定量裝車控制系統(tǒng)在液體產(chǎn)品裝卸中的應用

石英春，張維寧，畢宏偉

（1遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司，遼寧阜新123000；2遼寧省煤制天然氣工程技術研究中心，遼寧阜新123000；3遼寧省煤制天然氣工程研究中心，遼寧阜新123000；4遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司企業(yè)博士后科研基地，遼寧阜新123000）

應用技術

定量裝車控制系統(tǒng)在液體產(chǎn)品裝卸中的應用

石英春1，2，3，張維寧1，3，4，畢宏偉1，2，3

（1遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司，遼寧阜新123000；2遼寧省煤制天然氣工程技術研究中心，遼寧阜新123000；3遼寧省煤制天然氣工程研究中心，遼寧阜新123000；4遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司企業(yè)博士后科研基地，遼寧阜新123000）

分布式定量裝車系統(tǒng)可分為火車裝車系統(tǒng)和汽車裝車系統(tǒng)，其系統(tǒng)主要由上位機系統(tǒng)，現(xiàn)場定量裝車儀及現(xiàn)場儀表兩部分組成。自動定量裝車控制系統(tǒng)在石油化工液態(tài)產(chǎn)品裝卸過程的應用，可以提高裝車精度和加快裝車速度，避免反復多次裝車；減少人工工作強度和操作人員數(shù)量；實現(xiàn)自動關閥、停泵，實現(xiàn)自動化裝車生產(chǎn)。

定量裝車控制系統(tǒng)；定量裝車儀；流量計；裝車鶴管

Abstract：Quantitative loading system of distributed loading system can be divided into the train and car loading system，the system is mainly composed of host computer system，quantitative tanker－filling instrument and field instrument composed of two parts.Quantitative automatic loading control system application in petrochemical liquid product loading and unloading process，to improve loading accuracy and speed up the loading speed，avoid repeated loading；reduce the manual effort and the number of operators；for automatic closing valve，pump，automated loading of production.

Key words：quantitative tanker－filling control of quantitative loading system；instrument loading cranes；flowmeter；tube

石油化工企業(yè)及儲運油庫，其日常的生產(chǎn)原料、成品的裝車 （火車罐車、汽車罐車）、碼頭裝船作業(yè)都十分繁忙，為了克服人工操作、管理帶來的弊端，減少環(huán)境污染、提高儲運管理作業(yè)的效率和石油化工企業(yè)的整體效益，以適應經(jīng)濟發(fā)展的需求。石油化工企業(yè)迫切需求機械化自動化程度高、安全可靠性好、便于操作維護的儲運裝車自動化系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

分布式定量裝車系統(tǒng)可分為火車裝車系統(tǒng)和汽車裝車系統(tǒng)，有獨立的火車裝車自動控制系統(tǒng)和汽車裝車自動控制系統(tǒng)，也有火車、汽車均包括的集中裝車控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)主要由上位機系統(tǒng)、現(xiàn)場定量裝車儀及現(xiàn)場儀表兩部分組成。整個系統(tǒng)采用二級布網(wǎng)方式，一級網(wǎng)采用以太網(wǎng)，操作站連接廠管理部門局域網(wǎng)，為RealMIS／ERP或DCS系統(tǒng)提供接口，接受廠管理部門業(yè)務指令并將裝車數(shù)據(jù)回傳管理部門，另外操作站同時通過以太網(wǎng)連接協(xié)議轉換器，與現(xiàn)場的裝車控制儀通訊，操作站可互為冗余功能。第二級網(wǎng)采用RS485串行通訊網(wǎng)，由現(xiàn)場各裝車儀相連，通過光纖或電纜上傳至裝車控制室［1］。形成以廠管理部門為集中監(jiān)控單元，定量裝車儀為分散獨立控制單元的集散控制系統(tǒng)，實行整個系統(tǒng)監(jiān)控管理集中、控制風險分散的目的，保證系統(tǒng)安全、環(huán)保、可靠、高效地運行。

2 分布式定量自動化裝車系統(tǒng)的構成原理

一般裝車控制系統(tǒng)是采用兩級主從分布控制系統(tǒng)。由一臺或多臺用于 “集中管理”的PC機 （上位機）和安裝在裝車臺現(xiàn)場的若干臺用于 “分散發(fā)油控制”的下位機 （即定量裝車控制儀）組成，下位機與上位機之間通過RS485通訊網(wǎng)絡或工業(yè)以太網(wǎng)及相應的通訊協(xié)議來達到數(shù)據(jù)采集、裝車管理和流程控制的功能［2］。

系統(tǒng)工藝流程及控制原理如圖1所示。

圖1中，自動裝車控制系統(tǒng)的工藝流程包括一些數(shù)據(jù)采集設備、控制設備、安全保護設備。分別如下。

（1）流量計 一般采用質量流量計 （或螺旋轉子體積流量計）。流量計的流量信號輸出一般為脈沖輸出。裝車控制儀采集其流量信號完成對已裝車量的計量，流量計的精度直接影響整體裝車系統(tǒng)的精度。

（2）閥門 為消除裝車過程中出現(xiàn) “水擊”現(xiàn)象，提高裝車的精度并滿足國家裝車安全標準要求，裝車系統(tǒng)控制閥一般選擇氣動兩段切斷球閥，閥門受裝車控制儀控制。

（3）消氣過濾器 為一種安全保護設備，用于過濾液體中的一些雜質以免損壞流量計和閥門，一般常配置在體積流量計系統(tǒng)中。

（4）防溢開關 是一種防止裝車過量而冒罐的安全保護裝置。

（5）靜電接地夾 與大地連接，將槽車上的靜電倒入大地。當接地夾與槽車接觸不良時其觸點信號進入裝車控制儀，裝車控制儀將輸出控制信號自動停止裝車。

（6）可燃氣體探測器 在裝車現(xiàn)場檢測揮發(fā)性氣體是否在要求標準范圍之內，如果一旦濃度超標，則發(fā)出報警信號給裝車儀和上位機，輸出信號命令停止裝車。

（7）付油泵 是裝車的動力裝置，其起、停受裝車控制儀控制。由于泵一般為強電供電，所以其起?？刂菩盘柋仨毾劝l(fā)到電氣開關柜，然后再由電氣開關控制輸出。

（8）裝車鶴管 是實現(xiàn)裝車的主要設備之一，物料通過裝車鶴管輸送到槽車之中，配套活動梯，供操作工人進行鶴管對位。

（9）定量裝車控制儀 是實現(xiàn)定量自動裝車的核心設備。其主要功能是對裝車過程進行程序控制和安全聯(lián)鎖。

分布式定量裝車系統(tǒng)典型拓撲結構見圖2。

圖1 系統(tǒng)工藝流程及控制原理

圖2 裝車管理系統(tǒng)解決方案

3 分布式定量裝車控制系統(tǒng)基功本能

操作站用于工藝流程的操作及監(jiān)視，設備狀態(tài)的監(jiān)視、設備故障的監(jiān)視及確認，圖形化動態(tài)顯示，現(xiàn)場檢測點的顯示、檢測和報警，工藝參數(shù)的設定、閥門的遠程控制、過程趨勢的顯示及存儲、故障及生產(chǎn)報表打印等［3］。

3.1 票據(jù)功能

系統(tǒng)可以根據(jù)業(yè)主要求提供各式各樣的單據(jù)，方便業(yè)務管理。

裝車計劃單：銷售車間給裝車控制室提交相關車輛的裝車計劃。

卸車計劃單：銷售車間給裝車控制室提交相關車輛的卸車計劃。

產(chǎn)品交款單：提貨單位在銷售車間的交款單據(jù)。

裝車通知單：裝車控制室給司機出具的裝車通知單。

出貨單：裝車完畢后裝車控制室給司機提供的出貨單據(jù)。

3.2 報警功能

系統(tǒng)可以產(chǎn)生以下幾類報警。

工藝過程報警：包括絕對值報警、偏差報警、變化速度報警等。

故障報警：包括診斷報警和后備硬件故障報警等。

連鎖動作報警、緊急停車報警：當發(fā)生緊急情況按緊急停車按鈕時報警。其它自定義的報警如下。

報警可以根據(jù)嚴重性和輕重緩急劃分不同的報警級別，不同級別的報警具有不同的表現(xiàn)形式。報警在監(jiān)控系統(tǒng)上可有以下幾種表現(xiàn)方式。

文字提示：在發(fā)生報警的位置和報警畫面上均以文字顯示相應報警信息。

顏色變化：在發(fā)生報警的位置和報警畫面上以不同顏色標識不同的報警。

聲音報警：發(fā)生報警時，系統(tǒng)將以音響形式反映報警。

閃爍：在發(fā)生報警的位置，相應的測點對象閃爍，提示操作人員此處發(fā)生報警。

3.3 數(shù)據(jù)存儲和處理功能

對于實時測點數(shù)據(jù)、操作記錄、報警記錄等，監(jiān)控系統(tǒng)均可自動登錄到數(shù)據(jù)庫中。在數(shù)據(jù)庫中這些數(shù)據(jù)還可分類存儲在不同的表格中，按不同的要求排序等。

3.4 連鎖及生產(chǎn)過程操作控制功能

在操作站能對現(xiàn)場被控設備如閥門等進行控制，實現(xiàn)罐區(qū)自動化管理。具有良好的人機界面，所有控制命令均有信息提示。當某些參數(shù)報警并處于緊急情況時，系統(tǒng)可產(chǎn)生連鎖，自動切斷相關設備。

3.5 報表生成及打印功能

操作站上位機軟件提供報表編輯工具，可根據(jù)用戶需要定制生成各類報表并可打印輸出。系統(tǒng)可生成以下幾類報表。

①即時報表；②定期報表；③報警匯總報表；④操作記錄報表；⑤系統(tǒng)維護報表。

3.6 操作安全

操作站設計3級以上操作口令，不同的操作員具有不同的操作員代碼和口令，口令和操作代碼可修改。系統(tǒng)的一些重要的相關操作均要驗證操作員代碼和口令，這些操作發(fā)生時系統(tǒng)將自動記錄操作員代碼、操作開始時間和結束時間以及操作內容。對于一些日常操作，系統(tǒng)也會給出相應提示。

3.7 趨勢數(shù)據(jù)輸出功能

操作站的實時數(shù)據(jù)可歷史趨勢數(shù)據(jù)可轉換為標準的PC格式（如＊.TXT、＊.DOC及＊.DBF）等數(shù)據(jù)文件格式輸出。

3.8 通訊

如果安裝相應的軟件組件Webview Server，其它系統(tǒng)可通過IE等瀏覽器瀏覽監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)。

典型裝車操作流程如圖3。

4 裝車系統(tǒng)部件選型及特點

定量裝車控制儀主要選型有基于PLC結構的裝車控制儀和基于單片結構機的裝車控制儀，一般優(yōu)先選用基于PLC機構的定量裝車控制儀，其中基于PLC機構的裝車控制儀特點如下。

（1）高可靠性 采用技術成熟、性能可靠的工業(yè)級產(chǎn)品，其核心控制器采用工業(yè)上常用的可編程控制器，液晶顯示和鍵盤輸入部分采用進口一體化液晶操作終端，上位機監(jiān)控軟件采用成熟的工控組態(tài)軟件，使得該產(chǎn)品能夠更高的先進性和可靠性。

（2）多重安全設計 達到EXD（ia）iiBT6級防爆標準；裝車前和裝車過程中自動檢測接地信號，沒有安全接地時會禁止裝車操作；設置多級操作權限，滿足操作權限方可進行參數(shù)設定或操作；具有設備自診斷和報警功能。

（3）靈活的聯(lián)網(wǎng)功能 提供以太網(wǎng)和RS485網(wǎng)兩種通訊選擇。

圖3 典型裝車流程圖

采用以太網(wǎng)時，通訊協(xié)議為過程控制中常用的開放的Modbus TCP／IP協(xié)議，網(wǎng)絡通訊速率高達10Mbps，遠高于普通RS485網(wǎng)絡（600～115200 bps）。根據(jù)需要，也可以選用RS485網(wǎng)絡，RS485網(wǎng)具有很強的抗干擾能力，通訊距離最遠可達1200米。

（4）易于維護和使用 系統(tǒng)硬件采用模塊化設計，各模塊安裝簡便，易于維護；軟件采用圖形化中文界面，易于操作。

（5）遠程和就地兩種操作方式 提供遠程操作和就地操作兩種操作方式。當操作方式設定為遠程時，只允許在遠程管理計算機上修改工作參數(shù)，進行裝車作業(yè)；當操作方式設定為就地時，只允許在就地裝車儀上修改工作參數(shù)，進行裝車作業(yè)，同時在遠程管理計算機上同步顯示所有工作參數(shù)和設備狀態(tài)。

4.1 流量計選型及特點

定量裝車控制系統(tǒng)可選用高精度質量流量計或容積流量計、速度式流量計等，常用為質量流量計和容積式流量計。

（1）質量流量計 可直接測質量，還可同時測量密度、溫度、體積；測量精度高，最高可達0.1%，維護量小，其缺點是價格高，可選品牌有艾默生、E＋H、ABB以及太航、大陸利達等品牌。

（2）容積式流量計 優(yōu)點是精度高，可達0.2%，重復性好，缺點是測量高黏度介質容易磨損，維護量大，只能測量體積強腐蝕性介質價格高，制造難度大，可選品牌有：布魯克斯、布魯?shù)?、重慶耐德、上自儀等。

（3）閥門的選型及特點 裝車控制的兩段或者多段閥通常選用氣動兩段閥或者多段電液閥。

（4）氣動兩段切斷球閥 組成：三位式氣動執(zhí)行器＋閥體＋ASCO電磁閥＋回訊器＋過濾減壓閥。優(yōu)點：關、斷速度快，維護量小。適用各種介質：黏稠和腐蝕性強均可，其控制效果好，但是必須要有氣源。

4.2 其它輔助部件選型及特點

（1）靜電、溢油保護器 JY型溢油靜電保護器用靜電接地夾檢測靜電接地連接狀況，靜電接地良不能裝車；用探頭監(jiān)測液位安全高度，液位到達預定安全高度提供聲光報警，同時輸出相應信號給裝車系統(tǒng)；裝車現(xiàn)場直接從裝車儀取24VDC電源，適用于應用集散式裝車系統(tǒng)。防爆等級為Exd（ia）IIBT4，可在防爆區(qū)域使用。

（2）可燃氣體探測器 采用列智能傳感器，內置微處理器，即插即用，智能傳感器采用標準化接口，可實現(xiàn)現(xiàn)場帶電熱插拔及異地標定檢測，內置自動校驗歸零及自動補償程序，具有精度高，線性好等特點，設有液晶顯示屏，顯示%LEL測量值，內置簡單的標定、自動校驗歸零及自動補償程序，配有紅外遙控器，在現(xiàn)場不用開蓋即可設定及編程，內置16位微處理器，獨有的aegis軟件技術，標配三線、二線4～20mA接口，可選配四總線接口或3個報警繼電器輸出，低能耗、極少的維護要求，防爆設計，防腐蝕外殼，可用于工廠條件的1區(qū)、2區(qū)危險場所，全面的探測器故障自診斷功能，質譜儀標定，可檢測大部分有毒有害氣體，受溫度、風、粉塵及潮濕影響最小。

（3）裝車鶴管 （陸用輸油臂） 鶴管是由轉動靈活、密封性好的旋轉接頭與管道串聯(lián)起來，用于槽車與棧橋儲運管線之間，進行液體介質傳輸作業(yè)的設備。關鍵部件旋轉接頭，采用精密數(shù)控機床加工，內藏雙滾道支承結構，轉動靈活，輕便可靠。外圈選用合金鋼、內圈選用不銹鋼或襯聚四氟乙烯，保證其能夠安全、可靠的用于高溫、低溫、強腐蝕性的介質。密封圈采用增強聚四氟乙烯材料，內襯不銹鋼彈性支承環(huán)、密封經(jīng)拋光處理，具有優(yōu)越的自潤滑性及超強的耐腐蝕性。

工作流程：槽車到位、進入鶴管的水平對位范圍以內，隨后進行鶴管精確對位，當垂管進入最低位置時，密封蓋已壓緊槽車口，此時可以啟動定量裝車控制儀，開泵、開閥，開始進行物料的定量裝車。

用途：適用于原油、渣油、瀝青、粗粉、重油、焦油等流動性較差的介質的汽、火車頂部裝卸，導熱介質可用蒸汽或導熱油，也可采用電伴熱。也可以適用于汽油、柴油、笨等各類不用伴熱的介質。

性能特點：可選用液壓驅動系統(tǒng)、手動驅動系統(tǒng)，動作平穩(wěn)，運動速度可調，密封性好，無泄漏，安全可靠，操作方便；與槽車對接選用汽缸壓緊，密封帽與灌口始終處于最佳密封狀態(tài)，無氣體泄漏，不污染空氣；垂管上下作用力小，無負載；雙滾道的旋轉接頭及帶彈性卡的密封圈保證裝卸介質不泄漏；隨遇平衡的彈簧缸平衡器使裝卸臂操作輕便、省力；裝卸過程中，在槽車正常移動范圍內與槽車隨動；裝卸臂收容狀態(tài)時，鎖定與槽車行進方向平行，占用空間小。

部件組成介紹：①立柱。為使管道受力合理化，用于支承裝車臂的重量，分散旋轉接頭載荷，安裝穩(wěn)固。立柱與棧橋裝配時可以采用螺栓連接或焊接。②內臂鎖緊。用于內臂在收容位置時，將臂鎖緊在該位置，這樣可以防止因為大風環(huán)境或因非操作人員操作而使臂或周圍建筑受損。③接口。是裝車臂與管線的連接部分，一般接口與管線之間采用法蘭連接。④旋轉接頭。用于裝車臂的旋轉運動，滿足正常使用范圍 （包絡范圍），常規(guī)鶴管采用4只或5只旋轉接頭，以實現(xiàn)三維運動及法蘭接口的對接。⑤內臂。連接接口與外臂之間的部分，可在水平面上回轉。⑥外臂。為鶴管的主體部分，可以實現(xiàn)水平方向360°，垂直方向75°范圍的回轉。⑦氣相管 （AL1412型）。采用與鶴管的相同的結構形式或軟管形式，導出揮發(fā)的氣體介質。⑧垂管。實現(xiàn)裝卸臂伸入槽車內，鋁合金垂管克服了鋼質材料與罐車碰撞可能產(chǎn)生的危害。采用自動伸縮套管，用于液下裝車，減少產(chǎn)生氣體的揮發(fā)，減少產(chǎn)生靜電的危害。⑨密封帽。采用耐油橡膠制作的氣囊式密封冒，裝于垂管上端，阻止油氣從槽車口溢出。隨著灌內氣體壓力增大，密封冒與槽車密封面的密封效果更好。 （槽車在裝車的過程中，隨著液體重量的增大，槽車也會下降，密封冒隨著槽車的灌口下降而自動延伸。）⑩平衡系統(tǒng)。用以平衡外臂及垂管的重量 （臂內無介質平衡），這樣使得臂操作靈活、輕巧。平衡系統(tǒng)為彈簧缸，缸內彈簧為壓縮彈簧。（11）短路閥。真空短路閥確保殘余介質從鶴管中排空。

5 結 語

通過自動定量裝車控制系統(tǒng)在石油化工液態(tài)產(chǎn)品裝卸過程的應用，可以提高裝車精度和加快裝車速度，避免反復多次裝車；減少人工工作強度和操作人員數(shù)量；實現(xiàn)自動關閥、停泵，實現(xiàn)自動化裝車生產(chǎn)。同時提高企業(yè)管理水平，規(guī)范裝車控制流程，實現(xiàn)裝車過程的監(jiān)控 （遠程、就地、網(wǎng)絡）；實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時存儲；實現(xiàn)個各類生產(chǎn)報表的實時和定時生成；實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡共享和與ERP現(xiàn)代管理軟件接口。還增強了生產(chǎn)與物資的安全性，實現(xiàn)靜電連鎖，防止火災及爆炸等事故的發(fā)生；實現(xiàn)防溢流連鎖，防止冒罐帶來的物料損失和人身傷害；防止 “水擊”等類似事故；也可避免用傳統(tǒng)地磅計量帶來的物料偷盜及管理問題；采用多級管理，防止錯裝。

總之，通過自動化定量裝車系統(tǒng)的應用不但取得了良好的經(jīng)濟效益和管理效果，同時也響應了國務院安全生產(chǎn)監(jiān)督管理委員會辦公室安委辦〔2008〕26號文 《進一步加強危險化學品安全生產(chǎn)工作的指導意見 》要求通過裝備集散控制和緊急停車系統(tǒng)，提高生產(chǎn)裝置自動化控制水平的要求，使企業(yè)的安全生產(chǎn)得到更好的保障。

［1］ 馬丁.西門子PLC常用模塊與工業(yè)系統(tǒng)設計實例精講［M］.北京：電子出版社，2009.

［2］ 李耀東 .汽車裝車系統(tǒng)的自控設計 ［J］.石油化工自動化，2007（1）：21.

［3］ 鄧洪龍.自動裝車系統(tǒng)的設計與應用 ［J］.氯堿工業(yè)，2010（4）：42－43.

Quantitative tanker－filling control system applied in petrochemical liquid products in the process of loading and unloading

SHI Yingchun1，2，3，ZHANG Weining1，3，4，BI Hongwei1，2，3
（1Liaoning Datang International Fuxin Coal－to－SNG Co.，Ltd，F(xiàn)uxin 123000，Liaoning，China；2Liaoning Engineering Technology Research Center of Coal－to－SNG，F(xiàn)uxin 123000，Liaoning，China；3Liaoning Engineering Research Center of Coal－to－SNG，F(xiàn)uxin 123000，Liaoning，China；4Liaoning Datang International Fuxin Coal－to－SNG Co.，Ltd，Postdoctoral Programme，F(xiàn)uxin 123000，Liaoning，China）

及聯(lián)系人：石英春（1972—），男，工程師。E－mail dqsyc＠163.com。