數(shù)字化儲罐計量管理系統(tǒng)在白酒生產(chǎn)管理中的應(yīng)用

陳相國

泰安市普瑞特信息科技有限公司是普瑞特機械制造股份有限公司的全資子公司，基于對液態(tài)食品工業(yè)近20 年的專業(yè)知識和經(jīng)驗，聯(lián)合全球最優(yōu)秀的計量器件生產(chǎn)和控制系統(tǒng)廠家，結(jié)合當今最先進的技術(shù)及控制方法開發(fā)，推出了基于數(shù)據(jù)流的先進智能儲罐計量管理系統(tǒng)一體化解決方案。

該系統(tǒng)方案可提供儲罐區(qū)物料的整個流程及生產(chǎn)周期的監(jiān)管和控制（包含常規(guī)罐區(qū)酒體接收作業(yè)、儲存作業(yè)、周轉(zhuǎn)作業(yè)、發(fā)送作業(yè)、儲運全過程等子流程），物料主要為酒精（也可擴展為食品油、果汁、乳制品等）。系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)整合為核心，將自動控制和分項業(yè)務(wù)管理功能整合，是一個集成化、模塊化、開放式可擴展的解決方案，最終為罐區(qū)安全穩(wěn)定運行、優(yōu)化管理、降低生產(chǎn)成本和利潤最大化提供保證。

一、儲罐靜態(tài)計量系統(tǒng)：

儲罐計量是對大型儲罐內(nèi)液態(tài)物料的靜態(tài)儲量進行計量的過程。通過存量測定，即測定儲罐內(nèi)物料的存量，或輸轉(zhuǎn)計量，即作為生產(chǎn)鏈數(shù)據(jù)或貿(mào)易結(jié)算依據(jù)。主要采用基于體積和基于質(zhì)量的兩種計量方法。

基于體積計量的系統(tǒng)中，物料存量測量經(jīng)由液位和溫度的測量實現(xiàn)。在基于質(zhì)量的儲罐計量系統(tǒng)中，存量測量通過對液體的液柱靜壓的測量取得。

儲罐計量系統(tǒng)中無論采取何種計量方式，測量的可靠性和精確性都是首要目標。同時在系統(tǒng)中也要著重考慮系統(tǒng)的安全性、精確性、重復(fù)性、可靠性、有效性和兼容性，系統(tǒng)的獨立運行能力、擴展能力，以及運維的便捷性。在滿足上述的主要目標后系統(tǒng)應(yīng)具有很好的設(shè)備實施和投資的性價比。

普瑞特公司儲罐計量系統(tǒng)可以監(jiān)控庫存，能讓用戶即時了解儲存物料的準確數(shù)量。系統(tǒng)可以精確測量物料載具、站點和管道輸送系統(tǒng)之間的批次和交接量。系統(tǒng)可用于日常運作；物料移動、調(diào)度和混合方案之中。準確追蹤泄漏并防止溢出，從而降低由于損耗造成的環(huán)境污染和財務(wù)損失。

通常的儲罐管理系統(tǒng)中，作為子系統(tǒng)的的儲罐計量系統(tǒng)的應(yīng)用場景基本涵蓋儲罐管理系統(tǒng)的所有儲罐作業(yè)任務(wù)：庫存管理、輸轉(zhuǎn)計量（收料及發(fā)料）、物料的轉(zhuǎn)移和操作（倒罐或配料）、損耗控制和平衡。

儲罐的計量物理參數(shù)主要有：液位（物料高度）、密度（標準密度或觀察密度）、物料溫度、體積和質(zhì)量。傳統(tǒng)的儲罐測量系統(tǒng)主要使用自動液位計法（ATG）、靜壓法（HTG）和混合法（HTMS）對儲罐的物理參數(shù)進行測控。

（一）自動液位計法（ATG）

液位計法通過安裝在罐上的液位計測量罐內(nèi)液體的液位，見圖1。根據(jù)所安裝液位計的種類不同，液位計的測量方法有兩種：一種是測量空高，如雷達液位計，液位高度是通過用液位計的安裝高度減去所測得的空高得到。另一種是直接測量液位高度，如使用鋼帶浮子液位計等。

圖1

液位計法由于只能得到罐內(nèi)物料液位，所以罐內(nèi)物料的其他參數(shù)只能通過人工測量或計算得出。如密度需通過人工測量得到，物料重量則需通過下式計算得到：

M=V ×ρ

如考慮到空氣浮力則為：M=V ×（ρ20-0.0011 ）

其中， M 為物料重量； V 為物料標準體積，可以通過液位查表換算得到；ρ 為物料標準密度。 由于人工測量密度誤差較大，且只能得到某些層面的密度值，不能得到準確的平均密度，因而計算出來的重量的誤差也較大。 其誤差取決于人工取樣測得的密度是否為整個罐的平均密度及罐表的誤差。

液位計法是以測量儲罐內(nèi)液位為主。它對罐內(nèi)物料的質(zhì)量計量是間接的，因此質(zhì)量計量的精度一般是偏低的。

（二）靜壓式儲罐計量（HTG）

圖2

靜壓法的測量原理是通過安裝在儲罐底部壓力傳感器P1 測量罐內(nèi)液體的壓強。再根據(jù)罐體的截面積的大小即可計算出罐內(nèi)物料的重量。P2 是安裝于P1 之上的一個壓力傳感器，其主要作用是測量密度。P3 是裝罐頂部的壓力傳感器，其主要作用是測量罐內(nèi)蒸汽的壓力。其各參數(shù)的計算方法如下：

其中， M 為物料重； A 為罐平均截面積； H 為液位； ρ為物料真實密度； P1 為罐底部壓力；P2 為罐上部壓力；P3 為罐頂部壓力。H1 為 P1安裝高度；H 2 為 P2安裝高度。由上面的公式可以看出所有這些參數(shù)的取得均是由傳感器測量得到或系統(tǒng) 安裝后為常數(shù)的值，沒有人工測量，因而也減少了人工測量產(chǎn)生的誤差。靜壓法的詳細計算公式見“中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程”；“ JJG759 - 97靜壓法儲罐計量裝置”。

靜壓式儲罐計量（HTG）的優(yōu)點在架構(gòu)簡單成本低廉，它僅用壓力變送器測量靜壓就可以獲得一個固定距離間的物料密度和罐內(nèi)蒸汽壓力。因此，這是一種低成本的質(zhì)量計量方案，具有如下優(yōu)點：

物料質(zhì)量計量精度高。這是因為物料質(zhì)量是直接由底部壓力傳感器測量得到的。它與密度、溫度等參數(shù)的變化均無關(guān)系，所以不受這些參數(shù)誤差的影響。

架構(gòu)簡單施工容易。成本較低。

靜壓法由于沒有可動部件因而可靠性較高。

但是它具有嚴重的缺點：

液位和體積的測量不準確，特別是在發(fā)生密度分層時；由于液位是用密度ρ 反推得出，ρ 又略大于罐內(nèi)液體的平均密度，所以測量液位會略低于真實的液位。

在使用中壓力變送器往往不能直接安裝至罐底，因此系統(tǒng)需要估算測量死角的數(shù)據(jù)；

在使用過程中很難驗證、維護和標定。

由于白酒儲罐基本都配置有阻火呼吸閥，會對過程測量造成較大偏差。

（三）混合式儲罐測量系統(tǒng)（HTMS）

混合法HTMS 是液位計法與靜壓法的一種結(jié)合。它結(jié)合了兩種方法的優(yōu)點，見圖3。混合法的測量原理是通過罐上安裝的液位計直接測量得到罐內(nèi)液體的真實液位H。通過安裝在底部的壓力傳感器測量得出液體壓強，并由圖中公式得出罐內(nèi)液體的質(zhì)量：它是液位和靜壓測量的結(jié)合。綜合壓力和液位測量，從而獲得整個液位高度內(nèi)介質(zhì)的真實平均密度。

圖3

其中，M 為物料重量；ρ 為罐內(nèi)液體平均密度；P1為罐底部壓力；P3 為罐頂部壓力（浮頂罐 P3=0）；H1 為P1 安裝高度；A 為罐的有效截面積；H 為液位高度。由混合法的測量原理和各參數(shù)的計算可以看出，此種方法對液位質(zhì)量、密度的測量精度都較高。因而混合法是一種較理想的計量方法。

混合法另一最大優(yōu)點是它可以測量出儲罐所有已知的參數(shù)。如采用高級混合法設(shè)計方案，可以在計算機上自動地得到諸如液位、點密度、平均密度、點溫度、平均溫度、液體界面（高度）、體積、實際質(zhì)量等所需要的所有物理參數(shù)。因此可以說混合法是儲罐自動計量系統(tǒng)中功能最全面、測量精度最高、可靠性最好的一種。

HTMS 的優(yōu)點：精確的液位測量；連續(xù)的密度測量；極好的質(zhì)量和體積測量。

（四）通用儲罐測量方法對比

測量參數(shù)測量方式泄露監(jiān)控液位 密度 溫度 體積 界面 重量手工檢尺 好 一般 一般 好 好 一般 需要對比鋼帶浮子液位計 好 / 重要 好 / 一般 /伺服液位計 較好 / 重要 好 好 一般 /磁至伸縮液位計 較好 / 重要 好 好 一般 /雷達液位計 好 / 重要 好 / 一般 /靜壓測量 一般 好 不重要 好 / 很好 好混合測量 很好 很好 不重要 好 好 很好 好

普瑞特公司HTMS 混合法儲罐群計量系統(tǒng)，集國際最新儲罐群計量技術(shù)之優(yōu)點，采用高精度液位計、高精度差壓、壓力變送器和完善的系統(tǒng)管理軟件，實現(xiàn)罐區(qū)進轉(zhuǎn)存操作的全面自動化管理。其主要功能包括：

1. 數(shù)據(jù)采集和處理功能：能實時測量各儲罐的液位、界面、溫度、密度、容積、重量等參數(shù)。檢測儀表的輸出信號無論是模擬信號，還是 485/232 串行輸出信號，都可以通過數(shù)據(jù)采集器輸入到計算機，然后進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

2. 顯示及報警功能：顯示屏動態(tài)地顯示各儲罐液位、水位的棒狀圖。 當液位或水位超過設(shè)定值時，連接在操作現(xiàn)場的喇叭就會發(fā)出語音警告，或蜂鳴報警提醒操作者注意。

3. 數(shù)據(jù)庫管理功能：數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)管理軟件的重要組成部分它包括當月數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、 系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫和儲罐容積表數(shù)據(jù)庫等。當月數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)超過規(guī)定的時間后就會自動地轉(zhuǎn)存到歷史數(shù)據(jù)庫中。 在系統(tǒng)運行過程中，操作者可對各數(shù)據(jù)庫進行查詢、 刪除、保存或打印等操作。

4. 報表打印功能：具有各種統(tǒng)計報表輸出打印功能。例如進、轉(zhuǎn)驗收作業(yè)記錄，散裝收貨倉庫記帳單，進、轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)工作記錄，以及罐區(qū)動態(tài)日報表等。

5. 遠程通訊功能：系統(tǒng)使用兩臺標準配置的 586PC機作為監(jiān)測管理計算機，一臺置于現(xiàn)場監(jiān)控室中，另一臺置于數(shù)公里以外的業(yè)務(wù)管理室中， 兩臺計算機分別經(jīng)上網(wǎng)通訊，使管理決策人員能夠隨時了解、管理儲罐的運行和生產(chǎn)。

6. 儲罐與安全：近幾年國內(nèi)出現(xiàn)的罐區(qū)爆炸事故，以及往年國外的重大罐區(qū)事故絕大部分是由儲罐溢罐造成的。拿油品罐舉例來說，罐表系統(tǒng)需要檢測罐的壓力，液位，溫度并實時進行補償計算。但是這還遠遠不夠。普瑞特公司推出的數(shù)據(jù)化儲罐系統(tǒng)為了最大程度地提高安全性， 特定型號的雷達液位計除了精確測量液位以外，還可以輸出達到 SIL 3 認證的溢罐保護聯(lián)鎖信號。

二、動態(tài)計量

為了實現(xiàn)精確裝車， 許多企業(yè)都采用批控器對裝車進行控制。 它不僅接收質(zhì)量流量計的信號按定量控制裝車閥，還可以連接靜電保護開關(guān)和溢流保護開關(guān)確保安全。普瑞特儲罐管理系統(tǒng)使用的專用批量控制器還具備多級安全限制和措施保證裝車的操作合規(guī)，例如：

1. 可設(shè)置裝車定量值，實現(xiàn)裝車的定量控制。

2. 具有防溢、防靜電連鎖控制功能。

3. 顯示屏顯示現(xiàn)場 閥門、液位開關(guān)、接地開關(guān)狀態(tài)及故障狀態(tài)。

4. 現(xiàn)場設(shè)備、通信和批控儀電路之間光電隔離。

5. 通信的站地址、通信速率均可面板操作設(shè)置。

6. 有就地（脫機）和聯(lián)機兩種工作方式，聯(lián)機狀態(tài)下

禁止鍵盤的參數(shù)設(shè)置。

7. 有啟動時間、結(jié)束時間、定量、實裝量的裝車工況記錄和查詢功能；有開機時間、關(guān)機時間、累計裝車批次、累計裝車量的運行記錄和查詢功能。

8. 冗余通信功能。

9. IC卡管理功能（可選）：帶防爆大屏幕點陣式顯示器。

10. 小流量及無流量報警功能：當切除了質(zhì)量流量計變送器電源后，便接收不到流量脈沖信號，若操作人員私自切除流量計電源，就有可能會發(fā)生介質(zhì)丟失問題。使用該報警功能，如果在設(shè)置的時間范圍內(nèi)無流量信號進入則產(chǎn)生報警并關(guān)閉閥門結(jié)束作業(yè)，如果流量小于所設(shè)置的限值同樣會報警并關(guān)閉閥門結(jié)束作業(yè)。這給企業(yè)的運營監(jiān)管帶來很大的便利。

三、總線通訊

通過在罐區(qū)管理上使用變送器，流量計、電動閥門、批控器等現(xiàn)場設(shè)備，以總線通訊方式，將采集的數(shù)據(jù)通過罐表系統(tǒng)、DCS（分布式控制系統(tǒng)）、SIS（安全儀表系統(tǒng)）對罐區(qū)進行監(jiān)控和保護。由于罐區(qū)管理涉及大量的訂單管理，庫存管理，計劃調(diào)度，路徑選擇，自動裝車等相關(guān)作業(yè),這些采集的數(shù)據(jù)同步提報到MES 系統(tǒng)（生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)）對整個生產(chǎn)作業(yè)的全流程監(jiān)控。進一步可以通過 ERP 系統(tǒng)進行運營的全局優(yōu)化。

經(jīng)過系統(tǒng)的運行實踐，該系統(tǒng)對白酒企業(yè)的庫存管理、生產(chǎn)管理具有極大的提高和完善作用，是基于數(shù)據(jù)化、安全化、智慧化的解決方案。目前正在推出基于該系統(tǒng)的老庫區(qū)完善改造方案，基于MES 系統(tǒng)的全生產(chǎn)流程智慧化解決方案。

普瑞特公司HTMS 混合法儲罐群計量系統(tǒng)執(zhí)行下述下相關(guān)標準：

石油和液體石油產(chǎn)品立式罐內(nèi)油量的直接靜態(tài)測量法（HTG質(zhì)量測量法） GB/T 18273-2000石油和液體石油產(chǎn)品 儲罐中液位和溫度自動測量法 GB/T21451儲罐液體稱量儀標準器試行檢定規(guī)程 JJG 451-1986稱量法儲罐液體計量系統(tǒng)試行檢定規(guī)程 JJG 372-1985儲罐用自動液位計型式評價大綱 JJF 1698-2018進出口商品容器計重規(guī)程 SN/T 2389.14-2013液位檢測器 JB/T 7340-2007石油和液體石油產(chǎn)品 采用混合式油罐測量系統(tǒng)測量立式圓筒形油罐內(nèi)油品體積、密度和質(zhì)量的方法GB/T 25964-2010通過靜壓法儲罐計量測量立式儲罐內(nèi)容物 ISO 11223固定儲罐內(nèi)液位測量用的自動液位計 OIML R 85－1&2立式圓筒形儲罐的測量和校準方法 ANSI/ASTM D1220-1965