試論化工儲罐自動化改造技術實踐

摘要：文章結合化工儲罐自動化監(jiān)控系統(tǒng)的改造技術實例，探討了儲罐自動化監(jiān)控系統(tǒng)的導波雷達物位計、PLC、組態(tài)軟件等設置與設計方法，實現(xiàn)了罐區(qū)的自動化管理，以此希望該設計思路與方法能夠給予同行業(yè)人員有意義的借鑒和參考。

關鍵詞：化工儲罐；自動化改造技術；數(shù)據采集；S7-200；導波雷達物位計；PLC 文獻標識碼：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、運輸、儲存過程中的重要設備，其具有儲存量大、布置分散、占地面積廣等特點。我國自20世紀90年代初引進液位儀表自動測量技術以來，在儲罐參數(shù)測量的精度、保護人員安全、降低勞動強度等方面都有了明顯的提升。但隨著生產經營規(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時性，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。在自動化技術改造前，罐區(qū)監(jiān)控主要由人工巡檢完成，機泵由人工啟動，儲罐存放的物料量無法實時準確地計算。罐區(qū)收付液管道大部分未安設質量流量計，人工儲罐、地磅計量數(shù)據作為物料收付時的結算依據。在高危區(qū)，設有可燃氣體檢測探測器，在值班室安裝報警柜，并由當值人員負責監(jiān)督報警。

對化工儲罐自動化改造技術的要求如下：由系統(tǒng)采集儲罐的重要數(shù)據，如壓力、溫度、液位等，并在監(jiān)控界面上實時地顯示。機泵要求遠程遙控，并具有緊急狀態(tài)時就地操作的功能。由于生產任務緊迫，加之遠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程控制閥門先預留安裝位置，待后期二次改造。儲罐的收付料流量暫以雷達液位計量、地磅計量為準，其數(shù)據要進入控制系統(tǒng)。后期二次改造時，在儲罐加裝物量流量計，實現(xiàn)全自動計量控制，并將可燃氣體的實時采集報警信號，發(fā)送至PLC系統(tǒng)，在無人值守時，記錄報警信息，并供日后查詢，實現(xiàn)全自動化管理。

2 自動化系統(tǒng)改造的總體設計

2.1 儲罐監(jiān)控儀表的設置

根據儲罐的改造技術要求，對儲罐加裝導波雷達、溫度變送器、壓力變送器等儀表，負責采集儲罐內液體所有的數(shù)據。本次改造采用的MT-2000型導波雷達物位計，其流量計信號以4～20mA的模擬信號進入系統(tǒng)。在測量時，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。

將機泵的開關回路改造成可供自動或人工控制的回路，并在泵房內安裝自控/手動切換控制箱?？扇細怏w報警柜的報警輸出信號，以24V開關量的形式輸入系統(tǒng)。

2.2 控制網絡的設置

控制網絡采用的是基于遠程I/O站點的現(xiàn)場總線控制網絡，即遠程I/O站點將以模擬信號的形式采集儲罐儀表信號，并作為整套現(xiàn)場總線控制網絡中的從站，負責與主控制器進行通訊。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)分為五個部分：第一部分是現(xiàn)場傳統(tǒng)型的設備；第二部分是放置于危險區(qū)域的防爆遠程I/O站點，負責直接采集儲罐現(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)場設備的連接附件和電纜。

2.3 人機交換界面的設置

本系統(tǒng)人機交換截面，是利用MCGS組態(tài)軟件，在Windows環(huán)境下，快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)。通過MCGS組態(tài)軟件的驅動程序，其實現(xiàn)與外部設備的數(shù)據交換，包括采集數(shù)據的接受和發(fā)送指令。MCGS的驅動程序包括VB和VC程序設計語言，操作人員通過MCGS組態(tài)軟件，可實現(xiàn)對PLC編程，調試、監(jiān)控廠區(qū)內儲罐的實際情況，并可通過該人機交換界面實現(xiàn)歷史數(shù)據存儲、查詢、儲罐容量計算、打印等操作。

2.4 PLC控制系統(tǒng)的構成

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點的CPU（包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM）。數(shù)字量擴展模塊包含EM221、EM222、EM223；模擬量擴展模塊包含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，通過安裝于泵房內的切換按鈕實現(xiàn)，并在切換的同時，將相應的信號輸送到PLC，以調用相對應的子程序。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，經過程序的計算并得出液位值后，再與主調節(jié)器給定的液位值做出比較，得出偏差。在通過兩級PID的調節(jié)后，電動調節(jié)閥輸出相應的控制量信號，驅動負載以實現(xiàn)液位的精確控制；手動操作，就是由人工來調節(jié)儲罐的液位。

控制系統(tǒng)的控制箱內設置了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運算。同時為了控制和監(jiān)視PID的運算，該系統(tǒng)還采用了其中9個主要參數(shù)作為判斷控制精確性的依據，這些參數(shù)為給定值SPN、過程變量當前值PVN、輸出值MN、過程變量當前值PVN-1、增益KC、積分時間TL、采樣時間TS、積分項前值MX、微分時間TD。PID參數(shù)先根據自設定的方式進行整定，再根據實際的情況做出調整。

3.2 數(shù)據的采集程序

導波雷達物位計MT-2000按照一定的掃描周期，連續(xù)采集有關的模擬量、開關量等數(shù)據信號，將運行過程中的參數(shù)、輸入輸出狀態(tài)、操作信息、異常情況等，利用I/O從站并經過AD轉換后，輸入PLC得出一個16進制的數(shù)字，再經過系統(tǒng)的量程和十進制轉換，才能在人機交換顯示屏上顯示出讀數(shù)。

3.3 閥門的開關程序

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量輸出點對氣動閥門的開關控制。在上位機MCGS程序中，通過相同狀態(tài)下的“不可用”設置，可防止出現(xiàn)與閥門的現(xiàn)有狀態(tài)相同的重復性控制命令。例如：當上位機MCGS程序根據閥門的回訊，顯示閥門的當前狀態(tài)為“開啟”時，“開閥門”按鈕將顯示失效狀態(tài)，操作人員只能點擊“關閥門”按鈕。在每次的操作過程中，系統(tǒng)均會提示二次確認的對話框，以免誤操作。

3.4 罐裝平臺的控制程序

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

二期整改時，將徹底實行罐區(qū)的自動計量、自動灌裝的設計。其主要設計思路如下：

在原罐裝的管道上，安裝遠程控制閥門，再將質量累計信號和流量計的流量信號接入到監(jiān)控系統(tǒng)中。同時，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程控制閥門，以保證計量更為準確，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，都要同時將這兩個閥門打開，當加裝量至設定值時，關閉主閥門，灌裝完畢時，再關閉小閥門。

在上位機MCGS系統(tǒng)中，操作人員可預設灌裝預裝量M0值。開始罐裝前，監(jiān)控系統(tǒng)將根據檢測到的罐內現(xiàn)有的讀數(shù)，與預裝量M0相加得出儲罐的目標值MX。如果設M為監(jiān)控系統(tǒng)檢測罐內的實時累計量讀數(shù)，δ為距離目標值MX的特定值，則當M距離目標值MX為δ時，大閥門將會自動關閉，小閥門繼續(xù)灌裝，直到罐量為目標值MX，小閥門關閉，灌裝完成。

3.5 SQL數(shù)據庫的查詢

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

值等。

罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)控數(shù)據均儲存在SQL數(shù)據庫中，其數(shù)據變化是以動畫的形式展現(xiàn)，當啟動查詢程序后，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，點擊“確認”便可自動生成查詢的數(shù)據信息。

3.6 系統(tǒng)的安全保障措施

該系統(tǒng)中的控制箱操作站，實現(xiàn)對整套系統(tǒng)的數(shù)據采集、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)出報警，提醒技術人員適當?shù)匦薷南到y(tǒng)的參數(shù)。系統(tǒng)還對每一個操作人員進行了權限劃分，實現(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)場能夠及時更換，縮短監(jiān)控系統(tǒng)的維護時間。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，監(jiān)測信號會持續(xù)輸出，將事故的影響降至

最低。

4 結語

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)控室內實時地查看罐區(qū)現(xiàn)場的儀表情況，遠程控制設備的自動開閉，減少了操作人員在重大危險源地檢查的頻率，縮短了停留的時間，降低了事故發(fā)生的概率。在現(xiàn)有的化工行業(yè)生產經營模式下，從降低成本和安全生產的角度來分析，對化工儲罐自動化監(jiān)控系統(tǒng)的改造，是一個利國、利民、意義深遠的決策。

參考文獻

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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、安全管理。

（責任編輯：黃銀芳）