火車定量裝車自動控制系統的設計與應用

張明星，許海梅，劉 峰，李 民

（中國石油克拉瑪依石化公司，克拉瑪依 834003）

某石化公司地處我國西北邊陲，遠離內地消費市場，產品運距長。長期以來，公司生產的產品除成品油依托管道輸送外其它都需要通過汽車運輸，在烏魯木齊中轉后通過鐵路運輸至疆外市場，中轉環節多、運輸成本高、運輸周期長，在一定程度上削弱了公司產品的市場競爭力。2010年12月10日，該石化公司鐵路專用線開通運行。為鐵路專用線配套設計的火車定量裝車控制系統也同時投入使用，該系統運算速度快、抗干擾能力強、可擴展性好，實現了火車發油的自動控制和計算機管理，提高了裝車速度，降低了人員的勞動強度，減少了人為因素的參與，使操作和管理更加完善，有力保證了裝車安全平穩準確地進行。

1 系統工作原理

火車定量裝車系統[1]主要由上位機、RS485總線、網絡連接設備、定量裝車儀[2]、RTU、現場儀表、輸油管道、罐車等部分構成。

定量裝車儀是整個系統的核心，完成火車自動裝車和控制。主要完成裝車量大小、監控裝車的瞬時流量、閥狀態、靜電接地狀態、溢油狀態以及與上位機通訊等任務。借助RS485總線和網絡連接設備構成集散控制系統，一臺上位機可以管理多套定量裝車儀。上位機軟件主要負責裝車控制和其它工藝流程的監控及操作功能。

2 控制系統硬件設計

該自動控制系統采用二級布網方式，根據石化公司現有管理模式形成以控制室[3]操作站為集中管控單元，現場裝車儀為分散獨立控制單元的集散控制系統，該系統預留石化公司上位機通訊接口，以達到整個系統監控管理集中、控制風險分散的目的，保證系統安全、環保、可靠、高效地運行。

新建操作室包括上位機管理系統部分 （1臺工程師站兼操作站、1臺操作站及通訊設備），裝車站（28套定量裝車儀），輔助部分（2套RTU）及現場儀表。工程師站及操作站用于對火車裝車的控制及其它工藝流程的監視及操作，系統具有動態圖形化顯示，數據采集和處理功能，故障報警及生產報表的生成打印功能，通訊功能。

定量裝車儀采用一機兩位的方式，即一套裝車儀控制2個鶴位分時或同時裝車；裝車儀與上位機的通訊通過以太網來實現，即現場通過RS485總線的方式把28套裝車儀分為4組分別掛在RS485總線上，然后通過RS485－TCP／IP轉換器，連接到以太網上。

在裝車棧橋附近設一個遠程RTU，用于對裝車區域及泵房的傳感器[4]、變送器、泵、閥門等狀態信號的采集、運算以及生產過程的自動化控制。由于RTU離控制室距離比較遠，所以RTU采用光纖通訊方式與上位機通訊。整個控制系統結構圖如圖1所示。

3 工程軟件設計

在硬件及通訊[5]上采用冗余配置，提高系統的可靠性，在軟件設計上采用急停、防溢、防靜電聯鎖保護，順序控制等技術來保證整個裝車過程的平穩運行，防止罐車超裝，避免冒罐等事故的發生。程序設計對重要的參數和重要的操作進行歷史趨勢和報警記錄，可以實現故障的追溯和事故原因的分析，便于用戶總結經驗，提高故障處理能力和水平。同時對重要操作設置相應的權限保護，根據身份選擇用戶名及密碼進入系統，避免非正常用戶操作，確保操作的準確性，提高整個系統運行的可靠性和安全性。

圖1 控制系統結構圖Fig.1 Structure diagram of the control system

3.1 下位機程序軟件及設置

下位機編程軟件[6]采用VersaPro2.04，該軟件支持多種編程語言，除了具有一般編程軟件的功能外還能在RUN模式下下載程序，并能進行在線梯形圖比較以及具備完善的幫助等強大功能。邏輯程序采用梯形圖語言RLD，根據裝車控制需要，對程序段進行科學規劃，能重復使用預配置指令和圖形目標，把實現同一功能的不同設備的程序做成功能塊，通過主程序調用功能塊實現不同設備的控制功能，提高了系統的可維護性和可擴展性。

3.2 上位機監控軟件及設置

上位機用于工藝流程的操作及監視，設備狀態的監視、設備故障的監視及確認，圖形化動態顯示，現場檢測點的顯示、檢測和報警，工藝參數的設定、閥門的遠程控制、過程趨勢的顯示及存儲、故障及生產報表打印等。上位機監控軟件采用iFix[7]，iFix是全球領先的自動化監控組態軟件，能提供生產操作的過程可視化、數據采集和數據監控。同時iFix可以幫助用戶精確地監視、控制生產過程，并優化生產設備和企業資源管理。iFix系統結構靈活，方便擴展系統規模，具有良好的擴展性和集成性。iFix最大限度地發揮在線組態功能，進行組態修改時無需關閉或重新啟動iFix，不影響正常生產過程，界面友好的多用戶開發與組態環境適用于工程協同，提高生產率，提高用戶收益，該人機界面實現如下功能。

1）工藝流程畫面顯示

該系統動態顯示現場裝車系統的工藝流程，動態顯示生產過程中的物料流向，顯示各種生產操作流程，采集裝車現場設備狀態、流量等參數，并以數字、棒圖、表格等形式反映數據變化。有總貌圖、分區圖、單罐圖、測點圖等畫面。根據生產需要，操作人員可以在操作室通過鍵盤、鼠標修改控制值、調整工藝參數。

2）報警

對生產過程中出現的故障及一些重要參數進行聲光報警，提醒操作人員。報警根據嚴重性和輕重緩急劃分為不同的報警級別，不同級別的報警具有不同的表現形式。點擊報警記錄按鈕，能顯示報警記錄窗口，通過報警記錄窗口可以查看報警情況，同時通過權限設置可以修改儀表等報警限值，顯示并確認報警。生成報警數據庫，查詢并生成相應的報警報表。

3）趨勢

點擊趨勢按鈕，查看實時趨勢和歷史趨勢畫面并顯示趨勢信息，歷史趨勢可根據需要設計成 8 h、24 h、1周和1月的趨勢。

4）發液控制

進入流程圖畫面后，在參數畫面輸入二級密碼后才能進行相應的參數設定，根據相應設定可生成發液單據并打印輸出；顯示自動裝車系統閥門、泵、流量計等設備的相關狀態；發液相關數據自動記錄及數據庫生成；生成并輸出發油報表；遠程監控發液過程；可在工藝流程畫面上控制裝車臺現場設備。具體發液控制流程圖如圖2所示。

圖2 發液控制流程圖Fig.2 Flow chart of refined oil distribution control

5）數據處理及報表

系統可對采集的數據進行分類、統計、計算等；系統可生產班、日、月、季、年等各類報表；系統提供查詢接口，可以按一個或多個查詢條件查詢數據庫并形成相應的報表。

6）系統自診斷

系統故障自診斷，顯示系統故障位置、類型、時間等信息，便于維護和維修。

7）安全管理

通過賬號管理機制，限制不同人員的訪問權限來實現系統安全。該控制系統中設置了3個級別的訪問權限，不同的操作員具有不同的操作員代碼和口令，口令和操作代碼可修改。系統的一些重要的相關操作均要驗證操作員代碼和口令，這些操作發生時系統將自動記錄操作員代碼、操作開始時間和結束時間以及操作內容，防止非法操作。

8）通訊功能

上位機與信號采集及控制設備 （定量裝車儀）之間通過RS485通訊網絡及相應的通訊協議來達到數據采集、裝車管理和流程控制的功能。

4 定量裝車儀功能

定量裝車儀是實現定量自動裝車的核心設備。其主要功能是對發油過程進行程序控制和安全聯鎖，定量裝車儀完成的主要功能如下：

1）參數設置功能

裝車儀可以根據發油需要，通過遠程監控計算機或裝車儀設定發油參數。這些參數包括：流量系數、提前量、開閥延遲時間、流體密度等與發油有關的參數。

2）定量發液控制

定量裝車儀在接收到上位機下單或者現場輸入提液數量后，開始進行自檢并檢測現場靜電的狀態，待一切正常后，現場按啟動按鈕開始裝車，現場手動啟泵（根據現場要求也可由定量裝車儀發出啟泵信號），同時分段開啟裝車閥，開始正常裝車、流量計開始計量，同時液位開關開始監測高液位，待裝車達到設定提前量，裝車閥開始分段關閉，并保持極小恒流，當裝車達到最后設定提前量或高液位時，關泵，關閥，裝車結束。

3）靜電接地保護功能

當檢測到系統沒有安全接地時，禁止啟動發液，如正在發液過程中，則系統自動緊急停止發液。

4）掉電保護功能

發液過程中出現意外掉電時可保存當前所有發液參數，待通電后可繼續發液。

5）數據采集功能

定量裝車儀可采集流量脈沖信號或標準電流信號、各種閥門的標準信號及開關量信號，還可接入靜電接地夾等開關信號。

6）閥門和泵的順序控制功能

在裝車開始時按預定時間順序依次打開裝車閥及泵，裝車到定量時再按照預定的時間和順序依次關裝車閥及泵，完成自動裝車作業。

7）現場急停功能

定量裝車儀和遠程監控畫面上均應設有急停按鈕，若發油時現場發生緊急情況，操作員只需按急停按鈕即可立即停止發液。

8）遠程和就地實時監視功能

定量裝車儀配有高亮度液晶顯示屏，就地操作時，實時顯示發液進程和相關設備的狀態，遠程操作時，遠程監控計算機與定量裝車儀同步實時顯示發液進程和相關設備的狀態。

9）遠程/就地發油模式轉換功能

一般正常情況下均通過上位機遠程發液，也可根據需要在現場直接發液，本系統中每臺定量裝車儀是一個完整的計量、控制和顯示單元，獨立于上位機。

5 使用效果

該定量裝車系統自2010年12月正式投用以來，由于系統的高可靠性、多重安全設計、靈活的聯網功能以及高效的裝車速度保證了油品的及時出廠，降低了職工的勞動強度；由于采用了一系列先進安全的保護措施杜絕了裝車過程中的跑、冒現象；同時由于采用的是鶴管全密閉裝車，實現了揮發介質的密閉裝車，良好的工作環境保障了員工的身體健康和周圍環境。

6 結語

由定量裝車儀及其附屬設備構成的火車定量裝車系統實現了整個系統監控管理集中、控制風險分散的目的，確保了系統安全高效運行，尤其對公司來說減少了中間中轉環節，提高了公司產品的市場競爭力。該系統投用以來，由于系統硬件采用了模塊化設計，易于維護[8]，系統日常維護量小，操作簡單，安全可靠，總體運行效果良好，滿足了火車裝車的需要，值得在各種汽車[9]、火車鶴管裝車等行業推廣應用。

[1]AWZ型隔爆型分布式定量裝車控制儀使用介紹[Z].奧圖威爾科技，2010.

[2] 陸德民.石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京：化學工業出版社，2000.

[3] 王同堯.SH/T 3006-2012石油化工控制室設計規范[S].北京：中國石化出版社，2013.

[4] 黃步余，李麗華.SH3005-1999石油化工自動化儀表選型設計規范[S].北京：中國石化出版社，1999.

[5] 王樹清，樂嘉謙.自動化與儀表工程師手冊[M].北京：化學工業出版社，2010.

[6] 邱宣振.工程自動化設計應用手冊[M].北京：國際科教文出版社，2004.

[7] 翟天嵩，劉尚爭.iFIX基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2013.

[8] 樂嘉謙.儀表工手冊[M].2版.北京：化學工業出版社，2004.

[9] 劉興全，隋雪剛，董有智，等.柴油定量裝車系統的設計與應用[J].石油化工自動化，2011，47（1）：78-81. ■