航空煤油汽车自动装车计量一体化系统

2021-09-23刘微刘仁

石油化工自动化 2021年5期

刘微，刘仁

(中国石油天然气股份有限公司兰州石化分公司,甘肃兰州 730060)

航空煤油作为某石化公司的主要产品，年产量的30%通过汽车发运出厂。改造之前，汽车发运经空载和满载的两次过衡称重后，采用传统业务交接方式完成纸质计量单的面对面计量交接，多年来一直存在车辆入厂难于监管、进出厂效率低、计量数据共享及时性差等弊端。为了提高交接计量的准确性，引入航空煤油发运出厂自动装车计量一体化系统，在原定量灌装系统的基础上进行升级改造，采用质量流量计并基于RS-485通信实现计量交接数据实时上传，以远程电子化交接模式取代线下面对面交接，实现了装车计量一体化，车辆进出厂效率显著提高、计量数据可以实时共享。

1 自动装车计量一体化系统的实现

1.1 系统结构

航空煤油发运出厂自动装车计量一体化系统主要由过滤分离器、球阀、质量流量计、电液阀、静电溢油控制装置、中心控制室PLC、CP341通信卡件、上位机和配套的组态软件等组成，如图1所示。

图1 航空煤油发运出厂自动装车计量一体化系统结构示意

1.2 PLC控制定量灌装

PLC控制定量灌装，选用西门子接口模块及10个分布式I/O设备组成，该系统采用220 V(AC)，10 kVA的UPS电源实现掉电保护。PLC作为主控制器接收来自质量流量计的数据，对数据处理后发出一系列的控制信号，完成定量灌装。为实现现场高精度定量灌装并防止产生静电和水击现象，灌装控制采用仿人工智能控制思想，电液阀的开关过程采用了分段控制方式，先小流量初始装车，再大流量恒流发油，到达设定量的98%时，阀门进入小开度低速发油阶段，直至关闭，完成一次定量灌装。在罐装过程中，质量流量计实时将现场流量计的信号发送给PLC，并上传到上位机，阀门开度控制特性曲线如图2所示，其中：t1为初装小流量时间段；t2为恒流发油大流量时间段；t3为末端小流量时间段。

图2 流量控制特性曲线示意

1.3 灌装操作步骤

航空煤油灌装具体控制过程如下：

1)现场装车操作人员将待装车辆的基本信息人工录入到该系统，并根据该公司销售部开具的周计划单和实际车载量在系统中录入单车提货量(即预设量)，或由系统存储的车辆信息自动提取单车提货量。

2)待装车辆进入到达装车指定货位，按要求进行静电接地夹和溢油液位开关的准备工作。就绪后，装车操作人员根据该系统控制界面接地夹和溢油液位开关显示绿色状态后启动装车开始按钮，控制电液阀开启，按工艺要求，为防止装油过程中产生静电事故，进入小流量初始装车阶段，灌装初速度保持在1 m/s以下，按管径80 mm，航空煤油密度780 kg/m3计算，初装流量控制在14 t/h以内(AB段)。

3)鹤管口距罐底部200 mm左右，当鹤管口浸没油面后，根据工艺要求流速不大于4.5 m/s(以防止喷溅造成静电事故)，可计算出油品流量控制在63 t/h进行大流量恒流装车(CD段)。

4)当装车完成预设量的98%时(D点)，装车控制系统将电液阀的开度调小至50%，进行结束阶段小流量装车(EF段)，并且发出声光报警，提醒装车人员注意电液阀是否可控，装车瞬时量是否减小，防止装车过程中出现异常。当实际装车量达到预设量的99.8%时(F点)，装车控制系统自动关闭电液阀，现场装车结束。

5)现场质量流量计将装车结束后的计量值传送到PLC，经前后表数计算出实际装车量上传到上位机进行计量交接。

6)每个装车鹤位的溢油静电保护器输出标准的开关量信号给PLC，实现现场装车联锁控制泵和电液阀，当现场的防静电接地开关和防溢液位开关异常动作时，随即停泵、停阀并暂停装车作业。紧急情况下，现场操作人员和控制室操作员均可以快速切断阀门。

溢油静电保护器通过静电接地夹自动检测罐车的接地状况，罐车与接地桩之间超过规定阻值或者接地未连接好时，接地灯闪烁，蜂鸣器急促报警，同时输出接地报警信号给上位机；当被监测液位达到液位开关检测位置时，液位指示灯闪烁，蜂鸣器急促报警，并输出液位报警信号给PLC，上传到上位机。

一次定量装车计量交接的业务管理流程如图3 所示。

图3 一次定量灌装计量交接业务流程示意

2 质量流量计交接计量数据的正确读取

2.1 信号输出选择

因模拟量输出和脉冲输出远传时易产生信号失真及数据转换累积误差，影响计量的准确度，而RS-485为数字信号传输，避免了模拟量或脉冲方式传输数据的单一、脉冲累计精度偏差和信号衰减的问题，保证了计量数据的准确性和可靠性。因此，系统采用Modbus协议的RS-485数据通信，传送时不需要进行数模、模数转换，直接传输数字信号，有较高的信号传送精度，经PLC上传至上位机作为计量交接数据，完成装车计量单的在线打印和计量报表的在线生成。

2.2 计量数据的正确读取

质量流量计在线计量交接由PLC同时配备2块CP341通信卡件与现场流量计进行数据通信来实现。采用Modbus RS-485 RTU分2组同时与现场9台质量流量计进行串行异步半双工通信。其中CP341-1模块连接1号、2号、4号、17号货位流量计，CP341-2模块连接10号、12号、14号、16号、18号货位流量计。现场流量计与CP341通信卡件的网络连接如图4所示。

图4 现场流量计与CP341通信卡件的网络连接示意

以CP341通信卡件为主站，以流量计为从站，基于Modbus主从式工作的主站以广播式向所有从站发送请求数据的数据包，其数据包中包含从站地址、功能代码(即读取的寄存器类型)、要读取的寄存器的起始地址、本次要读取的寄存器个数，并等待从站的响应。挂在同一条总线上的所有从站被动的接收到主站的广播包，然后解开该广播包，将包中的从站地址与自身的地址对照，如果地址相同，该从站立即将自身相应寄存器中的数据发送到总线，主站中的接收程序始终处于待命状态，等待总线上从站发送来的响应数据包，并把响应包中的数据序列化到自身的接收数据块中；从站检测到包中的从站地址与自身的地址不符时，则直接销毁该包，不做任何响应，至此完成一个数据发送和接收。同时上位机监控系统实时读取质量流量计上传到PLC的数据，在监控系统上显示装车进度、现场接地状态信息、车辆液位实时状态，并在数据库中存储最终数据供计量信息管理平台调用。

3 远程电子化交接的实现

远程电子化交接采用电子签名(章)技术，通过计量交接管理、用户管理、证书管理、印章管理、签署管理、文档管理、系统管理等实现计量数据在线提取，计量单在线生成，计量单在线签署，计量单作废，计量单网上流转，计量单在线打印、下载、归档和计量数据的分类统计汇总、用户功能角色权限分配、系统网络安全等功能。

首先，PLC采集到的计量交接数据上传到计量信息管理平台中，平台通过报表生成带有数据但不带计量专用章的PDF文件，通过约定的密钥串加账户名调用PC端的Ukey认证，系统检查本地是否插入Ukey，再检查Ukey中CA证书是否有效，其中任何一项不满足条件立刻返回认证失败；如果2个条件同时满足即可进行下一步操作，输入PIN码认证，认证该账户是否存在且有效，认证成功后返回加密串，加密串短时间内有效，过时作废；然后通过双方约定的参数加密方式传递和接收加密串并调用电子签章接口，电子签章系统检测传递的账户是否存在绑定印章，如有绑定执行签章，流程结束(如无，提示签署失败)。签章完成后，计量信息管理平台归档计量单，客户端用户根据自己的使用权限进行电子计量单的打印、下载、存储等，实现远程电子化交接和电子计量单的网上流转。