基于狀態(tài)機的PLC控制液壓CNG加氣子站橇體系統(tǒng)

沈陽

為滿足液壓式CNG加氣子站橇體控制系統(tǒng)的需要，設計并實現(xiàn)了一種基于狀態(tài)機思想的PLC控制方式。

液壓式CNG加氣子站橇體作為CNG加氣站增壓設備，目前在各個CNG加氣站廣泛應用，系統(tǒng)控制幾乎都是PLC控制。由于PLC的特殊性，編程控制方式類似于電路中的通斷方式，這種設備過程控制方式在早期一些簡單的設備非常實用，簡單明了。而隨著設備應用要求的發(fā)展，控制越來越復雜，編程設計人員在這種控制方式思想下完成的系統(tǒng)每一個邏輯網(wǎng)絡都會產(chǎn)生大量的通斷控制條件，容易出錯，難以維護，查找問題也變得異常困難。因此，這種控制方式越來越滿足不了實際需求。狀態(tài)機及其技術(shù)是一種簡單、結(jié)構(gòu)清晰、設計靈活的方法，它易于建立、理解和維護，特別應用在具有大量狀態(tài)轉(zhuǎn)移和復雜時序控制的系統(tǒng)中，更顯其優(yōu)勢。基于狀態(tài)機思想的編程方式正是應液壓式CNG加氣子站橇體控制系統(tǒng)的復雜需求而設計。

一、 狀態(tài)機名詞解釋

有限狀態(tài)機的簡稱，是表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學模型。

狀態(tài)機可歸納為4個要素，即現(xiàn)態(tài)、條件、動作、次態(tài)。這樣的歸納，主要是出于對狀態(tài)機的內(nèi)在因果關(guān)系的考慮。“現(xiàn)態(tài)”和“條件”是因，“動作”和“次態(tài)”是果。詳解如下：

現(xiàn)態(tài)：是指當前所處的狀態(tài)。

條件：又稱為“事件”，當一個條件被滿足，將會觸發(fā)一個動作，或者執(zhí)行一次狀態(tài)的遷移。

動作：條件滿足后執(zhí)行的動作。動作執(zhí)行完畢后，可以遷移到新的狀態(tài)，也可以仍舊保持原狀態(tài)。動作不是必需的，當條件滿足后，也可以不執(zhí)行任何動作，直接遷移到新狀態(tài)。

次態(tài)：條件滿足后要遷往的新狀態(tài)。“次態(tài)”是相對于“現(xiàn)態(tài)”而言的，“次態(tài)”一旦被激活，就轉(zhuǎn)變成新的“現(xiàn)態(tài)”了。

二、 系統(tǒng)工作原理

半掛車將天然氣從母站轉(zhuǎn)運到加氣子站，半掛車共8個氣瓶，分成單（1、3、5、7）、雙（2、4、6、8）兩組各四個氣瓶組。單雙兩組氣瓶后端分別由一根油路軟管接到液壓式CNG加氣子站橇體上（單組接在單供油管、雙組接在雙供油管），通過橇體換向閥組（單注油、單回油、雙注油、雙回油）切換油路流向。所有氣瓶前端管路匯集到一起由一根氣路軟管接到橇體緩沖瓶上，再連接至加氣機。橇體油箱內(nèi)裝有特殊性質(zhì)的液壓油，經(jīng)高壓柱塞泵加壓至工作壓力后，將液壓油注入半掛車其中一氣瓶中（以1號氣瓶為例）。此時，換向閥組單供油路切換為單注油。該文原載于中國社會科學院文獻信息中心主辦的《環(huán)球市場信息導報》雜志http：//www.ems86.com總第577期2014年第45期-----轉(zhuǎn)載須注名來源由于液壓油是液體不能被壓縮而天然氣受壓會壓縮，所以注入的液壓油使得這個氣瓶內(nèi)CNG天然氣增壓，再通過加氣機實現(xiàn)給汽車加氣。當這個氣瓶注滿油后，利用此氣瓶的氣體余壓，將液壓油反推回橇體油箱，此時換向閥組單供油路切換為單回油。同時對半掛車下一氣瓶2號氣瓶如上面所述那樣進行注油，此時換向閥組雙供油路切換為雙注油，這樣1號氣瓶回油和2號氣瓶注油不會產(chǎn)生油路沖突。如此反復3到8號氣瓶，直至半掛車所有氣瓶天然氣用完，然后更換下一輛半掛車。原理圖如圖所示：

三、 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)工作原理及其結(jié)構(gòu)，將劃分成若干狀態(tài)機。每個狀態(tài)機采用順序組織、平等執(zhí)行結(jié)構(gòu)，相互之間執(zhí)行無優(yōu)先級之分，每個狀態(tài)機分配一個變量來作為狀態(tài)機標志，區(qū)分該狀態(tài)機的不同狀態(tài)。應用模塊根據(jù)實際運行過程需求獲取相關(guān)狀態(tài)機標志變量值來決定執(zhí)行相關(guān)動作或者觸發(fā)相關(guān)的狀態(tài)機進入各種狀態(tài)，使得整個系統(tǒng)的每個狀態(tài)機有機的結(jié)合在一起，相互配合、有條不紊的運行。本系統(tǒng)狀態(tài)機包含：模式狀態(tài)機、注油狀態(tài)機、回油狀態(tài)機、電機狀態(tài)機等

四、 各狀態(tài)機詳解

模式狀態(tài)機。用戶通過觸摸屏按鍵選擇相應的工作模式——手動回油、手動注油、自動運行、非工作模式（非工作模式是指用戶在停機情況下進行的一些參數(shù)修改、狀態(tài)預置等）。每個工作模式成為一個狀態(tài)，系統(tǒng)檢測到的用戶不同按鍵動作執(zhí)行不同的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，從而完成工作模式的切換。

表1 模式狀態(tài)機

狀態(tài) 狀態(tài)描述

狀態(tài)S0： 非工作模式

狀態(tài)S1 手動注油模式

狀態(tài)S2 手動回油模式

狀態(tài)S3 自動運行模式

模式狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：

注油狀態(tài)機。首先啟動電機，電機啟動成功后，打開相關(guān)的閥門，這樣液壓油就被注入半掛車氣瓶內(nèi)，直到氣瓶注滿油，整個注油過程結(jié)束。另外對打開相關(guān)閥門過程的狀態(tài)還可以按照打開閥門順序再細分，可以避免打開閥門過程中液壓油對橇體產(chǎn)生極大沖擊，使注油平穩(wěn)，如依次打開總注油閥狀態(tài)、換向閥組切換狀態(tài)、打開單元氣瓶油閥狀態(tài)等。

回油狀態(tài)機。設置注油量使得氣瓶注滿油時有所占空間是氣瓶總?cè)萘康?5%，這樣氣瓶內(nèi)就有一定量的氣體余壓。打開回油管路上相關(guān)閥門，由于油箱和大氣相通為常壓，這樣氣體余壓和油箱常壓形成壓差，液壓油就被反推回油箱。直到氣瓶里的液壓油回完，整個回油過程結(jié)束。

電機狀態(tài)機。橇體使用高壓柱塞泵電機功率較大，一般在30-50kW。為了避免啟動瞬間大電流沖擊傷害，影響電機壽命，采用軟啟動方式。這樣電機的啟動不是簡單地通斷電源，而是由幾個動作形成一個軟啟動到正常運行的過程。

原有的PLC編程方式對大部分程序的組織順序有很嚴格的要求，往往在后期維護修改，特別是涉及到控制順序改動的時候，變得異常困難。基于狀態(tài)機思想的編程方式使軟件結(jié)構(gòu)變得清晰簡潔，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，增強了系統(tǒng)的可維護性。同時模塊化也使得增加和減少模塊對其他模塊的干擾降低，使系統(tǒng)的擴展性變得容易。

（作者單位：重慶耐德工業(yè)股份有限公司）