基于PLC系統定量裝車控制系統設計

李堯堯

摘要：化工產品裝車是精細化工企業生產的一個重要環節。以國內某精細化工公司新建項目危險化學品裝車為例，根據該產品的總體銷售計劃及生產能力，并結合該產品物料特性確定了合理的裝車流程。該系統主要是為了提高裝車的效率、保證發貨精度、保障裝車作業的安全、降低人工成本，最大限度地減少

人為因素引發的各種事故。本文根據工藝流程，對定量裝車系統的結構、現場儀表的組成以及安全聯鎖措施的設計進行了介紹。

關鍵詞：化工;自動化儀表;定量裝車系統;PLC

1定量裝車控制系統組成

定量裝車系統由上位機、批量控制器、和現場儀表以及電氣設備、物料儲罐、裝車鶴管、裝車泵、氣體緩沖罐以及其他安全設施等組成 。本文主要介紹定量裝車系統中的控制系統即定量裝車控制系統，其主要包括：上位機、批量控制器、和現場儀表三部分。此外由于本套定量裝車系統涉及有毒氣體，為防止有毒氣體泄漏造成人員中毒，本套定量裝車系統設置有單獨GDS系統。

1.1批量控制器

批量控制器是定量裝車系統的核心控制設備，批量控制器是定量裝車控制系統的大腦，類似于電腦的CPU處理器，對整體裝車流程進行控制。并設有安全保護聯鎖程序，也可以實時顯示當前裝車過程，使現場人員了解充裝過程，并讀取現場操作動作包括：單號輸入、啟動裝車及停止裝車等。本次批量控制器采用浙大中控G3系列PLC控制系統，整個系統所有邏輯聯鎖程序均由PLC實現，流量計信號、防靜電信號、壓力信號、液位開關信號、液位計信號、氣動閥門控制信號、裝車泵遠程控制信號均進入PLC控制系統。

1.2上位機系統

本套定量裝車系統的上位機采用昆侖通態10寸觸摸屏，觸摸屏與PLC之間相互通訊，以便現場操作人員能實時讀取儀表信號和發出控制指令。另外本套系統將上位機系統數據通過RS485通訊接口與中央控制DCS系統進行聯網實時通訊，以便中央控制室人員對現場裝車情況進行監控，遠程DCS系統對現場裝車系統只有監控功能，不進行控制。DCS系統具有OPC功能，可以將現場裝車實時情況上傳至企業ERP系統。

1.3現場儀表

裝車系統現場儀表主要包括：壓力變送器、質量流量計、靜電接地報警器、磁翻板液位計、音叉液位開關、氣動切斷閥。

1.4 GDS系統

GDS系統包括氣體探測器和報警控制單元，基于2014年國家安監總局下發的《國家安全監管總局關于加強化工安全儀表系統管理的指導意見》（安監總管三[2014]第116號）中第四章第十一條明確要求“嚴格按照相關標準設計和實施有毒有害和可燃氣體檢測保護系統，為確保其功能可靠，相關系統應獨立于基本過程控制系統”。且相關國家標準《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》GB/T50493–2019第3.0.8條“可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統應獨立于其他系統單獨設置”。因此現場有毒氣體報警探測器的信號并未直接進入現場PLC系統，信號直接進入獨立GDS系統。現場氣體探測器采用電化學式有毒氣體探頭。

2、工藝流程及系統設計

2.1PID流程

在裝置儲罐與裝車泵之間設置一條物料管線，由裝車泵輸送至裝車鶴管，裝車出售，并將鶴管氣相管道與儲罐氣相空間相通。此外整個系統設置有氮氣保護系統。

具體工藝流程如下圖所示。

2.2裝車系統供電

按照《儀表供電設計規范》HG/T20509-2014規定“儀表電源負荷分級的劃分應符合現行國家標準《供配電系統設計規范》GB50052-2009自規定，儀表電源負荷可分為兩個等級，即一級負荷中特別重要的負荷和三級負荷。儀表電源負荷屬于一級負荷中特別重要的負荷時，應采用 UPS”。在大多數情況下，儀表用電負荷屬于一級負荷中特別重要的負荷。這類負荷在電源中斷后會打亂生產過程，造成設備損壞和人身傷害事故，并造成經濟損失，需要設置 UPS 。因此本項目批量控制系統及現場儀表供電均采用UPS后備電源供電，后備時間為30min。且批量控制器停電后會保存上個裝車數據，上電后可繼續裝車。

2.3流量計

流量計的精度和穩定性直接影響整個裝車系統的精度和穩定。因此本項目采用進口品牌艾默生高精度科里奧利質量流量計，計量精度為0.1%FS，流量計輸出信號為兩路4～20mA+HART。批量控制器采集其兩路4～20mA模擬信號，其中一路4～20mA模擬信號用于完成對裝車量的實時計量，另外一路4～20mA模擬信號用于監控物料密度。HART信號用于調試與日常檢維修。

2.4控制閥

由于裝車過程無需調節流量大小因此本套定量裝車系統閥門主要采用開關閥。從能源驅動來分類開關閥可以分為氣動、電動、液動三大類。從失能位置來分類可以分為發生故障時閥門處于開的位置（FO）、發生故障時閥門處于關的位置（FC）、發生故障時閥門處于保持原有狀態位置（FL）。考慮本質安全本次選用的開關閥為單作用氣開閥（FC），當閥門失去氣源或電源時自動關閉，防止物料溢出。

2.5靜電接地報警器

靜電接地報警器是專用于車輛、容器等金屬類靜電安全釋放的報警裝置，當容器或車輛需要釋放靜電時，將報警器一端夾在容器或車輛，另一端夾住接地樁或與接地網絡連線，即可進行靜電安全轉移、釋放，當沒有正確連接或通路不暢時設備會自動發出持續性蜂鳴聲，并有遠傳開關量信號至批量控制器報警、聯鎖。

2.6液位開關

本套定量裝車控制系統在裝車氣相鶴管上安裝有一個液位開關，并在氣相緩沖罐上也安裝有一個液位開關，當檢測到有液位時報警并聯鎖停止裝車，主要作用是確保異常工況下的液體物料進入氣相管道。另外在裝車泵入口設置有一個液位開關用于泵的保護。本次液位開關采用進口品牌音叉式液位開關，音叉液位開關是物位控制開關中使用范圍較為廣泛的一種。常用于化工產品生產中原料儲罐、槽罐、反應釜的液位監測，以及泵保護系統中管道液位監測。音叉液位開關采用壓電器件實現叉體的振動驅動與檢測。當叉體與被測液體接觸時，叉體的諧振頻率明顯降低，振動頻率的變化直接反應在壓電檢測器件的輸出信號上，檢測電路對頻率的變化進行判別并輸出一個開關信號。

2.7其他儀表

本套定量裝車系統涉及的其他儀表如：在裝車泵出口處設置的壓力變送器用于測量泵出口壓力，監測裝車泵運行狀態。在氣相緩沖罐上設置有一個磁翻板液位計用于和氣相緩沖罐液位開關冗余。

2.8聯鎖措施

本系統采用多重保護措施，以防止裝車過程可能導致泄漏、爆炸、火災、中毒事故。監測到異常情況停泵關閥，且考慮在批量控制器組態中設定適當的關閥延時時間，防止停止裝車時管道憋壓。具體聯鎖措施如下：

1、裝車泵進口管低液位開關顯示空液位時，停止裝車泵，延時10s關閉裝車泵出口切斷閥;

2、裝車尾氣緩沖罐進口管高液位開關顯示有液位時，停止裝車泵，延時10s關閉裝車泵出口切斷閥;

3、裝車尾氣緩沖罐液位高于設定值時，停止裝車泵，延時10s關閉裝車泵出口切斷閥;

4、裝車泵功率低于設定值時，，停止裝車泵，延時10s關閉裝車泵出口切斷閥;

5、裝車泵出口瞬時流量小于設定值時，停止裝車泵，延時10s關閉裝車泵出口切斷閥;

6、裝車泵出口流量累計值大于設定值時，停止裝車泵，延時10s關閉裝車泵出口切斷閥。

聯鎖關系見下圖。

4結束語

總之，定量裝車控制系統相對于人工裝車人工記賬而言，明顯提高了裝車效率減輕了工作負擔，提高了交付的精確度。從安全角度看定量裝車控制系統具備遠程監控功能，聯鎖保護措施完備，提高了自動化水平，減少了事故的發生幾率，降低了生產風險。批量控制器的無流量報警停車功能，能防止泵長時間空轉而損壞，從而降低了企業的維護成本。靜電溢流報警停車功能，使得發生火災等突發狀況時可以實時啟用緊急停車功能，保證了自動裝車的安全性。上位機軟件和批量控制器良好的人機界面降低了操作工的使用門檻。裝車系統的遠程實時監控使企業領導層能夠實時掌握裝車進度，有助于根據企業的總體戰略調配資源以實現效率最大化。

參考文獻

[1]本項目安全設施設計報告

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[3] 張曉蘭，孫偉 . 實現油品自動裝車系統計算機控制與管理的探

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