基于状态机的PLC控制液压CNG加气子站橇体系统

沈阳

为满足液压式CNG加气子站橇体控制系统的需要，设计并实现了一种基于状态机思想的PLC控制方式。

液压式CNG加气子站橇体作为CNG加气站增压设备，目前在各个CNG加气站广泛应用，系统控制几乎都是PLC控制。由于PLC的特殊性，编程控制方式类似于电路中的通断方式，这种设备过程控制方式在早期一些简单的设备非常实用，简单明了。而随着设备应用要求的发展，控制越来越复杂，编程设计人员在这种控制方式思想下完成的系统每一个逻辑网络都会产生大量的通断控制条件，容易出错，难以维护，查找问题也变得异常困难。因此，这种控制方式越来越满足不了实际需求。状态机及其技术是一种简单、结构清晰、设计灵活的方法，它易于建立、理解和维护，特别应用在具有大量状态转移和复杂时序控制的系统中，更显其优势。基于状态机思想的编程方式正是应液压式CNG加气子站橇体控制系统的复杂需求而设计。

一、 状态机名词解释

有限状态机的简称，是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。

状态机可归纳为4个要素，即现态、条件、动作、次态。这样的归纳，主要是出于对状态机的内在因果关系的考虑。“现态”和“条件”是因，“动作”和“次态”是果。详解如下：

现态：是指当前所处的状态。

条件：又称为“事件”，当一个条件被满足，将会触发一个动作，或者执行一次状态的迁移。

动作：条件满足后执行的动作。动作执行完毕后，可以迁移到新的状态，也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的，当条件满足后，也可以不执行任何动作，直接迁移到新状态。

次态：条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的，“次态”一旦被激活，就转变成新的“现态”了。

二、 系统工作原理

半挂车将天然气从母站转运到加气子站，半挂车共8个气瓶，分成单（1、3、5、7）、双（2、4、6、8）两组各四个气瓶组。单双两组气瓶后端分别由一根油路软管接到液压式CNG加气子站橇体上（单组接在单供油管、双组接在双供油管），通过橇体换向阀组（单注油、单回油、双注油、双回油）切换油路流向。所有气瓶前端管路汇集到一起由一根气路软管接到橇体缓冲瓶上，再连接至加气机。橇体油箱内装有特殊性质的液压油，经高压柱塞泵加压至工作压力后，将液压油注入半挂车其中一气瓶中（以1号气瓶为例）。此时，换向阀组单供油路切换为单注油。该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志http：//www.ems86.com总第577期2014年第45期-----转载须注名来源由于液压油是液体不能被压缩而天然气受压会压缩，所以注入的液压油使得这个气瓶内CNG天然气增压，再通过加气机实现给汽车加气。当这个气瓶注满油后，利用此气瓶的气体余压，将液压油反推回橇体油箱，此时换向阀组单供油路切换为单回油。同时对半挂车下一气瓶2号气瓶如上面所述那样进行注油，此时换向阀组双供油路切换为双注油，这样1号气瓶回油和2号气瓶注油不会产生油路冲突。如此反复3到8号气瓶，直至半挂车所有气瓶天然气用完，然后更换下一辆半挂车。原理图如图所示：

三、 系统软件架构

根据系统工作原理及其结构，将划分成若干状态机。每个状态机采用顺序组织、平等执行结构，相互之间执行无优先级之分，每个状态机分配一个变量来作为状态机标志，区分该状态机的不同状态。应用模块根据实际运行过程需求获取相关状态机标志变量值来决定执行相关动作或者触发相关的状态机进入各种状态，使得整个系统的每个状态机有机的结合在一起，相互配合、有条不紊的运行。本系统状态机包含：模式状态机、注油状态机、回油状态机、电机状态机等

四、 各状态机详解

模式状态机。用户通过触摸屏按键选择相应的工作模式——手动回油、手动注油、自动运行、非工作模式（非工作模式是指用户在停机情况下进行的一些参数修改、状态预置等）。每个工作模式成为一个状态，系统检测到的用户不同按键动作执行不同的状态跳转，从而完成工作模式的切换。

表1 模式状态机

状态 状态描述

状态S0： 非工作模式

状态S1 手动注油模式

状态S2 手动回油模式

状态S3 自动运行模式

模式状态机状态转换图如下：

注油状态机。首先启动电机，电机启动成功后，打开相关的阀门，这样液压油就被注入半挂车气瓶内，直到气瓶注满油，整个注油过程结束。另外对打开相关阀门过程的状态还可以按照打开阀门顺序再细分，可以避免打开阀门过程中液压油对橇体产生极大冲击，使注油平稳，如依次打开总注油阀状态、換向阀组切换状态、打开单元气瓶油阀状态等。

回油状态机。设置注油量使得气瓶注满油时有所占空间是气瓶总容量的95%，这样气瓶内就有一定量的气体余压。打开回油管路上相关阀门，由于油箱和大气相通为常压，这样气体余压和油箱常压形成压差，液压油就被反推回油箱。直到气瓶里的液压油回完，整个回油过程结束。

电机状态机。橇体使用高压柱塞泵电机功率较大，一般在30-50kW。为了避免启动瞬间大电流冲击伤害，影响电机寿命，采用软启动方式。这样电机的启动不是简单地通断电源，而是由几个动作形成一个软启动到正常运行的过程。

原有的PLC编程方式对大部分程序的组织顺序有很严格的要求，往往在后期维护修改，特别是涉及到控制顺序改动的时候，变得异常困难。基于状态机思想的编程方式使软件结构变得清晰简洁，缩短了系统的开发周期，增强了系统的可维护性。同时模块化也使得增加和减少模块对其他模块的干扰降低，使系统的扩展性变得容易。

（作者单位：重庆耐德工业股份有限公司）