定量装车控制系统

严铭杰 王 刚 王东伟 姜凯军 楼檑鸣

（浙江中控自动化仪表有限公司）

目前国内较多企业涉及储运业务（例如油品和化学原料的储运），但是在装车业务设计时没有配备计量仪表、设计IC卡管理等，主要通过人工开关泵、阀，采用地磅称重的装卸方式，装卸车操作基本处于手动操作，没有相应的计量仪表与定值控制，经常出现多装退油、少装二次补油等情况，严重影响装车进度；出入库管理的流程环节中，数据由纸质单据传输，不能及时记录到数据库中，无法形成报表供历史数据查询；靠人眼观察槽车装载量，缺少防静电防溢流控制器、急停按钮等设备，未实现安全保护联锁。

为了实现以公司监管部门为集中监控中心，从而达成整个装车业务集中监控、统一管理、降低风险的目的，保障企业生产的安全性和高效性，设计定量装车控制系统，以上位机软件和批量控制器为核心，与流量计、阀门、温度变送器、防静电防溢流控制器通过电信号传输或者通信的方式，采集信号并进行处理，合理控制阀门和泵，达到安全生产、有效预防、形成记录的目的［1］。

1 业务流程

储运业务定量装车业务流程分为开票下单及制卡、过皮重、装车、过毛重和结算（图1）。

1.1 开票下单及制卡

空罐槽车进厂之前，槽车司机先到营业大厅进行业务信息录入，开票员根据ERP系统验证槽车司机信息后开票，或根据槽车司机提供的提货单信息开票。输入涉及装车的基本信息，包括装车单号、客户单位信息、槽车司机信息、油品信息、预装量、车辆信息、分仓数量和每个仓的预设量，然后存储到数据库，形成一条装车开票业务记录。开票员根据数据库中的装车开票业务记录，将开票信息写入IC卡，并打印出提货单一同交付给槽车司机。

1.2 过皮重

槽车司机得到进厂许可之后，如果是地磅结算，则司机将槽车开到地磅称皮重，地磅上位机记录皮重数据，然后槽车开到提货单指定鹤位装车；如果是流量计结算，就可以直接将槽车开到提货单指定鹤位装车。

1.3 装车

槽车到达指定鹤位后，先接好静电夹，根据分仓情况选择第1仓，然后插入鹤管、油气回收软管和溢流探头。

操作人员在批量控制器上刷IC卡，批量控制器识别IC卡内的鹤位号、物料等信息，与上位机比对是否允许装车，比对信息无误的情况下，批量控制器将显示从数据库读取的预装量、单位及单号等信息。

图1 定量装车系统业务流程

操作人员确认数据和操作准备就绪可以装车后，按“开始”键启动装车，同时启动泵（此信号也可不接入批量控制器），此后批量控制器根据定量装车控制逻辑延迟一定时间（可设定）开启阀门，下装或底部密闭装车，同时关联打开气相控制阀。

装车过程中，当实装量到达预装量时自动停泵，延迟一定时间（可设定）后关闭阀门，待流速为零时结束装车。

操作人员确认鹤管内无流量后从槽车上取下防静电夹，将鹤管、油气回收软管和防溢流探头归位。

1.4 过毛重

根据装车模式，如果是地磅结算装车模式，则司机将槽车开到地磅过毛重，地磅上位机记录毛重数据；如果是流量计结算装车模式，则司机将槽车开到业务室进行结算即可。

1.5 结算

装车过程结束后，司机到业务室进行正式结算。上位机自动获取流量计计量的装车实发量与汽车衡净重数据并进行比较，若在正常误差范围内，即可办理正式结算，同时回收IC卡，交付给司机发货单；若超出误差范围，则人工查找原因，复检无误结算后，司机拿到发货单才可出厂。

2 系统结构与网络框架

定量装车控制系统采用的是客户端/服务器（C/S）结构模式，网络基于企业内部局域网+VPN专网。整个系统采用二级布网方式。第1级网采用以太网，即客户端与服务器之间采用TCP/IP网络协议进行连接和通信，由客户端向服务器发出请求，服务器端响应请求，并进行相应服务；同时，服务器连接公司内部局域网，为ERP、MES或DCS等第三方系统提供数据接口。第2级网采用RS485通信，现场批量控制器每4台分成1组，通过RS485串口服务器将通信转换成以太网（TCP/IP），再经由工业以太网交换机接入一级网［2～4］。

定量装车控制系统由上位机（PC机）、下位机（批量控制器）和现场仪表设备3部分组成，采用分布式控制结构，如图2所示。

图2 定量装车系统结构简图

2.1 上位机

上位机系统包括业务管理操作站、工作台、交换机、IC卡读写器、网络服务器及报表打印机等。上位机管理系统通常安装在营业大厅。业务管理操作站安装有装车系统集成软件和数据库，其核心是实时装车数据的采集、存储和分析，并以PID流程图展示，监控整体装车流程，数据库管理，生产报表与业务单据的生成、查询和打印等。同时，装车系统集成软件可通过OPC通信接口将装车业务数据传输给ERP、MES或DCS等其他第三方系统［5］。

2.2 批量控制器

批量控制器是分布式装车系统的现场核心控制设备，用以采集流量计、防静电防溢流控制器、阀门反馈及鹤管归位等信号，对装车过程进行程序控制、静电与溢流联锁、泵阀联锁控制。批量控制器也可以以单机模式独立运行，通过密码权限采用人工干预作业；也可以通过RS485通信接口与上位机进行联网实时通信，实现远程装车，将现场信息集中到业务室进行有效管理。本地或远程两种控制操作模式下均可实现安全、环保、高效定量装车［6，7］。

2.3 现场仪表设备

装车栈台现场仪表包括防静电防溢流控制器、流量计、控制阀及鹤管等。

3 工艺流程

3.1 装车流程

定量装车系统的装车进度曲线如图3所示，其中，A为起始速度，B为全速速度，C为截止速度，D为低速加油量，E为大提前量，F为小提前量，G为装车总量。

图3 装车进度曲线

装车准备就绪后按“开始”键低流速启动，起始速度A采用数控阀或调节阀时可设定，批量控制器根据流量计实时流速和起始速度设定值A进行PID运算，从而控制阀门开度。

装车量超过低速加油量D后（低速加油量D可设定）开始进入全速阶段（全速速度B可设定）。批量控制器采集流量计脉冲信号，批量控制器人机界面显示瞬时流量和累积流量，并将数据转发给控制室装车监控站，控制室人员可对装车过程进行实时监控。

在快到达大提前量时（大提前量E可设定）降速到截止速度 （截止速度C可采用数控阀或调节阀设定）。

实装量接近小提前量时停泵（小提前量F可设定），延时关闭阀门（延时时间可设定）。当过冲平稳后，装车量恰好等于预装量，装车过程结束。

正常装车时，当静电信号报警、溢油开关报警、长时间流量计无流量、急停按钮按下时，会发出声光报警并关闭阀门同时停泵，待恢复正常后可继续启动装车。低流速启动、高流速加油、低流速停止的装车模式，开阀后延时启泵功能，停泵后延时关闭阀门功能，都是为了防止出现管道内液体流速急剧变化而引起的管道振动和水击现象［8，9］。

3.2 PID流程

定量装车系统的PID流程如图4所示，定量装车控制系统包括装车批量控制器、检测单元和控制单元。

图4 定量装车系统的PID流程

3.3 批量控制器

批量控制器是定量装车控制系统的CPU，类似于电脑的处理器，对整体装车流程进行控制，并设有安全保护联锁程序，也可以实时显示当前装车过程，使现场人员了解充装过程，并读取现场操作动作，包括单号输入、启动装车及停止装车等。批量控制器停电后会保存上个装车数据，上电后可继续装车。

批量控制器内部设有防雷栅，在接地良好的情况下可防雷击，保护设备正常运行。

3.4 流量计

批量控制器采集其流量脉冲信号，完成对灌装量的实时计量。流量计的精度和稳定性直接影响整个装车系统的精度。

流量计分为质量流量计和体积流量计两种类型。

脉冲信号输出时，需注意流量计与批量控制器脉冲当量是否一致，比如批量控制器的脉冲当量默认为10P/kg，一般流量计设置为0.1kg/P。电流信号输出时，需注意流量计与批量控制器的量程是否一致。大部分流量计可以通过模拟信号的方式检测信号，当脉冲当量设定为0.1kg/P时，模拟输出的脉冲宽度可设置为100ms，由于是矩形波，那么一个脉冲为200ms，1s有5个脉冲，因此批量控制器接收到的流量为0.5kg/s。

体积流量计需注意批量控制器内密度必须正确并且经常维护，才能保证精度。遇到膨胀系数较大的物料时，建议启用温压补偿功能以保证精度［10］。

3.5 控制阀

装车控制阀一般选用气动两段式控制球阀、电液阀及调节阀等，受批量控制器驱动，控制管道流体的流速。装车过程中，整体流速控制为慢速启动，中间环节快速装车，最后慢速结束装车，其中慢速启动装车和慢速结束装车有利于减少管道静电积聚，防止出现“水击”现象。

气动式两段阀，首先需保证阀门气源压力符合要求，可使用DO通道强制方法测试阀门控制是否正常。不同厂家的气动两段阀逻辑不同，强制DO可确认阀门逻辑，需在泵阀设置处选择正确的逻辑。常见阀门的逻辑见表1，其中1代表电磁阀得电，0代表电磁阀失电。

表1 常见气动两段阀的逻辑

电液阀有3个针阀，常开电磁阀一侧的针阀可控制阀门关闭速度，常闭电磁阀一侧的针阀可控制阀门开启速度。第3个针阀控制阀门的手/自动状态切换，针阀开启为手动模式并且阀门全开，针阀关闭为自动模式。电液阀逻辑见表2，其中1代表电磁阀得电，0代表电磁阀失电。

表2 电液阀逻辑

调节阀分为气动调节阀和电动调节阀，电动调节阀的响应速度较慢，因此尽量在批量控制器组态中将启泵延时数值改得大一点，防止启动装车时管道憋压。4～20mA控制调节阀时，建议用户现场管道上一定要装手动球阀，原因是调节阀4mA时不能保证完全关死。

开关阀主要分为气动开关阀和电动开关阀。气动开关阀的响应速度较快，因此尽量在批量控制器组态中设定适当的关阀延时时间，防止停止装车时管道憋压。电动开关阀动作较慢，控制阀门至全开或全关时可采用粗调方式，即维持式DO输出；控制阀门至设定流量时可采用精调方式，即脉冲式DO输出，如图5所示，其中t1和t2时间可设置，t2结束后判断流速是否已在设定流速死区内。

图5 电动阀精调DO输出方式

3.6 防静电防溢流控制器

防溢流开关将液位高限报警信号传达给批量控制器，批量控制器进行保护联锁；静电夹与槽罐车相连，将槽罐车的静电通过防静电防溢流控制器导入大地。当接地夹与槽罐车接触不良时，防静电防溢流控制器检测到静电报警信号传输给批量控制器，批量控制器立即启动保护联锁停止装车，待报警解除后，重新按批量控制器“开始”键可继续装车；当液位开关触发报警时，批量控制器也将输出控制信号自动暂停装车，待报警问题确认后，可重新按批量控制器“开始”键继续装车，或选择结束装车。

目前常用的是奥波泰克和艾特的防静电防溢流控制器，若现场不需要防溢流，可在控制器内拨码修改功能。部分防静电防溢流控制器具有归位信号，当鹤管归位时，静电和溢流同时有报警输出［11］。

3.7 打料泵

打料泵是装车的动力装置，控泵方式有3种：人工控泵、DCS控泵和批量控制器控泵。人工控泵直接在操作柱上启停泵即可；DCS控泵一般是由批量控制器将控泵的DO信号送给DCS系统，由DCS进行逻辑启停泵；批量控制器控泵是根据MCC柜控制回路分为脉冲式控泵和维持式控泵，单鹤位对应单泵的工况由批量控制器控泵方式较多，此外也有人工启泵、批量控制器停泵的控泵方式。

4 软件功能

业务站和操作站主要用于业务办理、制卡、报表打印、历史记录查询、操作日志查询、工艺流程的操作与监视、设备状态的监视、图形化动态显示、工艺参数的设定及过程趋势的显示等。现将其主要功能进行分述。

4.1 数据存储与展示

测点数据经过处理后依照实时数据和历史数据进行存储和展示，操作记录和报警记录都可存储到数据库中。在操作站中，除了窗口画面显示数据外，还有报表组件和趋势组件进行数据展示和分析。

4.2 画面显示

业务站设有5类画面：鹤位监控、订单制作、装车记录、统计报表和操作日志画面。

操作站设有6类画面：菜单、流程图、控制分组、回路参数、趋势曲线显示和报警记录画面。

4.3 票据打印

系统可以提供装车提货单和装车发货单，并按照用户要求格式进行修改。

装车提货单是业务室给操作人员出具的相关车辆的提货单据。装车发货单则是装卸车完毕后，装卸车业务室提供给司机的有效的出货单据。

4.4 报警

定量装车控制系统可以发出无流量报警、阀门未关报警、流量超速报警、静电溢流报警及紧急停车报警等，其中流量和温度可设置上下限报警。此外，可接入可燃气体探测器、有毒气体探测器进行实时监控。报警时相应位号会闪烁，并带有电脑音箱报警提示。

软件可设置弹出式报警窗口提示，所有报警均可在操作站确认报警并消音。

4.5 流程图控制

在操作站能对现场阀、泵等设备进行控制，实现装车自动化管理。流程图可根据用户要求制作3D立体版，所有按钮等控制命令均有信息提示。

操作站流程图软件具有编程功能，可制作一些简单联锁，如一键启停、一键确认、一键复位及紧急停止等。

4.6 报表生成及打印

操作站软件可自定义报表编辑，生成所需报表，支持报表导出和打印。标准系统可生成日/周/月/年报表、报警记录报表、操作记录报表、客户单位统计报表及物料单位统计报表等。

4.7 权限安全

操作站和业务站设有权限管理，每个账号分为管理员、工程师、操作员及观察员等权限，每个用户可设置退出系统、系统热键、报警确认、报表打印、监控操作日志打印及运行程序等操作权限，也可针对一些按钮、画面设计权限处理。

4.8 IC卡管理

随着信息技术的高速发展，IC卡技术越来越普及，逐渐应用到各行各业。对于企业的储运管理而言，使用IC卡代替传统的货单既方便又安全。

4.9 通信功能

提供 OPC、Modbus、WebService 及数据库等通信接口，可方便地实现与其他系统的数据交互。

5 常见故障

当批量控制器异常停车时，需检查批量控制器的报警记录，常规导致异常停车的有静电报警、溢流报警和无流量报警，恢复报警后按“开始”键可继续装车。

当静电夹夹在罐车上，防静电防溢流控制器依旧报警时，先检查静电夹的“牙齿”是否刺破金属漆面，可扭动静电夹使之接触良好。若接触良好依旧报警，可将静电夹夹至其他接地良好的金属架子上，测试是否为罐车原因，若静电夹夹至接地良好的金属架子上时防静电防溢流控制器依旧报警，则需检查静电夹是否损坏或接线松动。

当溢流探头未接触液体报警时，需检查溢流探头的传感器是否已损坏。

当防静电防溢流控制器上无报警时，批量控制器依旧显示静电或者溢流报警，首先检查防静电防溢流控制器的静电信号继电器和溢流信号继电器是否正常工作；如果继电器未损坏，则需检查静电和溢流反馈线在批量控制器和防静电防溢流控制器中是否接触不良，线头脱落，再检查批量控制器的信号通道是否正常。

一般新储罐首次装车时，管道内有气体，流量计会出现短时间数据异常，满管后即可恢复正常。

当气动阀门不动作时，首先检查阀门气源压力是否符合要求，再检查电磁阀是否得电，阀门控制线接头是否松动或接触不良。

管道若未装过滤器，则需定期清扫管道，防止出现流量计内部淤积、阀门堵塞等情况。

若现场遇到刷卡刷不上的问题时，首先检查开票室通信软件是否开启，批量控制器上通信灯闪烁是否正常，再检查批量控制器内读卡器是否故障。

6 结束语

定量装车控制系统相对于人工装车、人工记账而言，明显提高了装车效率，减轻了工作负担；提高了油品交付的精确度；从安全角度看，定量装车控制系统具备远程监控功能，提高了自动化水平，减少了事故的发生几率，降低了生产风险。批量控制器的无流量报警停车功能，防止泵长时间空转而损坏，从而降低了企业的维护成本。静电溢流报警停车功能，使得发生火灾等突发状况时可以实时启用紧急停车功能，保证了自动装车的安全性。上位机软件和批量控制器良好的人机界面，降低了操作工的使用门槛。装车系统的远程实时监控，使企业领导层能够实时掌握装车进度，有助于根据企业的总体战略调配资源，实现效率最大化。