LNG 槽車裝車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀 耿 王新良 張德均 王 正

1.連云港遠(yuǎn)洋流體裝卸設(shè)備有限公司，江蘇 連云港 222062；

2.新疆新捷股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000

0 前言

隨著近兩年我國LNG 接收站和液化廠項(xiàng)目的大規(guī)模建設(shè)，LNG 產(chǎn)量和銷量不斷增大，而LNG 從接收站和液化廠到中小型用戶的運(yùn)輸只能通過LNG 槽車實(shí)現(xiàn)。對于裝車量比較大的槽車裝車站，裝車位較多，車輛進(jìn)出頻繁，操作人員工作強(qiáng)度大，且進(jìn)出場站人員繁雜，存在安全隱患。因此需要設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)規(guī)范和監(jiān)控裝車作業(yè)，自動記錄每一個(gè)作業(yè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并自動完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和報(bào)表服務(wù)，減小人員勞動強(qiáng)度，提高裝車效率。

1 LNG 槽車裝車控制系統(tǒng)組成

LNG 槽車裝車控制系統(tǒng)由現(xiàn)場裝車橇、串口服務(wù)器、控制機(jī)、業(yè)務(wù)機(jī)、地秤系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1?？刂葡到y(tǒng)中的裝車橇用于現(xiàn)場裝車控制；串口服務(wù)器用于裝車橇的RS485 總線信號和控制機(jī)的工業(yè)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)化間的轉(zhuǎn)換；控制機(jī)（位于裝車控制室）通過串口服務(wù)器監(jiān)控現(xiàn)場裝車橇運(yùn)行狀態(tài)，向裝車橇發(fā)送裝車命令和數(shù)據(jù)，接收裝車橇的運(yùn)行數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，及時(shí)顯示在裝車控制機(jī)的屏幕上，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中；業(yè)務(wù)機(jī)安裝在業(yè)務(wù)室，位于裝車區(qū)出入口附近，業(yè)務(wù)機(jī)和控制機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)連接，并通訊連接地秤，負(fù)責(zé)客戶登記和槽車的秤重，同時(shí)業(yè)務(wù)機(jī)還控制地秤前后的紅綠燈，用于槽車上地秤和下地秤的指示。

對于1 500 t/d 以上銷售量的槽車裝車站，每天裝車作業(yè)量大，對系統(tǒng)的安全性要求高。系統(tǒng)設(shè)置兩套業(yè)務(wù)機(jī)和地秤來提高槽車過秤速度，根據(jù)計(jì)量原則，槽車過秤要求進(jìn)出同秤；同時(shí)設(shè)置兩臺熱備份的控制站，保證數(shù)據(jù)的可靠性；業(yè)務(wù)機(jī)和控制機(jī)之間鋪設(shè)兩條通訊光纖，分別埋地和電纜橋架鋪設(shè)，減少意外損壞對裝車控制系統(tǒng)的影響。

2 槽車裝車流程設(shè)計(jì)

槽車裝車流程包括了LNG 槽車從進(jìn)入到離開裝車站的全過程，包括本地控制和遠(yuǎn)程控制兩種裝車流程。本地裝車控制流程是指槽車裝車站沒有配置上位管理系統(tǒng)（控制機(jī)和業(yè)務(wù)機(jī)）的情況下，裝車橇和地秤系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，裝車時(shí)操作人員直接在裝車橇的批量控制器上輸入預(yù)裝車量，批量控制器按照工藝流程完成裝車，地秤系統(tǒng)獨(dú)立完成秤重過程，槽車進(jìn)出裝車站完全靠人工調(diào)度；遠(yuǎn)程裝車控制流程則是指槽車裝車站配置上位管理系統(tǒng)，地秤系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的一部分，將有關(guān)裝車作業(yè)納入到一套控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，下面重點(diǎn)說明遠(yuǎn)程控制裝車流程，其步驟為：

圖1 LNG 槽車裝車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

a）客戶首先到裝車業(yè)務(wù)室，在業(yè)務(wù)機(jī)上錄入客戶單位、車號、預(yù)裝車量等，槽車過地秤，稱出皮重，發(fā)IC卡給槽車司機(jī)，槽車司機(jī)開車離開地秤，前往指定裝車臺，以上信息在業(yè)務(wù)電腦上形成一條最初客戶紀(jì)錄，并將數(shù)據(jù)上傳控制機(jī)。

b）槽車司機(jī)開車到指定裝車橇位置，按要求停放好槽車，放置好車輪限位塊，連接好槽車和裝車臂。

c）槽車司機(jī)將IC 卡交給現(xiàn)場裝車操作人員，現(xiàn)場操作人員到對應(yīng)的裝車橇上刷卡，裝車橇的IC 卡讀卡器將把IC 卡信息上傳控制機(jī)，控制機(jī)按照IC 卡信息在數(shù)據(jù)庫中找到對應(yīng)客戶記錄和預(yù)裝車量，將預(yù)裝車數(shù)量下發(fā)到裝車橇上的批量控制器，現(xiàn)場操作人員核對預(yù)裝車量和槽車車型是否配套，若配套則在批量控制器按“啟動”鍵，系統(tǒng)按照裝車橇的工藝程序進(jìn)行裝車作業(yè)。裝車過程中控制機(jī)監(jiān)控裝車過程并記錄數(shù)據(jù)。

d）現(xiàn)場裝車作業(yè)結(jié)束，完成氮?dú)獯祾吆?，槽車司機(jī)斷開裝車臂和槽車連接法蘭，裝車臂歸位，控制機(jī)將數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)的客戶記錄。

e）槽車司機(jī)取出車輪限位塊，槽車離開裝車臺，回到裝車業(yè)務(wù)室地秤上，交回IC 卡并刷卡，業(yè)務(wù)機(jī)從控制機(jī)數(shù)據(jù)庫讀出對應(yīng)的客戶記錄，同時(shí)槽車過地磅，稱出毛重，計(jì)算凈重，比對流量計(jì)和地秤的數(shù)據(jù)，如果在誤差范圍內(nèi)，將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫對應(yīng)客戶記錄中，打印包括客戶信息、裝車量的提貨單（四聯(lián)單：存根、發(fā)貨、客戶、出門證）。

f）槽車到裝車站出口，交驗(yàn)出門證后離開裝車站，裝車作業(yè)結(jié)束。

3 設(shè)備及儀表說明

3.1 裝車橇

裝車橇是LNG 槽車裝車的專用設(shè)備，其內(nèi)部包括了質(zhì)量流量計(jì)、靜電接地控制器、壓力變送器、溫度變送器、流量控制閥、氣動切斷閥、批量控制器等儀表，裝車橇到達(dá)用戶裝車現(xiàn)場后，連接地角螺栓、工藝管線、通訊和供電線路就可以使用［1］。裝車橇的設(shè)計(jì)壓力1.40 MPa，液相操作壓力0.6～0.7 MPa，氣相操作壓力0.01～0.3 MPa；設(shè)計(jì)溫度-196～60 ℃，操作溫度-162～60 ℃［2］，裝車正常流量60 m3/h，最大流量80 m3/h［3］。批量控制器是裝車橇的控制核心，主要由一臺小型PLC、現(xiàn)場顯示器、鍵盤、電源和防爆殼體組成，它接收流量計(jì)信號，控制閥門開度，按照裝車工藝依次完成氮?dú)庵脫Q、系統(tǒng)預(yù)冷、快速、定量裝車和LNG殘液吹掃等功能。批量控制器采用RS485/MODBUSRTU 通訊總線與串口服務(wù)器連接，通過串口服務(wù)器將裝車信息、閥門狀態(tài)和儀表數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳控制機(jī)，用于控制室對裝車橇的監(jiān)控［4］，主要數(shù)據(jù)見表1。

表1 裝車橇通訊數(shù)據(jù)表

3.2 控制機(jī)和業(yè)務(wù)機(jī)

3.2.1 配置說明

控制機(jī)安裝在裝車控制室，是控制系統(tǒng)核心，通過串口服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與現(xiàn)場裝車橇通訊，向裝車橇發(fā)送裝車命令和數(shù)據(jù)，接收裝車橇的運(yùn)行數(shù)據(jù)，監(jiān)控裝車過程，控制機(jī)內(nèi)建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，存儲客戶信息、裝車和秤重?cái)?shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)。控制機(jī)通過數(shù)據(jù)庫連接外部ERP 系統(tǒng)，使裝車系統(tǒng)成為全廠性管理系統(tǒng)的子系統(tǒng)。業(yè)務(wù)機(jī)安裝在業(yè)務(wù)室（或開票室），通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與裝車控制機(jī)連接，作為裝車控制機(jī)的終端，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)登記和秤重功能，將客戶記錄和地秤數(shù)據(jù)發(fā)送到控制機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。

控制機(jī)和業(yè)務(wù)機(jī)采用工作站級品牌計(jì)算機(jī)，按照當(dāng)前主流配置，要求計(jì)算機(jī)穩(wěn)定可靠，操作軟件采用Windows 平臺，控制機(jī)軟件采用組態(tài)軟件，保證軟件的實(shí)時(shí)性和可靠性，業(yè)務(wù)軟件采用有裝車控制系統(tǒng)成熟經(jīng)驗(yàn)的廠家產(chǎn)品，保證業(yè)務(wù)軟件功能完善，并具有良好的操作性。

3.2.2 主要功能

a）業(yè)務(wù)登記。操作員在業(yè)務(wù)機(jī)上對裝車槽車進(jìn)行登記，錄入客戶單位、車號、貨物品名、貨物密度、預(yù)裝車量等信息，在控制電腦形成客戶記錄，該記錄為裝車作業(yè)建立了最初檔案，并將客戶記錄寫入控制機(jī)的數(shù)據(jù)庫中。

b）裝車工藝監(jiān)控?？刂茩C(jī)軟件設(shè)置裝車工藝流程畫面，實(shí)時(shí)將裝車數(shù)據(jù)顯示在工藝流程畫面上，裝車數(shù)據(jù)包括閥門、流量、累積量、溫度、壓力及靜電接地狀態(tài)。

c）報(bào)警監(jiān)控和記錄。裝車過程中出現(xiàn)報(bào)警信息，實(shí)時(shí)在控制機(jī)屏幕上彈出報(bào)警框，提醒操作人員進(jìn)行處理，并將報(bào)警信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，便于以后查詢。

d）計(jì)量管理。裝車前業(yè)務(wù)機(jī)對槽車秤皮重，裝車后對槽車秤毛重，得到凈重，同時(shí)從控制機(jī)數(shù)據(jù)庫中讀出流量計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)，二者對比，在誤差范圍內(nèi)，將凈重寫入裝車控制機(jī)數(shù)據(jù)庫中；超過了誤差范圍，業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)報(bào)警，操作人員上報(bào)管理部門排查原因。

e）數(shù)據(jù)庫管理。控制機(jī)內(nèi)設(shè)置開放式數(shù)據(jù)庫，按照客戶記錄存儲裝車過程數(shù)據(jù)，分為歷史數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，支持遠(yuǎn)程訪問，便于連接ERP 或MIS 系統(tǒng)。

f）統(tǒng)計(jì)報(bào)表。包括發(fā)貨統(tǒng)計(jì)、日志管理、數(shù)據(jù)備份等內(nèi)容，可按日期、貨物品名、客戶單位、車號、提單號碼、提貨單位等內(nèi)容進(jìn)行單獨(dú)或組合查詢和統(tǒng)計(jì)，并可打印各種報(bào)表。

g）定制提貨單和報(bào)表格式。每個(gè)接收站或液化廠都有自己的業(yè)務(wù)管理模式，對提貨單和報(bào)表的內(nèi)容及編排要求不同，系統(tǒng)軟件應(yīng)及時(shí)滿足不同客戶需要。

h）權(quán)限設(shè)置和操作人員管理?？刂栖浖O(shè)置操作員級、工程師級和管理級等三級權(quán)限，對不同操作人員設(shè)置不同的權(quán)限，每個(gè)操作人員只能在自己的權(quán)限范圍內(nèi)進(jìn)行操作。為每個(gè)操作人員設(shè)置用戶名和密碼，建立操作日志和操作記錄，實(shí)現(xiàn)對操作人員的監(jiān)控。

i）參數(shù)設(shè)定功能。依據(jù)權(quán)限進(jìn)入設(shè)定系統(tǒng)，可對通訊參數(shù)、控制軟件參數(shù)、裝車橇運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修改。

3.3 地秤系統(tǒng)

地秤系統(tǒng)包括地秤、地秤二次表和交通綠燈。由于裝車橇內(nèi)的質(zhì)量流量計(jì)在LNG 裝車計(jì)量過程中存在誤差，目前通用的裝車計(jì)量都采用地秤方式，地秤二次表采用RS485 總線連接業(yè)務(wù)機(jī)，在業(yè)務(wù)機(jī)上完成自動秤重。地秤前后安裝交通綠燈，用來指示上下地秤，并由業(yè)務(wù)機(jī)自動控制，當(dāng)?shù)爻涌臻e時(shí)，將交通綠燈點(diǎn)亮，槽車上地秤，交通綠燈熄滅，操作人員在業(yè)務(wù)機(jī)上秤重完畢，交通綠燈重新點(diǎn)亮，允許槽車離開地秤。秤重時(shí)槽車司機(jī)必須離開車輛，在地秤外等候。

目前國內(nèi)運(yùn)輸槽車最大為20 t LNG 半掛式槽車，罐容為51 m3，車長約為16.5 m，按照此條件，地秤設(shè)計(jì)參數(shù)如下：額定稱量定位為60 t，檢定分度值為20 kg，秤重精度為OIML Ⅲ級，允許通過的安全軸載為40 t，最大安全過載為125%，臺面尺寸為18 000 mm（長）×3 400 mm（寬），臺面結(jié)構(gòu)全鋼為3 節(jié)秤臺結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為淺基坑，秤臺防護(hù)等級為IP68 室外工作；供電為220 V、50 Hz；通訊為RS485/MODBUS-RTU。

地秤結(jié)構(gòu)必須符合我國現(xiàn)行的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求：秤體鋼材應(yīng)選用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼材；秤體整體剛性應(yīng)優(yōu)于1/1 000，以滿足高頻次和重載的使用，滿足高精度的計(jì)量要求；焊縫應(yīng)采用自動焊，焊縫表面應(yīng)光滑平整；應(yīng)具有良好的耐腐蝕性能；基坑必須考慮排水措施［5］。

3.4 IC 卡管理

IC 卡采用非接觸式射頻識別IC 卡，符合ISO 10536系列標(biāo)準(zhǔn)，裝車系統(tǒng)中的IC 卡只是一個(gè)身份識別碼，裝車數(shù)據(jù)并沒有存儲在IC 卡中。首次發(fā)卡時(shí)僅將卡號和數(shù)據(jù)庫中客戶數(shù)據(jù)對應(yīng)起來，系統(tǒng)后續(xù)的刷卡是按卡號讀取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)或向數(shù)據(jù)庫填寫新的數(shù)據(jù)。這種將數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)庫的方法比直接存儲在IC 卡上的方法更安全。

4 銷售業(yè)務(wù)與裝車作業(yè)

通常LNG 接收站或者液化廠的銷售業(yè)務(wù)和裝車作業(yè)屬于兩個(gè)部門，裝車前客戶先到銷售部門預(yù)交貨款，銷售單上的購買貨物數(shù)量要稍大于預(yù)裝車的數(shù)量，銷售部門為客戶出具銷售單，客戶憑銷售單來到裝車站業(yè)務(wù)機(jī)處進(jìn)行裝車業(yè)務(wù)登記，裝車結(jié)束后憑裝車站出具的提貨單回到銷售部門，銷售部門按照提貨單的實(shí)際裝車量進(jìn)行結(jié)算。銷售部門按當(dāng)天的庫存量進(jìn)行銷售，銷售單必須是一車一單，當(dāng)天的銷售單當(dāng)天裝完，當(dāng)天沒有裝完的，第二天應(yīng)重新開具銷售單，每天裝車作業(yè)結(jié)束后，銷售部門和裝車部門要及時(shí)核對當(dāng)天的裝車數(shù)量，便于銷售和生產(chǎn)管理［6］。

5 與DCS 系統(tǒng)的通訊

裝車控制系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)和DCS 系統(tǒng)通訊接收裝車橇的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將裝車過程中的裝車狀態(tài)、閥門狀態(tài)、流量、溫度和壓力數(shù)據(jù)上傳至中控室DCS系統(tǒng)，上傳數(shù)據(jù)見表1。DCS 系統(tǒng)只監(jiān)視裝車橇現(xiàn)場裝車數(shù)據(jù)，不向裝車橇下發(fā)命令和數(shù)據(jù)，裝車橇的控制功能完全由系統(tǒng)內(nèi)的控制機(jī)完成。如果廠站的規(guī)模較小，沒有專門的裝車控制室，則可取消系統(tǒng)內(nèi)的控制機(jī)，在DCS 系統(tǒng)內(nèi)建立數(shù)據(jù)庫。DCS 系統(tǒng)直接和業(yè)務(wù)機(jī)數(shù)據(jù)交換，由DCS 完成對裝車橇下發(fā)裝車命令和數(shù)據(jù)；或者將控制機(jī)放到中控室，取消DCS 系統(tǒng)和裝車系統(tǒng)通訊連接，DCS 在中控室對裝車系統(tǒng)的監(jiān)控功能由控制機(jī)實(shí)現(xiàn)。

6 特殊情況下裝車作業(yè)

LNG 廠站都配置ESD（或者SIS）系統(tǒng)，保證廠站的運(yùn)行安全，在裝車系統(tǒng)的裝車橇面板、裝車區(qū)域和控制室都配置了ESD 系統(tǒng)緊急停按鈕，ESD 系統(tǒng)直接控制系統(tǒng)內(nèi)的裝車切斷閥，如果發(fā)生緊急情況，ESD系統(tǒng)直接關(guān)閉系統(tǒng)內(nèi)的裝車閥門，停止作業(yè)。但為了提高裝車效率，裝車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮部分設(shè)備失效情況下系統(tǒng)還能夠進(jìn)行裝車作業(yè)：

a）控制機(jī)和業(yè)務(wù)機(jī)之間通訊故障。啟動業(yè)務(wù)機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)本地?cái)?shù)據(jù)庫，將裝車數(shù)據(jù)存儲于本地?cái)?shù)據(jù)庫內(nèi)，現(xiàn)場裝車橇采用本地方式進(jìn)行裝車作業(yè)，控制機(jī)還能夠記錄不帶客戶信息的裝車數(shù)據(jù)，對裝車效率影響小。

b）控制機(jī)和裝車橇之間通訊故障或控制機(jī)自身故障。啟動業(yè)務(wù)機(jī)內(nèi)備份的本地?cái)?shù)據(jù)庫，將槽車數(shù)據(jù)存儲于本地?cái)?shù)據(jù)庫內(nèi)，現(xiàn)場裝車橇采用本地方式進(jìn)行裝車作業(yè)，控制機(jī)不能記錄任何裝車數(shù)據(jù)，對裝車效率影響小。

c）業(yè)務(wù)機(jī)故障。手動稱槽車皮重、毛重并制單，現(xiàn)場裝車橇采用本地方式進(jìn)行裝車作業(yè)，控制機(jī)還能夠記錄不帶客戶信息的裝車數(shù)據(jù)，對裝車效率影響較大。

d）裝車橇故障。系統(tǒng)配置多臺裝車橇，單個(gè)裝車橇故障不會影響其它裝車橇以及系統(tǒng)的正常工作，對裝車效率影響小。

e）地秤故障。需要借助外部地秤，業(yè)務(wù)機(jī)手動輸入槽車皮重及毛重，對裝車效率影響大。

7 結(jié)論

LNG 槽車裝車控制系統(tǒng)已成為LNG 廠站信息自動化的重要組成部分，并在中國石油江蘇液化天然氣公司和中國石油大連液化天然氣公司成功投用。LNG槽車裝車控制系統(tǒng)將自動化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及通訊技術(shù)和裝車工藝有機(jī)結(jié)合起來，融合了裝車控制和銷售管理內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了LNG 裝車的分散控制和集中管理功能，減小了勞動強(qiáng)度，減少了安全隱患，提高了裝車效率，確保生產(chǎn)安全。

［1］賀 耿，王 正，包光磊.LNG 槽車裝車系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)［J］.天然氣與石油，2012，30（4）：11-14.He Geng，Wang Zheng，Bao Guanglei.Technical Characteristic of LNG Truck Loading System［J］.Natural Gas and Oil，2012，30（4）：11-14.

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［3］NFPA 59A-2011，液化天然氣（LNG）生產(chǎn)儲存和裝運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)［S］.NFPA 59A-2011，Standard for the Production，Storage，and Handling of Liquefied Natural Gas（LNG）［S］.

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