火车装车鹤管装车是大型石化企业应用的一项新技术，它具有提高装车精度和效率，降低损耗，减轻工人的劳动强度，便于工厂管理等特点。但是由于装车鹤管设备成本高、技术要求高，控制系统的稳定性和控制精度显得十分重要。我们在对众多石化企业调研的基础上，认真分析了国内外同行业产品的经验教训后，并根据公司的实际情况，对火车装车装车鹤管控制系统提出了设计要求。
　　 装车鹤管装车主要在油3线（柴油线）和油4线（汽油线）上分别安装两台装车鹤管，每条线能够同时完成26节槽车装车。柴油线允许装一个品种的油品，设置回流阀一个，汽油线允许装两个品种的油品，设置回流阀两个；柴油线和汽油线既可以从本地车间装车，又可以从十公里外的公司东罐区装车，分别设置回流阀两个。装车鹤管装车设主控阀四个，每个装车鹤管上设紧急切断阀一个，汽油鹤位上设尾气回收阀两个。装车鹤管控制系统采用PLC结构，实现装车鹤管自动装车，定量控制，安全连锁，视频监控，上位机装车管理等功能。实现安全、环保、健康的理念。
　　 二、设计指导思想
　　 1.实现装车鹤位的装车鹤管装车，完成自动计量，批量控制，可与上位机通讯实现远程监测及管理.
　　 2.技术上先进，中远期不落后，目前处于国内先进水平.
　　 3.系统应具有高可靠性、安全性、稳定性及高精度计量控制.
　　 4.系统应具有较强的实用性，在确保系统功能完善的前提下，尽可能使系统简单化和直观化，便于操作和维护.
　　 5.系统应具有较强的可扩展性，便于功能及规模扩展以及与其它计算机系统联网.
　　 6.系统应具有优良的性能价格比.
　　 三、项目设计需求
　　 1.工艺要求
　　 1.1在油3线1#鹤位和14#鹤位设两套装车鹤管装柴油。柴油装车鹤管与汽油装车鹤管共用一个钢结构平台。
　 　1#鹤位装车鹤管、14#鹤位装车鹤管既可以从车间现有的装车泵装车，又可以从公司成品油罐区来的装车线进行装油。当装车鹤管不装油时，成品油走副线进入储运车间油罐，不影响公司东罐区油品的输送，使管线做到两用。
　　 1.2油4线管装普通汽油和组份油，在1#和14#鹤位设两套装车鹤管，与柴油装车鹤管共用一个平台。
　　 装汽油时，1#鹤位装车鹤管、14#鹤位装车鹤管既可以从本车间现有的装车泵装车；又可以从公司成品油罐区来的装车线进行装油，当装车鹤管不装油时，成品油直接进入车间油罐。
　　 1.3装组份油时，1#、14#装车鹤管均由车间组份油泵进行付车，不装车时，直接回流进组份油罐。两套装车鹤管装组份油单独使用，互不影响。如图一所示
　　图一 装车鹤管布置图
　　 2.控制方案及回流要求
　　 火车装车装车鹤管工艺回流控制方案和阀门情况统计表见表一
　　 从以上表格中可以看出，柴油控制方案2个，汽油控制方案3个，共5套控制方案。
　　回流控制阀门5个，主控阀门4个，紧急切断阀门4个，尾气回收阀门2个，共15个阀门。
　　 3.自动装车控制系统要求
　　 3.1系统误差要求小于等于千分之三。
　　 3.2控制主阀采用多段电液阀。
　　 3.3装油全过程实现安全联锁控制。
　　 3.4采用分散控制集中管理，管理机（上位机）与控制器采用PROFIBUS接方式，传输速率最高1.5M，传输速率为500K时传输距离不小于1000米；上位机能完成装油全过程。
　　 3.5系统软件组态灵活，具有良好的人机界面，操作简单方便；控制系统操作权限分三级：操作员级，工艺工程师级，系统管理员级。
　　 3.6系统软件能完成工艺浏览，工艺流程图的显示，控制阀门状态显示，发车数据的存储，计量报表生成、打印，数据日报、月报、年报表的生成以及打印，报警数据存储、显示。
　　 3.7装车鹤管对位采用视频监视。
　　 3.8整个系统必须符合防爆和防护要求。
　　 四、系统实现的功能和达到的技术指标
　　 1.系统实现的功能
　　 1.1实现生产装车过程中生产数据的动态监测；
　　 1.2实现现场执行设备动作顺序的连锁保护控制；
　　 1.3实现现场设备工作状态的动态监测和故障报警功能；
　　 1.4实现油品装车的自动计量和定量控制功能；
　　 1.5实现触摸屏方式的油品装车控制功能；
　　 1.6通过闭路监视实现爬车运行的可视定位；
　　 1.7实现生产数据的自动存储和数据报表的生成以及打印功能；
　　 1.8实现装车过程中静电接地、溢油等多种安全连锁保护功能；
　　 1.9具备生产数据与其它计算机数据共享的联网接口；
　　 2.系统达到的技术指标
　　 2.1系统装车控制和计量的系统精度优于0.35%，符合国内贸易交接允差；
　　 2.2装车计量精度优于0.2%；
　　 五、系统组成及各部分功能
　　 系统由上位管理计算机系统；网络通讯系统；栈桥现场控制系统；现场仪表、设备等四个部分组成。其中4套控制系统共用上位管理计算机系统。
　　 1.上位计算机系统
　　 上位计算机设置在中心监测管理室内，通过网络通讯系统和PLC装车控制系统通讯，主要完成系统的生产运行监测、数据存储和处理，系统以多层动态画面模拟显示系统的运行过程，动态实时显示系统的运行状态及数据；数据自动计算、整理、存储，完成班报、日报、月报、年报等表格的形成、调阅、打印等管理功能；还可通过网络和炼油厂的计算机网相连。本系统没有控制任务，主要实现现场运行的监测和管理。
　　 2.网络通讯系统
　　 网络通讯系统是连接现场控制系统与上位计算机系统的纽带，现场PLC装车控制系统采集到的设备状态和生产数据实时传送给上位机做监测及管理，若需要亦可完成上位机对现场的数据下传，最大通讯距离1.2Km。
　　 3.火车装车控制系统
　　 该系统以可编程序控制器(PLC)为控制核心，一台PLC控制两台装车鹤管，完成4个装车鹤管装车的自动计量和控制任务，该控制器主要由电源模块、CPU模块、开关量输入、输出模块、模拟量输入模块、高速计数模块等组成。它安装在栈桥控制室的正压防爆操作台内，现场设备的位置状态信号等均接至该PLC的输入端，PLC实时检测这些输入信号和指令，根据事先编制好的程序通过输出模块控制各执行器件完成系统的控制功能，PLC控制器还配有高速计数模块，接收流量变送器传来的流量脉冲信号并将此脉冲信号转换为装油量进行定量装车控制，当达到设定数量时，PLC输出单元输出控制信号，切断阀门，实现批量控制。同时将装车量传给上位机，进行数据存储和管理。PLC通过通讯接口可与上位机和PT终端进行实时通信，将其采集到的各种信号和数据传送给上位机和PT终端，以便上位机和PT终端对整个系统进行监测、显示及管理。
　　 4.PT终端
　　 PT终端安装在防爆控制台上，每个鹤位配置1套，其功能是通过和PLC通信，组态并显示控制系统各执行设备，如鹤管、爬车、阀门系统等各执行机构的状态和位置信号，以及带控制点的工艺流程装车过程画面，状态监测及报警画面，装车报表等。以便操作人员通过PT触摸屏来监测和操作系统的运行。通过PT可设定装车批次及装车量，实现自动装车设定。
　　 5.正压防爆操作台
　　 该操作台安装在栈桥控制室内，控制系统的自动转换开关、显示器开关、操作按钮、急停、复位等按钮以及PT终端都安装在控制台操作面板上；PLC、电源等控制系统中所有不防爆的设备也都安装在操作台内；系统工作时通入洁净的仪表风，使柜内形成微正压的安全环境，具有自动压力检测、报警、保护功能，保证了非防爆仪表和仪表电气元件的安全运行。
　　 6.静电防溢连锁控制开关
　　 为了消除装车过程中静电聚集，装车系统配置磁力静电接地夹，实现装车中过程中静电连锁；为了防止装车溢出，系统安装防溢开关，实现装车中的防溢自动连锁控制，确保生产安全。
　　 7.装车监视视频探头
　　 通过触摸屏对液压（或气动）鹤管、接油斗、液压泵及液态物料品种管道阀门的当前状态进行指示；对简单工艺画面及装车数据进行实时显示；通过防爆摄像机观察牵引车的运行过程。
　　 8.装车过程中紧急切断
　　 每套装车鹤管装车系统末端安装一台紧急切断阀，如果出现紧急情况，控制系统自动打开对应的回流阀，同时关闭紧急切断阀，紧急切断阀采用快速切断气动球阀，防止装车溢出，造成损失。
　　 六、系统结构及控制过程
　　 1.单鹤位装油流程图（见图1）
　　 2.单鹤位装油控制系统逻辑图（见图2）
　　 3.工作原理和控制过程
　　 通过现场操作台内以PLC为核心的控制系统，分别实现对现场4个装车鹤位的付油控制，系统工作原理如下：
　　 3.1自动方式：由触摸屏或上位机发出指令，可编程控制器相应继电器动作开始准备装车前的工作：爬车粗对位，提油斗，下鹤管；启动装车：关闭回流阀（副线阀），打开主控阀一段(10～20%)，30S后主控阀全开，开始装车，当实装量≥（预装量－提前量）时关闭控制阀二段(80～90%)，打开回流阀（副线阀），当实装量≥预装量时关闭主控阀一段，收鹤管、收油斗，再进行下一槽车工作。在此过程中，由PLC联锁控制每一设备到位之后，才开始下一设备的动作。
　　 3.2高液位控制：不论在何种方式下装车，液位上升到一定的高度，即高液位信号有效（节点闭合）时，装车立即终止，同时关闭所有的阀。
　　 3.3防静电接地控制：不论在何种方式下装车，接地电阻大于设定值时，打开回流阀(副线阀) 关闭主控制阀，暂停装车，通过人工处理，接地电阻小于设定值后，启动继续装车。
　　 3.4为了确保装车鹤管快速准确对位，每个鹤位安装两个防爆摄像头，从两个角度监控鹤管对位过程，摄像头视频通过视频采集卡直接进上位机，在显示器上显示
　　 七、系统软件功能
　　 本系统是根据装车鹤管的装车作业流程开发而成的一套监控系统，分为上位机和下位机两部分。下位机由PLC（可编程控制器）负责对现场各信号进行采集并进行逻辑控制，它可实现装车系统所有的全部逻辑联锁功能，以满足安全生产的需要；上位机软件系统实现的功能都能满足系统监测、控制及管理的要求。主要是对PLC采集的信号进行分析及逻辑控制和管理，操作系统采用Windows 2000或以上平台，控制软件采用WINCC。通过组态使系统更加安全、快捷、稳定、可靠、方便，主要功能如下：
　　 1.在线监控功能
　　 实时动态在线监测各鹤位的发油状态，包括瞬时流量、已装量、总累积量、温度、密度以及装车鹤管、爬车、控制阀、泵、流量计等设备的相关状态。并可对现场的装车鹤管、爬车、控制阀、泵等进行控制。
　　 2.在线计算功能
　　 系统有装车关阀“提前量”在线实时计算功能，系统在装车即将结束前，根据当时的实际流量计算出关阀所需的“提前量”，以确保系统的控制精度。
　　 3.数据处理及打印功能
　　 在装车过程中会生成许多记录，例如装车记录、操作记录、异动记录等，根据这些记录可生成用户需要的日、月、季、年以及实时数据报表。并为这些数据提供查询、打印、共享等功能。另外可根据用户需要打印特制发油票据。所有罐车装车量被记忆下来，下次遇到同车号罐车，会显示推荐装车量（上次准确的实装量）。
　　 4.画面显示功能
　　 可动态显示现场装车系统的工艺流程图，显示总貌图、分区图、单鹤位图、模拟流程图、棒图、趋势图等。
　　 5.系统自诊断计及报警功能
　　 当系统自身出现故障时，可以根据不同的位置显示处故障所在，如爬车、静电接地、液位报警、流量计故障、阀门状态、各种限位开关，显示故障类型以及出现时间等信息，并在屏幕位置上显示、记录、储存。
　　 6.通讯功能
　　 可以与提供通讯接口的设备进行通讯，运用公司现有网络，完成现场与公司中央控制室的远程浏览、查询等功能。
　　 7.权限管理功能
　　 系统拥有一套完整而强大的权限管理功能，可以设置不同的管理级别，可对系统的各级操作权限进行组态设置，控制系统设计三层权限：操作员级：完成工艺浏览、操作参数的输入、装车功能、报表打印；工艺工程师级：完成油品类型的选择、回流阀门的选择、工艺参数的修改；系统管理员级：组态设定、当量设定、标定窗口、阀门参数设定，其它参数设定。上级操作权可对下级操作权的密码进行修改。
　　 8.为了保证系统可靠，实用和操作简单，系统采用全中文操作界面，配备友好的人机界面，即使非计算机专业人员根据系统的提示，也能较快掌握对控制系统的自如操作，系统并配备有操作提示，帮助等功能。
　　 9.参数组态
　　 上位机可对PLC进行组态、参数设置。
　　 10.扩展功能
　　 系统软件具有可拓展性和开放性，最大可对256个鹤位进行编程。
　　 八、系统精度分析
　　 火车装车的计量和控制精度是最为重要的问题，必须得到有效解决。系统精度主要由流量计的在线测量精度和系统控制精度两方面因素决定。本系统如果选用MICRO MOTION 质量流量计(DS600)和变送器（RFT9739），其精度为 ±0.15%；控制选两段液动阀，主控阀一段可关90%，第二段关阀时间动作时间小于1秒，通过现场多次测试，可用提前量消除大部分，保守计算为0.5秒。PLC数据处理时间与继电转换时小于0.5秒，如此系统过渡时间小于1秒。
　　 假设额定流量450000Kg/h。关一段后，主控阀流量约为额定流量的10%，即流量为45000Kg/h。
　　 如是控制过程中每批次 45000/3600*1=12.5Kg，每批次装车为40000Kg，误差仅为：12.5/40000*100%=0.03125%
　　 分析结果:本系统精度完全可以控制在0.2%以内，小于国家标准为0.75%。
　　 九、技术创新点
　　 1.控制回路多，控制方案复杂。控制回流阀门5个，主控制阀门4个，紧急切断阀门4个，尾气回收阀门2个，共15个阀门。控制方案5套。在国内炼油厂中少见。
　　 2.系统控制精度高：0.35％。实现了油品贸易计量交接。
　　 3.装油全过程实现多项安全联锁控制。现场设置就绪按钮，控制室内仪表盘设置紧急切断按钮等安全措施，保障了安全装车，防止意外事故的发生，也是我公司首创。
　　 4.控制主阀采用进口二段式电液阀，该阀门用在装车鹤管装车，尚属首次，开创了国内先河。即该阀门有两套电磁控制功能，装车开始，第一套电磁控制阀控制开20%，保证小流量装车和防止水击现象的发生，30S后，第二套电磁阀控制开100%，快到设置量时，第二套关闭，第一套打再开20%，直到实际量与设定量相等，保证了计量精度。其它炼油厂采用一个小阀、一个大阀共两个阀门实现。
　　 5.系统软件采用WINCC高级语言编写，组态灵活，具有良好的人机界面，操作简单方便；
　　 6.软件功能齐全：系统软件能完成工艺浏览，工艺流程图的显示，控制阀门状态显示，发车数据的存储，计量报表数据日报、月报、年报表生成及打印，报警数据存储、显示。控制系统操作权限分三级：操作员级，工艺工程师级，系统管理员级。
　　 十、结束语
　　 火车装车鹤管控制系统实现了多项新技术在我公司的第一次应用和探索，如控制主阀采用进口液动阀门、实现了多段控制功能、多样的控制回路和方案、现场安全的就绪按钮、功能齐全、简单实用的控制软件等，在国内装车鹤管控制系统领域处于技术领先位置。
　　 在流量得到保证的前提下，装车鹤管装车按每装一个槽车标准用12分钟计算，装完26个槽车需要两个半小时。
　　 装车鹤管装车采用密闭装车，每装一个槽车的时间短，装车完成后，马上封盖，这就大大的减少装车时槽车口敞开的时间，提高了装车的安全性，同时减少油品的挥发，节约了能源，保护了环境。
　　 装车鹤管采用自动化装车，可靠性高，操作简单，现场工作人员减少，工人劳动强度小，操作失误几率小，真正意义上实现安全、环保、健康的理念。