定量裝車系統(tǒng)更新效果評析及影響因素探究

黃興航

(中國石化青島石油化工有限責任公司，山東 青島 266043)

某煉油廠汽車裝車場原定量裝車系統(tǒng)2005年投用，與裝車機泵監(jiān)控PLC系統(tǒng)、地磅稱重系統(tǒng)、現(xiàn)場各鶴位批量控制器(以下簡稱批控器)、質(zhì)量流量計、多段控制閥等配套使用，是液體石油產(chǎn)品汽車定量裝車計量的主要監(jiān)控設(shè)備。該系統(tǒng)投用之初較大提升了裝車設(shè)備的自動化控制水平，但隨著裝車規(guī)模的擴大，暴露出諸多不足，尤其是設(shè)計理念已經(jīng)遠不能滿足現(xiàn)代化企業(yè)裝車管理的需求。

1 原定量裝車系統(tǒng)狀況

1.1 系統(tǒng)的不足

由于該裝車定量系統(tǒng)操作缺乏連貫性，部分環(huán)節(jié)需由人工完成，操作更多地依賴于操作員的經(jīng)驗和熟練程度，操作界面不友好、導致裝車工作效率低，且勞動強度大，有時會造成誤操作，安全隱患大、運行成本高。

1.2 可靠性和安全性設(shè)計欠缺

設(shè)備可靠性是生產(chǎn)安全的保障，原定量裝車過程未能實現(xiàn)完全自動控制和安全聯(lián)鎖，設(shè)計不完善、可靠性較差，存在以下幾方面問題：

1)地磅稱重系統(tǒng)和裝車泵監(jiān)控系統(tǒng)均獨立設(shè)置，沒能與定量裝車系統(tǒng)整合成1套系統(tǒng)平臺，統(tǒng)一管理和監(jiān)控，相互協(xié)作能力弱且存有安全隱患。

2)該系統(tǒng)裝車采用質(zhì)量流量計與地磅結(jié)合方式，質(zhì)量流量計用于裝車控制，貿(mào)易結(jié)算采用地磅稱重。計量交接方式流程長，效率不高，存在罐車水箱稱皮重后人為放水操作等漏洞，且地磅作為精密儀器，維護量大，使用限制多。

3)裝車過程中裝車批控器不穩(wěn)定，精度低，實際操作中發(fā)現(xiàn)部分批次裝車超標或不足，質(zhì)量流量計和地磅稱重數(shù)據(jù)差值較大，影響計量交接。

1.3 備件及服務(wù)能力不足

該系統(tǒng)使用已達15年之久，系統(tǒng)陳舊、設(shè)備老化、故障頻發(fā)。原批控器產(chǎn)品及配件為非標準件，原廠備件生產(chǎn)及服務(wù)能力不足，使該系統(tǒng)不能進行有效的可持續(xù)應(yīng)用及維護。

2 裝車系統(tǒng)更新概況

鑒于原定量裝車系統(tǒng)存在的問題，在不影響開工期間油品正常出廠的前提下一次性解決所有問題，無論在施工周期和投資上均不現(xiàn)實，經(jīng)研究確定，按照平臺先進、痛點優(yōu)先、規(guī)劃預(yù)留的思路分步實施設(shè)備更新改造，實施過程如下：

1)因投資費用受限，不考慮功能擴展，只考慮原定量裝車系統(tǒng)更換，保持原裝車業(yè)務(wù)流程。

2)現(xiàn)場流量計、控制閥利舊，只需對新增電纜重新敷設(shè)。重新規(guī)劃裝車場儀表機柜室，并對裝車操作室進行布局。

3)新系統(tǒng)平臺安裝調(diào)試就位后，將現(xiàn)場暫不裝車的鶴位逐個遷移接至新系統(tǒng)，在線升級替換期間現(xiàn)有裝車系統(tǒng)保持不變，仍可正常裝車和傳輸數(shù)據(jù)，直至全部等位替換。

2.1 新系統(tǒng)架構(gòu)及功能

新定量裝車系統(tǒng)在不改變原有管理流程的情況下，采用DL8000批控器、OpenEnterprise軟件以及ControlWave Micro通信管理器實現(xiàn)定量裝車功能。該系統(tǒng)以服務(wù)器為核心，服務(wù)器之間采用以太網(wǎng)連接，主控制器與現(xiàn)場批控器之間采用RS-485通信，同時具備以太網(wǎng)通信功能，系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。裝車鶴位設(shè)置獨立的批控器，既可以在中心控制室統(tǒng)一控制裝車，又可以現(xiàn)場控制裝車，各裝車鶴位相對獨立，以服務(wù)器為核心完成各自的功能，在系統(tǒng)異常情況下，各鶴位均能獨立完成定量裝車基本功能，可靠性高。

圖1 新定量裝車系統(tǒng)架構(gòu)示意

2.1.1系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)的主要功能如下：

1)與企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(ERP)通過Web Service接口通信，實時獲取裝車訂單信息。

2)定量裝車控制。確定工作參數(shù)之后，批控器就會按照指定的程序完成自動裝車過程，當裝載量達到設(shè)定值時，自動停止裝車。

3)數(shù)據(jù)采集。批控器可采集流量計脈沖信號或標準電流信號、溢油信號、靜電接地信號、閥門狀態(tài)信號以及其他與本鶴位對應(yīng)的儀表信號，并實現(xiàn)聯(lián)鎖控制功能。

4)標準的與第三方系統(tǒng)通信接口，使第三方系統(tǒng)能夠與裝車管理系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)交換。地磅稱重系統(tǒng)等可通過采用RS-485接口Modbus RTU協(xié)議接入裝車管理系統(tǒng)。

2.1.2裝車監(jiān)控管理平臺

上位機管理所有批控器，在上位機上可以實現(xiàn)系統(tǒng)配置、發(fā)貨參數(shù)設(shè)置、調(diào)試參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)編輯、發(fā)貨實時控制等，并記錄歷史數(shù)據(jù)，同時下位機實時向上位機發(fā)送發(fā)貨數(shù)據(jù)，在顯示界面上實時顯示發(fā)貨情況；故障發(fā)生時會有報警提示，還可以查詢歷史數(shù)據(jù)并打印報表。

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)主要由工業(yè)用通信卡、接口轉(zhuǎn)換器、專用通信電纜等組成，是連接現(xiàn)場控制系統(tǒng)與上位機系統(tǒng)的紐帶，可實現(xiàn)與現(xiàn)有地磅系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)的通信。

裝車軟件支持今后控制系統(tǒng)的功能擴展。還可以實現(xiàn)與批控器和質(zhì)量流量計的自診斷功能，當現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障時能及時通知操作員處理故障設(shè)備，避免裝車事故發(fā)生，提高裝置安全可靠性。主要功能特點如下：

數(shù)據(jù)采集和顯示、裝車畫面動態(tài)顯示、報警功能、趨勢圖顯示功能、發(fā)油控制功能、數(shù)據(jù)記錄及報表功能、系統(tǒng)自診斷功能、權(quán)限管理和操作記錄、客戶管理、數(shù)據(jù)維護、通信功能。開放數(shù)據(jù)庫只讀權(quán)限給ERPMES等系統(tǒng)共享業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；提供Modbus接口，同時提供標準OPC接口，供其他第三方系統(tǒng)使用。

2.1.3批控器

批控器是現(xiàn)場安裝的控制儀表，也是計量控制儀表。它直接安裝在每個裝車鶴位鶴管旁邊，通過控制閥門、采集流量計信號以及回訊信號等其他的控制信號，安全、精準、快速地完成裝車作業(yè)，并與上位計算機相連，可完成裝車數(shù)據(jù)及流量計狀態(tài)采集、報表制作等工作。具有以下特點：

1)采用隔爆型防爆結(jié)構(gòu)，防爆等級為EXdIIBT6，防護等級為IP66。

2)根據(jù)裝車操作要求，采集流量計脈沖信號、裝車控制閥以及閥位反饋信號，并設(shè)有靜電接地檢測開關(guān)接口。此外，控制器具有與中心控制室控制系統(tǒng)通信的功能，通信協(xié)議為TCP/IP-Modbus或Modbus-RTU。

3)批控器在控制器面板上設(shè)定裝車流量，控制裝車控制閥，實現(xiàn)自動裝車。控制器面板設(shè)有LCD顯示器，能實時顯示發(fā)貨的數(shù)量并顯示和記錄發(fā)貨的質(zhì)量?？刂破髅姘逶诎滋鞆姽庀履芮逦@示，并適應(yīng)環(huán)境溫度。

4)批控器具有可編程功能。根據(jù)操作要求，選擇不同類型的輸出卡件，可控制不同類型的閥門來完成裝車流程，可以控制的閥門包括：兩段閥、數(shù)字閥(或稱電液閥)或4～20 mA的模擬閥。通過內(nèi)置的裝車控制程序來調(diào)節(jié)模擬閥，實現(xiàn)分級多段控制，在0～100%開度范圍內(nèi)自動控制流量，如，低流量起動—正常流量裝車—低流量過渡—裝車結(jié)束。為防止閥門在4 mA時無法完全關(guān)死，引起控制器的報警，可以編寫特定的程序，來控制1臺額外的開關(guān)閥來保證裝車完畢時閥門完全關(guān)閉。當批控器停閥命令發(fā)出后，如果裝車量已達到預(yù)裝量，但是控制閥仍然有泄漏，則此時采用DO輸出一個信號控制開關(guān)閥。在每次裝車開始時，會首先打開該開關(guān)閥，然后由模擬閥控制裝車各階段的流量。

5)具有無流量及小流量報警功能?？梢酝ㄟ^軟件設(shè)置無流量報警和小流量限值，當輸入預(yù)裝量并開始裝車時，如果在設(shè)置的時間范圍內(nèi)檢測到無流量則產(chǎn)生報警并關(guān)閉閥門結(jié)束裝車，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)束裝車，這樣可以避免操作人員私自切除流量計電源而發(fā)生數(shù)據(jù)丟失問題。如果突然切除了質(zhì)量流量計變送器電源，控制器則無法接收流量脈沖信號，一段時間后，控制器自動認為是無流量狀態(tài)，執(zhí)行報警并停止裝車。

6)批控器具備多種報警信號的輸入與輸出設(shè)置。除接地、溢流等常規(guī)報警信號外，批控器還可以根據(jù)需要連接其他報警設(shè)備，實現(xiàn)聯(lián)鎖控制。

7)可進行氣相回收計量。在裝車過程中，批控器會實時計量回收氣體的量，等到裝車完成后，無須再扣除回收量，保證了實際裝車的準確度。

2.2 更新效果

根據(jù)項目規(guī)劃，只更新了系統(tǒng)軟件和現(xiàn)場批控器。新系統(tǒng)更新實施完畢并投用正常后，以22號～25號低硫船燃油鶴位更新前后流量計、地衡計量數(shù)據(jù)為例，數(shù)據(jù)分析對比見表1所列。

表1 燃料油鶴管定量裝車改造前后對比

該系統(tǒng)更新后，應(yīng)用效果如下：

1)表衡差率提高：0.169%-0.048%≈0.12%。

2)以更新后裝車量計算，共節(jié)省裝車量：35 081×0.12%≈42.097(t)。

3)按低硫船燃油市場價350美元/噸計(匯率按1美元=6.86人民幣)；4個汽車船燃裝車鶴位每天效益估算：42.097÷6×350×6.86≈16 845.82(元)。

3 裝車精度影響因素分析

設(shè)備可靠性和精度問題一直是定量裝車設(shè)施的痛點問題，因此分析影響定量裝車精度的主要因素尤為重要。

3.1 質(zhì)量流量計

質(zhì)量流量計的誤差對定量裝車系統(tǒng)影響較大，在裝車過程中，一定要將裝車流量控制在正常工況內(nèi)，并對影響流量計精度的因素進行檢查確認，如溫度、壓力的補償，兩相流，振動，小流量，安裝方式等。在裝車過程中，以工況的不穩(wěn)定兩相流影響最為常見，如泡狀流、團狀流、空滿空，主要成因為持續(xù)的、均勻分布的氣泡，工藝異常引起的周期性氣泡，明確的氣液交替等。裝車過程必須盡量避免并高度關(guān)注含氣工況，該工況難以測量，極易高估含氣量。氣液兩相對流量計不確定度的影響如圖2所示。當氣相比率GVF(Gas Void Fraction)小于5%時，不確定度小于1%。可見當液態(tài)產(chǎn)品裝車時，氣相比率越小、流速越大時，則測量不確定度越小，測量精度也就越高。

圖2 氣液兩相對流量表不確定度的影響示意

液態(tài)介質(zhì)夾攜氣體通常由工藝掃線、頻繁啟停泵等原因造成，一般通過安裝氣液分離罐或減小閥門開度來解決，即在掃線開始時減小流量計下游閥門的開度，提高背壓以及含氣介質(zhì)的流速，從而減少流量計測量不確定度，提高計量精度。流量計的下游必須保證合適的背壓以確保被測油品在流經(jīng)流量計后不產(chǎn)生氣穴/汽蝕現(xiàn)象。一般使流量計前后的壓差小于0.1 MPa，流量計下游的壓力大于0.25 MPa。

3.2 電液閥

由中心控制室定量裝車系統(tǒng)發(fā)出遠程指令控制電液閥的通斷，其通斷的效果會間接影響定量裝車的準確程度，低流量和最后閥門流通面積是由閥門執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)時間特性引起的“過沖量”，其主要受到電液閥響應(yīng)速度的影響。

以DN100油品管線為例，密度987 kg/m3，質(zhì)量流量qm=6 t/h(流速v為0.212 m/s)，槽車裝車量為35 t，時間為1 s，所造成的誤差為：

或者表達為

借鑒前饋控制理論，可以考慮適當預(yù)補償電液閥的過沖量，根據(jù)新系統(tǒng)自身數(shù)據(jù)庫，及時修正提前量。批控器需要對流速相對應(yīng)的關(guān)閥量提前建立數(shù)據(jù)庫，如果通過對關(guān)閥流速的測量調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)來預(yù)先解決關(guān)閥時間，這樣可以大幅減少該誤差。

3.3 批控器

批控器采用預(yù)設(shè)的邏輯控制閥門，實現(xiàn)小流量開，大流量發(fā)，小流量關(guān)的發(fā)貨曲線，減少靜電的積聚，避免水擊的發(fā)生等。定量裝車系統(tǒng)典型控制流程如圖3所示。

圖3 定量裝車典型控制流程示意

在定量裝車系統(tǒng)發(fā)出開始裝車指令后，批控器通過預(yù)設(shè)邏輯控制閥門，以實現(xiàn)上述裝車控制要求。批控器是控制系統(tǒng)的核心，從圖3可看出，裝車過程大體分為三部分，低流量啟動部分、高流速裝車部分、低流量精確控制部分，在實際裝車中，批控器根據(jù)瞬時流量和剩余的裝車量，自動調(diào)節(jié)電液閥的開度使流量保持在穩(wěn)定值，當剩余裝車量達到預(yù)關(guān)閉階段時，逐步關(guān)閥降低流量，直到裝車量達到控制給定值。該裝車過程中，減少了靜電積聚，避免水擊，實現(xiàn)安全裝車。其中批控器的精度和可靠性是關(guān)鍵，根據(jù)頻率脈沖信號無衰減的傳輸特點，通過采集流量計脈沖信號并使其無精度損失，實現(xiàn)安全、可靠、穩(wěn)定的裝車。

綜合以上因素，在質(zhì)量流量計誤差和電液閥關(guān)閉滯后誤差基本確定的情況下，應(yīng)選擇高精度可靠的批控器來滿足裝車δ<2‰的貿(mào)易交接要求。通過解決批控器的控制精度問題，可以使油品裝車從地磅交接過渡到流量計交接，從而簡化管理流程，節(jié)約運行成本。為進一步提高裝車效率和精度，還需從根本上優(yōu)化流量計測量誤差δ1。

4 改進及建議

4.1 新系統(tǒng)在裝車業(yè)務(wù)管理存在的問題

1)定量裝車過程能初步實現(xiàn)自動控制和聯(lián)鎖，但裝車泵由原PLC系統(tǒng)監(jiān)控，未能與新系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)管理、聯(lián)動控制。

2)裝車計量管理不統(tǒng)一，定量裝車系統(tǒng)、地磅稱重系統(tǒng)、裝車泵監(jiān)控系統(tǒng)獨立設(shè)置，計量數(shù)據(jù)分散且計量標準不一。地磅稱重系統(tǒng)與新系統(tǒng)雖然建立了Modbus通信，地磅稱重系統(tǒng)可以讀取定量裝車系統(tǒng)部分數(shù)據(jù)，但地磅稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)未能傳送給定量裝車系統(tǒng)。

3)原有ERP接口受限，定量裝車系統(tǒng)實裝量數(shù)據(jù)無法回傳給ERP客戶。有待于完成數(shù)據(jù)回傳功能，實現(xiàn)訂單管理的自動閉環(huán)。

4.2 裝車業(yè)務(wù)流程存在的問題

1)目前訂單號需要操作員手動輸入，在車輛較多時效率會降低，建議增加一卡通，將地磅稱重數(shù)據(jù)接入定量裝車系統(tǒng)，從進廠稱重開始制卡，綁定從ERP取回的訂單數(shù)據(jù)；司機持卡自行至現(xiàn)場刷卡即可裝車；裝車完成后刷卡稱重結(jié)算，并交回卡片。

2)相對于現(xiàn)有的人工呼叫啟泵及人為控制錯車不停泵操作，需將泵啟、停信號接入裝車系統(tǒng)，將大幅提高裝車效率，降低操作人員工作量。

3)在現(xiàn)場工藝條件允許的情況下，增加泵出口必要的裝車循環(huán)線，以確保裝車介質(zhì)工況穩(wěn)定，降低δ1。

4)裝車作業(yè)過程缺少連貫性，人員身份識別、數(shù)據(jù)錄入過程等需手動參與環(huán)節(jié)偏多，需要進一步提高自動化水平。

4.3 工藝流程及配套設(shè)施

現(xiàn)有液態(tài)烴產(chǎn)品的裝車流程為1臺機泵對應(yīng)多個鶴位，且機泵未設(shè)變頻控制和壓力返回線，無法滿足裝車壓力穩(wěn)定的要求。裝車過程機泵頻繁啟停，導致頻繁出現(xiàn)低流量報警，批控器停裝現(xiàn)象，不僅使裝車操作變得被動，而且使質(zhì)量流量計測量精度受到影響，需完善裝車公共配套工藝流程。

部分鶴位采用了兩段式電液閥，該類閥門適用于一般不易揮發(fā)的油品裝車，只有小開度和全開兩個位置可以控制，由于現(xiàn)場部分兩段式閥門小開度無法調(diào)節(jié)，導致開始裝車時和裝車末段的小流量控制階段流速過大，除了有安全風險外，會導致裝車末段控制精度問題，只能通過增大裝車末段小流量控制階段的時間，導致裝車效率較低。

對于易氣化的化工品裝車鶴位，如丙烯、丙烷等，存在如下問題：

1)由于介質(zhì)易氣化，每次啟動泵時會存在管道壓力不穩(wěn)現(xiàn)象，導致泵不易啟動，且啟動后存在管道介質(zhì)不能滿管現(xiàn)象，對最終計量精度有影響。

2)閥門為電液閥，但是沒有壓力變送器，無法檢測質(zhì)量流量計所需的穩(wěn)定背壓，最終影響δ1。

3)沒有使用氣相回收管線，在裝車末段時因產(chǎn)品氣化導致罐車壓力上升，壓力過高而無法順利完成預(yù)裝量，氣溫較高的夏季尤為明顯。

4)大部分裝車鶴位目前沒有防溢油探頭，為防止裝車設(shè)施故障時導致油品溢出，影響安全環(huán)保，防溢油檢測是必不可少的保護措施。

5 結(jié)束語

新的定量裝車系統(tǒng)投運后，提高了裝車效率，降低人員工作量。后續(xù)，應(yīng)將機泵監(jiān)控系統(tǒng)整合到該系統(tǒng)平臺中，實現(xiàn)裝車過程和機泵控制協(xié)調(diào)管理、聯(lián)動控制；逐步擴展自動化功能，完善工藝流程和裝車業(yè)務(wù)流程，從ERP下單、門禁管理、排隊叫號、裝車出廠全流程實現(xiàn)智能化裝車。大幅簡化人員現(xiàn)場手動操作環(huán)節(jié)，減輕勞動強度。提升罐區(qū)裝車自動化程度，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷，并為裝車管理和智能診斷一體化解決方案提供軟硬件平臺。最終實現(xiàn)以質(zhì)量流量計進行貿(mào)易交接的高效、安全、智能的定量裝車一體化控制。