全自动罐下取样系统V1.0设计与实现

宋晓光 陈晓勇 齐丽曼

【摘要】根据GB/T 4756—2015《石油液体手工取样法》中规定的取样点（上部样、中部样、下部样），开发一套全自动的取样系统。本文主要内容介绍了全自动罐下取样系统的应用、概述、系统设计的原理和功能、可视化系统画面的开发以及系统应用的优点。

【关键词】全自动；取样；可视化界面

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.01.043

Design and Implementation of V1.0 Fully Automatic Tank Bottom Sampling System

SONG Xiaoguang1， CHEN Xiaoyong2， QI Liman2

（1.Fushun Inspection and Testing Certification Center， Fushun 113008， China； 2.Fushun Product Quality Supervision and Inspection Institute， Fushun 113006， China）

Abstract： Develop a fully automated sampling system based on the sampling points （upper sample， middle sample， and lower sample） specified in GB/T 4756—2015 Method for manual sampling of petroleum liquids. This article mainly introduces the application， overview， principles and functions of system design， development of visual system images， and advantages of the fully automatic tank bottom sampling system.

Keywords： fully automatic； sampling； visualization interface

全自动罐下取样系统是利用西门子SIMATIC S7-200 SMART与画面的组态开发的一个软件，具有高性能采样控制方式。该系统可以广泛应用于化工、粮油、炼油及其他储罐的场合和行业，来替代人工罐上采样，提高了采样的精准性和安全性。罐下自动采样器安全环保、省时省力、准确可靠、易于管理，并且安装方便、结构简单，适用于石油、粮油（葵花籽油、大豆油、菜油、调和油）等油品取样。

在石油、食用油生产过程中，原料、半成品和成品需要存放在不同的储罐中。为了获得这些储罐中介质的性能参数，取样人员需要通过取样桶在罐顶進行人工取样，并采集相应部位的样品，以便及时分析检测。根据GB/T 4756—2015《石油液体手工取样法》，当罐内或管线液体静止时，对油品进行取样，采集样品可分为上部样、中部样和下部样。其中GB/T 4756—2015规定上部样为在顶部液面下1/6液深位置采集的点样；中部样为在液面下1/2液深位置采集的点样；下部样为在液面下5/6液深位置采集的点样。这种取样方法费时费力，且由于储罐高度较高，在恶劣天气下可能会威胁取样人员的生命安全。为解决人工爬罐取样难且危险的问题，采用食品油/粮油罐下自动采样器，实现了油罐内不同点位的样品可在罐下密闭取样控制箱中直接采样。

全自动罐下取样系统以西门子S7-200SMART PLC可编程逻辑控制器为核心，让全自动罐下取样系统控制更加智能化。其具有机型丰富，更多选择，可以提供不同类型、I/O点数丰富的CPU扩展模块，可以实现数字量通道、通信接口、模拟量模块灵活配置，集成3路高速脉冲和支持多种运动模式及精确定制等优点。在S7-200SMART PLC的CPU中通过其本体集成的以太网接口，用1根以太网线，通过交换机便可以自动控制直接取样及整个过程和程序的上传、下载、监控，并可以与触摸屏进行组网。根据实际使用的不同环境来设置循环时间，满足不同运行时的需求，从而保证取样的准确性和重复性，提高循环运行的整体可靠性，对取出的样品能真实反映介质的质量情况，样品代表性强。

本系统的基本硬件包含柜体、西门子PLC、西门子触摸屏、温湿度传感器及探头、动作继电器和电磁阀等。本系统软件采用西门子STEP7-Micro/WIN SMART，主要用来进行用户程序的编制、存储和管理，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。该编程软件具有先进的程序结构，融入了新颖的项目树和带状菜单，可以移动式编程窗口。可视化设备通过SIMAIC Wincc flexible SMART软件来组态、编写触摸屏画面的程序。通信方式采用以太网，通过工业交换机通信的方式和现场设备传感器等进行组网。

开发的PLC智能程序控制与人机交互的全自动罐下取样器系统，依据GB/T 4756—2015等相关材料，根据用户的需求和控制方式进行程序的编写。编程语言采用指令语句表（STL），语句表语言与微型计算机的汇编语言类似，也采用助记符形式编程。根据程序的开发控制可以实现上部、中部、下部位置的顺序取样和每个步骤时间的控制。在触摸屏上设定上部、中部、下部、循环和取样时间，反抽以及吹扫运行的时间。每路的运行时间以及现场取样阀门的开关状态，以动态及动画箭头方式展现在可视画面中，让操作者更加直观地了解到设备运行的状态和过程。控制方式采取现场控制和触摸屏控制两种方式，并且可以根据需要进行管路的吹扫功能，现场和触摸屏都设置了保护开关，如果遇到紧急情况可以按动现场或触摸屏上的开关，停止系统的运行。

该系统还利用PLC的保持范围，在发生循环上电时将保持的储存器存储每个出样口的取样次数，并且在人为复位或者设定复位次数后，系统数据将自动复位。在触摸屏组态画面中增加了登录的权限，防止权限以外的人员误动作。同时在触摸屏画面添加了通信画面功能，可以更直观地了解网络连接状态，以及报警提示。为了不让油凝固，在触摸屏中输入时间，系统可以自动定时实现反抽循环，对自动循环时间也可以通过触摸屏进行时间校准。通过温湿度探头和传感器与PLC模块的连接，可以采集现场的温度、湿度以及取样点的温度和湿度。

本系统触摸屏的组态画面的导航页面清晰简明，屏幕可以设定和显示时间、温湿度等参数，可以进行一键启动和停止操作。触摸屏组态的操作的界面有登录界面、通信界面、主界面、参数设置界面以及统计界面功能。

3.1登录界面

在登录画面添加用户管理函数ShowLogonDialog和ActivateScreen打开画面总览，并选择两个函数的Logoff或ActivateScreen，注销用户或切换画面到登录画面，在注销后自动返回登录页面。

设定用户登录的权限和密码，防止误操作和误登录，在用户管理中，可对用户和用户组进行管理，从而控制对运行系统中的数据和函数的访问权限，比如需要进入操作系统就可以设置用户管理权限，必须具备用户的账号和密码才可以登录或者进入一些特定的画面也可以设置用户管理权限对用户的操作权限来进行管控。

3.2通信界面

在用户登录后，进入通信界面，在此界面可以显示登录的时间、通信是否已经连接建立以及设备的IP地址、触控设备是否已经初始化及操作模式，通过上下箭头的触控更加直观地了解到设备的连接状态。系统通信界面如图1所示。

3.3主界面

通过循环触屏按钮，点击启动后，可以起动设备运转，首先执行上部样的管道循环，通过设定时间，开关对应的阀门实现上部样的取样。然后是中部样的管道循环，通过设定时间，开关对应的阀门实现中部样的取样，再次执行下部样的管道循环，通过设定时间，开关对应的阀门实现下部样的取样。点击吹扫按钮可以开启管路中的吹扫功能，开关相应的阀门。触摸屏可以以动态的形式显示各个阀门开关状态以及液位流向。通过传感器，采集、反馈的模拟量信号，经模块的接入，通过程序的编写，最终通过组态的方式显示出管路的温度、取样点的温度和湿度。系统的主画面循环过程和取样过程如图2和图3所示。

3.4参数设置界面

对上部样、中部样、下部样分别设定管路循环时间以及对应取样阀开关时间，并且可以实时显示该状态下已运行的时间。对于一个循环结束后，进行吹扫也可以设定工作时间及实时显示该状态下的运行时间。参数设置界面如图4所示。

3.5统计界面

此界面可以分别对1～3路取样次数进行统计，并且可以手动设置复位次数和进行取样次数手动按钮复位方式，可以设定自动循环时间，按照设定的实现系统将自动进行反抽起动循环及具有系统时间校准设定功能。统计界面如图5所示。

全自动罐下取样器系统，采用可编程逻辑控制器PLC作为系统编程控制的核心，使控制更加精准、灵活可靠，从而保证了罐区的安全以及取样位置的精准。系统操作简单，可以实现自动触屏控制，以及现场手动启停，提供了方便的采样方式，这样既减轻了采样工人的劳动强度和保证了安全，又节省了时间。通过对可编程控制器写入指令，采用自动化控制方式，可以实现规定位置及方式的取样，提高了工作效率；可视化设备与可编程逻辑控制器通过以太网，工业交换机连接在一起，实现可视化设备与可编程逻辑控制器PLC通过通信方式交互信息，可以减少维护的工作量，提高了系统监测和控制的可靠性。

【参考文献】

[1]石油液体手工取样法：GB/T 4756—2015[S]

[2]肖威，李庆海.PLC及觸摸屏组态控制技术[M].北京：电子工业出版社，2010.

[3]蔡杏山.图解西门子PLC、变频器与触摸屏组态技术[M].北京：电子工业出版社，2020.

[4]韩相争.西门子PLC、触摸屏和变频器应用技巧和实战[M].北京：机械工业出版社，2022.

【作者简介】

宋晓光，男，1966年出生，教授级高级工程师，学士，研究方向为科技管理、知识产权保护、科技成果转化、检验检测。

陈晓勇，男，1984年出生，高级工程师，学士，研究方向为产品质量检验检测。

齐丽曼，女，1977年出生，高级工程师，研究方向为科技管理，产品质量检验检测。

（编辑：于淼）