自動發油控制軟件設計(一)
4系統軟件設計
4.1自動發油控制軟件設計
4.1.1控制系統分析
4.1.1.1影響系統發油精度的主要因素
控制系統由可編程控制器、電液閥、流量計、溫度變送器等組成，影響發油精度的因素很多，其中主要有以下幾點：
（1）流量計精度：流量計的誤差直接關系到整個發油系統的發油準確度，而流量計的發信裝置是否可靠，在執行系統中又關系到發油精度。當流量維持在流量計標定的范圍內時，呈現穩定的誤差值，也就是流量計的精度等級；在該區間以外的部分，誤差急驟增大，流量計無法正常工作。所以發油過程中，一定將流量控制流量計的標定范圍內。
（2）電液閥啟閉特性的影響：電液閥的作用是接受遠程控制指令，起到自動控制液體通斷的功能，它的通斷自控效果間接影響到發油精度；其啟閉過程中，使流過流量計理論的流量特性呈現如圖4-2中的特性。圖4-2中AOB的面積為流量計工作下限“死區”特性造成的；CDE的面積是由執行機構響應時間特性引起的“過沖量”。這兩部分的流量均不能被系統有效地計量，“過沖量”的大小主要受電液閥響應速度的影響。
圖4-2 理論流量特性曲線
Fig.4-2 Theoritical flow characteristic curve
（3）系統穩定性：關閉電液閥時的流量越小越容易控制發油精度。為了保證發油精度，系統在關閉電液閥前，都將流量控制在流量計的最小流量值。可是當系統干擾因素引起流量的波動較大時，將導致電液閥多次開關，從圖4-2可知電液閥的多次開關會增加流量計“死區”和“過沖量”引起的誤差。
（4）發油溫度的影響：發油的溫度必然引起油品密度的變化，對于應用體積流量計進行油品計量的系統，在發油量計算時還要進行溫度補償。
4.1.1.2提高系統發油精度的主要措施
軟件設計上，充分考慮系統發油精度的影響因素，針對不同的影響因素采取相應的措施。
（1）充分發揮流量計的工作狀態：考慮到流量計的最小分辨率，采取變采樣周期的采樣方式。通過控制電液閥，使流量穩定工作在流量計的工作范圍內。充分利用PLC高速口和中斷功能，對流量進行及時準確地計算。
（2）提前量自整定：對電液閥的“過沖量”進行預補償，采取提前量自整定設計，使系統能夠根據系統自身的穩定性對提前量進行相應的修正。
（3）動態跟隨系統流量波動：針對系統的不穩定性，在關閉電液閥的前一級控制過程中，對流量的波動進行統計，根據不同的波動等級確定關閥末級流量，確定不同的發油提前量，充分發揮系統穩定性，提高系統的適應能力。
（4）溫度補償：發油質量的計算上要進行溫度補償。
4.1.1.3發油末級流量自適應設計
由上述分析知道，流量小且穩定控制發油精度越容易，所以為了保證發油精度，系統在關閉電液閥前，都將流量控制在流量計的最小流量值。傳統發油控制系統多數采用固定的最小控制流量。由于發油系統的設備和現場環境存在差異，各個系統關閉電液閥的最小流量也不盡相同。另外，對于特定的控制系統，受到外界干擾引起流量波動較大時，將導致電液閥多次開關，電液閥的每次開關會增加流量計“死區”和“過沖量”引起的誤差。因此，采用固定的末級最小控制流量，將引起電液閥的多次關閉，導致“死區”和“過沖量”誤差的累加不利于提高發油精度。
為了使系統的穩定性發揮到最佳狀態，為增強系統的適用能力，我們對控制程序采取了自適應設計。在關閉電液閥的前一級控制流量時，對流量的波動進行統計分析，計算出流量的波動范圍，根據流量波動的范圍，確定不同的末級流量。
對于給定的系統，自適應設計能夠根據系統的實際運行狀態進行調整，能夠充分發揮系統的最佳狀態，使系統具有發油末級流量自適應的功能。
4.1.1.4控制軟件編程思路
控制軟件采取模塊化設計。控制軟件主要分為主程序、初始化模塊、發油模塊、流量計算模塊、報警檢測模塊、模擬量采集模塊、輸入輸出接口模塊等。程序運行時，系統實時掃描主程序，在主程序中根據條件調用相關的子程序模塊，子程序模塊完成各自的功能。模塊化設計使程序層次分明，易于閱讀和移植，同時還可以簡化程序結構，便于調試。
4.1.2監控主程序設計
監控上位機通過與數據庫信息進行核對。在驗證發油信息正確的情況下，上位機發出允許發油指令，同時記錄發送指令的信息于數據庫中。下位機接收到上位機的發油指令后執行發油控制程序；如果信息與數據庫中的信息不吻合則拒絕執行允許發油指令。PLC接收到發油命令，在檢測到無報警的情況下，經現場人員確認后運行自動發油控制程序。如果在發油過程中出現報警，控制系統立刻停止發油同時記錄下未發油質量，等待報警消除后繼續完成未完成的發油量。到達指定發油量關閉電液閥、油泵，同時記錄發油完成信息。監控主程序流程圖如圖4-3所示。
圖4-3 主程序流程圖
Fig.4-3 Main program flow process diamgram
4.1.3發油模塊設計
發油模塊是控制系統的核心，發油過程大體分為三部分：開啟部分、高速發油部分、精確控制部分。為了減少“水擊”，避免靜電的產生，在開啟部分采取多級開啟的控制模式，使流量逐漸達到最大值；高速發油部分主要為了提高發油效率，該部分的時間盡可能要長；精確控制部分逐漸降低流量值，在確定末級發油段的流量前對系統流量的波動性進行統計，為確定末級發油段的流量提供依據。發油曲線如圖4-4所示。M0為預發油量；M1為中等流量發油的開啟點；M2為大流量發油的開啟點，M3~M5為多級關閉點；Mg為電液閥關斷點；Qc為末級發油段流量。
圖4-4 發油曲線圖
Fig.4-4 Oil delivery curve
M0~M2開啟部分為了減小“水擊”和防止靜電的產生，發油速度不宜過快，將電液閥先開啟一個小開度并維持小流量。M1~M2段將電液閥開到中等開度，穩定一段時間后進入高速發油部分。
M2~M3高速發油部分在該部分發油流量大，能在較短時間內使發油量迅速達到給定值的80％～95％,以保證發油效率，M3為高速發油減速點。
M3~Mg精確控制部分M3~M4為一級減速發油階段；M4~M5為二級減速發油階段，在這一階段對實際流量的波動Qb進行統計。在選擇點M5處根據Qb值確定末級發油段流量Qc，并選擇相應的控制提前量以確定關閉電液閥點Mg值；M5~Mg為末級發油段，在該階段發油流量小，發油速度低，確保精度控制。
系統運行開始，根據總發油量確定好各控制點的剩余發油量值和相應的流量值。在發油過程中，控制程序實時采集流量計脈沖數，根據發油量計算公式計算已發油量和剩余發
圖4-5 發油模塊流程圖
Fig.4-5 Flow process diagram of oil delivery
油量，同時計算流量值。根據流量的大小，調節電液閥的開度使流量保持在穩定值。當剩余發油量到達預關閉階段，逐級降低流量值，直到發油量達到控制給定值。發油模塊的流程圖如圖4-5所示。
4.1.4發油提前量的控制
4.1.4.1發油提前量
發油控制過程中,由于電液閥存在一定的滯后性,如果在實際發油等于預發油量時再發出關閉電液閥命令,那么電液閥完全關閉時，實際的發油量必然大于預發油量,會造成發油量不準確，因此需設定一個參數ΔM,對預發油量進行修正，當實際發油量加上ΔM等于預發油量時發出關電液閥命令,則電液閥完全閉合時實際發油量等于預發油量。我們把ΔM稱為發油提前量。
4.1.4.2影響提前量的主要因素
如果提前量ΔM的值過大，會使實際發油量小于目標值；如果提前量ΔM的值過小，會使實際發油量大于目標值。由此可見,提前量ΔM的大小直接影響發油的精度。
影響發油提前量的因素主要有以下兩點：第一是流量的大小，在電液閥滯后時間一定的情況下，流量大時提前量應略大，相反，流量小時提前量應略小；第二是電液閥的特性，主要是電液閥的響應時間。電液閥的響應時間較短，則發油提前量應略小，反之，發油提前量應略大。
4.1.4.3提前量控制算法
根據發油過程的三個部分：開啟部分（t0~t2）；高速發油部分（t2~t3）；精確控制部分（t3~t7）。圖4-6給出了發油量與時間的曲線。
圖4-6 發油量-時間曲線
Fig. 4-6 Oil quantity - time curve
在精確控制部分，t3~t4為第一級減速發油階段；t4~t5為第二級減速發油階段，在這一階段對實際流量的波動Qb進行統計；在t5時刻根據Qb值設定末級發油段流量的大小并選擇相應的提前量對發油量進行修正；t5~t6為末級發油段，在該階段發油流量小，發油速度低；在t6時刻關閉電液閥,由于電液閥響應滯后性,會使發油量繼續增加至t7后才穩定。ΔM=M7–M6為發油提前量。
由于現場的干擾、系統自身等原因會造成關閉電液閥后油品的增加量不等,甚至有較大的誤差存在,所以,必須用一定的方法進行動態修正提前量。每次發油結束后，根據實際發油量誤差值對上一次發油提前量進行動態修正。
M為發油量設定值；Mg為第一次發油提前量預置值；M6（i）代表第i次關斷點的選擇值；M7（i）為第i次發油的實際值；ΔM(i)為第i次發油提前量的修正值也是第i+1次發油提前量的預置值；ΔＵ(i)為第i次發油實際發油誤差；ΔE為發油控制誤差；修正系數取0.618。可以用以下方式進行動態修正提前量:
令
……
i=1，2…
根據上述模式編寫控制程序，理論上,只要經過若干個發油過程以后,就可以準確地控制發油關斷點,使發油控制誤差進入發油允差范圍,進而為以后的發油控制過程提供可靠的控制參數。因為S7-200PLC數據寄存器具有掉電保護功能，所以系統不需要經常輸入相關參數就可正常運行。
4.1.5發油量的計算
目前，國內各石油煉化及銷售企業已經或正在安裝的自動發油系統從計量原理上講大致分為三大類:采用質量流量計發油；采用稱重法發油；采用體積流量計發油。
由于我國規定石油產品的銷售以質量進行結算，所以發油系統都應該是定質量發油，也就是說油品質量應該是油品在空氣中的質量。橢圓齒輪流量計輸出的是脈沖數，控制器通過高速計數器對其進行累積，再根據流量計的儀表系數就可計算出油品體積。考慮到溫度對體積的影響，還需根據當時的溫度對其進行溫度補償，最后轉化油品的質量。
發油量的基本計算公式為:
式中M——油品質量；
——溫度t下的油品真實密度；
——溫度t下的油品體積。
由公式(4-1)看出，溫度t下油品的質量等于溫度t下油品的真實密度與t
溫度t下油品的體積的乘積。GB/T1884-1885-83(91)規定油品質量計算是t在標準溫度下進行的。這是因為在實際溫度下，由于計量器具本身的特點，其中然包含好多系統誤差在測量結果中。另外，任意溫度下的密度ρt包含著溫度誤差，密度計示值因溫度而產生的誤差。同樣，在油品體積測量時也會產生系統誤差。為了消除上述系統誤差，根據計量器具設計要求，必須將任意溫度下的密度ρt和任意溫度下計量體積vt都換算到標準溫度20℃狀態，再進行計算[8]。
我國采用國際標準ISQ91-2制定的新國家標準對流量計測得vt的進行修正，即
式中VCF20——可由油品的和計量溫度t，查GB/T1885-1998《體積修正系數表》交叉數值得出。
又因為
式中K——為流量變送器的儀表系數（脈沖/升）；
L——為脈沖數。
這樣發油量的計算公式為
式中——可根據 鋼筆套885-1998《標準密度表》由某一實驗溫度t下的密度交叉數值查出；
——考慮了空氣浮力的修正；
4.1.6流量的計算
流量是指在單位時間內流過管道某一截面的液體的體積。流量是控制得主要參數。從前面的內容可知，流量計輸出的是脈沖數，控制器（PLC）采用定時中斷的方式對脈沖計數，再根據流量計儀表系數就可以計算出發油體積。用定時中斷周期內的油品體積增量除以定時中斷周期就可以得到瞬時流量。從控制角度而言，定時中斷周期越小越準確。但是，受流量計的最小分辨的影響，定時中斷周期太小，在定時中斷周期內，流量計的脈沖數沒有變化，流量會出現零值，會導致電液閥誤動作，引起流量的波動，影響計量精度。在流量的計算中，我們在不同流量控制段采用不同的流量采樣時間。在低速發油段，流量采樣時間是幾倍的定時中斷周期；在高速發油段，流量采樣時間是單倍定時中斷周期。其倍數由流量計的最大流量與設定流量的比值決定。這樣既保證了流量計算的準確性，又避免了流量的過大波動。
4.1.7多功能數字電液閥的控制
4.1.7.1多功能數字電液閥特性分析
DYF型多功能電液閥的相對開度ε(某一開度時活塞行程與全開時活塞行程之比)與相對流量Q(某一開度時流量與全開時流量之比)的關系曲線稱為電液閥的特性曲線，它取決于閥的結構。DYF型多功能電液閥具有直線特性[9]，在進出口壓差恒定時，其相對流量的變化量與相對開度的變化量之比等于1，即
積分得
式中——閥在某一開度的相對流量；
——閥在某一開度的相對開度。
DYF多功能電液閥的直線特性，電液閥瞬時流量與進出口壓差、主閥開啟度有關系，它們的關系可由下面的公式近似:
采樣時間內，流量變化主要因進口壓力波動產生，即
調控時間中，流量變化不僅取決于仍在持續的因外部干擾而觸發的進口壓力的波動，而且因調控行為的實施，使得流量也受到主閥開啟度變化的影響，故：
收斂調節范圍內，近似有，，
調控算法的關鍵是要根據采集到的流量脈動信息，確定調控時間內相應電磁
閥的動作時間。顯然，為保證一個調控周期后流量的總脈動量趨于0應滿足：
即
式中——設定流量；
——設定流量下主閥開度。
公式(4-11)表明，為獲得恒定流量，應對主閥開啟度進行比例調節。實際上，
為克服因調節電磁閥和主閥慣性環節造成的調節行為的滯后，在比例調節基礎上，疊加微分調節，即令
式中T——采樣周期；
——微分時間；
——第n次流量的變化量；
——第n-1次流量的變化量；
——第n-2次流量的變化量。
4.1.7.2多功能電液閥控制算法
對主閥開啟度的控制限于硬件，采用改變發送給電磁閥固態繼電器脈沖波占空比的方法實現。脈沖的周期為某一設定流量時開電液閥所用的時間，脈沖寬度為電磁閥調控的時間。下面推導調控時間內電磁閥動作時間與開度變化量的關系。
設主閥全開時活塞行程為H，開度為ε時對應活塞行程為h，則：
即
為減少電磁閥動作的頻率，采用單邊調節的方法，打開電液閥時，未達到目標值開大電液閥，達到目標值時就保持開度；關閉電液閥時，未達到目標值關閉電液閥，達到目標值時就保持開度。分別對以下兩種情況進行調控。
（1）電液閥開啟控制設在時間t內，主閥套排出的介質為V，介質的流量為q，則：
設主閥進、出口壓力分別為P2、P1控制管路的截面面積為A1主閥套中活塞面積為A2,主閥套中彈簧的伸長量為x0，控制管路和主閥套的流速分別為υ1、υ2，對于理想液體，由貝努力方程得
由連續性方程得
由上面兩式得
式中——主閥進出口壓力差；
——電液閥截面系數
由以上公式整理可得
為了便于計算，對公式進行了簡化。對于同一個電液閥、、、、為常數，視油品密度和壓力差為常數，可將公式簡化為：
式中——電液閥開啟系數。
（2）電液閥關閉控制。關閉電液閥時主閥進、出口壓力、 相等，控制管路的截面面積為，主閥套中活塞面積為，住閥套中彈簧的伸長量為，控制管路和主閥套的流速分別為、，對于理想液體，公式可簡化為：
對于同一個電液閥、、、、、油品密度為常數，忽略主閥彈簧的變化量，上式可簡化為：
式中——電液閥的關閉系數。
4.1.8報警模塊設計
油庫的安全至關重要，如果有報警發生，必須給出聲、光報警提示，并采取相應的措施。報警提示可以有效地減少事故的發生，將事故破壞程度降到最低。報警信息不僅通知現場的工作人員，而且也要給監控室的操作人員相應的提示。在控制軟件設計時，我們對每一種報警都給出指示燈和語音提示，同時采用自鎖/互鎖關系，禁止相應的操作。同時對每一種報警進行編碼，這樣，上位機就可以通過報警代碼了解到報警的相關信息，以便采取有效的措施。報警事件與代碼對照見表4-1所示。
表4-1報警事件代碼對照表
Table4-1Contrastofwarningeventandcode
報警事件 報警代碼
無報警 0
靜電接地報警 1
溢油報警 2
靜電接地未摘除報警 3
鶴管未到位報警 4
鶴管未復位報警
可燃氣體檢測報警 5
6
超差報警 7
模擬量模塊錯誤指示 8
模塊電源錯誤指示 9
溫度過低報警 10
4.2監控組態軟件設計
4.2.1組態開發軟件選擇
4.2.1.1組態開發軟件的發展及現狀
在20世紀80年代末期，PC機開始走上工業控制的歷史舞臺，與此同時開始出現基于PC總線的各種數據I/O板卡，加上軟件工業的迅速發展，開始有人研究和開發通用的PC監控軟件-組態軟件。世界上第一個把組態軟件作為商品進行開發、銷售的專用軟件公司是美國的Wonderware公司，它在80年代末期率先推出第一個商品化監控組態軟件Intouch，此后組態軟件得到了迅猛的發展。
4.2.1.2組態開發軟件的特點
組態軟件的用戶是自動化工程設計人員，組態軟件的目的就是讓用戶迅速開發出適合自己需要的可靠的應用系統。因此組態軟件一般具備以下特點：
（1）使用簡單，用戶只需編寫少量自己所需的控制算法代碼，甚至可以不寫代碼。
（2）運行可靠，用戶在組態軟件平臺上開發出的應用系統可以長時間的連續可靠運行，在運行期間實現免維護。
（3）提供數據采集設備的驅動程序，以便將控制現場的數據采集到計算機中，并把運算的結果送回到控制現場的執行機構。
（4）提供自動化應用系統所需的通用監控軟件的組件。
（5）強大的圖形設計工具。
4.2.1.3組態軟件的選擇及其功能
目前世界上的組態軟件有幾十種之多，國際上知名的監控組態軟件有：Fix，Intouch，Wincc，Labview，Citech等。國內計算機控制系統軟件行業占有主導地位的產品有組態王、力控、MCGS等。而組態王性能在許多方面都已趕上或接近國外同類產品，且價格較低是同類產品價格的1/3-1/8，采用中文界面，在國內工控領域得到了廣泛的應用，因此，系統監控組態軟件選擇組態王為開發平臺。
組態王工控組態軟件是由北京亞控自動化軟件公司開發,它以Window98/WindowsNT4.0中文操作系統為其操作平臺,充分利用了Windows的圖形功能完備、界面一致性好、易學易用的特點。它使采用微機開發的系統工程比以往的使用專用機開發的工業控制系統更有通用性,大大減少了工控軟件開發者的重復性工作,并可運用微機豐富的軟件資源進行開發。
（1）強有力的安全管理系統組態王提供了一個強有力的基于用戶的安全管理系統，組態王采用分級和分區的雙重保護策略。應用系統中的每一個可操作的元素都可制定保護級別(最大999級)和安全區(最多64個)。對應地，操作者的優先級（最大999級）和工作安全區（64個）。對于有不同類型的用戶共同使用的控制系統，組態王采用用戶標識符和口令來區分和保護操作者。每一個操作者將獲得唯一的用戶標識符和口令，非法使用者不能進入系統。
（2）強大的通訊能力組態王可以連接PLC、智能儀表、板卡、模塊、變頻器等幾百種外部設備。支持設備之多之廣可與國外優秀同類軟件相媲美。組態王通過驅動程序和這些工控設備通訊，組態王的大部分驅動程序采用組件（COM）技術，使通訊程序和組態王構成一個完整的系統。這種方式既保證了運行系統的高效率，也使系統能夠達到很大的規模。組態王同時保留了DDE通訊方式，一些應用軟件可以通過DDE方式和組態王進行通訊。
（3）先進的報警和事件管理組態王能夠檢測到非正常狀態的發生，并將報警信息按照正確的順序登陸到數據庫，以便事后對其進行分析。組態王通過報警和事件兩種情形來通知操作人員過程的活動情況。組態王為模擬變量和長整型變量提供了三類報警條件（越限報警——高高、高、低、低低；偏差報警——大、小偏差報警限；變化率報警），為離散變量設計了一種報警條件（變量值——開、關或改變）。報警輸出文本可以自由定義，每個變量的多種報警條件可并存，根據每種條件檢測到的報警信息都會被記錄下來。報警可以分組管理，每種報警均可以定義其所屬的報警組合優先級。
（4）快速便捷的應用設計組態王工程瀏覽器為用戶提供了便捷的集成開發環境。在工程瀏覽器中可以查看畫面、數據庫、配置通訊驅動程序、設計報表等大部分系統配置。組態王系統內部提供了全新的龐大的圖形庫，包含了大量預先建立好的組合對象，如按鈕、指示表、閥門、電機、泵、管路和其他標準工業元件，這就極大地加快了應用系統的構造。組態王提供了靈活簡便的變量定義和管理，在數據字典里可以方便快捷地新建變量、編輯變量的屬性，組態王實時數據庫中存放所有變量的最新數據。
4.2.2監控系統組態設計
運用組態軟件-組態王（Kingview）對發油控制系統進行了組態設計。
（1）主監控界面設計該畫面對整個控制系統進行了組態，通過該畫面可以
比較直觀地看到這個控制系統的組成及發油系統的動態運行過程。如圖4-7所示。當系統運行時，管路中的油品動態地模擬現場實際油品的流動，油泵、電液閥指示燈顯示實際設備的運行狀態，流量計顯示現場當前的流量值，溫度變送器顯示溫度。當系統有報警產生時，相應的報警指示燈以紅色閃爍。同時，報警窗體自動彈出，操作員可以執行相應的操作。右半部分的命令按鈕可以使不同等級的用戶進入不同的界面執行相應的操作。為了方便習慣于Windows操作的用戶使用，左上部份還設計了下拉菜單，可以執行和命令按鈕同樣的操作。
圖4-7主監控界面
Fig.4-7Mainsupervisoryinterface
（2）狀態顯示畫面設計
為了方便操作人員更詳細地掌握系統的運行狀態，本系統還設計了狀態顯示界面，見圖4-8。在狀態顯示畫面上以文字的形式實時顯示系統運行的各種參數，如：瞬時流量、已發油量、所須油量等。
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