可编程自动化控制器在移动式输油管线中的应用

1. 移动式输油管线自动控制系统重要性
移动式输油管线采用“泵泵”的密闭输送方式，全线成为一个统一的水力系统CONTROL ENGINEERING China版权所有，各个泵站机组工作互相牵制，单台机组的工作不稳定会造成全线震荡崩溃，系统控制的可靠性、调节的稳定性设计是一大难题。移动式输油管线常在一些小、远、散城市和乡镇使用，这些地区管路沿线没有现有通信手段可以利用，为短期输油临时架设的通信线路比较脆弱易遭受人为破坏。
综上分析移动式输油管线输送方式、使用条件和工作环境等特点，其自动控制系统首先必须以泵站机组就地控制为主控制工程网版权所有，通信依赖性强的集中或集散控制不可取;其次，地形不定、环境不定、任务不定、通信有限，也不宜采用复杂的非线性时变自适应控制系统。应采用分布式测控技术，成熟且应用广泛的PID调节和模糊控制技术。
本自控系统提出并实现“模糊控制加双位定值带状调节加比例积分”复合控制方式和“泵机组自动保护控制为主、输油工况自动调节为辅”、“进口压力双位定值带状调节为主、出口压力单边带保护调节为辅”调节原理，基于PC104的嵌入式低功耗加固计算机，使用National Instruments公司的FieldPoint数采单元，用该公司的图形化编程环境LabVIEW 编制监控软件，开发一种基于三级控制带有智能电调的自动控制系统，解决系统控制的可靠性、调节的稳定性设计难点。
2. 传统的控制方法
第一代移动输油管线泵机组自控装置采用单片机技术，硬件部分主要为自行设计制作的印刷板电路，因此控制的可靠性和调节的稳定性不是非常高;另外，当时管线系统通信手段非常落后，自动化需求不是非常迫切，设计自动化程度起点较低，具体表现在以下几方面：
(1)泵机组运行工况参数如发动机机油压力和冷却系统的温度、增速箱的温度等没有采集，不具备泵机组自动保护功能，泵机组运行时司泵员必须值班，且精神高度紧张丝毫不可懈怠;
(2)泵机组“就地控制”，没有信号远传功能，泵站值班室人员不能实时掌握泵机组工况;
(3)缺少对必要参数的检测，如流量等，无法对管线泄漏进行定位;
(4)挂车泵和油泵车燃油箱液位靠人工目测加油，加冒油现象时有发生;
(5)传统控制系统采用定值单点或双位极限控制方式的弊端--在定值左右或双位极限易引起频繁调节，导致系统振荡不稳。
第一代移动式输油管线泵机组自控装置无法满足机动、实际使用条件、环境等需要。
3. 自动控制系统的结构
结合本项目的特点，以及系统使用的实际情况，我们用虚拟仪器系统技术组建了现代化的自动控制系统。
移动式输油管线自动控制系统分为三级，如图1所示：
第一级具有升、降、启、停等功能。
第二级具有工作参数设定、信号实时采集、信号处理、计算、显示、调节、控制、判断、事故报警。
第三级具有信息收发、显示、存储、打印、远程控制等功能。

图1：系统三级控制

4. 硬件设计
基于虚拟仪器技术的系统硬件结构主要分为六部分：(1)传感器/变送器(2)FieldPoint数采单元(3)嵌入式计算机(4)执行器单元(5)开关操作面板(6)仪表显示
第一：传感器或变送器
第二：FieldPoint数采单元
数采单元工作原理见图2

图2：数采单元工作原理图

第三：嵌入式计算机
开发研制抗震动、抗冲击、基于PC104的嵌入式低功耗加固计算机，如图3所示，具有就地控制、显示、处理、远程通信等功能。

图3：嵌入式低功耗计算机

嵌入式加固计算机安装在油泵车和挂车泵上，担负着泵机组和输油运行工况采集、泵机组保护、运行参数调节及信息远传等重任，是整个移动式管线泵站自控装置的灵魂。嵌入式加固计算机的研制，必须符合泵机组的机动、高低温、抗震动、抗冲击、防盐雾等要求，运行需具有高可靠性。由机箱、底板、电源、充电电路、主板、存储设备、EL8色显示屏、三防鼠标、外部扩展口、连接电缆、航空插件及减震件等部件组成。
第四：执行器单元
开发研制的执行器单元如图4所示，包括带CPU的智能电调、执行器、速度传感器及相关附件。其原理是：比较从发动机采集的速度信号和速度设定值，并根据比较结果输出适当的信号控制工程网版权所有，通过执行器调节发动机的脉宽调速器，对发动机的速度进行调整。

图4：执行器单元

第五：微机显示及开关操作面板(见图5)

图5：微机显示及开关操作面板

第六：仪表盘显示(见图6)

图6：仪表盘显示、指示灯及开关操作面板

5. 软件设计
5.1驱动程序
驱动程序顾名思义是驱动系统中所用FieldPoint数采模块，它通过基于RS232标准的I/O接口实现和嵌入式计算机通讯，使其执行参数设置、数据采集和控制等任务。
5.2开发平台
Windows9X/2000或WindowsNT操作系统，基于图形编程组态软件LabVIEW。
5.3监控系统软件
研制开发的应用软件模块分就地测控级和远程监控级。
就地测控级包括：初始化模块、自诊断模块、采样模块、信号处理模块、工况显示模块、判断模块、泵机组自动保护模块、泵油压力调节控制保护模块、输出模块、报警与事件处理模块、通信模块。就地测控级软件模块结构框图见图7。
远程监控级包括：通信模块、显示模块、数据管理模块、报警与事件处理模块、遥控模块。远程监控级软件界面见图8。