基于计算机网络的化工流量在线系统

苏 驰，吴丽娟，黄 刚

（中昊鸿鹤化工计控分公司，四川自贡 643000）

随着化工生产规模的扩大，对天燃气、蒸汽、水等原料的贸易结算和能源调度管理有了更高的要求。目前，广泛采用节流元件与流量积算仪组成的流量计量系统，由于受其本身功能的制约，且计量点位置分散，数量较大，不可避免地会引入计量误差，且无法满足全面的数据管理、历史数据的保存和报表输出等要求。当供求双方发生贸易纠纷时，也无法提供历史工况和相应数据。

为了满足生产调度及时性需要和能源管控及贸易结算要求，构建了对关键过程的物料流量数据和与物料流量计量相关的工艺参数进行实时监控并做必要数据处理的监控系统，通常简称为流量监测系统或在线监测系统。

由于计算机在数据库技术、数据处理及数据报表等方面的强大优势，中昊鸿鹤化工计控分公司将主要工艺消耗指标及在线供给的内外结算物资均纳入了在线流量系统的管理。

1 在线流量系统的构建与组成

1.1 在线流量系统的总体架构

1.1.1 系统的组成

在线流量系统划分为天然气系统、水系统、蒸汽系统、工业氯气在线系统和二氧化碳流量系统五大板块，包含了流量在线监测、上位机采集与数据传输及中心数据库三大子系统。子系统及网络结构见图1。

1.1.2 流量系统的功能

该在线流量系统除实现对实时数据的采集、演算、自动补偿、自校正、自诊断外，还可按照上位机的控制程序，实现对采集数据的报警输出、数据整理、历史数据归档、趋势图生成，定时报表输出等一系列的调度管理辅助功能。由于实时数据同步上传到中央机房的数据库，如有需要，只要在该公司生产网内任意计算机上，安装客户端软件，均能调阅实时及历史数据及曲线查询和打印报表。在很大程度上，提高了生产调度管理的及时性和准确性。系统功能结构见图2。

1.2 流量子系统的构建与组成

1.2.1 流量子系统的组成

该公司在用流量子系统包括现场一次检测仪表、安全栅（配电器）、流量积算仪、通讯适配器、集线器等。其中，选用的一次仪表根据工况和工艺介质的差异有所区别，流量检测设备主要包括楔形流量计、标准孔板、均速管流量计、超声波流量计等，辅助检测设备包括用于温压补偿的压力变送器和温度检测元件。

图1 子系统及网络结构图

1.2.2 流量子系统的构建

流量子系统的构建以智能流量积算仪为核心，按计量的物料类型分别内建不同的补偿模型。如天然气计量按“YS/T6143-1996”规程要求建立了温度压力补偿模型。其积算仪系统具有数据累计及掉电累计数据保护功能，保证在上位机系统因故通讯中断或流量子系统异常掉电时，保证流量仍可连续累计，原有累计数据不丢失。流量子系统硬件构成见图3。

1.3 上位机子系统

1.3.1 软、硬件组成

现有采集终端（上位机）软、硬件配置见表1。

表1 上位机软、硬件配置

操作系统：WINDOWS xp；

应用软件：成都电子研究所开发的在线监测系统。

上位机子系统根据计量点相对集中的原则进行布置。考虑到通讯适配器地址的限制，1台上位机最大覆盖30个计量点为宜。上位机主机通常安放在控制室以方便监控，目前，设置上位机5台，分别位于配气站控制室、热电调度室、冷冻控制室、合成新系统控制室和合成老系统控制室。

1.3.2 系统原理

每个流量点的压力、差压信号由变送器转成4～20 mADC或1～5 VDC直流信号后，接入本系统输入端子，屏蔽层可经汇流排接地，热电阻（三线制）则直接接入系统输入端子，接入的信号经压力配电器，差压配电器及温度变送器隔离后，输入SLQ-01智能流量仪，每个流量点对应1台流量仪。流量仪则按照SY/T6143-1996行业标准，对天然气流量进行计量，并用数码管在面板上实时显示累计流量、瞬时流量及压力、差压、温度的测量值。各个流量点的流量仪都挂在系统的RS-485标准串行总线上，与上位工控机连接。同时，计量现场的各个数字智能流量仪也可以挂在RS-485总线上接入上位工控机，上位工控机对各流量的各种参数进行管理，以曲线、表格、流程图等各种形式显示所有流量点的各种参数，并自动生成各种报表。上位机还可以经调制解调器接入企业局域网，实现生产的集中管理。

1.3.3 系统功能

（1）系统能以每秒200次的频率对流量信号（压力、差压、温度）进行采集，并对采集到的参数进行多种滤波处理后，供流量计算，本系统的采样周期不受采样点数量的影响。

系统流量计算为1 s，流量计算程序按照YS/T6143-1996《天然气的标准孔板计量方法》标准编制并经验证。流量计算周期不受计量点数量的影响，实时性强。

系统的数据输出有数据列表、动态流程图显示、定时报表和历史数据记录等形式，且数据以数据包的形式对中心服务器进行传送。

系统具有双重密码功能，黑匣子记录功能，双重备份功能。

1.4 中心服务器系统

中心服务器为DELL 4600，软件版本为WINDOWS NT6。中心服务器提供按用户要求格式、方法进行归档的数据保存功能，并具备对企业内部生产网上的任一监控主机以广播方式进行数据发布功能，实现公司内部主要资源指标数据共享。目前，该公司各生产单位及调度管理部门已安装客户端软件四十余台，极大地方便了公司内部的生产调度管理和能源计量的需要。

2 流量系统主要问题的处理及设计方案

2.1 常见通讯故障的处理

2.1.1 流量系统客户端故障

在计算机上观察，某个或多个计量点数据有错误或不变，判断对应的上位机出了故障（死机、网络不通）。如计算机未死机，而且上位机所有计量点都正常，则可以判断为该上位机网络出现故障。点击开始菜单-运行，输入ping 192.16.1.2-t，观察网络是否正常。如果网络不正常，联系管理信息处检查网络故障。

2.1.2 流量系统上位机故障

如上位机某个点数据无显示或不变，观察该点对应的二次表的瞬时流量、压力、温度是否正常显示。如果显示正常，可以确定二次表的通讯模块或通讯适配器上对应该点的通讯模块有故障。处理办法为，更换通二次表的通讯模块或通讯适配器上的通讯模块来恢复。

当上位机出现流量系统死机故障现象，无法链接数据库数据时，需重新建数据库。点击上位机数据库注册工具，打开userdefine.Mdb文件，重新链接相应的数据库。重新链接完后，备份该文件，重新启动计算机。

2.1.3 流量系统报表故障

子公司电脑上的客户端无法生成报表时，检查该公司电脑是否网络畅通，点击“开始菜单-运行”，输入“ping 192.16.1.2-t”。如果网络有问题，则无法生成报表；如果网络没问题，可能是服务器没有把报表数据解包传给每个子公司客户端。

进入服务器，点击“开始菜单-运行”，输入“FTP://192.16.1.2”，观察服务器内是否堆积了很多无法解码的数据包。如果有，把堆积的数据包删除后，在上位机重新上传数据包。如果上述处理后，服务器仍不能分解数据包，需联系管理信息处重新启动服务器。

2.2 输差修正与补偿

2.2.1 温压补偿原理

从公式（1）和公式（2）中可以看出，在 ΔP或 If不变的情况下，流体的流量与流体的密度成开方关系或正比关系，而大多数流体（尤其是气体）的密度会随着工况条件的变化而变化，所以，流体的密度要进行温度、压力补偿。

一般气体

根据理想气体状态方程，一般气体的密度ρ与压力P成正比，与温度T成反比，并有如下关系：

式中，P0为大气压力，0.101 3 MPa； ρ0为标准状况下的气体密度；ρ1为工况；压力为P1；工况温度为t1时的气体密度。

2.2.2 过热蒸汽和饱和蒸汽

过热蒸汽与饱和蒸汽都是采用查表和线性插值的方式进行补偿。软件表格根据南京工学院编著的《具有火用参数的水和水蒸汽性质参数手册》编制。

2.2.3 温度线性补偿和压力线性补偿

温度线性补偿公式为ρ=At+B

压力线性补偿公式为ρ=AP+B

式中，A为线性系数；B为常数；t为温度，℃；P为压力，MPa。

2.2.4 温压补偿范围

过热蒸汽的补偿范围为，压力：0.1～16 MPa(表压)，温度：140～560℃。 ；饱和蒸汽的补偿范围为，压力：0～16 MPa(表压)。

2.2.5 引入温压补偿的效果

2001年以前，川南气矿输送到厂区的天然气输差达到10%，每天的用气量达到45万～50万m3，带来每天近十万元的经济损失。在完成温压补偿的技术引入后，天然气输差降低到3%以下。同时，也将该公司内部蒸汽输差由超过10%降至目前的2%以内。

2.3 双向流量的补偿计算

2.3.1 双向流量计量的目的

在现实生产中，某些流量计量装置不仅要求能够实现对正向通过的介质进行计量，还要求在特定的条件下对反向通过的工艺介质进行计量。例如，在合成氨等生产工序中，在开车过程中需要外供蒸汽，但在进入正常生产阶段，却又对外供给蒸汽。因此，为了避免重复投资，针对其蒸汽的结算计量仪表就要求具备双向计量能力。

2.3.2 实现双向计量的步骤

（1）双向计量仪表的选择。双向流量计量是一个特殊的流量计量任务，目前，市售的双向流量计有容积式流量计、涡轮流量计、热式流量计等很多种，因该公司计量系统中双向流量的计量主要是蒸汽，而蒸汽温度高、无自润滑能力，管径一般较大的缘故，无法使用这几种流量计。

因此，主要从超声波流量计、双向孔板、楔形流量计、菱形截面阿牛巴流量计等检测仪表中进行比选。通过对上述仪表优缺点的对比和性价比分析，结合实际需求和长期维护需要，选用楔形流量计作为双向计量的一次元件，并以其作为后续实施设备。

（2）测定流出系数。虽然楔形流量计是基本对称结构，但由于尚未标准化，产品需要做性能检定，必须根据《JJG640-1994》对楔形流量计进行正反2个方向流出系数的检定。

（3）计量瞬时流量。使用差压变送器测量楔形流量计的压差，当介质正向流动时，测得压差为正压差；当介质反向流动时，测得压差为负压差。在实际测量时，需对变送器的量程进行必要的迁移，并将测量值输入计算机进行数据判别，如只需要进行数据累计，也可直接计负值累计扣减即可。计算公式如下［1］：

式中：qv—体积流量，m3/s；C正—正向流出系数；C负—反向流出系数；ε—可膨胀性系数；m—节流面积比，；S1—弓形流通面积，m2；D—管道内径，m；△p正—正向流量差压，Pa；△p反—反向流量差压，Pa；ρ—被测介质密度，kg/m3。

S1的计算：

（4）目前，该公司主要依靠以智能流量积算仪为核心，依据计量的物料类型分别内建不同的补偿模型，并与其他网络设备构建的流量子系统完成流量数据的积算和累计功能，累计数据传送到PE5200工业控制计算机进行归档、保存和进一步的处理。

3 结语

引入流量在线监测系统后，满足了调度中心和各生产单位的生产调度准确性和及时性的要求，为调度和能管工作对各能源消耗指标实时数据查询和历史数据的追溯提供了基本的设施保障，在一定程度上，促进了计量技术的进步和发展，加快了信息化与工业化融合的步伐。

［1］国家质量技术监督局.JJG640-94常用计量检定规程汇编.北京：中国计量出版社，1995.