定量装车控制系统在液体产品装卸中的应用

石英春，张维宁，毕宏伟

（1辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司，辽宁阜新123000；2辽宁省煤制天然气工程技术研究中心，辽宁阜新123000；3辽宁省煤制天然气工程研究中心，辽宁阜新123000；4辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司企业博士后科研基地，辽宁阜新123000）

应用技术

定量装车控制系统在液体产品装卸中的应用

石英春1，2，3，张维宁1，3，4，毕宏伟1，2，3

（1辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司，辽宁阜新123000；2辽宁省煤制天然气工程技术研究中心，辽宁阜新123000；3辽宁省煤制天然气工程研究中心，辽宁阜新123000；4辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司企业博士后科研基地，辽宁阜新123000）

分布式定量装车系统可分为火车装车系统和汽车装车系统，其系统主要由上位机系统，现场定量装车仪及现场仪表两部分组成。自动定量装车控制系统在石油化工液态产品装卸过程的应用，可以提高装车精度和加快装车速度，避免反复多次装车；减少人工工作强度和操作人员数量；实现自动关阀、停泵，实现自动化装车生产。

定量装车控制系统；定量装车仪；流量计；装车鹤管

Abstract：Quantitative loading system of distributed loading system can be divided into the train and car loading system，the system is mainly composed of host computer system，quantitative tanker－filling instrument and field instrument composed of two parts.Quantitative automatic loading control system application in petrochemical liquid product loading and unloading process，to improve loading accuracy and speed up the loading speed，avoid repeated loading；reduce the manual effort and the number of operators；for automatic closing valve，pump，automated loading of production.

Key words：quantitative tanker－filling control of quantitative loading system；instrument loading cranes；flowmeter；tube

石油化工企业及储运油库，其日常的生产原料、成品的装车 （火车罐车、汽车罐车）、码头装船作业都十分繁忙，为了克服人工操作、管理带来的弊端，减少环境污染、提高储运管理作业的效率和石油化工企业的整体效益，以适应经济发展的需求。石油化工企业迫切需求机械化自动化程度高、安全可靠性好、便于操作维护的储运装车自动化系统。

1 系统概述

分布式定量装车系统可分为火车装车系统和汽车装车系统，有独立的火车装车自动控制系统和汽车装车自动控制系统，也有火车、汽车均包括的集中装车控制系统，其系统主要由上位机系统、现场定量装车仪及现场仪表两部分组成。整个系统采用二级布网方式，一级网采用以太网，操作站连接厂管理部门局域网，为RealMIS／ERP或DCS系统提供接口，接受厂管理部门业务指令并将装车数据回传管理部门，另外操作站同时通过以太网连接协议转换器，与现场的装车控制仪通讯，操作站可互为冗余功能。第二级网采用RS485串行通讯网，由现场各装车仪相连，通过光纤或电缆上传至装车控制室［1］。形成以厂管理部门为集中监控单元，定量装车仪为分散独立控制单元的集散控制系统，实行整个系统监控管理集中、控制风险分散的目的，保证系统安全、环保、可靠、高效地运行。

2 分布式定量自动化装车系统的构成原理

一般装车控制系统是采用两级主从分布控制系统。由一台或多台用于 “集中管理”的PC机 （上位机）和安装在装车台现场的若干台用于 “分散发油控制”的下位机 （即定量装车控制仪）组成，下位机与上位机之间通过RS485通讯网络或工业以太网及相应的通讯协议来达到数据采集、装车管理和流程控制的功能［2］。

系统工艺流程及控制原理如图1所示。

图1中，自动装车控制系统的工艺流程包括一些数据采集设备、控制设备、安全保护设备。分别如下。

（1）流量计 一般采用质量流量计 （或螺旋转子体积流量计）。流量计的流量信号输出一般为脉冲输出。装车控制仪采集其流量信号完成对已装车量的计量，流量计的精度直接影响整体装车系统的精度。

（2）阀门 为消除装车过程中出现 “水击”现象，提高装车的精度并满足国家装车安全标准要求，装车系统控制阀一般选择气动两段切断球阀，阀门受装车控制仪控制。

（3）消气过滤器 为一种安全保护设备，用于过滤液体中的一些杂质以免损坏流量计和阀门，一般常配置在体积流量计系统中。

（4）防溢开关 是一种防止装车过量而冒罐的安全保护装置。

（5）静电接地夹 与大地连接，将槽车上的静电倒入大地。当接地夹与槽车接触不良时其触点信号进入装车控制仪，装车控制仪将输出控制信号自动停止装车。

（6）可燃气体探测器 在装车现场检测挥发性气体是否在要求标准范围之内，如果一旦浓度超标，则发出报警信号给装车仪和上位机，输出信号命令停止装车。

（7）付油泵 是装车的动力装置，其起、停受装车控制仪控制。由于泵一般为强电供电，所以其起停控制信号必须先发到电气开关柜，然后再由电气开关控制输出。

（8）装车鹤管 是实现装车的主要设备之一，物料通过装车鹤管输送到槽车之中，配套活动梯，供操作工人进行鹤管对位。

（9）定量装车控制仪 是实现定量自动装车的核心设备。其主要功能是对装车过程进行程序控制和安全联锁。

分布式定量装车系统典型拓扑结构见图2。

图1 系统工艺流程及控制原理

图2 装车管理系统解决方案

3 分布式定量装车控制系统基功本能

操作站用于工艺流程的操作及监视，设备状态的监视、设备故障的监视及确认，图形化动态显示，现场检测点的显示、检测和报警，工艺参数的设定、阀门的远程控制、过程趋势的显示及存储、故障及生产报表打印等［3］。

3.1 票据功能

系统可以根据业主要求提供各式各样的单据，方便业务管理。

装车计划单：销售车间给装车控制室提交相关车辆的装车计划。

卸车计划单：销售车间给装车控制室提交相关车辆的卸车计划。

产品交款单：提货单位在销售车间的交款单据。

装车通知单：装车控制室给司机出具的装车通知单。

出货单：装车完毕后装车控制室给司机提供的出货单据。

3.2 报警功能

系统可以产生以下几类报警。

工艺过程报警：包括绝对值报警、偏差报警、变化速度报警等。

故障报警：包括诊断报警和后备硬件故障报警等。

连锁动作报警、紧急停车报警：当发生紧急情况按紧急停车按钮时报警。其它自定义的报警如下。

报警可以根据严重性和轻重缓急划分不同的报警级别，不同级别的报警具有不同的表现形式。报警在监控系统上可有以下几种表现方式。

文字提示：在发生报警的位置和报警画面上均以文字显示相应报警信息。

颜色变化：在发生报警的位置和报警画面上以不同颜色标识不同的报警。

声音报警：发生报警时，系统将以音响形式反映报警。

闪烁：在发生报警的位置，相应的测点对象闪烁，提示操作人员此处发生报警。

3.3 数据存储和处理功能

对于实时测点数据、操作记录、报警记录等，监控系统均可自动登录到数据库中。在数据库中这些数据还可分类存储在不同的表格中，按不同的要求排序等。

3.4 连锁及生产过程操作控制功能

在操作站能对现场被控设备如阀门等进行控制，实现罐区自动化管理。具有良好的人机界面，所有控制命令均有信息提示。当某些参数报警并处于紧急情况时，系统可产生连锁，自动切断相关设备。

3.5 报表生成及打印功能

操作站上位机软件提供报表编辑工具，可根据用户需要定制生成各类报表并可打印输出。系统可生成以下几类报表。

①即时报表；②定期报表；③报警汇总报表；④操作记录报表；⑤系统维护报表。

3.6 操作安全

操作站设计3级以上操作口令，不同的操作员具有不同的操作员代码和口令，口令和操作代码可修改。系统的一些重要的相关操作均要验证操作员代码和口令，这些操作发生时系统将自动记录操作员代码、操作开始时间和结束时间以及操作内容。对于一些日常操作，系统也会给出相应提示。

3.7 趋势数据输出功能

操作站的实时数据可历史趋势数据可转换为标准的PC格式（如＊.TXT、＊.DOC及＊.DBF）等数据文件格式输出。

3.8 通讯

如果安装相应的软件组件Webview Server，其它系统可通过IE等浏览器浏览监控系统和数据。

典型装车操作流程如图3。

4 装车系统部件选型及特点

定量装车控制仪主要选型有基于PLC结构的装车控制仪和基于单片结构机的装车控制仪，一般优先选用基于PLC机构的定量装车控制仪，其中基于PLC机构的装车控制仪特点如下。

（1）高可靠性 采用技术成熟、性能可靠的工业级产品，其核心控制器采用工业上常用的可编程控制器，液晶显示和键盘输入部分采用进口一体化液晶操作终端，上位机监控软件采用成熟的工控组态软件，使得该产品能够更高的先进性和可靠性。

（2）多重安全设计 达到EXD（ia）iiBT6级防爆标准；装车前和装车过程中自动检测接地信号，没有安全接地时会禁止装车操作；设置多级操作权限，满足操作权限方可进行参数设定或操作；具有设备自诊断和报警功能。

（3）灵活的联网功能 提供以太网和RS485网两种通讯选择。

图3 典型装车流程图

采用以太网时，通讯协议为过程控制中常用的开放的Modbus TCP／IP协议，网络通讯速率高达10Mbps，远高于普通RS485网络（600～115200 bps）。根据需要，也可以选用RS485网络，RS485网具有很强的抗干扰能力，通讯距离最远可达1200米。

（4）易于维护和使用 系统硬件采用模块化设计，各模块安装简便，易于维护；软件采用图形化中文界面，易于操作。

（5）远程和就地两种操作方式 提供远程操作和就地操作两种操作方式。当操作方式设定为远程时，只允许在远程管理计算机上修改工作参数，进行装车作业；当操作方式设定为就地时，只允许在就地装车仪上修改工作参数，进行装车作业，同时在远程管理计算机上同步显示所有工作参数和设备状态。

4.1 流量计选型及特点

定量装车控制系统可选用高精度质量流量计或容积流量计、速度式流量计等，常用为质量流量计和容积式流量计。

（1）质量流量计 可直接测质量，还可同时测量密度、温度、体积；测量精度高，最高可达0.1%，维护量小，其缺点是价格高，可选品牌有艾默生、E＋H、ABB以及太航、大陆利达等品牌。

（2）容积式流量计 优点是精度高，可达0.2%，重复性好，缺点是测量高黏度介质容易磨损，维护量大，只能测量体积强腐蚀性介质价格高，制造难度大，可选品牌有：布鲁克斯、布鲁迪、重庆耐德、上自仪等。

（3）阀门的选型及特点 装车控制的两段或者多段阀通常选用气动两段阀或者多段电液阀。

（4）气动两段切断球阀 组成：三位式气动执行器＋阀体＋ASCO电磁阀＋回讯器＋过滤减压阀。优点：关、断速度快，维护量小。适用各种介质：黏稠和腐蚀性强均可，其控制效果好，但是必须要有气源。

4.2 其它辅助部件选型及特点

（1）静电、溢油保护器 JY型溢油静电保护器用静电接地夹检测静电接地连接状况，静电接地良不能装车；用探头监测液位安全高度，液位到达预定安全高度提供声光报警，同时输出相应信号给装车系统；装车现场直接从装车仪取24VDC电源，适用于应用集散式装车系统。防爆等级为Exd（ia）IIBT4，可在防爆区域使用。

（2）可燃气体探测器 采用列智能传感器，内置微处理器，即插即用，智能传感器采用标准化接口，可实现现场带电热插拔及异地标定检测，内置自动校验归零及自动补偿程序，具有精度高，线性好等特点，设有液晶显示屏，显示%LEL测量值，内置简单的标定、自动校验归零及自动补偿程序，配有红外遥控器，在现场不用开盖即可设定及编程，内置16位微处理器，独有的aegis软件技术，标配三线、二线4～20mA接口，可选配四总线接口或3个报警继电器输出，低能耗、极少的维护要求，防爆设计，防腐蚀外壳，可用于工厂条件的1区、2区危险场所，全面的探测器故障自诊断功能，质谱仪标定，可检测大部分有毒有害气体，受温度、风、粉尘及潮湿影响最小。

（3）装车鹤管 （陆用输油臂） 鹤管是由转动灵活、密封性好的旋转接头与管道串联起来，用于槽车与栈桥储运管线之间，进行液体介质传输作业的设备。关键部件旋转接头，采用精密数控机床加工，内藏双滚道支承结构，转动灵活，轻便可靠。外圈选用合金钢、内圈选用不锈钢或衬聚四氟乙烯，保证其能够安全、可靠的用于高温、低温、强腐蚀性的介质。密封圈采用增强聚四氟乙烯材料，内衬不锈钢弹性支承环、密封经抛光处理，具有优越的自润滑性及超强的耐腐蚀性。

工作流程：槽车到位、进入鹤管的水平对位范围以内，随后进行鹤管精确对位，当垂管进入最低位置时，密封盖已压紧槽车口，此时可以启动定量装车控制仪，开泵、开阀，开始进行物料的定量装车。

用途：适用于原油、渣油、沥青、粗粉、重油、焦油等流动性较差的介质的汽、火车顶部装卸，导热介质可用蒸汽或导热油，也可采用电伴热。也可以适用于汽油、柴油、笨等各类不用伴热的介质。

性能特点：可选用液压驱动系统、手动驱动系统，动作平稳，运动速度可调，密封性好，无泄漏，安全可靠，操作方便；与槽车对接选用汽缸压紧，密封帽与灌口始终处于最佳密封状态，无气体泄漏，不污染空气；垂管上下作用力小，无负载；双滚道的旋转接头及带弹性卡的密封圈保证装卸介质不泄漏；随遇平衡的弹簧缸平衡器使装卸臂操作轻便、省力；装卸过程中，在槽车正常移动范围内与槽车随动；装卸臂收容状态时，锁定与槽车行进方向平行，占用空间小。

部件组成介绍：①立柱。为使管道受力合理化，用于支承装车臂的重量，分散旋转接头载荷，安装稳固。立柱与栈桥装配时可以采用螺栓连接或焊接。②内臂锁紧。用于内臂在收容位置时，将臂锁紧在该位置，这样可以防止因为大风环境或因非操作人员操作而使臂或周围建筑受损。③接口。是装车臂与管线的连接部分，一般接口与管线之间采用法兰连接。④旋转接头。用于装车臂的旋转运动，满足正常使用范围 （包络范围），常规鹤管采用4只或5只旋转接头，以实现三维运动及法兰接口的对接。⑤内臂。连接接口与外臂之间的部分，可在水平面上回转。⑥外臂。为鹤管的主体部分，可以实现水平方向360°，垂直方向75°范围的回转。⑦气相管 （AL1412型）。采用与鹤管的相同的结构形式或软管形式，导出挥发的气体介质。⑧垂管。实现装卸臂伸入槽车内，铝合金垂管克服了钢质材料与罐车碰撞可能产生的危害。采用自动伸缩套管，用于液下装车，减少产生气体的挥发，减少产生静电的危害。⑨密封帽。采用耐油橡胶制作的气囊式密封冒，装于垂管上端，阻止油气从槽车口溢出。随着灌内气体压力增大，密封冒与槽车密封面的密封效果更好。 （槽车在装车的过程中，随着液体重量的增大，槽车也会下降，密封冒随着槽车的灌口下降而自动延伸。）⑩平衡系统。用以平衡外臂及垂管的重量 （臂内无介质平衡），这样使得臂操作灵活、轻巧。平衡系统为弹簧缸，缸内弹簧为压缩弹簧。（11）短路阀。真空短路阀确保残余介质从鹤管中排空。

5 结 语

通过自动定量装车控制系统在石油化工液态产品装卸过程的应用，可以提高装车精度和加快装车速度，避免反复多次装车；减少人工工作强度和操作人员数量；实现自动关阀、停泵，实现自动化装车生产。同时提高企业管理水平，规范装车控制流程，实现装车过程的监控 （远程、就地、网络）；实现数据的实时存储；实现个各类生产报表的实时和定时生成；实现数据的网络共享和与ERP现代管理软件接口。还增强了生产与物资的安全性，实现静电连锁，防止火灾及爆炸等事故的发生；实现防溢流连锁，防止冒罐带来的物料损失和人身伤害；防止 “水击”等类似事故；也可避免用传统地磅计量带来的物料偷盗及管理问题；采用多级管理，防止错装。

总之，通过自动化定量装车系统的应用不但取得了良好的经济效益和管理效果，同时也响应了国务院安全生产监督管理委员会办公室安委办〔2008〕26号文 《进一步加强危险化学品安全生产工作的指导意见 》要求通过装备集散控制和紧急停车系统，提高生产装置自动化控制水平的要求，使企业的安全生产得到更好的保障。

［1］ 马丁.西门子PLC常用模块与工业系统设计实例精讲［M］.北京：电子出版社，2009.

［2］ 李耀东 .汽车装车系统的自控设计 ［J］.石油化工自动化，2007（1）：21.

［3］ 邓洪龙.自动装车系统的设计与应用 ［J］.氯碱工业，2010（4）：42－43.

Quantitative tanker－filling control system applied in petrochemical liquid products in the process of loading and unloading

SHI Yingchun1，2，3，ZHANG Weining1，3，4，BI Hongwei1，2，3
（1Liaoning Datang International Fuxin Coal－to－SNG Co.，Ltd，Fuxin 123000，Liaoning，China；2Liaoning Engineering Technology Research Center of Coal－to－SNG，Fuxin 123000，Liaoning，China；3Liaoning Engineering Research Center of Coal－to－SNG，Fuxin 123000，Liaoning，China；4Liaoning Datang International Fuxin Coal－to－SNG Co.，Ltd，Postdoctoral Programme，Fuxin 123000，Liaoning，China）

及联系人：石英春（1972—），男，工程师。E－mail dqsyc＠163.com。