摘要：文章結(jié)合化工儲罐自動化監(jiān)控系統(tǒng)的改造技術(shù)實(shí)例，探討了儲罐自動化監(jiān)控系統(tǒng)的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)、PLC、組態(tài)軟件等設(shè)置與設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了罐區(qū)的自動化管理，以此希望該設(shè)計(jì)思路與方法能夠給予同行業(yè)人員有意義的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：化工儲罐；自動化改造技術(shù)；數(shù)據(jù)采集；S7-200；導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)；PLC 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP206 文章編號：1009-2374（2016）09-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.010

儲罐是化工企業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存過程中的重要設(shè)備，其具有儲存量大、布置分散、占地面積廣等特點(diǎn)。我國自20世紀(jì)90年代初引進(jìn)液位儀表自動測量技術(shù)以來，在儲罐參數(shù)測量的精度、保護(hù)人員安全、降低勞動強(qiáng)度等方面都有了明顯的提升。但隨著生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模及油品種類的增加，罐區(qū)范圍也越來越大，原有的罐區(qū)管理方式已不能滿足實(shí)時(shí)性，升級和改造化工儲罐的監(jiān)控系統(tǒng)迫在眉睫。

1 化工儲罐的改造技術(shù)要求

筆者所在單位共擁有21臺不同儲存容量的儲罐，分別存放硫酸、液堿、硝酸、甲醇、甲苯等。在自動化技術(shù)改造前，罐區(qū)監(jiān)控主要由人工巡檢完成，機(jī)泵由人工啟動，儲罐存放的物料量無法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算。罐區(qū)收付液管道大部分未安設(shè)質(zhì)量流量計(jì)，人工儲罐、地磅計(jì)量數(shù)據(jù)作為物料收付時(shí)的結(jié)算依據(jù)。在高危區(qū)，設(shè)有可燃?xì)怏w檢測探測器，在值班室安裝報(bào)警柜，并由當(dāng)值人員負(fù)責(zé)監(jiān)督報(bào)警。

對化工儲罐自動化改造技術(shù)的要求如下：由系統(tǒng)采集儲罐的重要數(shù)據(jù)，如壓力、溫度、液位等，并在監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)地顯示。機(jī)泵要求遠(yuǎn)程遙控，并具有緊急狀態(tài)時(shí)就地操作的功能。由于生產(chǎn)任務(wù)緊迫，加之遠(yuǎn)程控制閥門的安裝需要火焰切割、焊接等工序，因此暫定主要工藝管道上的遠(yuǎn)程控制閥門先預(yù)留安裝位置，待后期二次改造。儲罐的收付料流量暫以雷達(dá)液位計(jì)量、地磅計(jì)量為準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)要進(jìn)入控制系統(tǒng)。后期二次改造時(shí)，在儲罐加裝物量流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)全自動計(jì)量控制，并將可燃?xì)怏w的實(shí)時(shí)采集報(bào)警信號，發(fā)送至PLC系統(tǒng)，在無人值守時(shí)，記錄報(bào)警信息，并供日后查詢，實(shí)現(xiàn)全自動化管理。

2 自動化系統(tǒng)改造的總體設(shè)計(jì)

2.1 儲罐監(jiān)控儀表的設(shè)置

根據(jù)儲罐的改造技術(shù)要求，對儲罐加裝導(dǎo)波雷達(dá)、溫度變送器、壓力變送器等儀表，負(fù)責(zé)采集儲罐內(nèi)液體所有的數(shù)據(jù)。本次改造采用的MT-2000型導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)，其流量計(jì)信號以4～20mA的模擬信號進(jìn)入系統(tǒng)。在測量時(shí)，該裝置幾乎不受任何環(huán)境干擾，可以提供長期、穩(wěn)定的數(shù)字量或模擬量的物位信號。

將機(jī)泵的開關(guān)回路改造成可供自動或人工控制的回路，并在泵房內(nèi)安裝自控/手動切換控制箱?？扇?xì)怏w報(bào)警柜的報(bào)警輸出信號，以24V開關(guān)量的形式輸入系統(tǒng)。

2.2 控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置

控制網(wǎng)絡(luò)采用的是基于遠(yuǎn)程I/O站點(diǎn)的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)，即遠(yuǎn)程I/O站點(diǎn)將以模擬信號的形式采集儲罐儀表信號，并作為整套現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)中的從站，負(fù)責(zé)與主控制器進(jìn)行通訊?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)分為五個(gè)部分：第一部分是現(xiàn)場傳統(tǒng)型的設(shè)備；第二部分是放置于危險(xiǎn)區(qū)域的防爆遠(yuǎn)程I/O站點(diǎn)，負(fù)責(zé)直接采集儲罐現(xiàn)場信號；第三部分是有現(xiàn)場總線接口（PLC的CPU單元）的控制器；第四部分是I/O站與主控制器的連接附件和現(xiàn)場總線；第五部分是I/O站與現(xiàn)場設(shè)備的連接附件和電纜。

2.3 人機(jī)交換界面的設(shè)置

本系統(tǒng)人機(jī)交換截面，是利用MCGS組態(tài)軟件，在Windows環(huán)境下，快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。通過MCGS組態(tài)軟件的驅(qū)動程序，其實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，包括采集數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送指令。MCGS的驅(qū)動程序包括VB和VC程序設(shè)計(jì)語言，操作人員通過MCGS組態(tài)軟件，可實(shí)現(xiàn)對PLC編程，調(diào)試、監(jiān)控廠區(qū)內(nèi)儲罐的實(shí)際情況，并可通過該人機(jī)交換界面實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存儲、查詢、儲罐容量計(jì)算、打印等操作。

2.4 PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成

該系統(tǒng)采用的是西門子S7-200PLC控制系統(tǒng)，集成了一定數(shù)字I/O點(diǎn)的CPU（包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM）。數(shù)字量擴(kuò)展模塊包含EM221、EM222、EM223；模擬量擴(kuò)展模塊包含EM231、EM232、EM235；通訊模塊包含EM277、EM241等，可直接與現(xiàn)場I/O點(diǎn)從站連接，并接受從站輸入或向從站輸出0～5V的直流信號。

3 監(jiān)控系統(tǒng)程序的設(shè)定

3.1 系統(tǒng)的控制程序

改造后的儲罐監(jiān)控系統(tǒng)分為自動和手動兩種操作方式，具體采用哪種工作方式，要在系統(tǒng)啟動前，通過安裝于泵房內(nèi)的切換按鈕實(shí)現(xiàn)，并在切換的同時(shí)，將相應(yīng)的信號輸送到PLC，以調(diào)用相對應(yīng)的子程序。在自動模式下，由S7-200PLC接收各從站采集現(xiàn)場儲罐液位的數(shù)字信號，經(jīng)過程序的計(jì)算并得出液位值后，再與主調(diào)節(jié)器給定的液位值做出比較，得出偏差。在通過兩級PID的調(diào)節(jié)后，電動調(diào)節(jié)閥輸出相應(yīng)的控制量信號，驅(qū)動負(fù)載以實(shí)現(xiàn)液位的精確控制；手動操作，就是由人工來調(diào)節(jié)儲罐的液位。

控制系統(tǒng)的控制箱內(nèi)設(shè)置了3臺PID控制器，分別控制甲類罐組、酸堿罐組及甲醇罐組。PID的回路采用的是回路表的組態(tài)信息和輸入信息，簡化了系統(tǒng)的PID運(yùn)算。同時(shí)為了控制和監(jiān)視PID的運(yùn)算，該系統(tǒng)還采用了其中9個(gè)主要參數(shù)作為判斷控制精確性的依據(jù)，這些參數(shù)為給定值SPN、過程變量當(dāng)前值PVN、輸出值MN、過程變量當(dāng)前值PVN-1、增益KC、積分時(shí)間TL、采樣時(shí)間TS、積分項(xiàng)前值MX、微分時(shí)間TD。PID參數(shù)先根據(jù)自設(shè)定的方式進(jìn)行整定，再根據(jù)實(shí)際的情況做出調(diào)整。

3.2 數(shù)據(jù)的采集程序

導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)MT-2000按照一定的掃描周期，連續(xù)采集有關(guān)的模擬量、開關(guān)量等數(shù)據(jù)信號，將運(yùn)行過程中的參數(shù)、輸入輸出狀態(tài)、操作信息、異常情況等，利用I/O從站并經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，輸入PLC得出一個(gè)16進(jìn)制的數(shù)字，再經(jīng)過系統(tǒng)的量程和十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，才能在人機(jī)交換顯示屏上顯示出讀數(shù)。

3.3 閥門的開關(guān)程序

在罐區(qū)所有重要管道上的氣動閥門都要有狀態(tài)回信，并能夠通過繼電器回路完成開關(guān)量輸出點(diǎn)對氣動閥門的開關(guān)控制。在上位機(jī)MCGS程序中，通過相同狀態(tài)下的“不可用”設(shè)置，可防止出現(xiàn)與閥門的現(xiàn)有狀態(tài)相同的重復(fù)性控制命令。例如：當(dāng)上位機(jī)MCGS程序根據(jù)閥門的回訊，顯示閥門的當(dāng)前狀態(tài)為“開啟”時(shí)，“開閥門”按鈕將顯示失效狀態(tài)，操作人員只能點(diǎn)擊“關(guān)閥門”按鈕。在每次的操作過程中，系統(tǒng)均會提示二次確認(rèn)的對話框，以免誤操作。

3.4 罐裝平臺的控制程序

考慮到生產(chǎn)任務(wù)緊迫，罐區(qū)易燃易爆，無法實(shí)施動火處理的原則，在主要工藝管道上，先預(yù)留遠(yuǎn)程控制閥門的安裝位置，待后期生產(chǎn)淡季時(shí)予以二期改造?，F(xiàn)階段，浙江嘉興嘉化物流有限公司罐裝平臺進(jìn)、出料暫行高報(bào)（到達(dá)某一設(shè)定液位高度）、高切（到達(dá)設(shè)定最高液位高度時(shí)，切斷主進(jìn)料泵）、低報(bào)的辦法，并發(fā)出聲光報(bào)警信號的原則。

二期整改時(shí)，將徹底實(shí)行罐區(qū)的自動計(jì)量、自動灌裝的設(shè)計(jì)。其主要設(shè)計(jì)思路如下：

在原罐裝的管道上，安裝遠(yuǎn)程控制閥門，再將質(zhì)量累計(jì)信號和流量計(jì)的流量信號接入到監(jiān)控系統(tǒng)中。同時(shí)，在槽車罐裝管線上，還要安裝一條管徑稍小的管路并加裝遠(yuǎn)程控制閥門，以保證計(jì)量更為準(zhǔn)確，并將閥門的狀態(tài)和控制信號接入到PLC系統(tǒng)中。在每次開始灌裝前，都要同時(shí)將這兩個(gè)閥門打開，當(dāng)加裝量至設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉主閥門，灌裝完畢時(shí)，再關(guān)閉小閥門。

在上位機(jī)MCGS系統(tǒng)中，操作人員可預(yù)設(shè)灌裝預(yù)裝量M0值。開始罐裝前，監(jiān)控系統(tǒng)將根據(jù)檢測到的罐內(nèi)現(xiàn)有的讀數(shù)，與預(yù)裝量M0相加得出儲罐的目標(biāo)值MX。如果設(shè)M為監(jiān)控系統(tǒng)檢測罐內(nèi)的實(shí)時(shí)累計(jì)量讀數(shù)，δ為距離目標(biāo)值MX的特定值，則當(dāng)M距離目標(biāo)值MX為δ時(shí)，大閥門將會自動關(guān)閉，小閥門繼續(xù)灌裝，直到罐量為目標(biāo)值MX，小閥門關(guān)閉，灌裝完成。

3.5 SQL數(shù)據(jù)庫的查詢

MCGS組態(tài)系統(tǒng)提供了訪問SQL數(shù)據(jù)庫的控件，通過該控件可在MCGS畫面中便捷地訪問和編輯數(shù)據(jù)庫。通過輸入數(shù)據(jù)庫的查詢函數(shù)，可對篩選數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并由控件中的統(tǒng)計(jì)函數(shù)，計(jì)算最大值、最小值或平均

值等。

罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)均儲存在SQL數(shù)據(jù)庫中，其數(shù)據(jù)變化是以動畫的形式展現(xiàn)，當(dāng)啟動查詢程序后，界面將彈出“查詢條件對話框”，輸入查詢條件（自動生成SQL的查詢語句）后，點(diǎn)擊“確認(rèn)”便可自動生成查詢的數(shù)據(jù)信息。

3.6 系統(tǒng)的安全保障措施

該系統(tǒng)中的控制箱操作站，實(shí)現(xiàn)對整套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制操作、狀態(tài)監(jiān)視等功能操作。MCGS組態(tài)系統(tǒng)對超出儲罐儲存范圍的量將發(fā)出報(bào)警，提醒技術(shù)人員適當(dāng)?shù)匦薷南到y(tǒng)的參數(shù)。系統(tǒng)還對每一個(gè)操作人員進(jìn)行了權(quán)限劃分，實(shí)現(xiàn)了分級操作，避免現(xiàn)場操作人員的誤動作。所有I/O模塊都具有硬件和軟件的自診斷功能，模塊與端子分離，其通道與現(xiàn)場的信號相互隔離，以便現(xiàn)場能夠及時(shí)更換，縮短監(jiān)控系統(tǒng)的維護(hù)時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)測信號會持續(xù)輸出，將事故的影響降至

最低。

4 結(jié)語

化工儲罐監(jiān)控系統(tǒng)在自動化改造完成后，操作人員可在監(jiān)控室內(nèi)實(shí)時(shí)地查看罐區(qū)現(xiàn)場的儀表情況，遠(yuǎn)程控制設(shè)備的自動開閉，減少了操作人員在重大危險(xiǎn)源地檢查的頻率，縮短了停留的時(shí)間，降低了事故發(fā)生的概率。在現(xiàn)有的化工行業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式下，從降低成本和安全生產(chǎn)的角度來分析，對化工儲罐自動化監(jiān)控系統(tǒng)的改造，是一個(gè)利國、利民、意義深遠(yuǎn)的決策。

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作者簡介：余國燕（1974-），男，浙江嘉興嘉化物流有限公司工程師，研究方向：電氣技術(shù)、安全管理。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）