轻油定量装车系统的应用

专家:袁汉福 领域:嵌入式系统 行业:石油天然气 日期:11-05-18 16:30 点击数:767

 

    袁汉福(1953-)
浙江宁波人,现任蓝星石化有限公司天津石油化工厂副总工程师,从事炼油自动化的设计、施工等工作。

摘要:主要介绍了轻油装车系统的组成、控制方案及算法,故障诊断。

关键词:通讯接口;质量流量计;定量装车仪;电液阀

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年蓝星石化公司天津石油化工厂对原有加油站进行技术改造,将原用高位罐自流装车方式改造为通过管道直接封闭方式装车。共计有7个鹤位,90#轻油一台机泵控制三个鹤位,4#轻油一台机泵控制三个鹤位,93#轻油一台机泵控制一个鹤位,流量仪表采用E+H公司的高精度的质量流量计,定量装车仪采用合肥蓝景电子有限公司DH6409VE产品,控制阀采用电液阀,改造后避免高位罐的油气挥发,每年节省100余万元,有很可观的经济效益。

    定量装车系统要求检测、控制精度高,系统采用质量流量计直接与定量装车仪进行数字通讯,并同时采集质量流量计的脉冲信号,上位机只是参与管理,而不参与控制。

2 系统组成

    下面以90#轻油装车系统为例,工艺控制流程图如图1所示。
    90#轻油配备三个鹤位,三个鹤位存在同时进行装车和不同时装车情况,为保证工艺管道的压力稳定,在泵出口安装压力调节仪表,用来控制机泵的变频,实现调节机泵的转速,从而实现调节稳定工艺管道压力的目的。



图1 工艺控制流程图

 

    由于工艺没有回流线,而且机泵调节在储运分厂的主控室,而加油站在工厂外面两地相距600米,两地操作不方便,在加油的间隙里,或在没有加油的情况下,而且机泵依旧在继续运行,产生憋泵的现象,威胁安全生产。定量装车仪与变频进行连锁,三台定量装车仪的常闭接点进行串联,当三个鹤位全部没有装车时,定量装车仪输出给变频一个常闭接点信号,强制变频将转速快速调整到5Hz/ s状态下的低转速运行。一旦有某个鹤位开始进行装车,定量装车仪的常闭接点打开,变为常开,变频自动转换到定值调节,使工况压力自动调整到设定值。

    定量装车仪内部核心部件为ATMEL的ATmega128高级单片机,核心部件为 高性能、低功耗的 AVR? 8 位微处理器,主频为16MHz,AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10 倍的数据吞吐率。128K 字节的系统内可编程Flash,寿命: 10,000 次写/ 擦除周期, 具有独立锁定位、可选择的启动代码区,通过片内的启动程序实现系统内编程,真正的读- 修改- 写操作。它可以提供2个外部通讯接口,可以同时实现与流量仪表和上位机的通讯,与变频连锁的开关量实现接点与主板光电隔离,保证系统的安全。定量装车仪与质量流量计的信号连接,一路接入脉冲信号,另一路接入RS-485信号。定量装车仪与上位机连接采用另一路RS-485。定量装车仪、质量流量计、电液阀组成检测控制系统,避免上位机二次计算和通讯滞后产生的误差。

3 控制曲线(如图2所示)
    对执行机构电液阀的控制,一般有多极或两级控制2种控制方案,结合我们的实际工况,采用多极和两级控制方案相结合的控制方案。



图2  控制曲线

 

    Q1 区为启动缓冲区,因为有变频控制,压力可以逐步提高,所以采用两级控制,Q1区流速缓慢增加,直接控制阀门开度进入Q2区。在质量流量计中设置参数为:脉冲当量为0.1L,脉冲高电平宽度为1ms,Q1区的流速设置为:5~8L/s,(根据实际情况,控制仪可设置)

    Q2 区为大流量恒流区,依据工艺要求确定具体数值,但要注意两个方面,一方面流速应当在规范允许的范围内,防止静电问题带来的危险。另一方面是流速过快对汽油介质来说容易产生气化现象,对计量产生误差。

    Q3 区为大恒流转换为小恒流的转换区,突然转换容易产生“水击”现象,所以采用多极控制方案,逐步降低电液阀的开度,使其缓慢的降低流速,进入到Q4区,Q3区的累计流量约为50Kg。

    Q4 区为小流量恒流区,为关断电液阀准备,不同厂家的电液阀的关断特性有所不同,依据电液阀厂家给出的关断特性,小流量尽量选择低,降低切断压差,便于快速切断电液阀。为了保证电液阀在小流量能稳住,我们将小流量恒流流速范围设定为5~8L/s,Q4区累计流量值约为150Kg。

    Q4区的流量值,随着使用时间的增加,电液阀内部元件的弹性减弱,不能保持线性,需要适当调整。

    Q5 区为电液阀关断区,即关断提前量,提前量的量值大小应当尽量符合电液阀的关断时间要求,随使用时间的延长,关断次数的增加,其关断特性有变化,大部分会逐渐延长关断时间,同时带来控制误差变大,所以提前量的大小决定控制误差的大小,装车提前量设置为:3~5L,即可保证精度。

    上述各区的参数调整,应当根据现场情况和电液阀的特性进行,不同的厂家产品、不同的口径、不同的管径、不同的压力、不同鹤管数量、不同的操作方式等都会有不同的具体要求,应当视具体情况分别对待。

4 主控制方案(如图3所示)
    控制仪在运行后首先和流量计进行通讯握手,如控制仪呼叫流量计5次无应答,系统报无应答错,在运行过程中进行CRC效验, 5次校验错,系统报CRC错,同时控制仪不断读取流量计“OK”码,以此判断流量计工作是否正常,一但发现“OK”码错误,系统立刻报OK码错,停止运行。



图3  主控功能模块

 

    主要算法为:使用质量流量计的累计量进行数值计算,使用脉冲量作为控制参数进行控制。在Q1和Q2区不断使用累积量与给定值(本次装车的数量)进行比对,判断是否到达Q3的临界值,到达后逐步调校阀的开度,使其平稳过渡到小恒流区Q4区,然后判断小流量恒流区Q4是否完成,完成后,进入Q5区,关断电液阀。

    在质量流量计中累计量单位设置为Kg ,脉冲当量为0.1L,在Q3、Q4、Q5区的量值计算中,需要进行质量和体积单位的换算,为保证计算精度,取用通讯采集的实时密度值参与运算,将各区的设定量之值转换为需要的具体脉冲数去进行控制。

5 控制精度(如图4所示)



图4  电液阀提前量修正模块
    Q5区量值即电液阀的关断控制提前量的大小,是否能够与电液阀的关断时间相吻合,是保证控制精度的关键。提前量偏大造成多付油,提前量偏小造成少付油,影响因素有如下几个方面:

 

    (1) 随开关次数的增加,关断时间会产生变化。

    (2) Q4区的流量在理论上是越小越好, 不同数量鹤管装车的流速不同,压力有所变化,造成阀的切断压差有差别。

    为此设置有2种解决办法即手动在控制面板上调整和自动修正。如果当前阶段阀的控制精度在设计要求范围内,可以在面板上选择不进行修正。

    自动修正首先计算本次装车给定值和流量计上的累积值之间的差值E,然后依据Q2区的瞬时流量值判断同时进行装车的鹤管数量,依据不同鹤管数量,调用相应的提前量数值,然后依据偏差E的属性进行不同计算和修正。E为负值则表明Q5区数值偏小,反之偏大,进行相应的加减运算,在运算中偏差E值取50%,目的是在一些不定因素的影响下,防止修正偏差E后产生正负之间跳变,使其逐步进入误差允许范围内。

6 系统的自诊断功能(如图5所示)
    在每个扫描周期中均要调用自诊断功能模块,对系统进行自诊断,其中每项功能发生问题均停止装车并报警。



图5  自诊断功能模块

 

    自诊断功能中包括常规的静电保护和防溢出保护功能。

    对质量流量计设置诊断功能,通过诊断通讯中校验码的正确与否,判断通讯是否正常。E+H公司的质量流量计内部具有100多项报警信息,包括过程和系统两类报警信息,同时在质量流量计中提供综合信息提示,运行正常时提供“1”信息,如果某项内容产生报警信息,该项内容为“-1或其他代码”信息,直接读取“1”信息作为综合报警判断信息,如果产生错误,停止装车,具体原因可以在流量计本身的显示信息上查明。

    对定量装车仪也设置了故障报警自诊断功能,有看门狗定时器,便于程序抗干扰,程序飞走进入死循环后,能自动复位重新启动。

    电液阀的开关状态及泄露情况的程序实现如图6所示。
    在一个装车过程结束后,定量控制仪的运行继续进行,溢出累计量清零,在延时3秒内,继续读取累积值G“,后判断G“值是否大于1Kg,如果是,则报错并显示溢出累计量。上述方法同时也可以诊断阀的关断情况。



图6  电液阀泄露诊断功能模块

 

    除此之外,每台定量装车仪安装有浪涌保护器,因为加油站地理位置比较空旷,容易遭受雷击,安装有浪涌保护器保护可以保护其遭受感应雷等引起的损坏。

    整个系统有上述的保护,可以基本上保障其安全性和工作可靠性。

7 质量流量计调试

    为保证通讯数据的正确和系统的正常运行,必须对现场仪表进行调试,

    (1) 脉冲当量:0.1L/ms

    (2) 累计流量单位:Kg

    (3) 脉冲高电平宽度:1ms

    (4)  通讯协议:   MODBUS RTU RS485

    (5) 仪表位号:   TAG NAME:                90#-1  90#-2  90#-3

    (5) 通讯地址:   FIELDBUS ADDRESS:        1(90#-1),2(90#-2),3(90#-3)

    (6) 波特率:     BAUDRATE:               9600

    (6) 通讯格式:   TRANSMISSION:           RTU

    (7) 数据格式:   BYTE ORDER:              3-2-1-0

    (8) 扫描时间:   DELAY TELEGRAM REPLY: 10ms

    (9) 写保护:     WRITE PROTECTION:       OFF

    (10) 寄存器 1     SCAN LIST REGISTER1:     2007(瞬时流量)

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

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

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

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

    (14)定量控制仪寻址地址

    《1》数据缓冲区:瞬时流量       5050----2007

    《2》数据缓冲区:累积值        5052----2610

    《3》数据缓冲区:温度           5054----2017 

    《4》数据缓冲区:密度           5056----2013

    《5》数据缓冲区:综合信息提示   5068----6859

    《6》小信号切除               0.2Kg/s

    质量流量计调试应注意以下几个方面问题:

    (1) 数据缓冲区设置,在质量流量计中,设置数据缓冲区,为便于计算机寻址连续读取数据,简化程序,也可以直接从2007中读取数据,此项设置依据程序编制需要而定。所有数据参数设置中,数据缓冲区地址或寄存器地址,数据格式是最重要的参数,必须参照说明书调试准确,否则不能通讯或数据错误。

    (2) 由于脉冲当量单位设置的很小,在不装油的工况下,在工艺管道的震动干扰下,产生累计量,为避免上述情况产生,应当把质量流量计的小信号切除打开,并根据现场情况调整好参数,但是在工况压力不稳定的情况下,应当慎重使用该项功能。

8 结论

    轻油定量装车系统尤其是使用在贸易交接方面,技术要求很高,其误差必须满足相关规范的要求,数字通讯技术在定量装车系统中的应用,提高了系统的检测和控制精度,提高了系统的先进性和自动化、智能化水平,自诊断技术的应用,保证系统的安全、可靠。本文主要从控制算法、现场安装、调试角度根据现场使用的实际情况进行总结,供大家参考和借鉴。

其它作者:

    主艳红(1973-),河北衡水人, 工程师,现就职于蓝星石化有限公司天津石油化工厂,从事炼油自动化的设计、施工等工作。

参考文献

    [1] E+H公司.科氏力质量流量测量系统使用手册.         

    [2]陈冬云,杜敬仓,任柯燕.ATmega128单片机原理与开发指导/单片机与嵌入式系统应用丛书[M].北京:机械工业出版社.

 



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