全自動罐下取樣系統(tǒng)V1.0設計與實現(xiàn)

宋曉光 陳曉勇 齊麗曼

【摘要】根據(jù)GB/T 4756—2015《石油液體手工取樣法》中規(guī)定的取樣點（上部樣、中部樣、下部樣），開發(fā)一套全自動的取樣系統(tǒng)。本文主要內(nèi)容介紹了全自動罐下取樣系統(tǒng)的應用、概述、系統(tǒng)設計的原理和功能、可視化系統(tǒng)畫面的開發(fā)以及系統(tǒng)應用的優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】全自動；取樣；可視化界面

【DOI編碼】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

全自動罐下取樣系統(tǒng)是利用西門子SIMATIC S7-200 SMART與畫面的組態(tài)開發(fā)的一個軟件，具有高性能采樣控制方式。該系統(tǒng)可以廣泛應用于化工、糧油、煉油及其他儲罐的場合和行業(yè)，來替代人工罐上采樣，提高了采樣的精準性和安全性。罐下自動采樣器安全環(huán)保、省時省力、準確可靠、易于管理，并且安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單，適用于石油、糧油（葵花籽油、大豆油、菜油、調(diào)和油）等油品取樣。

在石油、食用油生產(chǎn)過程中，原料、半成品和成品需要存放在不同的儲罐中。為了獲得這些儲罐中介質(zhì)的性能參數(shù)，取樣人員需要通過取樣桶在罐頂進行人工取樣，并采集相應部位的樣品，以便及時分析檢測。根據(jù)GB/T 4756—2015《石油液體手工取樣法》，當罐內(nèi)或管線液體靜止時，對油品進行取樣，采集樣品可分為上部樣、中部樣和下部樣。其中GB/T 4756—2015規(guī)定上部樣為在頂部液面下1/6液深位置采集的點樣；中部樣為在液面下1/2液深位置采集的點樣；下部樣為在液面下5/6液深位置采集的點樣。這種取樣方法費時費力，且由于儲罐高度較高，在惡劣天氣下可能會威脅取樣人員的生命安全。為解決人工爬罐取樣難且危險的問題，采用食品油/糧油罐下自動采樣器，實現(xiàn)了油罐內(nèi)不同點位的樣品可在罐下密閉取樣控制箱中直接采樣。

全自動罐下取樣系統(tǒng)以西門子S7-200SMART PLC可編程邏輯控制器為核心，讓全自動罐下取樣系統(tǒng)控制更加智能化。其具有機型豐富，更多選擇，可以提供不同類型、I/O點數(shù)豐富的CPU擴展模塊，可以實現(xiàn)數(shù)字量通道、通信接口、模擬量模塊靈活配置，集成3路高速脈沖和支持多種運動模式及精確定制等優(yōu)點。在S7-200SMART PLC的CPU中通過其本體集成的以太網(wǎng)接口，用1根以太網(wǎng)線，通過交換機便可以自動控制直接取樣及整個過程和程序的上傳、下載、監(jiān)控，并可以與觸摸屏進行組網(wǎng)。根據(jù)實際使用的不同環(huán)境來設置循環(huán)時間，滿足不同運行時的需求，從而保證取樣的準確性和重復性，提高循環(huán)運行的整體可靠性，對取出的樣品能真實反映介質(zhì)的質(zhì)量情況，樣品代表性強。

本系統(tǒng)的基本硬件包含柜體、西門子PLC、西門子觸摸屏、溫濕度傳感器及探頭、動作繼電器和電磁閥等。本系統(tǒng)軟件采用西門子STEP7-Micro/WIN SMART，主要用來進行用戶程序的編制、存儲和管理，并將用戶程序送入PLC中，在調(diào)試過程中，進行監(jiān)控和故障檢測。該編程軟件具有先進的程序結(jié)構(gòu)，融入了新穎的項目樹和帶狀菜單，可以移動式編程窗口。可視化設備通過SIMAIC Wincc flexible SMART軟件來組態(tài)、編寫觸摸屏畫面的程序。通信方式采用以太網(wǎng)，通過工業(yè)交換機通信的方式和現(xiàn)場設備傳感器等進行組網(wǎng)。

開發(fā)的PLC智能程序控制與人機交互的全自動罐下取樣器系統(tǒng)，依據(jù)GB/T 4756—2015等相關(guān)材料，根據(jù)用戶的需求和控制方式進行程序的編寫。編程語言采用指令語句表（STL），語句表語言與微型計算機的匯編語言類似，也采用助記符形式編程。根據(jù)程序的開發(fā)控制可以實現(xiàn)上部、中部、下部位置的順序取樣和每個步驟時間的控制。在觸摸屏上設定上部、中部、下部、循環(huán)和取樣時間，反抽以及吹掃運行的時間。每路的運行時間以及現(xiàn)場取樣閥門的開關(guān)狀態(tài)，以動態(tài)及動畫箭頭方式展現(xiàn)在可視畫面中，讓操作者更加直觀地了解到設備運行的狀態(tài)和過程。控制方式采取現(xiàn)場控制和觸摸屏控制兩種方式，并且可以根據(jù)需要進行管路的吹掃功能，現(xiàn)場和觸摸屏都設置了保護開關(guān)，如果遇到緊急情況可以按動現(xiàn)場或觸摸屏上的開關(guān)，停止系統(tǒng)的運行。

該系統(tǒng)還利用PLC的保持范圍，在發(fā)生循環(huán)上電時將保持的儲存器存儲每個出樣口的取樣次數(shù)，并且在人為復位或者設定復位次數(shù)后，系統(tǒng)數(shù)據(jù)將自動復位。在觸摸屏組態(tài)畫面中增加了登錄的權(quán)限，防止權(quán)限以外的人員誤動作。同時在觸摸屏畫面添加了通信畫面功能，可以更直觀地了解網(wǎng)絡連接狀態(tài)，以及報警提示。為了不讓油凝固，在觸摸屏中輸入時間，系統(tǒng)可以自動定時實現(xiàn)反抽循環(huán)，對自動循環(huán)時間也可以通過觸摸屏進行時間校準。通過溫濕度探頭和傳感器與PLC模塊的連接，可以采集現(xiàn)場的溫度、濕度以及取樣點的溫度和濕度。

本系統(tǒng)觸摸屏的組態(tài)畫面的導航頁面清晰簡明，屏幕可以設定和顯示時間、溫濕度等參數(shù)，可以進行一鍵啟動和停止操作。觸摸屏組態(tài)的操作的界面有登錄界面、通信界面、主界面、參數(shù)設置界面以及統(tǒng)計界面功能。

3.1登錄界面

在登錄畫面添加用戶管理函數(shù)ShowLogonDialog和ActivateScreen打開畫面總覽，并選擇兩個函數(shù)的Logoff或ActivateScreen，注銷用戶或切換畫面到登錄畫面，在注銷后自動返回登錄頁面。

設定用戶登錄的權(quán)限和密碼，防止誤操作和誤登錄，在用戶管理中，可對用戶和用戶組進行管理，從而控制對運行系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和函數(shù)的訪問權(quán)限，比如需要進入操作系統(tǒng)就可以設置用戶管理權(quán)限，必須具備用戶的賬號和密碼才可以登錄或者進入一些特定的畫面也可以設置用戶管理權(quán)限對用戶的操作權(quán)限來進行管控。

3.2通信界面

在用戶登錄后，進入通信界面，在此界面可以顯示登錄的時間、通信是否已經(jīng)連接建立以及設備的IP地址、觸控設備是否已經(jīng)初始化及操作模式，通過上下箭頭的觸控更加直觀地了解到設備的連接狀態(tài)。系統(tǒng)通信界面如圖1所示。

3.3主界面

通過循環(huán)觸屏按鈕，點擊啟動后，可以起動設備運轉(zhuǎn)，首先執(zhí)行上部樣的管道循環(huán)，通過設定時間，開關(guān)對應的閥門實現(xiàn)上部樣的取樣。然后是中部樣的管道循環(huán)，通過設定時間，開關(guān)對應的閥門實現(xiàn)中部樣的取樣，再次執(zhí)行下部樣的管道循環(huán)，通過設定時間，開關(guān)對應的閥門實現(xiàn)下部樣的取樣。點擊吹掃按鈕可以開啟管路中的吹掃功能，開關(guān)相應的閥門。觸摸屏可以以動態(tài)的形式顯示各個閥門開關(guān)狀態(tài)以及液位流向。通過傳感器，采集、反饋的模擬量信號，經(jīng)模塊的接入，通過程序的編寫，最終通過組態(tài)的方式顯示出管路的溫度、取樣點的溫度和濕度。系統(tǒng)的主畫面循環(huán)過程和取樣過程如圖2和圖3所示。

3.4參數(shù)設置界面

對上部樣、中部樣、下部樣分別設定管路循環(huán)時間以及對應取樣閥開關(guān)時間，并且可以實時顯示該狀態(tài)下已運行的時間。對于一個循環(huán)結(jié)束后，進行吹掃也可以設定工作時間及實時顯示該狀態(tài)下的運行時間。參數(shù)設置界面如圖4所示。

3.5統(tǒng)計界面

此界面可以分別對1～3路取樣次數(shù)進行統(tǒng)計，并且可以手動設置復位次數(shù)和進行取樣次數(shù)手動按鈕復位方式，可以設定自動循環(huán)時間，按照設定的實現(xiàn)系統(tǒng)將自動進行反抽起動循環(huán)及具有系統(tǒng)時間校準設定功能。統(tǒng)計界面如圖5所示。

全自動罐下取樣器系統(tǒng)，采用可編程邏輯控制器PLC作為系統(tǒng)編程控制的核心，使控制更加精準、靈活可靠，從而保證了罐區(qū)的安全以及取樣位置的精準。系統(tǒng)操作簡單，可以實現(xiàn)自動觸屏控制，以及現(xiàn)場手動啟停，提供了方便的采樣方式，這樣既減輕了采樣工人的勞動強度和保證了安全，又節(jié)省了時間。通過對可編程控制器寫入指令，采用自動化控制方式，可以實現(xiàn)規(guī)定位置及方式的取樣，提高了工作效率；可視化設備與可編程邏輯控制器通過以太網(wǎng)，工業(yè)交換機連接在一起，實現(xiàn)可視化設備與可編程邏輯控制器PLC通過通信方式交互信息，可以減少維護的工作量，提高了系統(tǒng)監(jiān)測和控制的可靠性。

【參考文獻】

[1]石油液體手工取樣法：GB/T 4756—2015[S]

[2]肖威，李慶海.PLC及觸摸屏組態(tài)控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]蔡杏山.圖解西門子PLC、變頻器與觸摸屏組態(tài)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2020.

[4]韓相爭.西門子PLC、觸摸屏和變頻器應用技巧和實戰(zhàn)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2022.

【作者簡介】

宋曉光，男，1966年出生，教授級高級工程師，學士，研究方向為科技管理、知識產(chǎn)權(quán)保護、科技成果轉(zhuǎn)化、檢驗檢測。

陳曉勇，男，1984年出生，高級工程師，學士，研究方向為產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測。

齊麗曼，女，1977年出生，高級工程師，研究方向為科技管理，產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測。

（編輯：于淼）