试论化工储罐自动化改造技术实践

　　摘要：文章结合化工储罐自动化监控系统的改造技术实例，探讨了储罐自动化监控系统的导波雷达物位计、PLC、组态软件等设置与设计方法，实现了罐区的自动化管理，以此希望该设计思路与方法能够给予同行业人员有意义的借鉴和参考。
　　关键词：化工储罐；自动化改造技术；数据采集；S7-200；导波雷达物位计；PLC
　　储罐是化工企业生产、运输、储存过程中的重要设备，其具有储存量大、布置分散、占地面积广等特点。我国自20世纪90年代初引进液位仪表自动测量技术以来，在储罐参数测量的精度、保护人员安全、降低劳动强度等方面都有了明显的提升。但随着生产经营规模及油品种类的增加，罐区范围也越来越大，原有的罐区管理方式已不能满足实时性，升级和改造化工储罐的监控系统迫在眉睫。
　　1 化工储罐的改造技术要求
　　笔者所在单位共拥有21台不同储存容量的储罐，分别存放硫酸、液碱、硝酸、甲醇、甲苯等。在自动化技术改造前，罐区监控主要由人工巡检完成，机泵由人工启动，储罐存放的物料量无法实时准确地计算。罐区收付液管道大部分未安设质量流量计，人工储罐、地磅计量数据作为物料收付时的结算依据。在高危区，设有可燃气体检测探测器，在值班室安装报警柜，并由当值人员负责监督报警。
　　对化工储罐自动化改造技术的要求如下：由系统采集储罐的重要数据，如压力、温度、液位等，并在监控界面上实时地显示。机泵要求远程遥控，并具有紧急状态时就地操作的功能。由于生产任务紧迫，加之远程控制阀门的安装需要火焰切割、焊接等工序，因此暂定主要工艺管道上的远程控制阀门先预留安装位置，待后期二次改造。储罐的收付料流量暂以雷达液位计量、地磅计量为准，其数据要进入控制系统。后期二次改造时，在储罐加装物量流量计，实现全自动计量控制，并将可燃气体的实时采集报警信号，发送至PLC系统，在无人值守时，记录报警信息，并供日后查询，实现全自动化管理。
　　2 自动化系统改造的总体设计
　　2.1 储罐监控仪表的设置
　　根据储罐的改造技术要求，对储罐加装导波雷达、温度变送器、压力变送器等仪表，负责采集储罐内液体所有的数据。本次改造采用的MT-2000型导波雷达物位计，其流量计信号以4 20mA的模拟信号进入系统。在测量时，该装置几乎不受任何环境干扰，可以提供长期、稳定的数字量或模拟量的物位信号。
　　将机泵的开关回路改造成可供自动或人工控制的回路，并在泵房内安装自控/手动切换控制箱。可燃气体报警柜的报警输出信号，以24V开关量的形式输入系统。
　　2.2 控制网络的设置
　　控制网络采用的是基于远程I/O站点的现场总线控制网络，即远程I/O站点将以模拟信号的形式采集储罐仪表信号，并作为整套现场总线控制网络中的从站，负责与主控制器进行通讯。现场总线控制系统分为五个部分：第一部分是现场传统型的设备；第二部分是放置于危险区域的防爆远程I/O站点，负责直接采集储罐现场信号；第三部分是有现场总线接口（PLC的CPU单元）的控制器；第四部分是I/O站与主控制器的连接附件和现场总线；第五部分是I/O站与现场设备的连接附件和电缆。
　　2.3 人机交换界面的设置
　　本系统人机交换截面，是利用MCGS组态软件，在Windows环境下，快速构造和生成上位机监控系统。通过MCGS组态软件的驱动程序，其实现与外部设备的数据交换，包括采集数据的接受和发送指令。MCGS的驱动程序包括VB和VC程序设计语言，操作人员通过MCGS组态软件，可实现对PLC编程，调试、监控厂区内储罐的实际情况，并可通过该人机交换界面实现历史数据存储、查询、储罐容量计算、打印等操作。
　　2.4 PLC控制系统的构成
　　该系统采用的是西门子S7-200PLC控制系统，集成了一定数字I/O点的CPU（包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM）。数字量扩展模块包含EM221、EM222、EM223；模拟量扩展模块包含EM231、EM232、EM235；通讯模块包含EM277、EM241等，可直接与现场I/O点从站连接，并接受从站输入或向从站输出0 5V的直流信号。
　　3 监控系统程序的设定
　　3.1 系统的控制程序
　　改造后的储罐监控系统分为自动和手动两种操作方式，具体采用哪种工作方式，要在系统启动前，通过安装于泵房内的切换按钮实现，并在切换的同时，将相应的信号输送到PLC，以调用相对应的子程序。在自动模式下，由S7-200PLC接收各从站采集现场储罐液位的数字信号，经过程序的计算并得出液位值后，再与主调节器给定的液位值做出比较，得出偏差。在通过两级PID的调节后，电动调节阀输出相应的控制量信号，驱动负载以实现液位的精确控制；手动操作，就是由人工来调节储罐的液位。
　　控制系统的控制箱内设置了3台PID控制器，分别控制甲类罐组、酸碱罐组及甲醇罐组。PID的回路采用的是回路表的组态信息和输入信息，简化了系统的PID运算。同时为了控制和监视PID的运算，该系统还采用了其中9个主要参数作为判断控制精确性的依据，这些参数为给定值SPN、过程变量当前值PVN、输出值MN、过程变量当前值PVN-1、增益KC、积分时间TL、采样时间TS、积分项前值MX、微分时间TD。PID参数先根据自设定的方式进行整定，再根据实际的情况做出调整。
　　3.2 数据的采集程序
　　导波雷达物位计MT-2000按照一定的扫描周期，连续采集有关的模拟量、开关量等数据信号，将运行过程中的参数、输入输出状态、操作信息、异常情况等，利用I/O从站并经过AD转换后，输入PLC得出一个16进制的数字，再经过系统的量程和十进制转换，才能在人机交换显示屏上显示出读数。
　　3.3 阀门的开关程序
　　在罐区所有重要管道上的气动阀门都要有状态回信，并能够通过继电器回路完成开关量输出点对气动阀门的开关控制。在上位机MCGS程序中，通过相同状态下的＂不可用＂设置，可防止出现与阀门的现有状态相同的重复性控制命令。例如：当上位机MCGS程序根据阀门的回讯，显示阀门的当前状态为＂开启＂时，＂开阀门＂按钮将显示失效状态，操作人员只能点击＂关阀门＂按钮。在每次的操作过程中，系统均会提示二次确认的对话框，以免误操作。
　　3.4 罐装平台的控制程序
　　考虑到生产任务紧迫，罐区易燃易爆，无法实施动火处理的原则，在主要工艺管道上，先预留远程控制阀门的安装位置，待后期生产淡季时予以二期改造。现阶段，浙江嘉兴嘉化物流有限公司罐装平台进、出料暂行高报（到达某一设定液位高度）、高切（到达设定最高液位高度时，切断主进料泵）、低报的办法，并发出声光报警信号的原则。
　　二期整改时，将彻底实行罐区的自动计量、自动灌装的设计。其主要设计思路如下：
　　在原罐装的管道上，安装远程控制阀门，再将质量累计信号和流量计的流量信号接入到监控系统中。同时，在槽车罐装管线上，还要安装一条管径稍小的管路并加装远程控制阀门，以保证计量更为准确，并将阀门的状态和控制信号接入到PLC系统中。在每次开始灌装前，都要同时将这两个阀门打开，当加装量至设定值时，关闭主阀门，灌装完毕时，再关闭小阀门。
　　在上位机MCGS系统中，操作人员可预设灌装预装量M0值。开始罐装前，监控系统将根据检测到的罐内现有的读数，与预装量M0相加得出储罐的目标值MX。如果设M为监控系统检测罐内的实时累计量读数，δ为距离目标值MX的特定值，则当M距离目标值MX为δ时，大阀门将会自动关闭，小阀门继续灌装，直到罐量为目标值MX，小阀门关闭，灌装完成。
　　3.5 SQL数据库的查询
　　MCGS组态系统提供了访问SQL数据库的控件，通过该控件可在MCGS画面中便捷地访问和编辑数据库。通过输入数据库的查询函数，可对筛选数据库中的相关数据，并由控件中的统计函数，计算最大值、最小值或平均值等。
　　罐区监控系统的实时监控数据均储存在SQL数据库中，其数据变化是以动画的形式展现，当启动查询程序后，界面将弹出＂查询条件对话框＂，输入查询条件（自动生成SQL的查询语句）后，点击＂确认＂便可自动生成查询的数据信息。
　　3.6 系统的安全保障措施
　　该系统中的控制箱操作站，实现对整套系统的数据采集、控制操作、状态监视等功能操作。MCGS组态系统对超出储罐储存范围的量将发出报警，提醒技术人员适当地修改系统的参数。系统还对每一个操作人员进行了权限划分，实现了分级操作，避免现场操作人员的误动作。所有I/O模块都具有硬件和软件的自诊断功能，模块与端子分离，其通道与现场的信号相互隔离，以便现场能够及时更换，缩短监控系统的维护时间。当系统出现故障时，监测信号会持续输出，将事故的影响降至最低。
　　4 结语
　　化工储罐监控系统在自动化改造完成后，操作人员可在监控室内实时地查看罐区现场的仪表情况，远程控制设备的自动开闭，减少了操作人员在重大危险源地检查的频率，缩短了停留的时间，降低了事故发生的概率。在现有的化工行业生产经营模式下，从降低成本和安全生产的角度来分析，对化工储罐自动化监控系统的改造，是一个利国、利民、意义深远的决策。
　　参考文献
　　[1] 苏昆哲.深入浅出西门子Wincc V6[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
　　[2] 吴宗之，关磊，刘骥，等.危险化学品重大危险源安全监控通用技术规范（AQ3035-2010）[S].国家安全生产监督管理总局，2010.