航空煤油汽車自動裝車計量一體化系統

劉微，劉仁

(中國石油天然氣股份有限公司 蘭州石化分公司,甘肅 蘭州 730060)

航空煤油作為某石化公司的主要產品，年產量的30%通過汽車發運出廠。改造之前，汽車發運經空載和滿載的兩次過衡稱重后，采用傳統業務交接方式完成紙質計量單的面對面計量交接，多年來一直存在車輛入廠難于監管、進出廠效率低、計量數據共享及時性差等弊端。為了提高交接計量的準確性，引入航空煤油發運出廠自動裝車計量一體化系統，在原定量灌裝系統的基礎上進行升級改造，采用質量流量計并基于RS-485通信實現計量交接數據實時上傳，以遠程電子化交接模式取代線下面對面交接，實現了裝車計量一體化，車輛進出廠效率顯著提高、計量數據可以實時共享。

1 自動裝車計量一體化系統的實現

1.1 系統結構

航空煤油發運出廠自動裝車計量一體化系統主要由過濾分離器、球閥、質量流量計、電液閥、靜電溢油控制裝置、中心控制室PLC、CP341通信卡件、上位機和配套的組態軟件等組成，如圖1所示。

圖1 航空煤油發運出廠自動裝車計量一體化系統結構示意

1.2 PLC控制定量灌裝

PLC控制定量灌裝，選用西門子接口模塊及10個分布式I/O設備組成，該系統采用220 V(AC)，10 kVA的UPS電源實現掉電保護。PLC作為主控制器接收來自質量流量計的數據，對數據處理后發出一系列的控制信號，完成定量灌裝。為實現現場高精度定量灌裝并防止產生靜電和水擊現象，灌裝控制采用仿人工智能控制思想，電液閥的開關過程采用了分段控制方式，先小流量初始裝車，再大流量恒流發油，到達設定量的98%時，閥門進入小開度低速發油階段，直至關閉，完成一次定量灌裝。在罐裝過程中，質量流量計實時將現場流量計的信號發送給PLC，并上傳到上位機，閥門開度控制特性曲線如圖2所示，其中：t1為初裝小流量時間段；t2為恒流發油大流量時間段；t3為末端小流量時間段。

圖2 流量控制特性曲線示意

1.3 灌裝操作步驟

航空煤油灌裝具體控制過程如下：

1)現場裝車操作人員將待裝車輛的基本信息人工錄入到該系統，并根據該公司銷售部開具的周計劃單和實際車載量在系統中錄入單車提貨量(即預設量)，或由系統存儲的車輛信息自動提取單車提貨量。

2)待裝車輛進入到達裝車指定貨位，按要求進行靜電接地夾和溢油液位開關的準備工作。就緒后，裝車操作人員根據該系統控制界面接地夾和溢油液位開關顯示綠色狀態后啟動裝車開始按鈕，控制電液閥開啟，按工藝要求，為防止裝油過程中產生靜電事故，進入小流量初始裝車階段，灌裝初速度保持在1 m/s以下，按管徑80 mm，航空煤油密度780 kg/m3計算，初裝流量控制在14 t/h以內(AB段)。

3)鶴管口距罐底部200 mm左右，當鶴管口浸沒油面后，根據工藝要求流速不大于4.5 m/s(以防止噴濺造成靜電事故)，可計算出油品流量控制在63 t/h進行大流量恒流裝車(CD段)。

4)當裝車完成預設量的98%時(D點)，裝車控制系統將電液閥的開度調小至50%，進行結束階段小流量裝車(EF段)，并且發出聲光報警，提醒裝車人員注意電液閥是否可控，裝車瞬時量是否減小，防止裝車過程中出現異常。當實際裝車量達到預設量的99.8%時(F點)，裝車控制系統自動關閉電液閥，現場裝車結束。

5)現場質量流量計將裝車結束后的計量值傳送到PLC，經前后表數計算出實際裝車量上傳到上位機進行計量交接。

6)每個裝車鶴位的溢油靜電保護器輸出標準的開關量信號給PLC，實現現場裝車聯鎖控制泵和電液閥，當現場的防靜電接地開關和防溢液位開關異常動作時，隨即停泵、停閥并暫停裝車作業。緊急情況下，現場操作人員和控制室操作員均可以快速切斷閥門。

溢油靜電保護器通過靜電接地夾自動檢測罐車的接地狀況，罐車與接地樁之間超過規定阻值或者接地未連接好時，接地燈閃爍，蜂鳴器急促報警，同時輸出接地報警信號給上位機；當被監測液位達到液位開關檢測位置時，液位指示燈閃爍，蜂鳴器急促報警，并輸出液位報警信號給PLC，上傳到上位機。

一次定量裝車計量交接的業務管理流程如圖3 所示。

圖3 一次定量灌裝計量交接業務流程示意

2 質量流量計交接計量數據的正確讀取

2.1 信號輸出選擇

因模擬量輸出和脈沖輸出遠傳時易產生信號失真及數據轉換累積誤差，影響計量的準確度，而RS-485為數字信號傳輸，避免了模擬量或脈沖方式傳輸數據的單一、脈沖累計精度偏差和信號衰減的問題，保證了計量數據的準確性和可靠性。因此，系統采用Modbus協議的RS-485數據通信，傳送時不需要進行數模、模數轉換，直接傳輸數字信號，有較高的信號傳送精度，經PLC上傳至上位機作為計量交接數據，完成裝車計量單的在線打印和計量報表的在線生成。

2.2 計量數據的正確讀取

質量流量計在線計量交接由PLC同時配備2塊CP341通信卡件與現場流量計進行數據通信來實現。采用Modbus RS-485 RTU分2組同時與現場9臺質量流量計進行串行異步半雙工通信。其中CP341-1模塊連接1號、2號、4號、17號貨位流量計，CP341-2模塊連接10號、12號、14號、16號、18號貨位流量計。現場流量計與CP341通信卡件的網絡連接如圖4所示。

圖4 現場流量計與CP341通信卡件的網絡連接示意

以CP341通信卡件為主站，以流量計為從站，基于Modbus主從式工作的主站以廣播式向所有從站發送請求數據的數據包，其數據包中包含從站地址、功能代碼(即讀取的寄存器類型)、要讀取的寄存器的起始地址、本次要讀取的寄存器個數，并等待從站的響應。掛在同一條總線上的所有從站被動的接收到主站的廣播包，然后解開該廣播包，將包中的從站地址與自身的地址對照，如果地址相同，該從站立即將自身相應寄存器中的數據發送到總線，主站中的接收程序始終處于待命狀態，等待總線上從站發送來的響應數據包，并把響應包中的數據序列化到自身的接收數據塊中；從站檢測到包中的從站地址與自身的地址不符時，則直接銷毀該包，不做任何響應，至此完成一個數據發送和接收。同時上位機監控系統實時讀取質量流量計上傳到PLC的數據，在監控系統上顯示裝車進度、現場接地狀態信息、車輛液位實時狀態，并在數據庫中存儲最終數據供計量信息管理平臺調用。

3 遠程電子化交接的實現

遠程電子化交接采用電子簽名(章)技術，通過計量交接管理、用戶管理、證書管理、印章管理、簽署管理、文檔管理、系統管理等實現計量數據在線提取，計量單在線生成，計量單在線簽署，計量單作廢，計量單網上流轉，計量單在線打印、下載、歸檔和計量數據的分類統計匯總、用戶功能角色權限分配、系統網絡安全等功能。

首先，PLC采集到的計量交接數據上傳到計量信息管理平臺中，平臺通過報表生成帶有數據但不帶計量專用章的PDF文件，通過約定的密鑰串加賬戶名調用PC端的Ukey認證，系統檢查本地是否插入Ukey，再檢查Ukey中CA證書是否有效，其中任何一項不滿足條件立刻返回認證失敗；如果2個條件同時滿足即可進行下一步操作，輸入PIN碼認證，認證該賬戶是否存在且有效，認證成功后返回加密串，加密串短時間內有效，過時作廢；然后通過雙方約定的參數加密方式傳遞和接收加密串并調用電子簽章接口，電子簽章系統檢測傳遞的賬戶是否存在綁定印章，如有綁定執行簽章，流程結束(如無，提示簽署失敗)。簽章完成后，計量信息管理平臺歸檔計量單，客戶端用戶根據自己的使用權限進行電子計量單的打印、下載、存儲等，實現遠程電子化交接和電子計量單的網上流轉。

4 結束語

航空煤油發運出廠自動裝車計量一體化系統上線后，實現裝車業務的全面流程化管理，通過充分發揮PLC的軟、硬件控制功能，引入仿人工智能控制思想，有效地提高了灌裝的速度，大幅縮短了車輛進出廠時間；在線遠程電子化交接實現了計量交接數據的實時共享。