鐵路槽車自控裝車系統選型分析

(中國石化 洛陽分公司，河南 洛陽 471012)

鐵路槽車自控裝車系統選型分析

李吉香

(中國石化 洛陽分公司，河南 洛陽 471012)

通過對以定值控制器為控制核心的小鶴管自動控制裝車和以PLC為控制核心的小鶴管集中自動控制裝車的優點與缺點進行對比分析，找出合理的小鶴管自控裝車模式，為以后小鶴管自控裝車系統的改造與選型提供依據。

定值控制器；自控裝車系統

0 概述

鐵路槽車裝車現已逐步由人工看液面、人工進行檢尺計量發展為自動控制裝車。目前國內較為常見的兩種小鶴管自動控制裝車模式是：集散式自動控制裝車系統和集中式自動控制裝車系統。

集散式自動控制裝車系統是以微處理器(或定值控制器)為基礎的集中分散型控制系統。其主要特性是它的集中管理和分散控制。其基本思路是把集中的計算機控制系統分解為分散的控制系統，有專門的過程分散控制裝置，并從模擬電動儀表的操作習慣出發，開發人—機間良好的操作界面，用于操作人員的操作監視。同時，為了使操作站與過程控制裝置間建立數據的通信，建立了數據的通信系統，使室內計算機與室外控制器之間的部分數據能相互傳遞。

PLC集中自動控制裝車系統是以PLC為控制核心，其PLC與上位機采用TCP/IP協議，用一根網線連接，將PLC采集的各種信息數據傳輸給室內的計算機，通過計算機顯示并控制操作，PLC的選型與其控制的點數相對應。

1 兩種控制系統的結構與控制原理

1.1 集散式自動控制裝車系統結構

集散式自動控制裝車系統結構如圖1所示。

1.2 集散式自動控制裝車系統控制原理

圖1 集散式自動控制裝車系統

現場控制器自動控制裝車系統主要由室內PC機和室外(現場)多個控制器組成。以分散的現場控制器(科技公司自行研制的單片機或小型PLC)為控制核心，現場控制器與室內上位機的連接方式采用現場總線方式，由RS-485標準總線來實現通訊，通訊接口采用光電隔離技術，總線最多連接64臺定值控制器。總線最大距離為1 200 m，連接電纜為屏蔽雙絞線。系統通過現場總線，收集現場定值控制器數據，并將數據傳輸至中心控制室內計算機，在計算機上顯示現場狀態，并通過計算機控制現場定值控制器實現開關閥的操作，生成記錄，以供查閱。現場控制器本身為集成芯片，內設有流量采集芯片、回訊信號處理芯片、閥門開關控制芯片等小型單片機或小型PLC，在控制器上設有多個控制按鈕(如設置、修改、確認、復位、啟動等)，每個按鈕有其特定的功能，可獨立對單個鶴位進行操作，完成一節槽車的充裝任務。現場控制器也可以與室內計算機結合，將采集到的現場數據(流量、開關閥回訊、高液位報警等)，通過485通訊總線傳輸，由RS-232信號轉換器進行轉換連接至室內計算機，由室內計算機完成數據顯示及對現場進行批量裝車操作與監控。

1.3 PLC集中自動控制裝車系統結構

PLC集中自動控制裝車系統結構如圖2所示。

圖2 PLC集中自動控制裝車系統結構圖

1.4 PLC集中自動控制裝車系統控制原理

PLC自動控制裝車系統的控制部分全部在室內，主要由主板和擴展單元組成。包括CPU單元、電源單元、ID單元、DO單元、A/D單元等，安裝在室內PLC機柜內，是整個控制系統的核心，現場的流量計信號、閥門開關信號、高液位報警信號、現場就緒信號等通過儀表信號線接至PLC的輸入端進行裝車時過程控制，包括讀取流量計信號，控制閥門裝車等，并保護系統安全運行。PLC設有通訊接口，可與上位計算機進行實時通信，將其各種信號傳送給上位計算機，以便遠端對整個系統運行進行監控、顯示和管理。

2 兩種控制系統基本性能比較

2.1 兩種系統工作的穩定性比較

影響控制系統工作穩定性的因素除儀表元件本身的質量問題外，主要影響因素有：溫度(高溫或低溫)、濕度、油氣腐蝕、灰塵等。

PLC集中式自動裝車控制系統：因PLC的各類元件及端子柜均在室內，其影響儀表元件的使用壽命和工作穩定的環境因素(如溫度、濕度及油氣腐蝕等)穩定可控，故系統運行較為穩定。現場控制器集散式自動裝車控制系統：現場控制器的控制核心在現場，而大多數成品油充裝現場為露天(或簡易棚)，其控制器上各種儀表元件(主板、芯片等)易受到現場環境的影響，夏季高溫、冬季的低溫均會對現場控制器的控制誤差造成影響。現場控制器安裝在現場一個防爆控制箱內，因檢修或維護經常需要開蓋，或因人為因素，控制器蓋蓋不嚴，會有油氣進入到控制器內腐蝕主板及芯片，導致控制器故障。

2.2 兩種系統的系統造價對比

兩種控制系統所需共同的設備(如流量計、裝車鶴管、裝車氣動閥、高液位報警開關等)在此不計算在系統造價中。其中，PLC集中式自動裝車控制系統主要包括：①控制系統組態費用。內包括PLC一套(包括CPU、存儲器、電源、各種擴展卡件)、相應編程軟件、計算機、打印機、PLC機柜及端子柜數個，其鶴位數不同，PLC選型不同，其卡件數量不同，報價有很大的差異。②多種較大量的信號電纜、電源電纜及儀表槽盒等材料費用。③包括放電纜及安裝儀表槽盒的施工費用。現場控制器集散式自動裝車控制系統主要包括：①控制系統的組態費用。內包括現場控制器數個、計算機、打印機、操作臺等。②電源電纜1根、信號電纜1根等材料費用。③放電纜的施工費用。兩種系統的基本造價均與現場安裝的裝車鶴位有關。假設現場至操作室位置最遠400 m，最近100 m，現以10個、20個及40個鶴位為例來計算系統造價(一些小的耗材不計)。PLC集中式自動裝車控制系統(西門子PLC為例)總造價為215萬元。現場控制器集散式自動裝車控制系統(以某公司自行開發的單片機為例)總造價為168.8萬元。

2.3 兩種系統的故障情況對比及系統維護工作量對比

控制系統的故障一般來自兩個方面：一方面來自于外部設備(現場設備)，另一方面來自內部系統的硬件部分。

2.3.1 集中控制系統故障缺陷分析

集中控制系統采用PLC為控制核心，而PLC技術使用廣泛，制造技術成熟。根據PLC控制系統的故障理論分析，其PLC故障點分布圖如圖3所示。

從圖3可以看出，PLC本身的內部故障率很低，且PLC對其本身發生的故障具有一定的自診斷功能，其通過PLC中各單元信號燈的指示狀態，可以判定故障原因。因此，PLC控制系統具有故障率低，故障判斷容易、維護簡單的特點。

2.3.2 分散式控制系統故障分析

分散式控制系統的控制核心一般為某公司自制單片機，其控制器的組成包括有：控制按鈕、控制芯片(CPU、流量、信號、高液位報警等)、接線柱、電源等。其內部故障包括控制按鈕故障(5%)、控制芯片故障(90%)、其它故障(5%)。從某公司24個鶴位的分散式控制系統在實際使用過程中發生故障來分析，主要有以下兩個方面的缺陷：①系統自診斷功能差，系統故障原因判斷難。系統出現故障表現出來的均為通訊故障，即某一個控制器出現通訊故障后，在操作室內不能實現自動控制。若正在裝車出現通訊故障，順時流量和累積流量均會消失，對裝車作業安全影響很大。其故障現象很簡單，但導致通訊故障的原因卻很多。其中任何一個按鈕不到位、芯片上有損壞、接線松動等都可能導致系統通訊故障，而系統不能自診斷出故障來源。每次故障都要對所有芯片進行一次插拔、測量，對所有接線柱進行檢查處理等，處理完正常后，卻并不知道問題根源，不能徹底排除故障。且下一次故障還是不知道怎樣正確迅速處理。②定值控制器糾錯功能差，系統故障處理時間長。現場控制器的傳輸方式為一條信號線接多個現場定值控制器。一般情況下，一個棧臺同一種裝車作業敷設一條信號線，其每單個鶴位的控制器信號線從這條線路上并接。現場定值控制器主板糾錯功能不好，當某一個鶴位(即某一個控制器)出現故障時，計算機有可能讀取數據錯誤，而在其它鶴位上顯示錯誤或全體鶴位均顯示故障，導致根本不能正確判斷到底是哪一個定值控制器出現故障。故每次出現故障時，要依次逐個斷開定值控制器來判斷究竟是哪一臺定值控制器出現了問題，等找到故障定值控制器時幾個小時已過去了，對故障定值控制器檢修又要幾個小時去判斷是哪一個芯片或接線等故障。這樣下來有時要花兩三天時間來檢修。

圖3 PLC故障點分布圖

2.4 兩種系統性能比較

從以上分析可以得出兩種系統的性能比較，如表1所示。

表1 兩種系統性能比較

3 結論

通過兩種系統的優劣進行分析，我們可以看出，兩種系統各有其優缺點，在選擇具體的操作系統時，應根據現場條件合理選擇。筆者認為可選擇現場定值控制器集散式自控裝車系統有如下幾種情況：①設計能力低于9萬t/a的生產任務；②操作室位置限制(或只需現場操作)，施工工期緊，鶴位數少于10個。可選擇PLC集中自控操作系統的有如下情況：①棧臺長、出廠生產任務量大，鶴位數超過10個以上，需批量作業的。②遠程控制，即操作室與現場超過1.2 km以上的。

2013-12-28

李吉香(1973-)，女，工程師，國家注冊安全工程師，從事安全管理工作，電話：13938807354。

TQ056.22

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1003-3467(2014)02-0051-03