航空煤油汽車自動裝車計量一體化系統(tǒng)

劉微，劉仁

(中國石油天然氣股份有限公司 蘭州石化分公司,甘肅 蘭州 730060)

航空煤油作為某石化公司的主要產(chǎn)品，年產(chǎn)量的30%通過汽車發(fā)運出廠。改造之前，汽車發(fā)運經(jīng)空載和滿載的兩次過衡稱重后，采用傳統(tǒng)業(yè)務(wù)交接方式完成紙質(zhì)計量單的面對面計量交接，多年來一直存在車輛入廠難于監(jiān)管、進出廠效率低、計量數(shù)據(jù)共享及時性差等弊端。為了提高交接計量的準(zhǔn)確性，引入航空煤油發(fā)運出廠自動裝車計量一體化系統(tǒng)，在原定量灌裝系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行升級改造，采用質(zhì)量流量計并基于RS-485通信實現(xiàn)計量交接數(shù)據(jù)實時上傳，以遠(yuǎn)程電子化交接模式取代線下面對面交接，實現(xiàn)了裝車計量一體化，車輛進出廠效率顯著提高、計量數(shù)據(jù)可以實時共享。

1 自動裝車計量一體化系統(tǒng)的實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

航空煤油發(fā)運出廠自動裝車計量一體化系統(tǒng)主要由過濾分離器、球閥、質(zhì)量流量計、電液閥、靜電溢油控制裝置、中心控制室PLC、CP341通信卡件、上位機和配套的組態(tài)軟件等組成，如圖1所示。

圖1 航空煤油發(fā)運出廠自動裝車計量一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2 PLC控制定量灌裝

PLC控制定量灌裝，選用西門子接口模塊及10個分布式I/O設(shè)備組成，該系統(tǒng)采用220 V(AC)，10 kVA的UPS電源實現(xiàn)掉電保護。PLC作為主控制器接收來自質(zhì)量流量計的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理后發(fā)出一系列的控制信號，完成定量灌裝。為實現(xiàn)現(xiàn)場高精度定量灌裝并防止產(chǎn)生靜電和水擊現(xiàn)象，灌裝控制采用仿人工智能控制思想，電液閥的開關(guān)過程采用了分段控制方式，先小流量初始裝車，再大流量恒流發(fā)油，到達設(shè)定量的98%時，閥門進入小開度低速發(fā)油階段，直至關(guān)閉，完成一次定量灌裝。在罐裝過程中，質(zhì)量流量計實時將現(xiàn)場流量計的信號發(fā)送給PLC，并上傳到上位機，閥門開度控制特性曲線如圖2所示，其中：t1為初裝小流量時間段；t2為恒流發(fā)油大流量時間段；t3為末端小流量時間段。

圖2 流量控制特性曲線示意

1.3 灌裝操作步驟

航空煤油灌裝具體控制過程如下：

1)現(xiàn)場裝車操作人員將待裝車輛的基本信息人工錄入到該系統(tǒng)，并根據(jù)該公司銷售部開具的周計劃單和實際車載量在系統(tǒng)中錄入單車提貨量(即預(yù)設(shè)量)，或由系統(tǒng)存儲的車輛信息自動提取單車提貨量。

2)待裝車輛進入到達裝車指定貨位，按要求進行靜電接地夾和溢油液位開關(guān)的準(zhǔn)備工作。就緒后，裝車操作人員根據(jù)該系統(tǒng)控制界面接地夾和溢油液位開關(guān)顯示綠色狀態(tài)后啟動裝車開始按鈕，控制電液閥開啟，按工藝要求，為防止裝油過程中產(chǎn)生靜電事故，進入小流量初始裝車階段，灌裝初速度保持在1 m/s以下，按管徑80 mm，航空煤油密度780 kg/m3計算，初裝流量控制在14 t/h以內(nèi)(AB段)。

3)鶴管口距罐底部200 mm左右，當(dāng)鶴管口浸沒油面后，根據(jù)工藝要求流速不大于4.5 m/s(以防止噴濺造成靜電事故)，可計算出油品流量控制在63 t/h進行大流量恒流裝車(CD段)。

4)當(dāng)裝車完成預(yù)設(shè)量的98%時(D點)，裝車控制系統(tǒng)將電液閥的開度調(diào)小至50%，進行結(jié)束階段小流量裝車(EF段)，并且發(fā)出聲光報警，提醒裝車人員注意電液閥是否可控，裝車瞬時量是否減小，防止裝車過程中出現(xiàn)異常。當(dāng)實際裝車量達到預(yù)設(shè)量的99.8%時(F點)，裝車控制系統(tǒng)自動關(guān)閉電液閥，現(xiàn)場裝車結(jié)束。

5)現(xiàn)場質(zhì)量流量計將裝車結(jié)束后的計量值傳送到PLC，經(jīng)前后表數(shù)計算出實際裝車量上傳到上位機進行計量交接。

6)每個裝車鶴位的溢油靜電保護器輸出標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)量信號給PLC，實現(xiàn)現(xiàn)場裝車聯(lián)鎖控制泵和電液閥，當(dāng)現(xiàn)場的防靜電接地開關(guān)和防溢液位開關(guān)異常動作時，隨即停泵、停閥并暫停裝車作業(yè)。緊急情況下，現(xiàn)場操作人員和控制室操作員均可以快速切斷閥門。

溢油靜電保護器通過靜電接地夾自動檢測罐車的接地狀況，罐車與接地樁之間超過規(guī)定阻值或者接地未連接好時，接地?zé)糸W爍，蜂鳴器急促報警，同時輸出接地報警信號給上位機；當(dāng)被監(jiān)測液位達到液位開關(guān)檢測位置時，液位指示燈閃爍，蜂鳴器急促報警，并輸出液位報警信號給PLC，上傳到上位機。

一次定量裝車計量交接的業(yè)務(wù)管理流程如圖3 所示。

圖3 一次定量灌裝計量交接業(yè)務(wù)流程示意

2 質(zhì)量流量計交接計量數(shù)據(jù)的正確讀取

2.1 信號輸出選擇

因模擬量輸出和脈沖輸出遠(yuǎn)傳時易產(chǎn)生信號失真及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換累積誤差，影響計量的準(zhǔn)確度，而RS-485為數(shù)字信號傳輸，避免了模擬量或脈沖方式傳輸數(shù)據(jù)的單一、脈沖累計精度偏差和信號衰減的問題，保證了計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。因此，系統(tǒng)采用Modbus協(xié)議的RS-485數(shù)據(jù)通信，傳送時不需要進行數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換，直接傳輸數(shù)字信號，有較高的信號傳送精度，經(jīng)PLC上傳至上位機作為計量交接數(shù)據(jù)，完成裝車計量單的在線打印和計量報表的在線生成。

2.2 計量數(shù)據(jù)的正確讀取

質(zhì)量流量計在線計量交接由PLC同時配備2塊CP341通信卡件與現(xiàn)場流量計進行數(shù)據(jù)通信來實現(xiàn)。采用Modbus RS-485 RTU分2組同時與現(xiàn)場9臺質(zhì)量流量計進行串行異步半雙工通信。其中CP341-1模塊連接1號、2號、4號、17號貨位流量計，CP341-2模塊連接10號、12號、14號、16號、18號貨位流量計?，F(xiàn)場流量計與CP341通信卡件的網(wǎng)絡(luò)連接如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場流量計與CP341通信卡件的網(wǎng)絡(luò)連接示意

以CP341通信卡件為主站，以流量計為從站，基于Modbus主從式工作的主站以廣播式向所有從站發(fā)送請求數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，其數(shù)據(jù)包中包含從站地址、功能代碼(即讀取的寄存器類型)、要讀取的寄存器的起始地址、本次要讀取的寄存器個數(shù)，并等待從站的響應(yīng)。掛在同一條總線上的所有從站被動的接收到主站的廣播包，然后解開該廣播包，將包中的從站地址與自身的地址對照，如果地址相同，該從站立即將自身相應(yīng)寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送到總線，主站中的接收程序始終處于待命狀態(tài)，等待總線上從站發(fā)送來的響應(yīng)數(shù)據(jù)包，并把響應(yīng)包中的數(shù)據(jù)序列化到自身的接收數(shù)據(jù)塊中；從站檢測到包中的從站地址與自身的地址不符時，則直接銷毀該包，不做任何響應(yīng)，至此完成一個數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。同時上位機監(jiān)控系統(tǒng)實時讀取質(zhì)量流量計上傳到PLC的數(shù)據(jù)，在監(jiān)控系統(tǒng)上顯示裝車進度、現(xiàn)場接地狀態(tài)信息、車輛液位實時狀態(tài)，并在數(shù)據(jù)庫中存儲最終數(shù)據(jù)供計量信息管理平臺調(diào)用。

3 遠(yuǎn)程電子化交接的實現(xiàn)

遠(yuǎn)程電子化交接采用電子簽名(章)技術(shù)，通過計量交接管理、用戶管理、證書管理、印章管理、簽署管理、文檔管理、系統(tǒng)管理等實現(xiàn)計量數(shù)據(jù)在線提取，計量單在線生成，計量單在線簽署，計量單作廢，計量單網(wǎng)上流轉(zhuǎn)，計量單在線打印、下載、歸檔和計量數(shù)據(jù)的分類統(tǒng)計匯總、用戶功能角色權(quán)限分配、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全等功能。

首先，PLC采集到的計量交接數(shù)據(jù)上傳到計量信息管理平臺中，平臺通過報表生成帶有數(shù)據(jù)但不帶計量專用章的PDF文件，通過約定的密鑰串加賬戶名調(diào)用PC端的Ukey認(rèn)證，系統(tǒng)檢查本地是否插入Ukey，再檢查Ukey中CA證書是否有效，其中任何一項不滿足條件立刻返回認(rèn)證失敗；如果2個條件同時滿足即可進行下一步操作，輸入PIN碼認(rèn)證，認(rèn)證該賬戶是否存在且有效，認(rèn)證成功后返回加密串，加密串短時間內(nèi)有效，過時作廢；然后通過雙方約定的參數(shù)加密方式傳遞和接收加密串并調(diào)用電子簽章接口，電子簽章系統(tǒng)檢測傳遞的賬戶是否存在綁定印章，如有綁定執(zhí)行簽章，流程結(jié)束(如無，提示簽署失敗)。簽章完成后，計量信息管理平臺歸檔計量單，客戶端用戶根據(jù)自己的使用權(quán)限進行電子計量單的打印、下載、存儲等，實現(xiàn)遠(yuǎn)程電子化交接和電子計量單的網(wǎng)上流轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語

航空煤油發(fā)運出廠自動裝車計量一體化系統(tǒng)上線后，實現(xiàn)裝車業(yè)務(wù)的全面流程化管理，通過充分發(fā)揮PLC的軟、硬件控制功能，引入仿人工智能控制思想，有效地提高了灌裝的速度，大幅縮短了車輛進出廠時間；在線遠(yuǎn)程電子化交接實現(xiàn)了計量交接數(shù)據(jù)的實時共享。