桥罐装燃料乙醇为背景开发鹤管定量装车控制监控系统。通过对燃料乙醇装车工艺的分析和研究，确定了监控系统的控制对象和控制目标，设计出满足工艺要求面向用户的监控系统。解决了工业领域的稳定性问题。

研究给出鹤管定量装车控制监控系统的总体设计方案和系统硬件组态，通信配置方案及程序的开发方案。说明了基于WINCC flexible组态软件的上位机监控程序的开发过程。友好的人机界面使得监控系统的操作更加方便、简捷。应用西门子S7-300系列型号的PLC为下位机，通过STEP 7软件进行开发和编程，实现了现场信号的采集、处理及逻辑控制功能。

[关键词] 鹤管定量装车；可编程控制器；组态软件；监控系统

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

[中图分类号] TP311 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2017）13- 0075- 05

1 前 言

1.1 鹤管定量装车控制系统的现状

燃料乙醇作为一种绿色可再生能源，是燃烧清洁的高辛烷值燃料。燃料乙醇经变性后与汽油按一定比例混合可制成车用燃料乙醇汽油。随着国内燃料乙醇产量的逐年增长，燃料乙醇的存储和运输就显得尤为重要。由于燃料乙醇运输量较大，因此多采用铁路槽罐车运输方式。国内铁路大鹤管定量装车控制系统普遍是人工付油，手工检尺，根据公式换算得到燃料乙醇的质量。由于人工测量操作带来的误差无法避免，致使灌装量不稳定。因此发展和完善铁路鹤管装车设备具有十分重要的意义。

1.2 燃料乙醇鹤管定量装车存在的主要问题

国内燃料乙醇装车系统大多有以下几个方面存在一定的不足：

（1）自动化水平不高。

（2）可靠性及安全性设计不理想。

（3）自动化管理水平低。

1.3 研究的目的

本文研究的目的，是为了克服人工操作、管理带来的弊端，减少环境污染，提高储运中心的管理作业效率和燃料乙醇生产企业的整体效益，适应经济发展的需求，实现燃料乙醇运输和管理的自动化、标准化、程序化。

1.4 研究的意义

本文研究的意义是：我国较大规模的燃料乙醇生产设备也是近十年内才开始兴建，因此开发适合我国国情的燃料乙醇鹤管定量装车控制系统就变得非常有意义。自动化高效的装车，精准的测量都将带来经济效益的提高，会推动燃料乙醇储运和运输的自动化水平的发展，进而推动燃料乙醇生产行业的发展。

1.5 本文研究的主要内容

（1）在了解燃料乙醇鹤管定量装车控制系统工艺的基础上确定控制方案。

（2）通过对鹤管定量装车控制系统工艺过程的分析，对其所需设备进行选择。

（3）设计并实现上位机监控软件WINCC flexible中过程信息的集中显示和处理。

（4）通过下位机软件西门子STEP 7开发PLC程序，实现自动化控制功能。

2 鶴管定量装车工艺

铁路大鹤管定量装车过程中，主要由管线、泵、储罐三部分构成。燃料乙醇由装车总管再由储罐输送到大鹤管。燃料乙醇火车槽罐车先由被安装在铁轨下的电动小爬车带动进行和大鹤管的粗对位，再由对位系统将大鹤管进行精准对位，然后操作控制机构，下降大鹤管到槽罐车内，打开管路阀门，燃料乙醇经大鹤管注入火车槽罐车内，当槽罐车装满时，关闭管路阀门。操作控制机构将鹤管收起，然后将火车槽罐车口盖好，启动电动小爬车，进行下一节槽罐车的装车。装车操作分为手动方式和自动方式。

3 系统设计方案

3.1 系统构成

一个较成熟的系统应具备以下特点：第一，必须具有适用于工业现场的硬件结构，能与监控机组成高可靠性的系统；第二，系统不论处于何种运行状态时，都应能保存数据；第三，系统应具有符合生产实际状况和实用的诊断功能。基于以上考虑，结合燃料乙醇鹤管定量装车过程的工艺特点和技术要求，系统采用现场总线技术，实现PLC和工控机触屏及现场设备的集中管理和分散控制。系统的基本组成如图1所示。

3.2 过程监控系统配置

燃料乙醇鹤管定量装车过程控制系统实现的主要功能：采集现场信号和过程信号，并进行显示和完成系统设置，实现过程的监视和控制。过程控制计算机采用SIEMENS 触屏为操作站，为解决现场电磁干扰和满足数据交换，采用PROFIBUS-DP现场总线和西门子S7-300进行通信，能有效地将现场控制设备与上位组态软件构成一个完整可靠的系统。

3.3 设备控制级系统设计

设备控制级主要由PLC、传感器、变送器和执行器等组成，其功能主要是对燃料乙醇鹤管定量装车系统进行定量控制，对过程参数和状态进行采集和处理，实时过程控制和报警，对监测采集的数据上传，接受控制指令与控制设定。PLC系统模块布置如图2所示。

根据过程工艺控制要求。参考SIEMENS S7-300系列PLC配置过程处理参量与状态数，将所有过程信号引入PLC控制柜（正压防爆仪表防爆操作台）。

4 PLC在定量装车系统中的作用

4.1 PLC概述

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

4.1.1 PLC的特点

（1）编程方法简单易学。

（2）功能强，性能价格比高。

（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。

（4）可靠性高，抗干扰能力强。

（5）系统的设计、安装、调试工作量少。

（6）维修工作量小，维修方便。

（7）体积小，能耗低。

4.1.2 PLC的基本组成

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成如图3所示。

4.2 西门子S7-300系列PLC特点

SIMATIC S7系列PLC是德国西门子公司推出的性能价格比较高的PLC系列。采用了模块化、无排风扇结构。根据系统要求，可以增加模块，对PLC进行扩展。S7-300不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI网络，如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一个DP网络。CPU断电后无需备用电池也可以长时间保持动态数据。S7-300有很高的电磁兼容性和抗震动抗冲击能力。有更强的耐振动和耐污染性能。

4.3 STEP 7编程软件

4.3.1 STEP 7简介

STEP 7编程软件是用于编程、监控和参数设置的标准工具。为了在个人计算机上使用STEP 7，应配置MPI通信卡或PC/MPI通信适配器，将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络，来下载和上载PLC的用户程序和组态数据。

4.3.2 STEP 7编程功能

STEP 7的标准版配置了3种基本的编程语言：梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和语句表（STL）。

4.4 PLC控制与程序的开发

4.4.1 项目的创建

首先要创建一个项目，在项目中组态编写程序。在（File）菜单下单击（New），可以直接创建一个新项目。双击打开（SIMATIC Manager），单击工具菜单上的（INSERT），指向（Station）添加SIMATIC 300 Station。

4.4.2 硬件组态及参数设置

在大鹤管程序建立后，需要对控制器进行参数的设置。参数的设置严格按照CPUS7-300型号和配置。

开始硬件组态，单击（SIMTIC 300），双击右侧显示的（硬件），进入硬件组态画面。先要选择底板（从右侧选项库中拖入左侧），然后再从画面右侧将相应的硬件拖入底板槽位上即可。

4.4.3 程序设计

主要用梯形图来完成下位机的程序编写，它的功能是实现各种控制要求和控制系统的各种保护功能：

（1）程序完成小爬车前进和后退任务，将槽罐车与大鹤管进行粗对。

（2）使用频率测量的方法，完成对燃料乙醇的质量计量，瞬时流量以及累计流量。

（3）通过使用SR置位复位触发器，来完成鹤管及收油斗的控制。

（4）完成对阀体的控制。

4.4.4 通信设置

在SIMATIC Manager中的硬件组态中，单击CPU314C-2DP中的DP，右键属性在Interface方框中单击Properties进入新建PROFIBUS通信设置，Address选择3，通信波特率选择1.5M用于CPU与触屏之间的通信。

5 WinCC flexible的应用与监控系统的开发

5.1 组态软件的定义

组态软件，又称组态监控软件系统软件。译自英文SCADA，即数据采集与监视控制 （Supervisory Control and Data Acquisition），亦称人机界面或HMI/MMI（Human Machine Interface/Man Machine Interface）软件。

5.2 用WinCC flexible开发组态软件

5.2.1 项目的建立

双击启动SIMATIC WinCC flexible管理器，创建项目前要进行设备选择，选择设备触屏。为该监控系统建立一个用户项目。

5.2.2 鹤管装车主画面设计

首先在WinCC flexible管理器设备中的画面文件夹内添加画面，名称分别为：起始页、設备操作、工艺流程、生产参数设置、生产记录和操作说明。

5.2.3 鹤管装车生产参数设置画面设计

自动装车过程以触摸屏为主要操作对象，其中触摸屏的操作可分为设备操作和生产参数设置。付油作业前，需首先检查下列各种设备是否处于“就绪状态”，操作人员检查以上设置正确后方可执行，进入“生产参数设置”画面，根据实际装车量来设定装车参数，正确设置。以上操作完成后，按确认键。

5.2.4 鹤管装车设备操作画面设计

自动装车操作，返回主菜单，点击进入设备操作面板，进入“设备操作面板”画面。根据工艺所规定的情况，按切断阀键作为常开阀。按回流阀开键，打开回流阀，开乙醇泵，开始回流。按液压泵开，启动液压油泵。按爬车前进键，将槽车与鹤管粗对位；按住鹤管向东或鹤管向西键使鹤管与槽车口精确对位；到位后松开该按键即可。按油斗提起键提起收油斗，到位后按鹤管下降，当鹤管下降到位后会在“当前车次”和“预置量”显示域中有数值显示。操作员判定屏幕上显示的数值正确后，按装车确认键，开始自动化过程： 自动打开1#两段阀，关闭回流阀， 罐装开始，计算机自动累积付油量；当累积值达到设定值时，自动打开回流阀，先关闭两段阀一段（半关），当一段关闭数秒后，再关闭两段阀二段（关100%），装车结束。鹤管自动上升，收油斗自动收回。如图4所示。

5.2.5 装车数据查询界面设计

根据工艺生产及计量统计的要求，设计可以存储7天的装车数据历史。在批次查询中输入想要查询的批次号码，然后点击查询确认按钮，画面中就会显示所查批次的每车的车号、预装量和实际装车量。如图5所示。

5.2.6 WinCC flexible项目通信配置

在WinCC flexible管理器中，选择“通信”文件夹中的“连接”右键“打开编辑器”，在右侧点击“通信驱动程序”选择SIMATIC S7 300/400，“在线”选择开。在MP277 的接口选择IF1 B.在HMI设备中，波特率选择1 500 000，网络中的配置文选择DP。这样就完成了触屏同PLC的通信配置。

6 结 语

本文以实际工程项目为背景，论述了鹤管定量控制装车的工艺流程和国内外上位机的现状和展望，从理论上对工艺进行了分析，明确了控制目的和需要在系统中实现的功能。在PLC程序和上位机监控软件的开发过程中，总结如下：

（1）采用西门子公司的SIMATIC S7-300系列作为下位机，使整个系统具有更好的稳定性。真正实现了现场层现代化和自动化。

（2）将PLC和组态软件应用在工业控制的场所中，更好地保证了系统的可靠性，并且提高了工作效率，同时也满足了安全生产的需要。

（3）利用WinCC flexible软件开发的上位机监控系统，实现了对鹤管定量装车控制系统所有重要参数的显示和处理功能，对需要记录的参数进行了保存。能帮助操作人员及时地了解设备的运行状态，制订合理的维修计划、降低故障率方面具有重要意义。

主要参考文献

[1]钱瑞华.自动装车控制系统应用问题考虑[J].医药工程设计，2007，28（6）：63-65.

[2]蒋庆渊.定量自動装车技术在液态类物料鹤管装车系统中的应用[J].当代化工，2007，36（1）：53-55.

[3]张霆.火车自动定量装车控制系统的开发和研究[D].大连：大连理工大学，2008.

[4]刘锴，周海. 深入浅出西门子S7-300PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[5]廖常初. 大中型PLC应用教程[M].北京：机械工业出版社，2005.

[6]廖常初. PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2003.