集儲(chǔ)站罐車裝載智能控制系統(tǒng)

朱世飛 黃顯德 李志玉

(甘肅藍(lán)科石化高新股份有限公司，蘭州 730070)

20世紀(jì)70年代末，國(guó)外油庫(kù)開(kāi)始使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行發(fā)油作業(yè)[1]。早期的發(fā)油裝置包括體積流量計(jì)、過(guò)濾器、氣體分離器、閥門(mén)及油溫檢測(cè)等設(shè)備，根據(jù)管線油溫、密度和發(fā)油體積，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)算出發(fā)油重量，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制閥門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉，達(dá)到自由灌裝的目的。

20世紀(jì)80年代以后，隨著計(jì)算機(jī)在國(guó)內(nèi)的普及，不少研究單位和廠家研發(fā)了自動(dòng)發(fā)油系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了集中控制的功能，受到小型油庫(kù)和加油站的青睞。但由于受到國(guó)內(nèi)生產(chǎn)工藝水平限制等原因，國(guó)產(chǎn)自動(dòng)發(fā)油系統(tǒng)與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有一定差距。

筆者提出并設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)，應(yīng)用于煉油廠和化工廠油庫(kù)，可滿足各種罐車裝載的自動(dòng)化控制和管理需求。從開(kāi)單、提貨、裝車到出庫(kù)、核算、報(bào)表，每一個(gè)環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的軟、硬件功能支持；系統(tǒng)出錯(cuò)自動(dòng)報(bào)警，操作自動(dòng)記錄，既可有效防止事故發(fā)生，又能防止人為誤操作，使操作和管理更加完善[2]。

1 罐車裝載智能系統(tǒng)的組成與功能①

集儲(chǔ)站罐車裝載智能控制系統(tǒng)由3部分組成：上位機(jī)操作站管理系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)分散式裝載控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程安全消防報(bào)警系統(tǒng)[3]。

上位機(jī)操作站管理系統(tǒng)。通過(guò)電腦處理日常事務(wù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙辦公和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)生產(chǎn)進(jìn)銷流程業(yè)務(wù)、財(cái)務(wù)與人事的管理，并可以按照規(guī)定生成數(shù)據(jù)和詳細(xì)的財(cái)務(wù)報(bào)表；實(shí)現(xiàn)各類生產(chǎn)報(bào)表的實(shí)時(shí)和定時(shí)生成與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享。

現(xiàn)場(chǎng)分散式裝載控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，顯示儲(chǔ)罐的液位和溫度，高、低限報(bào)警，計(jì)算現(xiàn)存油品的體積、質(zhì)量及剩余罐容等；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閥、停泵與自動(dòng)化裝車生產(chǎn)。

遠(yuǎn)程安全消防報(bào)警系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)分布式控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w濃度的檢測(cè)、高/低限報(bào)警、信號(hào)上傳(監(jiān)控終端)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)、報(bào)警、記錄、打印及消防水池液位自動(dòng)控制等功能。出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，可自動(dòng)啟動(dòng)緊急停車系統(tǒng)，切斷與險(xiǎn)情部位相連接的油路和電路，停止一切相關(guān)的設(shè)施，對(duì)險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行緊急自動(dòng)隔離。

2 控制系統(tǒng)技術(shù)方案

罐車裝載智能控制系統(tǒng)如圖1所示，包括以控制室上位機(jī)操作站為集中管理的集中控制系統(tǒng)和以現(xiàn)場(chǎng)定量裝車控制儀為分散獨(dú)立控制單元的集散控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)包括若干個(gè)灌裝臺(tái)，每個(gè)灌裝臺(tái)上設(shè)有流量計(jì)算機(jī)/積算儀，并與集中控制系統(tǒng)信號(hào)連接。同時(shí)，灌裝臺(tái)上還設(shè)有若干個(gè)裝載臂，每個(gè)裝載臂上依次設(shè)有壓力表、溫度測(cè)量元件、流量計(jì)和流量數(shù)字控制閥，并與流量計(jì)算機(jī)/積算儀信號(hào)連接[4]。 該系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于安裝調(diào)試，選用工業(yè)控制可靠性極好的PLC控制電路和通用工業(yè)計(jì)算機(jī)，降低了維護(hù)水平，加強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力，起到提高系統(tǒng)可靠性的目的，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)化管理定位設(shè)計(jì)能夠高速、準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)。集中式系統(tǒng)管理具備可視化、網(wǎng)絡(luò)化和網(wǎng)絡(luò)安全性(指定數(shù)據(jù)管理機(jī)分級(jí)加密，能準(zhǔn)確獲得數(shù)據(jù)[5])的特點(diǎn)。

圖1 罐車裝載智能控制系統(tǒng)

2.1 流量計(jì)算機(jī)/積算儀

集中控制系統(tǒng)與灌裝臺(tái)裝載臂上的相關(guān)儀器為整體設(shè)計(jì)，并且作為一個(gè)單一的可自動(dòng)、自主運(yùn)作的模塊運(yùn)行，每個(gè)灌裝臺(tái)上的流量計(jì)算機(jī)/積算儀可實(shí)現(xiàn)管理、監(jiān)控和報(bào)告至各自的控制室。

流量計(jì)算機(jī)/積算儀是用于密閉輸送測(cè)量的電子設(shè)備，在使用電子微處理器的基礎(chǔ)上，以同時(shí)處理的方式調(diào)節(jié)多個(gè)裝載臂，連續(xù)的或按順序的方式均可。其最終測(cè)量依賴于溫度、壓力和燃料密度修正的體積校正因數(shù)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。流量計(jì)算機(jī)/積算儀具有生成本地結(jié)算和支持遠(yuǎn)程控制單據(jù)印刷的能力，此外還具備處理多個(gè)智能輸入的功能，如數(shù)字控制閥、流量變送器及溫度等。流量計(jì)算機(jī)/積算儀還有兩個(gè)數(shù)字通信端口，用于同時(shí)交換信息至兩個(gè)不同的遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)和監(jiān)視、控制油罐車灌裝過(guò)程。在RS-485標(biāo)準(zhǔn)和Modbus RTU協(xié)議下，通過(guò)執(zhí)行領(lǐng)域的通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)油罐車進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。這些渠道傳遞的信息將用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄上述操作。

流量計(jì)算機(jī)/積算儀帶有本地印表機(jī)。當(dāng)油罐車完成裝載過(guò)程時(shí)，本地印表機(jī)生成一份實(shí)時(shí)印刷記錄，在記錄中有裝載的產(chǎn)品類型和最終準(zhǔn)確的交貨量。通過(guò)RS-232標(biāo)準(zhǔn)的通信端口或高頻模擬信號(hào)與流量計(jì)算機(jī)/積算儀互連。

2.2 流量計(jì)

流量計(jì)為渦輪型流量計(jì)，在測(cè)量室中具有逐步降低壓力的機(jī)械裝置以確保測(cè)量的高精度，使用可鎖定定子的配件以提高其耐用性并改善動(dòng)力平衡。為了確保流量計(jì)入口流體的流動(dòng)模式達(dá)到最優(yōu)的預(yù)期效果，并減小安裝尺寸，系統(tǒng)使用了整流器裝置。流量計(jì)精度為±0.25%。

2.3 流量數(shù)字控制閥

流量數(shù)字控制閥為球形閥，其特點(diǎn)是高效率、設(shè)計(jì)緊湊、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和密封泄漏少[6]，該閥門(mén)的主要功能是可以讓貨車艙室的灌注依次完成，即若開(kāi)始時(shí)的流量很低，就會(huì)使其逐漸跳轉(zhuǎn)到一個(gè)最高峰值，之后又以同樣的方式逐漸跳轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)。閥門(mén)具備通過(guò)自動(dòng)操作進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制所需的所有設(shè)備和配件的功能，利用兩個(gè)電磁閥進(jìn)行控制，一個(gè)常開(kāi)，一個(gè)常閉，分別位于進(jìn)口處和出口處以交替使用。

2.4 溫度、壓力測(cè)量元件

溫度元件是RTD，PT-100類型，三線型，精度為±0.1%℃。該元件的主要功能是補(bǔ)償計(jì)算從裝載臂到油罐車排出的瞬時(shí)流量。壓力表的主要作用是允許液化石油氣調(diào)度至貨車的瞬時(shí)流量通過(guò)調(diào)度過(guò)程中實(shí)施的實(shí)際壓力值得到補(bǔ)償。

2.5 靜電防溢開(kāi)關(guān)監(jiān)視器

流量計(jì)算機(jī)/積算儀與和罐車連接的溢出控制、接地控制監(jiān)視器連接[7]。溢出控制和接地控制監(jiān)視器作為一個(gè)保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)檢查出車輛已正確配備并有接地機(jī)制時(shí)，在油罐車可能出現(xiàn)燃料溢出之前保護(hù)油罐車。當(dāng)設(shè)備檢測(cè)出油罐車的某些內(nèi)部油罐溢出界限時(shí)，將會(huì)自動(dòng)停止灌裝，而不會(huì)影響到其他儲(chǔ)存設(shè)施的填充，同時(shí)立即通過(guò)Modbus RTU的標(biāo)準(zhǔn)通信通道RS-485或TCP/IP的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議向集中控制系統(tǒng)報(bào)告此事件。

裝載臂上設(shè)有兩個(gè)手動(dòng)緊急按鈕，該手動(dòng)緊急按鈕通過(guò)集中控制系統(tǒng)的離散輸出和集中控制系統(tǒng)連接，在灌裝臺(tái)出現(xiàn)任何異常事件的情況下，采取適當(dāng)行動(dòng)。

3 控制系統(tǒng)上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)

集中控制系統(tǒng)設(shè)有監(jiān)測(cè)、控制主服務(wù)器和與其相匹配的備用服務(wù)器[8]，顯示用來(lái)調(diào)度特定產(chǎn)品的每一個(gè)灌裝臺(tái)的狀態(tài)并實(shí)時(shí)顯示分配流程中的分配量、所需量和所測(cè)得的瞬時(shí)流量。

數(shù)據(jù)采集處理功能：對(duì)裝車現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和處理；對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制，并采集其數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和保存[9]。

畫(huà)面顯示功能：顯示畫(huà)面分?jǐn)?shù)據(jù)顯示畫(huà)面、工藝流程圖畫(huà)面、設(shè)備狀態(tài)顯示畫(huà)面、趨勢(shì)曲線記錄顯示畫(huà)面、報(bào)警信息匯總顯示畫(huà)面及其他輔助顯示畫(huà)面等。畫(huà)面顯示直觀、色彩鮮明、操作簡(jiǎn)便，主要部分采用動(dòng)態(tài)顯示。

操作保護(hù)功能：為防止非授權(quán)人員操作系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)誤操作有報(bào)警提示，同時(shí)在進(jìn)行重要的操作時(shí)均設(shè)有密碼保護(hù)功能，以保證系統(tǒng)安全。

權(quán)限分配功能：系統(tǒng)設(shè)有權(quán)限設(shè)置，每位操作員只能在自己的權(quán)限范圍內(nèi)進(jìn)行操作。

報(bào)表功能：根據(jù)客戶要求制定各類報(bào)表格式和內(nèi)容，報(bào)表輸出分自動(dòng)定時(shí)和人工隨機(jī)兩種打印輸出方式。

網(wǎng)絡(luò)通信功能：可與DCS系統(tǒng)、公司網(wǎng)絡(luò)和Internet聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)資源共享，方便系統(tǒng)管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出了一種基于流量計(jì)算機(jī)/積算儀流量測(cè)量方法的集散式液化氣與油料自動(dòng)灌裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)采用二級(jí)布網(wǎng)方式，以控制室操作站為集中管理控制單元，現(xiàn)場(chǎng)裝車控制為分散獨(dú)立控制單元的集散控制系統(tǒng)，實(shí)行整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控管理集中、控制風(fēng)險(xiǎn)分散的方法，同時(shí)將可燃?xì)怏w探測(cè)器、聲光報(bào)警器及LED大屏幕顯示等納入裝車管理系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全、可靠、高效地運(yùn)行。該系統(tǒng)能夠以遠(yuǎn)程自動(dòng)化的形式從位于控制室的工作站到流量計(jì)算機(jī)/積算儀傳輸啟動(dòng)任何油罐車的裝載程序獲取所需要的信息，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模塊化強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，提高了集儲(chǔ)站灌裝精度，并具有實(shí)時(shí)性好及可靠性高等特點(diǎn)。