基于計算機網(wǎng)絡的化工流量在線系統(tǒng)

蘇 馳，吳麗娟，黃 剛

（中昊鴻鶴化工計控分公司，四川自貢 643000）

隨著化工生產(chǎn)規(guī)模的擴大，對天燃氣、蒸汽、水等原料的貿(mào)易結(jié)算和能源調(diào)度管理有了更高的要求。目前，廣泛采用節(jié)流元件與流量積算儀組成的流量計量系統(tǒng)，由于受其本身功能的制約，且計量點位置分散，數(shù)量較大，不可避免地會引入計量誤差，且無法滿足全面的數(shù)據(jù)管理、歷史數(shù)據(jù)的保存和報表輸出等要求。當供求雙方發(fā)生貿(mào)易糾紛時，也無法提供歷史工況和相應數(shù)據(jù)。

為了滿足生產(chǎn)調(diào)度及時性需要和能源管控及貿(mào)易結(jié)算要求，構(gòu)建了對關(guān)鍵過程的物料流量數(shù)據(jù)和與物料流量計量相關(guān)的工藝參數(shù)進行實時監(jiān)控并做必要數(shù)據(jù)處理的監(jiān)控系統(tǒng)，通常簡稱為流量監(jiān)測系統(tǒng)或在線監(jiān)測系統(tǒng)。

由于計算機在數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)報表等方面的強大優(yōu)勢，中昊鴻鶴化工計控分公司將主要工藝消耗指標及在線供給的內(nèi)外結(jié)算物資均納入了在線流量系統(tǒng)的管理。

1 在線流量系統(tǒng)的構(gòu)建與組成

1.1 在線流量系統(tǒng)的總體架構(gòu)

1.1.1 系統(tǒng)的組成

在線流量系統(tǒng)劃分為天然氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、工業(yè)氯氣在線系統(tǒng)和二氧化碳流量系統(tǒng)五大板塊，包含了流量在線監(jiān)測、上位機采集與數(shù)據(jù)傳輸及中心數(shù)據(jù)庫三大子系統(tǒng)。子系統(tǒng)及網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)見圖1。

1.1.2 流量系統(tǒng)的功能

該在線流量系統(tǒng)除實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的采集、演算、自動補償、自校正、自診斷外，還可按照上位機的控制程序，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的報警輸出、數(shù)據(jù)整理、歷史數(shù)據(jù)歸檔、趨勢圖生成，定時報表輸出等一系列的調(diào)度管理輔助功能。由于實時數(shù)據(jù)同步上傳到中央機房的數(shù)據(jù)庫，如有需要，只要在該公司生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)任意計算機上，安裝客戶端軟件，均能調(diào)閱實時及歷史數(shù)據(jù)及曲線查詢和打印報表。在很大程度上，提高了生產(chǎn)調(diào)度管理的及時性和準確性。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)見圖2。

1.2 流量子系統(tǒng)的構(gòu)建與組成

1.2.1 流量子系統(tǒng)的組成

該公司在用流量子系統(tǒng)包括現(xiàn)場一次檢測儀表、安全柵（配電器）、流量積算儀、通訊適配器、集線器等。其中，選用的一次儀表根據(jù)工況和工藝介質(zhì)的差異有所區(qū)別，流量檢測設備主要包括楔形流量計、標準孔板、均速管流量計、超聲波流量計等，輔助檢測設備包括用于溫壓補償?shù)膲毫ψ兯推骱蜏囟葯z測元件。

圖1 子系統(tǒng)及網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 流量子系統(tǒng)的構(gòu)建

流量子系統(tǒng)的構(gòu)建以智能流量積算儀為核心，按計量的物料類型分別內(nèi)建不同的補償模型。如天然氣計量按“YS/T6143-1996”規(guī)程要求建立了溫度壓力補償模型。其積算儀系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)累計及掉電累計數(shù)據(jù)保護功能，保證在上位機系統(tǒng)因故通訊中斷或流量子系統(tǒng)異常掉電時，保證流量仍可連續(xù)累計，原有累計數(shù)據(jù)不丟失。流量子系統(tǒng)硬件構(gòu)成見圖3。

1.3 上位機子系統(tǒng)

1.3.1 軟、硬件組成

現(xiàn)有采集終端（上位機）軟、硬件配置見表1。

表1 上位機軟、硬件配置

操作系統(tǒng)：WINDOWS xp；

應用軟件：成都電子研究所開發(fā)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

上位機子系統(tǒng)根據(jù)計量點相對集中的原則進行布置?？紤]到通訊適配器地址的限制，1臺上位機最大覆蓋30個計量點為宜。上位機主機通常安放在控制室以方便監(jiān)控，目前，設置上位機5臺，分別位于配氣站控制室、熱電調(diào)度室、冷凍控制室、合成新系統(tǒng)控制室和合成老系統(tǒng)控制室。

1.3.2 系統(tǒng)原理

每個流量點的壓力、差壓信號由變送器轉(zhuǎn)成4～20 mADC或1～5 VDC直流信號后，接入本系統(tǒng)輸入端子，屏蔽層可經(jīng)匯流排接地，熱電阻（三線制）則直接接入系統(tǒng)輸入端子，接入的信號經(jīng)壓力配電器，差壓配電器及溫度變送器隔離后，輸入SLQ-01智能流量儀，每個流量點對應1臺流量儀。流量儀則按照SY/T6143-1996行業(yè)標準，對天然氣流量進行計量，并用數(shù)碼管在面板上實時顯示累計流量、瞬時流量及壓力、差壓、溫度的測量值。各個流量點的流量儀都掛在系統(tǒng)的RS-485標準串行總線上，與上位工控機連接。同時，計量現(xiàn)場的各個數(shù)字智能流量儀也可以掛在RS-485總線上接入上位工控機，上位工控機對各流量的各種參數(shù)進行管理，以曲線、表格、流程圖等各種形式顯示所有流量點的各種參數(shù)，并自動生成各種報表。上位機還可以經(jīng)調(diào)制解調(diào)器接入企業(yè)局域網(wǎng)，實現(xiàn)生產(chǎn)的集中管理。

1.3.3 系統(tǒng)功能

（1）系統(tǒng)能以每秒200次的頻率對流量信號（壓力、差壓、溫度）進行采集，并對采集到的參數(shù)進行多種濾波處理后，供流量計算，本系統(tǒng)的采樣周期不受采樣點數(shù)量的影響。

系統(tǒng)流量計算為1 s，流量計算程序按照YS/T6143-1996《天然氣的標準孔板計量方法》標準編制并經(jīng)驗證。流量計算周期不受計量點數(shù)量的影響，實時性強。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出有數(shù)據(jù)列表、動態(tài)流程圖顯示、定時報表和歷史數(shù)據(jù)記錄等形式，且數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式對中心服務器進行傳送。

系統(tǒng)具有雙重密碼功能，黑匣子記錄功能，雙重備份功能。

1.4 中心服務器系統(tǒng)

中心服務器為DELL 4600，軟件版本為WINDOWS NT6。中心服務器提供按用戶要求格式、方法進行歸檔的數(shù)據(jù)保存功能，并具備對企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)網(wǎng)上的任一監(jiān)控主機以廣播方式進行數(shù)據(jù)發(fā)布功能，實現(xiàn)公司內(nèi)部主要資源指標數(shù)據(jù)共享。目前，該公司各生產(chǎn)單位及調(diào)度管理部門已安裝客戶端軟件四十余臺，極大地方便了公司內(nèi)部的生產(chǎn)調(diào)度管理和能源計量的需要。

2 流量系統(tǒng)主要問題的處理及設計方案

2.1 常見通訊故障的處理

2.1.1 流量系統(tǒng)客戶端故障

在計算機上觀察，某個或多個計量點數(shù)據(jù)有錯誤或不變，判斷對應的上位機出了故障（死機、網(wǎng)絡不通）。如計算機未死機，而且上位機所有計量點都正常，則可以判斷為該上位機網(wǎng)絡出現(xiàn)故障。點擊開始菜單-運行，輸入ping 192.16.1.2-t，觀察網(wǎng)絡是否正常。如果網(wǎng)絡不正常，聯(lián)系管理信息處檢查網(wǎng)絡故障。

2.1.2 流量系統(tǒng)上位機故障

如上位機某個點數(shù)據(jù)無顯示或不變，觀察該點對應的二次表的瞬時流量、壓力、溫度是否正常顯示。如果顯示正常，可以確定二次表的通訊模塊或通訊適配器上對應該點的通訊模塊有故障。處理辦法為，更換通二次表的通訊模塊或通訊適配器上的通訊模塊來恢復。

當上位機出現(xiàn)流量系統(tǒng)死機故障現(xiàn)象，無法鏈接數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)時，需重新建數(shù)據(jù)庫。點擊上位機數(shù)據(jù)庫注冊工具，打開userdefine.Mdb文件，重新鏈接相應的數(shù)據(jù)庫。重新鏈接完后，備份該文件，重新啟動計算機。

2.1.3 流量系統(tǒng)報表故障

子公司電腦上的客戶端無法生成報表時，檢查該公司電腦是否網(wǎng)絡暢通，點擊“開始菜單-運行”，輸入“ping 192.16.1.2-t”。如果網(wǎng)絡有問題，則無法生成報表；如果網(wǎng)絡沒問題，可能是服務器沒有把報表數(shù)據(jù)解包傳給每個子公司客戶端。

進入服務器，點擊“開始菜單-運行”，輸入“FTP://192.16.1.2”，觀察服務器內(nèi)是否堆積了很多無法解碼的數(shù)據(jù)包。如果有，把堆積的數(shù)據(jù)包刪除后，在上位機重新上傳數(shù)據(jù)包。如果上述處理后，服務器仍不能分解數(shù)據(jù)包，需聯(lián)系管理信息處重新啟動服務器。

2.2 輸差修正與補償

2.2.1 溫壓補償原理

從公式（1）和公式（2）中可以看出，在 ΔP或 If不變的情況下，流體的流量與流體的密度成開方關(guān)系或正比關(guān)系，而大多數(shù)流體（尤其是氣體）的密度會隨著工況條件的變化而變化，所以，流體的密度要進行溫度、壓力補償。

一般氣體

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，一般氣體的密度ρ與壓力P成正比，與溫度T成反比，并有如下關(guān)系：

式中，P0為大氣壓力，0.101 3 MPa； ρ0為標準狀況下的氣體密度；ρ1為工況；壓力為P1；工況溫度為t1時的氣體密度。

2.2.2 過熱蒸汽和飽和蒸汽

過熱蒸汽與飽和蒸汽都是采用查表和線性插值的方式進行補償。軟件表格根據(jù)南京工學院編著的《具有火用參數(shù)的水和水蒸汽性質(zhì)參數(shù)手冊》編制。

2.2.3 溫度線性補償和壓力線性補償

溫度線性補償公式為ρ=At+B

壓力線性補償公式為ρ=AP+B

式中，A為線性系數(shù)；B為常數(shù)；t為溫度，℃；P為壓力，MPa。

2.2.4 溫壓補償范圍

過熱蒸汽的補償范圍為，壓力：0.1～16 MPa(表壓)，溫度：140～560℃。 ；飽和蒸汽的補償范圍為，壓力：0～16 MPa(表壓)。

2.2.5 引入溫壓補償?shù)男Ч?/p>

2001年以前，川南氣礦輸送到廠區(qū)的天然氣輸差達到10%，每天的用氣量達到45萬～50萬m3，帶來每天近十萬元的經(jīng)濟損失。在完成溫壓補償?shù)募夹g(shù)引入后，天然氣輸差降低到3%以下。同時，也將該公司內(nèi)部蒸汽輸差由超過10%降至目前的2%以內(nèi)。

2.3 雙向流量的補償計算

2.3.1 雙向流量計量的目的

在現(xiàn)實生產(chǎn)中，某些流量計量裝置不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)對正向通過的介質(zhì)進行計量，還要求在特定的條件下對反向通過的工藝介質(zhì)進行計量。例如，在合成氨等生產(chǎn)工序中，在開車過程中需要外供蒸汽，但在進入正常生產(chǎn)階段，卻又對外供給蒸汽。因此，為了避免重復投資，針對其蒸汽的結(jié)算計量儀表就要求具備雙向計量能力。

2.3.2 實現(xiàn)雙向計量的步驟

（1）雙向計量儀表的選擇。雙向流量計量是一個特殊的流量計量任務，目前，市售的雙向流量計有容積式流量計、渦輪流量計、熱式流量計等很多種，因該公司計量系統(tǒng)中雙向流量的計量主要是蒸汽，而蒸汽溫度高、無自潤滑能力，管徑一般較大的緣故，無法使用這幾種流量計。

因此，主要從超聲波流量計、雙向孔板、楔形流量計、菱形截面阿牛巴流量計等檢測儀表中進行比選。通過對上述儀表優(yōu)缺點的對比和性價比分析，結(jié)合實際需求和長期維護需要，選用楔形流量計作為雙向計量的一次元件，并以其作為后續(xù)實施設備。

（2）測定流出系數(shù)。雖然楔形流量計是基本對稱結(jié)構(gòu)，但由于尚未標準化，產(chǎn)品需要做性能檢定，必須根據(jù)《JJG640-1994》對楔形流量計進行正反2個方向流出系數(shù)的檢定。

（3）計量瞬時流量。使用差壓變送器測量楔形流量計的壓差，當介質(zhì)正向流動時，測得壓差為正壓差；當介質(zhì)反向流動時，測得壓差為負壓差。在實際測量時，需對變送器的量程進行必要的遷移，并將測量值輸入計算機進行數(shù)據(jù)判別，如只需要進行數(shù)據(jù)累計，也可直接計負值累計扣減即可。計算公式如下［1］：

式中：qv—體積流量，m3/s；C正—正向流出系數(shù)；C負—反向流出系數(shù)；ε—可膨脹性系數(shù)；m—節(jié)流面積比，；S1—弓形流通面積，m2；D—管道內(nèi)徑，m；△p正—正向流量差壓，Pa；△p反—反向流量差壓，Pa；ρ—被測介質(zhì)密度，kg/m3。

S1的計算：

（4）目前，該公司主要依靠以智能流量積算儀為核心，依據(jù)計量的物料類型分別內(nèi)建不同的補償模型，并與其他網(wǎng)絡設備構(gòu)建的流量子系統(tǒng)完成流量數(shù)據(jù)的積算和累計功能，累計數(shù)據(jù)傳送到PE5200工業(yè)控制計算機進行歸檔、保存和進一步的處理。

3 結(jié)語

引入流量在線監(jiān)測系統(tǒng)后，滿足了調(diào)度中心和各生產(chǎn)單位的生產(chǎn)調(diào)度準確性和及時性的要求，為調(diào)度和能管工作對各能源消耗指標實時數(shù)據(jù)查詢和歷史數(shù)據(jù)的追溯提供了基本的設施保障，在一定程度上，促進了計量技術(shù)的進步和發(fā)展，加快了信息化與工業(yè)化融合的步伐。

［1］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.JJG640-94常用計量檢定規(guī)程匯編.北京：中國計量出版社，1995.