全自動罐下取樣系統V1.0設計與實現

宋曉光 陳曉勇 齊麗曼

【摘要】根據GB/T 4756—2015《石油液體手工取樣法》中規定的取樣點（上部樣、中部樣、下部樣），開發一套全自動的取樣系統。本文主要內容介紹了全自動罐下取樣系統的應用、概述、系統設計的原理和功能、可視化系統畫面的開發以及系統應用的優點。

【關鍵詞】全自動；取樣；可視化界面

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.01.043

Design and Implementation of V1.0 Fully Automatic Tank Bottom Sampling System

SONG Xiaoguang1， CHEN Xiaoyong2， QI Liman2

（1.Fushun Inspection and Testing Certification Center， Fushun 113008， China； 2.Fushun Product Quality Supervision and Inspection Institute， Fushun 113006， China）

Abstract： Develop a fully automated sampling system based on the sampling points （upper sample， middle sample， and lower sample） specified in GB/T 4756—2015 Method for manual sampling of petroleum liquids. This article mainly introduces the application， overview， principles and functions of system design， development of visual system images， and advantages of the fully automatic tank bottom sampling system.

Keywords： fully automatic； sampling； visualization interface

全自動罐下取樣系統是利用西門子SIMATIC S7-200 SMART與畫面的組態開發的一個軟件，具有高性能采樣控制方式。該系統可以廣泛應用于化工、糧油、煉油及其他儲罐的場合和行業，來替代人工罐上采樣，提高了采樣的精準性和安全性。罐下自動采樣器安全環保、省時省力、準確可靠、易于管理，并且安裝方便、結構簡單，適用于石油、糧油（葵花籽油、大豆油、菜油、調和油）等油品取樣。

在石油、食用油生產過程中，原料、半成品和成品需要存放在不同的儲罐中。為了獲得這些儲罐中介質的性能參數，取樣人員需要通過取樣桶在罐頂進行人工取樣，并采集相應部位的樣品，以便及時分析檢測。根據GB/T 4756—2015《石油液體手工取樣法》，當罐內或管線液體靜止時，對油品進行取樣，采集樣品可分為上部樣、中部樣和下部樣。其中GB/T 4756—2015規定上部樣為在頂部液面下1/6液深位置采集的點樣；中部樣為在液面下1/2液深位置采集的點樣；下部樣為在液面下5/6液深位置采集的點樣。這種取樣方法費時費力，且由于儲罐高度較高，在惡劣天氣下可能會威脅取樣人員的生命安全。為解決人工爬罐取樣難且危險的問題，采用食品油/糧油罐下自動采樣器，實現了油罐內不同點位的樣品可在罐下密閉取樣控制箱中直接采樣。

全自動罐下取樣系統以西門子S7-200SMART PLC可編程邏輯控制器為核心，讓全自動罐下取樣系統控制更加智能化。其具有機型豐富，更多選擇，可以提供不同類型、I/O點數豐富的CPU擴展模塊，可以實現數字量通道、通信接口、模擬量模塊靈活配置，集成3路高速脈沖和支持多種運動模式及精確定制等優點。在S7-200SMART PLC的CPU中通過其本體集成的以太網接口，用1根以太網線，通過交換機便可以自動控制直接取樣及整個過程和程序的上傳、下載、監控，并可以與觸摸屏進行組網。根據實際使用的不同環境來設置循環時間，滿足不同運行時的需求，從而保證取樣的準確性和重復性，提高循環運行的整體可靠性，對取出的樣品能真實反映介質的質量情況，樣品代表性強。

本系統的基本硬件包含柜體、西門子PLC、西門子觸摸屏、溫濕度傳感器及探頭、動作繼電器和電磁閥等。本系統軟件采用西門子STEP7-Micro/WIN SMART，主要用來進行用戶程序的編制、存儲和管理，并將用戶程序送入PLC中，在調試過程中，進行監控和故障檢測。該編程軟件具有先進的程序結構，融入了新穎的項目樹和帶狀菜單，可以移動式編程窗口?？梢暬O備通過SIMAIC Wincc flexible SMART軟件來組態、編寫觸摸屏畫面的程序。通信方式采用以太網，通過工業交換機通信的方式和現場設備傳感器等進行組網。

開發的PLC智能程序控制與人機交互的全自動罐下取樣器系統，依據GB/T 4756—2015等相關材料，根據用戶的需求和控制方式進行程序的編寫。編程語言采用指令語句表（STL），語句表語言與微型計算機的匯編語言類似，也采用助記符形式編程。根據程序的開發控制可以實現上部、中部、下部位置的順序取樣和每個步驟時間的控制。在觸摸屏上設定上部、中部、下部、循環和取樣時間，反抽以及吹掃運行的時間。每路的運行時間以及現場取樣閥門的開關狀態，以動態及動畫箭頭方式展現在可視畫面中，讓操作者更加直觀地了解到設備運行的狀態和過程?？刂品绞讲扇‖F場控制和觸摸屏控制兩種方式，并且可以根據需要進行管路的吹掃功能，現場和觸摸屏都設置了保護開關，如果遇到緊急情況可以按動現場或觸摸屏上的開關，停止系統的運行。

該系統還利用PLC的保持范圍，在發生循環上電時將保持的儲存器存儲每個出樣口的取樣次數，并且在人為復位或者設定復位次數后，系統數據將自動復位。在觸摸屏組態畫面中增加了登錄的權限，防止權限以外的人員誤動作。同時在觸摸屏畫面添加了通信畫面功能，可以更直觀地了解網絡連接狀態，以及報警提示。為了不讓油凝固，在觸摸屏中輸入時間，系統可以自動定時實現反抽循環，對自動循環時間也可以通過觸摸屏進行時間校準。通過溫濕度探頭和傳感器與PLC模塊的連接，可以采集現場的溫度、濕度以及取樣點的溫度和濕度。

本系統觸摸屏的組態畫面的導航頁面清晰簡明，屏幕可以設定和顯示時間、溫濕度等參數，可以進行一鍵啟動和停止操作。觸摸屏組態的操作的界面有登錄界面、通信界面、主界面、參數設置界面以及統計界面功能。

3.1登錄界面

在登錄畫面添加用戶管理函數ShowLogonDialog和ActivateScreen打開畫面總覽，并選擇兩個函數的Logoff或ActivateScreen，注銷用戶或切換畫面到登錄畫面，在注銷后自動返回登錄頁面。

設定用戶登錄的權限和密碼，防止誤操作和誤登錄，在用戶管理中，可對用戶和用戶組進行管理，從而控制對運行系統中的數據和函數的訪問權限，比如需要進入操作系統就可以設置用戶管理權限，必須具備用戶的賬號和密碼才可以登錄或者進入一些特定的畫面也可以設置用戶管理權限對用戶的操作權限來進行管控。

3.2通信界面

在用戶登錄后，進入通信界面，在此界面可以顯示登錄的時間、通信是否已經連接建立以及設備的IP地址、觸控設備是否已經初始化及操作模式，通過上下箭頭的觸控更加直觀地了解到設備的連接狀態。系統通信界面如圖1所示。

3.3主界面

通過循環觸屏按鈕，點擊啟動后，可以起動設備運轉，首先執行上部樣的管道循環，通過設定時間，開關對應的閥門實現上部樣的取樣。然后是中部樣的管道循環，通過設定時間，開關對應的閥門實現中部樣的取樣，再次執行下部樣的管道循環，通過設定時間，開關對應的閥門實現下部樣的取樣。點擊吹掃按鈕可以開啟管路中的吹掃功能，開關相應的閥門。觸摸屏可以以動態的形式顯示各個閥門開關狀態以及液位流向。通過傳感器，采集、反饋的模擬量信號，經模塊的接入，通過程序的編寫，最終通過組態的方式顯示出管路的溫度、取樣點的溫度和濕度。系統的主畫面循環過程和取樣過程如圖2和圖3所示。

3.4參數設置界面

對上部樣、中部樣、下部樣分別設定管路循環時間以及對應取樣閥開關時間，并且可以實時顯示該狀態下已運行的時間。對于一個循環結束后，進行吹掃也可以設定工作時間及實時顯示該狀態下的運行時間。參數設置界面如圖4所示。

3.5統計界面

此界面可以分別對1～3路取樣次數進行統計，并且可以手動設置復位次數和進行取樣次數手動按鈕復位方式，可以設定自動循環時間，按照設定的實現系統將自動進行反抽起動循環及具有系統時間校準設定功能。統計界面如圖5所示。

全自動罐下取樣器系統，采用可編程邏輯控制器PLC作為系統編程控制的核心，使控制更加精準、靈活可靠，從而保證了罐區的安全以及取樣位置的精準。系統操作簡單，可以實現自動觸屏控制，以及現場手動啟停，提供了方便的采樣方式，這樣既減輕了采樣工人的勞動強度和保證了安全，又節省了時間。通過對可編程控制器寫入指令，采用自動化控制方式，可以實現規定位置及方式的取樣，提高了工作效率；可視化設備與可編程邏輯控制器通過以太網，工業交換機連接在一起，實現可視化設備與可編程邏輯控制器PLC通過通信方式交互信息，可以減少維護的工作量，提高了系統監測和控制的可靠性。

【參考文獻】

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[4]韓相爭.西門子PLC、觸摸屏和變頻器應用技巧和實戰[M].北京：機械工業出版社，2022.

【作者簡介】

宋曉光，男，1966年出生，教授級高級工程師，學士，研究方向為科技管理、知識產權保護、科技成果轉化、檢驗檢測。

陳曉勇，男，1984年出生，高級工程師，學士，研究方向為產品質量檢驗檢測。

齊麗曼，女，1977年出生，高級工程師，研究方向為科技管理，產品質量檢驗檢測。

（編輯：于淼）