彭小芳，王妙春，潘 娟，肖 睿

(中國人民解放軍后勤工程學院后勤信息與軍事物流工程系，重慶 401311)

隨著計算機、通信、網(wǎng)絡、自動控制等技術的飛速發(fā)展及在部隊的大量應用，信息化和自動化管理在軍隊中逐漸扮演起越來越重要的角色。但目前部隊大部分油庫自動化系統(tǒng)僅局限于一個局部網(wǎng)絡，形成了自動化“信息孤島"，導致信息交換程度低，不利于部隊油料的供給［1］。因此，需要建立開放式的自動化系統(tǒng)，并朝著軍隊油庫綜合自動化的方向發(fā)展［2］。S7-200系列的PLC適用于各種場合的檢測、監(jiān)測及控制的自動化，以其極高的可靠性、實時性及強大的通信能力被廣泛應用于各行各業(yè)。因此，本文采用該系列的PLC進行控制系統(tǒng)的設計。

1 數(shù)字化油庫系統(tǒng)工藝

油庫一般由罐區(qū)、公路發(fā)油區(qū)、火車裝卸區(qū)、泵房區(qū)等組成，區(qū)域間的操作需要進行實時信息交流。油庫實現(xiàn)綜合自動化基于對以上幾個區(qū)域的控制，主要包含罐區(qū)監(jiān)控、汽車發(fā)油、火車裝卸、泵房監(jiān)控等子系統(tǒng)。數(shù)字化油庫是中國人民解放軍后勤工程學院后勤信息與軍事物流工程系開發(fā)的，以實際的油庫工藝作為模型。其主要目的是讓本專業(yè)師生能更加直觀地學習和研究我軍油庫自動化相關技術。數(shù)字化油庫總體工藝如圖1所示，主要包括以下4個子系統(tǒng):鐵路收發(fā)油子系統(tǒng)、泵房控制子系統(tǒng)、零發(fā)油灌裝子系統(tǒng)、灌區(qū)監(jiān)控子系統(tǒng)。

圖1 數(shù)字化油庫總體工藝

鐵路區(qū)主要實現(xiàn)該區(qū)域的設備控制、參數(shù)監(jiān)測和收發(fā)油作業(yè)。參數(shù)監(jiān)測主要包含閥門、潛油泵、鶴管壓力、油氣濃度、靜電接地、溢油等參數(shù)。設備的控制主要為泵和閥門的控制。

泵房區(qū)的主要任務是協(xié)助鐵路區(qū)完成相應的鐵路作業(yè)任務，實現(xiàn)閥門、泵、壓力、溫度、泵電流、放空罐的液位、油溫、壓力、油氣濃度等參數(shù)的檢測，以及泵和閥門的控制等。

零發(fā)油區(qū)即汽車發(fā)油子系統(tǒng)主要進行閥門、泵狀態(tài)、流量、壓力、溫度、靜電接地、溢油等參數(shù)的監(jiān)測及閥門、泵、電液閥的控制。作業(yè)任務為實時定量發(fā)油。

灌區(qū)監(jiān)控子系統(tǒng)主要任務為參數(shù)監(jiān)測和計量，協(xié)助鐵路和公路區(qū)完成相應的作業(yè)任務。監(jiān)測參數(shù)包含液位、溫度、壓力、油氣濃度等，并根據(jù)以上參數(shù)自動計算罐內(nèi)油品的體積和質(zhì)量。

2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構

為了建立開放式的油庫自動化系統(tǒng)，按照油庫業(yè)務流程和工藝需求建立控制系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構如圖2所示。按照分布式控制系統(tǒng)的設計方式，在每個作業(yè)現(xiàn)場各設置1臺控制器和HMI，用來完成局部作業(yè)區(qū)的測控任務。4臺控制器之間通過工業(yè)以太網(wǎng)通信共同協(xié)作完成全自動收發(fā)油作業(yè)任務。為了實現(xiàn)遠程控制，油庫統(tǒng)一建立一個集成調(diào)度指揮系統(tǒng)，對各作業(yè)區(qū)進行任務協(xié)調(diào)。該系統(tǒng)不直接與現(xiàn)場設備聯(lián)絡，而是通過與現(xiàn)場的控制器進行通信來實現(xiàn)任務協(xié)調(diào)［1］。2種控制方式遠程監(jiān)控站和現(xiàn)場HMI互為備用，以提高系統(tǒng)的可靠性。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構

控制器采用西門子S7-200系列的PLC完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制?？刂破鞑粌H對單個設備進行控制，同時根據(jù)作業(yè)任務進行全自動的收發(fā)油作業(yè)。控制器既受WinCC服務器的控制，也受現(xiàn)場人機界面的控制，編程時預留了與 HMI和WinCC通信的接口。

人機界面是實現(xiàn)人與機器交換的數(shù)字設備。每個區(qū)域為了完成相應的監(jiān)控任務，除了一個控制器外，還需設置相應的人機交互設備。人機交互設備選用步科電氣的MT4500系列中的MT4523T人機界面，它集成了 USB、RS232、RS485接口，可直接采用 RS485接口實現(xiàn)與 PLC的通信［3］。

集成調(diào)度指揮中心以監(jiān)控站和WinCC服務器為核心。遠程訪問的客戶機通過計算機網(wǎng)絡訪問WinCC服務器，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的狀態(tài)監(jiān)控，油庫作業(yè)信息的導出，以便于油庫日常信息管理。

3 各子系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)作業(yè)任務要求，各現(xiàn)場控制器之間須進行現(xiàn)場通信。如在進行鐵路收發(fā)油時，泵房及灌區(qū)必須根據(jù)工藝流程進行相應的泵和閥門的操作，因此各區(qū)域控制器必須協(xié)調(diào)配合，共同完成作業(yè)任務。S7-200系列PLC能在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能，它因其具有緊湊的結(jié)構、靈活的配置、強大的指令集和聯(lián)網(wǎng)通信能力成為各控制應用的理想選擇［4－5］。同時，工業(yè)以太網(wǎng)作為以太網(wǎng)向現(xiàn)場延伸，它有應用廣泛、通信速率高、資源共享能力強、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟮膬?yōu)勢。本系統(tǒng)控制網(wǎng)絡采用工業(yè)以太網(wǎng)，各區(qū)域硬件配置如表1所示。

表1 系統(tǒng)硬件配置表

4 PLC軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包含控制方式優(yōu)先權設置、以太網(wǎng)通信、工藝流程實現(xiàn)和故障報警等。

4.1 控制方式設置

根據(jù)部隊油庫的特點及工藝流程要求，為了保證油料供給等作業(yè)任務的順利進行，根據(jù)系統(tǒng)要求，控制模式分為手動和自動2種?？傮w設計流程見圖3。

圖3 總體設計流程

手動控制模式可通過電氣控制柜的轉(zhuǎn)換開關進行設置。處于手動模式時，控制器不能進行控制，只能進行狀態(tài)采集。手動模式下可通過電氣控制柜對閥門、泵等設備進行操作，以滿足控制器出現(xiàn)故障時繼續(xù)作業(yè)及故障檢修的需要。

自動模式中，PLC完成對現(xiàn)場設備的控制，手動操作失效。自動控制模式又分為現(xiàn)場HMI和遠程WinCC控制，這2種控制方式互鎖。如需在現(xiàn)場通過HMI進行作業(yè)，則作業(yè)前需先進行控制權判斷，只有在WinCC沒有控制時，HMI才能獲取控制權。因此PLC需要設置相應的標志位來分別表示HMI和WinCC的控制權，即控制標志位為“1”時取得控制權，為“0”時釋放控制權。

現(xiàn)場分為4個區(qū)域，每個區(qū)域都設置了一個HMI進行狀態(tài)采集、設備的控制及故障報警等操作。HMI的操作模式分為了全自動和半自動2種方式。半自動方式下，通過點擊相應設備對該區(qū)域內(nèi)的設備進行控制，4個區(qū)域獨立操作，互不影響;全自動模式下，4個區(qū)域協(xié)調(diào)工作，共同完成作業(yè)任務。

4.2 以太網(wǎng)通信設計

在數(shù)字化油庫實驗室中設置4臺PLC，進行自動作業(yè)時，需要4臺PLC分工合作，共同完成作業(yè)任務。因此，PLC之間的通信成為實現(xiàn)全自動作業(yè)任務的關鍵之一。

在該項目中，各區(qū)域控制器之間采用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)通信。每個PLC外加CP243-1以太網(wǎng)通信模塊，該模塊可同時實現(xiàn)與其他8個PLC的異步通訊，當對應的通道準備好后，即可開始異步數(shù)據(jù)傳輸。每個異步傳輸內(nèi)部可根據(jù)需要定義不同的傳輸方式以傳輸不同的內(nèi)容。

以太網(wǎng)除了用于實現(xiàn)PLC之間的通信外，還用于與上位機WinCC組態(tài)軟件的通信。WinCC組態(tài)軟件通過OPC服務器訪問現(xiàn)場PLC，PLC作為Server端、上位機作為Client端訪問PLC數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)參數(shù)設置需注意:在S7-200PLC編程軟件的以太網(wǎng)向?qū)гO置S7-200站為Server、組態(tài)主站的IP地址及TSAP號，以及需要通信的Client端的IP地址及TSAP號;上位機通過在STEP7軟件中的網(wǎng)絡組態(tài)里組態(tài)PC站和S7-200站之間的網(wǎng)絡連接，注意保持 S7-200站的 IP地址以及TSAP號與Server端設置的一致;打開SIEMENS網(wǎng)絡軟件SIMATIC NET OPC SCOUT，在已建立的網(wǎng)絡連接下編輯變量，變量的地址與 Server端的一致。

4.3 工藝流程的實現(xiàn)

系統(tǒng)工藝流程包含鐵路收發(fā)油、公路零發(fā)油2個部分。本文以自動收油為例進行介紹。圖4為鐵路區(qū)自動收槽車1柴油到油罐3的程序流程。

圖4 鐵路區(qū)全自動控制流程

將全自動、槽車1、收油、柴油、油罐3選中之后啟動，在沒有溢油、靜電報警的情況下，若槽車1在高點液位或中點液位，系統(tǒng)將自動開啟HV1，1#潛油泵，執(zhí)行引油灌泵動作。當2#自吸泵啟動時，停止1#潛油泵，開始收油。當槽車1在低點液位時，關HV1，開 HV3，啟動1#潛油泵，執(zhí)行掃底動作。當槽車1為空時，關HV3，停止?jié)撚捅?，此次收油結(jié)束。

5 結(jié)束語

本項目采用S7-200系列的PLC作為現(xiàn)場控制器進行油庫綜合自動化控制系統(tǒng)設計，滿足油庫需求并能適應油庫的未來發(fā)展需要。該系統(tǒng)已在后勤工程學院數(shù)字化油庫實驗室建成并得到應用。它實現(xiàn)了生產(chǎn)管理自動化，對降低勞動強度，提高作業(yè)效率、降低維護和管理成本都具有非常重要的意義。

［1］方衛(wèi)紅，彭小芳，鄔曉嵐，等.基于工業(yè)以太網(wǎng)的油庫控制網(wǎng)絡設計［J］.后勤工程學院學報，2012，28(1):76－81.

［2］辛宏偉.部隊油庫自動化發(fā)油系統(tǒng)研究與改進［D］.合肥:合肥工業(yè)大學，2008.

［3］黃禮超，巫茜.基于OPC的工控系統(tǒng)軟件集成［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2012，26(3):109－113.

［4］陳欣，王浩宇，郎朗.基于OPC技術的上位機與西門子PLC的通信［J］.自動化與儀器儀表，2008(1):66－69.

［5］王洪猛，謝建君，曾云，等.基于PLC的過程控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.自動化技術與應用，2004(7):72－74.