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    袁漢福(1953－)
浙江寧波人，現(xiàn)任藍星石化有限公司天津石油化工廠副總工程師，從事煉油自動化的設計、施工等工作。

摘要：主要介紹了輕油裝車系統(tǒng)的組成、控制方案及算法，故障診斷。

關(guān)鍵詞：通訊接口；質(zhì)量流量計；定量裝車儀；電液閥

Abstracts: This paper introduces the structure, control arithmetic，control project and fault diagnostics of the light oil ration loading system。

Key words: Communication Interface; Mass Flow Meters;Ration Loading Device; Electro-hydraulic valve

1　引言

    2007年藍星石化公司天津石油化工廠對原有加油站進行技術(shù)改造，將原用高位罐自流裝車方式改造為通過管道直接封閉方式裝車。共計有7個鶴位，90#輕油一臺機泵控制三個鶴位，4#輕油一臺機泵控制三個鶴位，93#輕油一臺機泵控制一個鶴位，流量儀表采用E+H公司的高精度的質(zhì)量流量計，定量裝車儀采用合肥藍景電子有限公司DH6409VE產(chǎn)品，控制閥采用電液閥，改造后避免高位罐的油氣揮發(fā)，每年節(jié)省100余萬元，有很可觀的經(jīng)濟效益。

    定量裝車系統(tǒng)要求檢測、控制精度高，系統(tǒng)采用質(zhì)量流量計直接與定量裝車儀進行數(shù)字通訊，并同時采集質(zhì)量流量計的脈沖信號，上位機只是參與管理，而不參與控制。

2　系統(tǒng)組成

    下面以90#輕油裝車系統(tǒng)為例，工藝控制流程圖如圖1所示。

    90#輕油配備三個鶴位，三個鶴位存在同時進行裝車和不同時裝車情況，為保證工藝管道的壓力穩(wěn)定，在泵出口安裝壓力調(diào)節(jié)儀表，用來控制機泵的變頻，實現(xiàn)調(diào)節(jié)機泵的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)穩(wěn)定工藝管道壓力的目的。

    由于工藝沒有回流線，而且機泵調(diào)節(jié)在儲運分廠的主控室，而加油站在工廠外面兩地相距600米，兩地操作不方便，在加油的間隙里，或在沒有加油的情況下，而且機泵依舊在繼續(xù)運行，產(chǎn)生憋泵的現(xiàn)象，威脅安全生產(chǎn)。定量裝車儀與變頻進行連鎖，三臺定量裝車儀的常閉接點進行串聯(lián)，當三個鶴位全部沒有裝車時，定量裝車儀輸出給變頻一個常閉接點信號，強制變頻將轉(zhuǎn)速快速調(diào)整到5Hz/ s狀態(tài)下的低轉(zhuǎn)速運行。一旦有某個鶴位開始進行裝車，定量裝車儀的常閉接點打開，變?yōu)槌ｉ_，變頻自動轉(zhuǎn)換到定值調(diào)節(jié)，使工況壓力自動調(diào)整到設定值。

    定量裝車儀內(nèi)部核心部件為ATMEL的ATmega128高級單片機，核心部件為 高性能、低功耗的 AVR? 8 位微處理器,主頻為16MHz,AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的復雜指令集微處理器高10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash,壽命: 10,000 次寫/ 擦除周期, 具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區(qū),通過片內(nèi)的啟動程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程,真正的讀- 修改- 寫操作。它可以提供2個外部通訊接口，可以同時實現(xiàn)與流量儀表和上位機的通訊,與變頻連鎖的開關(guān)量實現(xiàn)接點與主板光電隔離，保證系統(tǒng)的安全。定量裝車儀與質(zhì)量流量計的信號連接，一路接入脈沖信號，另一路接入RS-485信號。定量裝車儀與上位機連接采用另一路RS-485。定量裝車儀、質(zhì)量流量計、電液閥組成檢測控制系統(tǒng)，避免上位機二次計算和通訊滯后產(chǎn)生的誤差。

3　控制曲線（如圖2所示）

    對執(zhí)行機構(gòu)電液閥的控制，一般有多極或兩級控制2種控制方案，結(jié)合我們的實際工況，采用多極和兩級控制方案相結(jié)合的控制方案。

    Q1 區(qū)為啟動緩沖區(qū)，因為有變頻控制，壓力可以逐步提高，所以采用兩級控制，Q1區(qū)流速緩慢增加，直接控制閥門開度進入Q2區(qū)。在質(zhì)量流量計中設置參數(shù)為：脈沖當量為0.1L，脈沖高電平寬度為1ms，Q1區(qū)的流速設置為：5~8L/s，（根據(jù)實際情況，控制儀可設置）

    Q2 區(qū)為大流量恒流區(qū),依據(jù)工藝要求確定具體數(shù)值，但要注意兩個方面，一方面流速應當在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，防止靜電問題帶來的危險。另一方面是流速過快對汽油介質(zhì)來說容易產(chǎn)生氣化現(xiàn)象，對計量產(chǎn)生誤差。

    Q3 區(qū)為大恒流轉(zhuǎn)換為小恒流的轉(zhuǎn)換區(qū)，突然轉(zhuǎn)換容易產(chǎn)生“水擊”現(xiàn)象，所以采用多極控制方案，逐步降低電液閥的開度，使其緩慢的降低流速，進入到Q4區(qū)，Q3區(qū)的累計流量約為50Kg。

    Q4 區(qū)為小流量恒流區(qū)，為關(guān)斷電液閥準備，不同廠家的電液閥的關(guān)斷特性有所不同，依據(jù)電液閥廠家給出的關(guān)斷特性，小流量盡量選擇低，降低切斷壓差，便于快速切斷電液閥。為了保證電液閥在小流量能穩(wěn)住，我們將小流量恒流流速范圍設定為5~8L/s,Q4區(qū)累計流量值約為150Kg。

    Q4區(qū)的流量值，隨著使用時間的增加，電液閥內(nèi)部元件的彈性減弱，不能保持線性，需要適當調(diào)整。

    Q5 區(qū)為電液閥關(guān)斷區(qū)，即關(guān)斷提前量，提前量的量值大小應當盡量符合電液閥的關(guān)斷時間要求，隨使用時間的延長，關(guān)斷次數(shù)的增加，其關(guān)斷特性有變化，大部分會逐漸延長關(guān)斷時間，同時帶來控制誤差變大，所以提前量的大小決定控制誤差的大小，裝車提前量設置為：3~5L，即可保證精度。

    上述各區(qū)的參數(shù)調(diào)整，應當根據(jù)現(xiàn)場情況和電液閥的特性進行，不同的廠家產(chǎn)品、不同的口徑、不同的管徑、不同的壓力、不同鶴管數(shù)量、不同的操作方式等都會有不同的具體要求，應當視具體情況分別對待。

4　主控制方案（如圖3所示）

    控制儀在運行后首先和流量計進行通訊握手，如控制儀呼叫流量計5次無應答，系統(tǒng)報無應答錯，在運行過程中進行CRC效驗， 5次校驗錯，系統(tǒng)報CRC錯，同時控制儀不斷讀取流量計“OK”碼，以此判斷流量計工作是否正常，一但發(fā)現(xiàn)“OK”碼錯誤，系統(tǒng)立刻報OK碼錯，停止運行。

    主要算法為：使用質(zhì)量流量計的累計量進行數(shù)值計算，使用脈沖量作為控制參數(shù)進行控制。在Q1和Q2區(qū)不斷使用累積量與給定值（本次裝車的數(shù)量）進行比對，判斷是否到達Q3的臨界值，到達后逐步調(diào)校閥的開度，使其平穩(wěn)過渡到小恒流區(qū)Q4區(qū)，然后判斷小流量恒流區(qū)Q4是否完成，完成后，進入Q5區(qū)，關(guān)斷電液閥。

    在質(zhì)量流量計中累計量單位設置為Kg ，脈沖當量為0.1L，在Q3、Q4、Q5區(qū)的量值計算中，需要進行質(zhì)量和體積單位的換算，為保證計算精度，取用通訊采集的實時密度值參與運算，將各區(qū)的設定量之值轉(zhuǎn)換為需要的具體脈沖數(shù)去進行控制。

5　控制精度（如圖4所示）

圖4  電液閥提前量修正模塊

    Q5區(qū)量值即電液閥的關(guān)斷控制提前量的大小，是否能夠與電液閥的關(guān)斷時間相吻合，是保證控制精度的關(guān)鍵。提前量偏大造成多付油，提前量偏小造成少付油，影響因素有如下幾個方面：

    （1） 隨開關(guān)次數(shù)的增加，關(guān)斷時間會產(chǎn)生變化。

    （2） Q4區(qū)的流量在理論上是越小越好， 不同數(shù)量鶴管裝車的流速不同，壓力有所變化，造成閥的切斷壓差有差別。

    為此設置有2種解決辦法即手動在控制面板上調(diào)整和自動修正。如果當前階段閥的控制精度在設計要求范圍內(nèi)，可以在面板上選擇不進行修正。

    自動修正首先計算本次裝車給定值和流量計上的累積值之間的差值E，然后依據(jù)Q2區(qū)的瞬時流量值判斷同時進行裝車的鶴管數(shù)量，依據(jù)不同鶴管數(shù)量，調(diào)用相應的提前量數(shù)值，然后依據(jù)偏差E的屬性進行不同計算和修正。E為負值則表明Q5區(qū)數(shù)值偏小，反之偏大，進行相應的加減運算，在運算中偏差E值取50%，目的是在一些不定因素的影響下，防止修正偏差E后產(chǎn)生正負之間跳變，使其逐步進入誤差允許范圍內(nèi)。

6　系統(tǒng)的自診斷功能（如圖5所示）

    在每個掃描周期中均要調(diào)用自診斷功能模塊，對系統(tǒng)進行自診斷，其中每項功能發(fā)生問題均停止裝車并報警。

    自診斷功能中包括常規(guī)的靜電保護和防溢出保護功能。

    對質(zhì)量流量計設置診斷功能，通過診斷通訊中校驗碼的正確與否，判斷通訊是否正常。E+H公司的質(zhì)量流量計內(nèi)部具有100多項報警信息，包括過程和系統(tǒng)兩類報警信息，同時在質(zhì)量流量計中提供綜合信息提示，運行正常時提供“1”信息，如果某項內(nèi)容產(chǎn)生報警信息，該項內(nèi)容為“-1或其他代碼”信息，直接讀取“1”信息作為綜合報警判斷信息，如果產(chǎn)生錯誤，停止裝車，具體原因可以在流量計本身的顯示信息上查明。

    對定量裝車儀也設置了故障報警自診斷功能，有看門狗定時器，便于程序抗干擾，程序飛走進入死循環(huán)后，能自動復位重新啟動。

    電液閥的開關(guān)狀態(tài)及泄露情況的程序?qū)崿F(xiàn)如圖6所示。

    在一個裝車過程結(jié)束后，定量控制儀的運行繼續(xù)進行，溢出累計量清零，在延時3秒內(nèi)，繼續(xù)讀取累積值G“，后判斷G“值是否大于1Kg，如果是，則報錯并顯示溢出累計量。上述方法同時也可以診斷閥的關(guān)斷情況。

    除此之外，每臺定量裝車儀安裝有浪涌保護器，因為加油站地理位置比較空曠，容易遭受雷擊，安裝有浪涌保護器保護可以保護其遭受感應雷等引起的損壞。

    整個系統(tǒng)有上述的保護，可以基本上保障其安全性和工作可靠性。

7　質(zhì)量流量計調(diào)試

    為保證通訊數(shù)據(jù)的正確和系統(tǒng)的正常運行，必須對現(xiàn)場儀表進行調(diào)試，

    (1) 脈沖當量：0.1L/ms

    (2) 累計流量單位：Kg

    (3) 脈沖高電平寬度：1ms

    (4)  通訊協(xié)議：   MODBUS RTU RS485

    (5) 儀表位號：   TAG NAME：                90#-1  90#-2  90#-3

    (5) 通訊地址：   FIELDBUS ADDRESS：        1（90#-1），2（90#-2）,3(90#-3)

    (6) 波特率：     BAUDRATE：               9600

    (6) 通訊格式：   TRANSMISSION：           RTU

    (7) 數(shù)據(jù)格式：   BYTE ORDER：              3-2-1-0

    (8) 掃描時間：   DELAY TELEGRAM REPLY： 10ms

    (9) 寫保護：     WRITE PROTECTION：       OFF

    (10) 寄存器 1     SCAN LIST REGISTER1：     2007（瞬時流量）

    (11) 寄存器2     SCAN LIST REGISTER2：     2610（累積）

    (12) 寄存器3     SCAN LIST REGISTER3：     2017（溫度）

    (13) 寄存器4     SCAN LIST REGISTER4：     2013（密度）

    (14) 寄存器5     SCAN LIST REGISTER5：     6859（OK）

    (14)定量控制儀尋址地址

    《1》數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：瞬時流量       5050----2007

    《2》數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：累積值        5052----2610

    《3》數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：溫度           5054----2017 

    《4》數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：密度           5056----2013

    《5》數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：綜合信息提示   5068----6859

    《6》小信號切除               0.2Kg/s

    質(zhì)量流量計調(diào)試應注意以下幾個方面問題：

    (1) 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)設置,在質(zhì)量流量計中，設置數(shù)據(jù)緩沖區(qū),為便于計算機尋址連續(xù)讀取數(shù)據(jù)，簡化程序，也可以直接從2007中讀取數(shù)據(jù)，此項設置依據(jù)程序編制需要而定。所有數(shù)據(jù)參數(shù)設置中，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址或寄存器地址，數(shù)據(jù)格式是最重要的參數(shù)，必須參照說明書調(diào)試準確，否則不能通訊或數(shù)據(jù)錯誤。

    (2) 由于脈沖當量單位設置的很小，在不裝油的工況下，在工藝管道的震動干擾下，產(chǎn)生累計量，為避免上述情況產(chǎn)生，應當把質(zhì)量流量計的小信號切除打開,并根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整好參數(shù)，但是在工況壓力不穩(wěn)定的情況下，應當慎重使用該項功能。

8　結(jié)論

    輕油定量裝車系統(tǒng)尤其是使用在貿(mào)易交接方面，技術(shù)要求很高，其誤差必須滿足相關(guān)規(guī)范的要求，數(shù)字通訊技術(shù)在定量裝車系統(tǒng)中的應用，提高了系統(tǒng)的檢測和控制精度，提高了系統(tǒng)的先進性和自動化、智能化水平，自診斷技術(shù)的應用，保證系統(tǒng)的安全、可靠。本文主要從控制算法、現(xiàn)場安裝、調(diào)試角度根據(jù)現(xiàn)場使用的實際情況進行總結(jié)，供大家參考和借鑒。

其它作者：

    主艷紅（1973-），河北衡水人, 工程師,現(xiàn)就職于藍星石化有限公司天津石油化工廠,從事煉油自動化的設計、施工等工作。

參考文獻

    [1] E+H公司.科氏力質(zhì)量流量測量系統(tǒng)使用手冊.         

    [2]陳冬云,杜敬倉,任柯燕.ATmega128單片機原理與開發(fā)指導/單片機與嵌入式系統(tǒng)應用叢書[M].北京:機械工業(yè)出版社.