定量装车系统更新效果评析及影响因素探究

黄兴航

(中国石化青岛石油化工有限责任公司，山东 青岛 266043)

某炼油厂汽车装车场原定量装车系统2005年投用，与装车机泵监控PLC系统、地磅称重系统、现场各鹤位批量控制器(以下简称批控器)、质量流量计、多段控制阀等配套使用，是液体石油产品汽车定量装车计量的主要监控设备。该系统投用之初较大提升了装车设备的自动化控制水平，但随着装车规模的扩大，暴露出诸多不足，尤其是设计理念已经远不能满足现代化企业装车管理的需求。

1 原定量装车系统状况

1.1 系统的不足

由于该装车定量系统操作缺乏连贯性，部分环节需由人工完成，操作更多地依赖于操作员的经验和熟练程度，操作界面不友好、导致装车工作效率低，且劳动强度大，有时会造成误操作，安全隐患大、运行成本高。

1.2 可靠性和安全性设计欠缺

设备可靠性是生产安全的保障，原定量装车过程未能实现完全自动控制和安全联锁，设计不完善、可靠性较差，存在以下几方面问题：

1)地磅称重系统和装车泵监控系统均独立设置，没能与定量装车系统整合成1套系统平台，统一管理和监控，相互协作能力弱且存有安全隐患。

2)该系统装车采用质量流量计与地磅结合方式，质量流量计用于装车控制，贸易结算采用地磅称重。计量交接方式流程长，效率不高，存在罐车水箱称皮重后人为放水操作等漏洞，且地磅作为精密仪器，维护量大，使用限制多。

3)装车过程中装车批控器不稳定，精度低，实际操作中发现部分批次装车超标或不足，质量流量计和地磅称重数据差值较大，影响计量交接。

1.3 备件及服务能力不足

该系统使用已达15年之久，系统陈旧、设备老化、故障频发。原批控器产品及配件为非标准件，原厂备件生产及服务能力不足，使该系统不能进行有效的可持续应用及维护。

2 装车系统更新概况

鉴于原定量装车系统存在的问题，在不影响开工期间油品正常出厂的前提下一次性解决所有问题，无论在施工周期和投资上均不现实，经研究确定，按照平台先进、痛点优先、规划预留的思路分步实施设备更新改造，实施过程如下：

1)因投资费用受限，不考虑功能扩展，只考虑原定量装车系统更换，保持原装车业务流程。

2)现场流量计、控制阀利旧，只需对新增电缆重新敷设。重新规划装车场仪表机柜室，并对装车操作室进行布局。

3)新系统平台安装调试就位后，将现场暂不装车的鹤位逐个迁移接至新系统，在线升级替换期间现有装车系统保持不变，仍可正常装车和传输数据，直至全部等位替换。

2.1 新系统架构及功能

新定量装车系统在不改变原有管理流程的情况下，采用DL8000批控器、OpenEnterprise软件以及ControlWave Micro通信管理器实现定量装车功能。该系统以服务器为核心，服务器之间采用以太网连接，主控制器与现场批控器之间采用RS-485通信，同时具备以太网通信功能，系统的架构如图1所示。装车鹤位设置独立的批控器，既可以在中心控制室统一控制装车，又可以现场控制装车，各装车鹤位相对独立，以服务器为核心完成各自的功能，在系统异常情况下，各鹤位均能独立完成定量装车基本功能，可靠性高。

图1 新定量装车系统架构示意

2.1.1系统功能

该系统的主要功能如下：

1)与企业资源计划系统(ERP)通过Web Service接口通信，实时获取装车订单信息。

2)定量装车控制。确定工作参数之后，批控器就会按照指定的程序完成自动装车过程，当装载量达到设定值时，自动停止装车。

3)数据采集。批控器可采集流量计脉冲信号或标准电流信号、溢油信号、静电接地信号、阀门状态信号以及其他与本鹤位对应的仪表信号，并实现联锁控制功能。

4)标准的与第三方系统通信接口，使第三方系统能够与装车管理系统完成数据交换。地磅称重系统等可通过采用RS-485接口Modbus RTU协议接入装车管理系统。

2.1.2装车监控管理平台

上位机管理所有批控器，在上位机上可以实现系统配置、发货参数设置、调试参数设置、系统编辑、发货实时控制等，并记录历史数据，同时下位机实时向上位机发送发货数据，在显示界面上实时显示发货情况；故障发生时会有报警提示，还可以查询历史数据并打印报表。

网络通信系统主要由工业用通信卡、接口转换器、专用通信电缆等组成，是连接现场控制系统与上位机系统的纽带，可实现与现有地磅系统、ERP系统的通信。

装车软件支持今后控制系统的功能扩展。还可以实现与批控器和质量流量计的自诊断功能，当现场设备出现故障时能及时通知操作员处理故障设备，避免装车事故发生，提高装置安全可靠性。主要功能特点如下：

数据采集和显示、装车画面动态显示、报警功能、趋势图显示功能、发油控制功能、数据记录及报表功能、系统自诊断功能、权限管理和操作记录、客户管理、数据维护、通信功能。开放数据库只读权限给ERPMES等系统共享业务数据；提供Modbus接口，同时提供标准OPC接口，供其他第三方系统使用。

2.1.3批控器

批控器是现场安装的控制仪表，也是计量控制仪表。它直接安装在每个装车鹤位鹤管旁边，通过控制阀门、采集流量计信号以及回讯信号等其他的控制信号，安全、精准、快速地完成装车作业，并与上位计算机相连，可完成装车数据及流量计状态采集、报表制作等工作。具有以下特点：

1)采用隔爆型防爆结构，防爆等级为EXdIIBT6，防护等级为IP66。

2)根据装车操作要求，采集流量计脉冲信号、装车控制阀以及阀位反馈信号，并设有静电接地检测开关接口。此外，控制器具有与中心控制室控制系统通信的功能，通信协议为TCP/IP-Modbus或Modbus-RTU。

3)批控器在控制器面板上设定装车流量，控制装车控制阀，实现自动装车。控制器面板设有LCD显示器，能实时显示发货的数量并显示和记录发货的质量。控制器面板在白天强光下能清晰显示，并适应环境温度。

4)批控器具有可编程功能。根据操作要求，选择不同类型的输出卡件，可控制不同类型的阀门来完成装车流程，可以控制的阀门包括：两段阀、数字阀(或称电液阀)或4～20 mA的模拟阀。通过内置的装车控制程序来调节模拟阀，实现分级多段控制，在0～100%开度范围内自动控制流量，如，低流量起动—正常流量装车—低流量过渡—装车结束。为防止阀门在4 mA时无法完全关死，引起控制器的报警，可以编写特定的程序，来控制1台额外的开关阀来保证装车完毕时阀门完全关闭。当批控器停阀命令发出后，如果装车量已达到预装量，但是控制阀仍然有泄漏，则此时采用DO输出一个信号控制开关阀。在每次装车开始时，会首先打开该开关阀，然后由模拟阀控制装车各阶段的流量。

5)具有无流量及小流量报警功能。可以通过软件设置无流量报警和小流量限值，当输入预装量并开始装车时，如果在设置的时间范围内检测到无流量则产生报警并关闭阀门结束装车，如果流量小于所设置的限值同样会报警并关闭阀门结束装车，这样可以避免操作人员私自切除流量计电源而发生数据丢失问题。如果突然切除了质量流量计变送器电源，控制器则无法接收流量脉冲信号，一段时间后，控制器自动认为是无流量状态，执行报警并停止装车。

6)批控器具备多种报警信号的输入与输出设置。除接地、溢流等常规报警信号外，批控器还可以根据需要连接其他报警设备，实现联锁控制。

7)可进行气相回收计量。在装车过程中，批控器会实时计量回收气体的量，等到装车完成后，无须再扣除回收量，保证了实际装车的准确度。

2.2 更新效果

根据项目规划，只更新了系统软件和现场批控器。新系统更新实施完毕并投用正常后，以22号～25号低硫船燃油鹤位更新前后流量计、地衡计量数据为例，数据分析对比见表1所列。

表1 燃料油鹤管定量装车改造前后对比

该系统更新后，应用效果如下：

1)表衡差率提高：0.169%-0.048%≈0.12%。

2)以更新后装车量计算，共节省装车量：35 081×0.12%≈42.097(t)。

3)按低硫船燃油市场价350美元/吨计(汇率按1美元=6.86人民币)；4个汽车船燃装车鹤位每天效益估算：42.097÷6×350×6.86≈16 845.82(元)。

3 装车精度影响因素分析

设备可靠性和精度问题一直是定量装车设施的痛点问题，因此分析影响定量装车精度的主要因素尤为重要。

3.1 质量流量计

质量流量计的误差对定量装车系统影响较大，在装车过程中，一定要将装车流量控制在正常工况内，并对影响流量计精度的因素进行检查确认，如温度、压力的补偿，两相流，振动，小流量，安装方式等。在装车过程中，以工况的不稳定两相流影响最为常见，如泡状流、团状流、空满空，主要成因为持续的、均匀分布的气泡，工艺异常引起的周期性气泡，明确的气液交替等。装车过程必须尽量避免并高度关注含气工况，该工况难以测量，极易高估含气量。气液两相对流量计不确定度的影响如图2所示。当气相比率GVF(Gas Void Fraction)小于5%时，不确定度小于1%。可见当液态产品装车时，气相比率越小、流速越大时，则测量不确定度越小，测量精度也就越高。

图2 气液两相对流量表不确定度的影响示意

液态介质夹携气体通常由工艺扫线、频繁启停泵等原因造成，一般通过安装气液分离罐或减小阀门开度来解决，即在扫线开始时减小流量计下游阀门的开度，提高背压以及含气介质的流速，从而减少流量计测量不确定度，提高计量精度。流量计的下游必须保证合适的背压以确保被测油品在流经流量计后不产生气穴/汽蚀现象。一般使流量计前后的压差小于0.1 MPa，流量计下游的压力大于0.25 MPa。

3.2 电液阀

由中心控制室定量装车系统发出远程指令控制电液阀的通断，其通断的效果会间接影响定量装车的准确程度，低流量和最后阀门流通面积是由阀门执行机构响应时间特性引起的“过冲量”，其主要受到电液阀响应速度的影响。

以DN100油品管线为例，密度987 kg/m3，质量流量qm=6 t/h(流速v为0.212 m/s)，槽车装车量为35 t，时间为1 s，所造成的误差为：

或者表达为

借鉴前馈控制理论，可以考虑适当预补偿电液阀的过冲量，根据新系统自身数据库，及时修正提前量。批控器需要对流速相对应的关阀量提前建立数据库，如果通过对关阀流速的测量调用数据库数据来预先解决关阀时间，这样可以大幅减少该误差。

3.3 批控器

批控器采用预设的逻辑控制阀门，实现小流量开，大流量发，小流量关的发货曲线，减少静电的积聚，避免水击的发生等。定量装车系统典型控制流程如图3所示。

图3 定量装车典型控制流程示意

在定量装车系统发出开始装车指令后，批控器通过预设逻辑控制阀门，以实现上述装车控制要求。批控器是控制系统的核心，从图3可看出，装车过程大体分为三部分，低流量启动部分、高流速装车部分、低流量精确控制部分，在实际装车中，批控器根据瞬时流量和剩余的装车量，自动调节电液阀的开度使流量保持在稳定值，当剩余装车量达到预关闭阶段时，逐步关阀降低流量，直到装车量达到控制给定值。该装车过程中，减少了静电积聚，避免水击，实现安全装车。其中批控器的精度和可靠性是关键，根据频率脉冲信号无衰减的传输特点，通过采集流量计脉冲信号并使其无精度损失，实现安全、可靠、稳定的装车。

综合以上因素，在质量流量计误差和电液阀关闭滞后误差基本确定的情况下，应选择高精度可靠的批控器来满足装车δ<2‰的贸易交接要求。通过解决批控器的控制精度问题，可以使油品装车从地磅交接过渡到流量计交接，从而简化管理流程，节约运行成本。为进一步提高装车效率和精度，还需从根本上优化流量计测量误差δ1。

4 改进及建议

4.1 新系统在装车业务管理存在的问题

1)定量装车过程能初步实现自动控制和联锁，但装车泵由原PLC系统监控，未能与新系统进行协调管理、联动控制。

2)装车计量管理不统一，定量装车系统、地磅称重系统、装车泵监控系统独立设置，计量数据分散且计量标准不一。地磅称重系统与新系统虽然建立了Modbus通信，地磅称重系统可以读取定量装车系统部分数据，但地磅称重系统数据未能传送给定量装车系统。

3)原有ERP接口受限，定量装车系统实装量数据无法回传给ERP客户。有待于完成数据回传功能，实现订单管理的自动闭环。

4.2 装车业务流程存在的问题

1)目前订单号需要操作员手动输入，在车辆较多时效率会降低，建议增加一卡通，将地磅称重数据接入定量装车系统，从进厂称重开始制卡，绑定从ERP取回的订单数据；司机持卡自行至现场刷卡即可装车；装车完成后刷卡称重结算，并交回卡片。

2)相对于现有的人工呼叫启泵及人为控制错车不停泵操作，需将泵启、停信号接入装车系统，将大幅提高装车效率，降低操作人员工作量。

3)在现场工艺条件允许的情况下，增加泵出口必要的装车循环线，以确保装车介质工况稳定，降低δ1。

4)装车作业过程缺少连贯性，人员身份识别、数据录入过程等需手动参与环节偏多，需要进一步提高自动化水平。

4.3 工艺流程及配套设施

现有液态烃产品的装车流程为1台机泵对应多个鹤位，且机泵未设变频控制和压力返回线，无法满足装车压力稳定的要求。装车过程机泵频繁启停，导致频繁出现低流量报警，批控器停装现象，不仅使装车操作变得被动，而且使质量流量计测量精度受到影响，需完善装车公共配套工艺流程。

部分鹤位采用了两段式电液阀，该类阀门适用于一般不易挥发的油品装车，只有小开度和全开两个位置可以控制，由于现场部分两段式阀门小开度无法调节，导致开始装车时和装车末段的小流量控制阶段流速过大，除了有安全风险外，会导致装车末段控制精度问题，只能通过增大装车末段小流量控制阶段的时间，导致装车效率较低。

对于易气化的化工品装车鹤位，如丙烯、丙烷等，存在如下问题：

1)由于介质易气化，每次启动泵时会存在管道压力不稳现象，导致泵不易启动，且启动后存在管道介质不能满管现象，对最终计量精度有影响。

2)阀门为电液阀，但是没有压力变送器，无法检测质量流量计所需的稳定背压，最终影响δ1。

3)没有使用气相回收管线，在装车末段时因产品气化导致罐车压力上升，压力过高而无法顺利完成预装量，气温较高的夏季尤为明显。

4)大部分装车鹤位目前没有防溢油探头，为防止装车设施故障时导致油品溢出，影响安全环保，防溢油检测是必不可少的保护措施。

5 结束语

新的定量装车系统投运后，提高了装车效率，降低人员工作量。后续，应将机泵监控系统整合到该系统平台中，实现装车过程和机泵控制协调管理、联动控制；逐步扩展自动化功能，完善工艺流程和装车业务流程，从ERP下单、门禁管理、排队叫号、装车出厂全流程实现智能化装车。大幅简化人员现场手动操作环节，减轻劳动强度。提升罐区装车自动化程度，实现对现场设备的故障诊断，并为装车管理和智能诊断一体化解决方案提供软硬件平台。最终实现以质量流量计进行贸易交接的高效、安全、智能的定量装车一体化控制。