策論基于PLC模擬控制系統的研發與設計

劉雪林

（中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300457）

0 引言

目前，大量的工業生產過程中都采用 PLC 對模擬量進行控制。而國內的LNG船舶貨物控制系統基本上為TGE、Hamworth、KONGSBERG國外設備商所壟斷。因此，自主研發一套基于PLC模擬控制系統的LNG船舶貨物控制系統有著重要的現實意義。

1 基于 PLC 的標準模擬控制系統的原理

1.1 基于 PLC 的標準模擬控制系統基本構成

PLC 標準模擬控制系統結構如圖1中所示，通過A/D 模塊的轉換，將測量元件所測的模擬量反饋信號變成數字量信號，并和系統被控量的標準值進行對比，獲得偏差。然后PLC將所得的偏差進行 PID 算法處理，處理結果通過 D/A模塊變換成模擬量信號，該信號通過線路傳輸到LNG船舶貨物控制系統后，可對執行機構的動作進行控制，進而讓被控量得到了有效的控制。微分、積分，將三者進行線性分析，可以順利計算出PID的數據模型，即控制規律：

圖1 PLC閉環控制系統結構

在上述公式中，u(t)是PID控制器的輸出值，e(t)是PID的控制偏差，是控制器的比例，為積分，為微分[1]。

1.2 PID 控制的基本原理

通常在PLC中，會設置有PID的功能，由此，在實際過程中，可以直接使用PID并設置相應參數。具體而言，引入PID控制器，通過給定值與輸出值的差值，將此作為系統的控制偏差。

依據上述公式計算而出的偏差值，結合控制器比例、

2 LNG運輸船貨物控制系統中PLC 的標準模擬控制系統的應用實現

從應用過程而言，PLC標準模擬控制系統主要包括硬件接線和軟件編程兩個環節。在LNG運輸船貨物控制系統中，在對貨物系統參數值進行適時檢測的過程中，通過參數的不端對比分析，以PLC實現對參數大小的調節，使其保持穩定，從而對實現對貨物系統的控制。下面，我們以LNG運輸船貨物監測報警和控制系統為例，詳細介紹PLC的控制過程。

2.1 LNG運輸船貨物的營運流程

LNG運輸船的貨物圍護系統、貨物操作系統、LNG燃氣系統的控制與液化氣船貨物的營運流程相關聯，如圖2所示。它主要包括干燥、惰化、驅氣、預冷、裝貨、載貨航行、卸貨、換裝貨品、液貨艙準備進塢修理等步驟。LNG運輸船的控制系統對上述貨物營運流程進行監測報警和控制以維護貨物的安全，這些監測報警處理的過程下面我們會詳細分析。

2.2 貨物監測報警和控制系統的PLC控制過程

貨物監測報警和控制系統主要由貨物監控站、壓縮機室就地監控站、氣室就地控制和顯示板（控制板防護箱）、燃氣就地監控站及監測控制和數據采集軟件組成。通過監測控制和數據采集軟件，可以采集所有模擬量信號和開關量信號并將信號傳輸至貨物監控站進行處理，根據信號要求停止相關貨物電氣設備及激活ESD系統。為了使貨物監測報警和控制系統更具自動化，在系統中加入一套帶有冗余的PLC標準模擬控制系統，用PLC對其進行控制。冗余系統包括電源供應、CPU（中央處理器）、I/O（輸入/輸出）單元和配電板的過程現場總線系統。貨物監測報警和控制系統對LNG運輸船上的各個部位都進行了監測，如圖3所示。

圖2 液化氣船貨物的營運流程圖

圖3 貨物監測報警和控制系統原理圖

對于BOG壓縮機，壓縮機機旁設有就地控制系統，過程控制單元、就地控制柜等是該系統的主要組成部分。具體來說，在過程控制單元，可以采用可編程序邏輯控制器PLC，機組控制系統可實現就地手動或自動控制，遠程自動控制。空壓機的壓力、溫度、電機電流和繞組溫度等各種變量和參數信號通過數據采集單元進行采集，并將其傳輸至貨物監控站的PLC控制單元的外部輸入端子。通過該端子將信息輸入PLC內部寄存器中，經A/D轉換模塊后這些信號變成數字量信號，將所得信號與相應的設定值比較得出偏差，而最終將其輸入到PLC中，以PID的算法進行數據處理。舉例而言，在算法中，最終的計算結果通過D/A轉換，轉換成模擬量信號，并經BOG壓縮機系統控制之后，最終達到對被控量的控制。如電動機過載或者電動機繞組溫度過高時，PLC控制單元控制發出信號，控制相關設備報警停機。

對于液貨罐，通過貨罐液位傳感器、壓力傳感器、罐內90%高度處溫度傳感器器、罐內50%高度處溫度傳感器和罐內底部溫度傳感器等傳感器對貨罐的液位、壓力和溫度等參數進行監測。這些傳感器將檢測到信號用數字量或模擬量送到貨物系統的數據采集單元，經過數據采集單元采集的所有模擬量信號和開關量信號將傳輸至貨物監控站的PLC控制單元中，將這些監測數據與相應的設定值對比并進行處理，根據信號要求或停止相關貨物電氣設備或激發ESD系統。例如，PLC控制單元會將采集到的液罐內壓力與設定值進行對比，當液罐內壓力高于設定值時，PLC控制單元運行預先設定好的程序，控制壓力控制閥打開以便將氣體釋放到大氣中；當液罐內壓力再高到安全閥設定值時安全閥全部打開將氣體釋放到大氣中，對液罐進行泄壓保護；當罐內壓力低于設定值時，PLC控制單元運行預先設定好的程序，控制控制閥打開使氣體注入，保護液罐不出現真空（負壓）[2]。又如對液罐設獨立的高液位（95%）測量，當報警時控制系統起動ESD系統。

對于液貨泵和燃氣輸送泵，在就地控制板處設有排出壓力、密封壓力指示及起動停止電動機控制開關，并還輸出電機電流過載、電機繞組溫度高報警信號至貨物系統的數據采集單元，經過數據采集單元將信號傳輸至貨物監控站的PLC控制單元進行處理，根據信號要求停止相關貨物電氣設備。對液貨泵還可在貨物監控站遙控起動停止及遙測電機電流。當貨物控制系統失效時，還可在貨物配電板室通過貨物配電板內設置的應急帶鎖開關，撇開控制系統越控操泵。

對于貨物管路和閥門，貨物管路的連通和截止依靠閥門來控制的，閥門由船上貨物系統液壓泵站控制。貨物管路的參數是通過流量計來監測的。對于“海默多相流量計”而言，在技術角度它就是綜合了互相關流量測量技術與計算機技術等多種技術，通過對管路內油、氣、水三相流中各相的相分率、壓力、溫度、流速等流動參數的動態檢測，實現油氣水三相不分離狀態下油井的水、氣、油產量以及油井日平均含水率、混合液密度、油氣比等的連續、在線和自動計量[3]。流量計監測的數據送至數據采集單元，經過數據采集單元將這些信號傳輸至貨物監控站指示及報警，并通過PLC控制單元對其進行控制。

對于氮氣發生裝置，主要監測其干燥機、空壓機、風機運行停止狀況，含氧量指示及含氧量高報警，高露點報警等參數。這些信號送至貨物系統的數據采集單元，經過數據采集單元將這些信號傳輸至貨物監控站指示及報警，通過PLC控制單元遙控停止發生裝置、干燥機、空壓機。

對于貨物配電板，貨物配電板所有供電負載都由空氣開關饋電并設負載短路保護。電動機饋電回路設有接觸器，由電動機保護繼電器過載保護。貨物配電板的主要負載為壓縮機、液貨泵。泵的電機起動單元配置電子保護裝置并受集成在貨物控制系統內的冗余總線系統控制，電動機還配備PTC電阻的繞組溫度監測保護。所有貨物系統電氣負載，由貨物控制系統通過PLC進行信號采集和控制，其運行、負荷和故障等信息傳輸至貨物監控站并顯示在顯示器上[4-5]。

對于貨物貿易交接系統，系統測量貨艙的液位、氣體和液體的溫度、氣體壓力體積及在相同溫度下得總體積。系統將測得的貨艙液位、溫度、壓力數據均可在貨物控制

系統中顯示。系統可提供報警信號并和貨物控制系統有通訊接口，系統還提供上述項目測量值和數據記錄。系統從船上裝載計算機獲得的船舶縱傾橫傾模擬信號后通過PLC對船舶縱傾和橫傾時對貨艙液位和體積的影響進行調節修正，并計算出LNG總裝載量或總卸貨量，并將數據換算成貨物的體積和質量。

3 結束語

綜上所述，將PLC模擬控制系統應用于LNG運輸船上，可以對LNG運輸船各個組成部分的信息進行自動化監測。在當某一部位出現異常時，通過PLC控制單元預先設計好的控制程序或者指令，可以很好地報警顯示并解決故障。因此，進行基于PLC模擬控制系統的研發與設計，對于促進LNG運輸船的發展有著重要意義。□

[1] 閆怡璇.基于PLC模擬控制系統的研發與設計.西華大學,2012:111.

[2] 李敬兆.張崇巍,基于PLC直接查表方式實現的模糊控制器研究[J],電工技術雜志,2011年09期:70－80.

[3] 任俊杰.李紅星,李媛,基于PLC和組態王的過程控制實驗系統[J],實驗室研究與探索,2010年05期:199－200.

[4] 張運波.PLC梯形圖設計中的關鍵技術[J],長春工程學院學報(自然科學版),2010年01期:35－36.

[5] 張文慶.PID算法在PLC模擬量閉環控制中的實現[J],信息技術,2003年01期:90－91.