袁漢福(1953－)
浙江寧波人，現任藍星石化有限公司天津石油化工廠副總工程師，從事煉油自動化的設計、施工等工作。

摘要：主要介紹了輕油裝車系統的組成、控制方案及算法，故障診斷。

關鍵詞：通訊接口；質量流量計；定量裝車儀；電液閥

Abstracts: This paper introduces the structure, control arithmetic，control project and fault diagnostics of the light oil ration loading system。

Key words: Communication Interface; Mass Flow Meters;Ration Loading Device; Electro-hydraulic valve

1　引言

    2007年藍星石化公司天津石油化工廠對原有加油站進行技術改造，將原用高位罐自流裝車方式改造為通過管道直接封閉方式裝車。共計有7個鶴位，90#輕油一臺機泵控制三個鶴位，4#輕油一臺機泵控制三個鶴位，93#輕油一臺機泵控制一個鶴位，流量儀表采用E+H公司的高精度的質量流量計，定量裝車儀采用合肥藍景電子有限公司DH6409VE產品，控制閥采用電液閥，改造后避免高位罐的油氣揮發，每年節省100余萬元，有很可觀的經濟效益。

    定量裝車系統要求檢測、控制精度高，系統采用質量流量計直接與定量裝車儀進行數字通訊，并同時采集質量流量計的脈沖信號，上位機只是參與管理，而不參與控制。

2　系統組成

    下面以90#輕油裝車系統為例，工藝控制流程圖如圖1所示。

    90#輕油配備三個鶴位，三個鶴位存在同時進行裝車和不同時裝車情況，為保證工藝管道的壓力穩定，在泵出口安裝壓力調節儀表，用來控制機泵的變頻，實現調節機泵的轉速，從而實現調節穩定工藝管道壓力的目的。

    由于工藝沒有回流線，而且機泵調節在儲運分廠的主控室，而加油站在工廠外面兩地相距600米，兩地操作不方便，在加油的間隙里，或在沒有加油的情況下，而且機泵依舊在繼續運行，產生憋泵的現象，威脅安全生產。定量裝車儀與變頻進行連鎖，三臺定量裝車儀的常閉接點進行串聯，當三個鶴位全部沒有裝車時，定量裝車儀輸出給變頻一個常閉接點信號，強制變頻將轉速快速調整到5Hz/ s狀態下的低轉速運行。一旦有某個鶴位開始進行裝車，定量裝車儀的常閉接點打開，變為常開，變頻自動轉換到定值調節，使工況壓力自動調整到設定值。

    定量裝車儀內部核心部件為ATMEL的ATmega128高級單片機，核心部件為 高性能、低功耗的 AVR? 8 位微處理器,主頻為16MHz,AVR 內核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的復雜指令集微處理器高10 倍的數據吞吐率。128K 字節的系統內可編程Flash,壽命: 10,000 次寫/ 擦除周期, 具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區,通過片內的啟動程序實現系統內編程,真正的讀- 修改- 寫操作。它可以提供2個外部通訊接口，可以同時實現與流量儀表和上位機的通訊,與變頻連鎖的開關量實現接點與主板光電隔離，保證系統的安全。定量裝車儀與質量流量計的信號連接，一路接入脈沖信號，另一路接入RS-485信號。定量裝車儀與上位機連接采用另一路RS-485。定量裝車儀、質量流量計、電液閥組成檢測控制系統，避免上位機二次計算和通訊滯后產生的誤差。

3　控制曲線（如圖2所示）

    對執行機構電液閥的控制，一般有多極或兩級控制2種控制方案，結合我們的實際工況，采用多極和兩級控制方案相結合的控制方案。

    Q1 區為啟動緩沖區，因為有變頻控制，壓力可以逐步提高，所以采用兩級控制，Q1區流速緩慢增加，直接控制閥門開度進入Q2區。在質量流量計中設置參數為：脈沖當量為0.1L，脈沖高電平寬度為1ms，Q1區的流速設置為：5~8L/s，（根據實際情況，控制儀可設置）

    Q2 區為大流量恒流區,依據工藝要求確定具體數值，但要注意兩個方面，一方面流速應當在規范允許的范圍內，防止靜電問題帶來的危險。另一方面是流速過快對汽油介質來說容易產生氣化現象，對計量產生誤差。

    Q3 區為大恒流轉換為小恒流的轉換區，突然轉換容易產生“水擊”現象，所以采用多極控制方案，逐步降低電液閥的開度，使其緩慢的降低流速，進入到Q4區，Q3區的累計流量約為50Kg。

    Q4 區為小流量恒流區，為關斷電液閥準備，不同廠家的電液閥的關斷特性有所不同，依據電液閥廠家給出的關斷特性，小流量盡量選擇低，降低切斷壓差，便于快速切斷電液閥。為了保證電液閥在小流量能穩住，我們將小流量恒流流速范圍設定為5~8L/s,Q4區累計流量值約為150Kg。

    Q4區的流量值，隨著使用時間的增加，電液閥內部元件的彈性減弱，不能保持線性，需要適當調整。

    Q5 區為電液閥關斷區，即關斷提前量，提前量的量值大小應當盡量符合電液閥的關斷時間要求，隨使用時間的延長，關斷次數的增加，其關斷特性有變化，大部分會逐漸延長關斷時間，同時帶來控制誤差變大，所以提前量的大小決定控制誤差的大小，裝車提前量設置為：3~5L，即可保證精度。

    上述各區的參數調整，應當根據現場情況和電液閥的特性進行，不同的廠家產品、不同的口徑、不同的管徑、不同的壓力、不同鶴管數量、不同的操作方式等都會有不同的具體要求，應當視具體情況分別對待。

4　主控制方案（如圖3所示）

    控制儀在運行后首先和流量計進行通訊握手，如控制儀呼叫流量計5次無應答，系統報無應答錯，在運行過程中進行CRC效驗， 5次校驗錯，系統報CRC錯，同時控制儀不斷讀取流量計“OK”碼，以此判斷流量計工作是否正常，一但發現“OK”碼錯誤，系統立刻報OK碼錯，停止運行。

    主要算法為：使用質量流量計的累計量進行數值計算，使用脈沖量作為控制參數進行控制。在Q1和Q2區不斷使用累積量與給定值（本次裝車的數量）進行比對，判斷是否到達Q3的臨界值，到達后逐步調校閥的開度，使其平穩過渡到小恒流區Q4區，然后判斷小流量恒流區Q4是否完成，完成后，進入Q5區，關斷電液閥。

    在質量流量計中累計量單位設置為Kg ，脈沖當量為0.1L，在Q3、Q4、Q5區的量值計算中，需要進行質量和體積單位的換算，為保證計算精度，取用通訊采集的實時密度值參與運算，將各區的設定量之值轉換為需要的具體脈沖數去進行控制。

5　控制精度（如圖4所示）

圖4  電液閥提前量修正模塊

    Q5區量值即電液閥的關斷控制提前量的大小，是否能夠與電液閥的關斷時間相吻合，是保證控制精度的關鍵。提前量偏大造成多付油，提前量偏小造成少付油，影響因素有如下幾個方面：

    （1） 隨開關次數的增加，關斷時間會產生變化。

    （2） Q4區的流量在理論上是越小越好， 不同數量鶴管裝車的流速不同，壓力有所變化，造成閥的切斷壓差有差別。

    為此設置有2種解決辦法即手動在控制面板上調整和自動修正。如果當前階段閥的控制精度在設計要求范圍內，可以在面板上選擇不進行修正。

    自動修正首先計算本次裝車給定值和流量計上的累積值之間的差值E，然后依據Q2區的瞬時流量值判斷同時進行裝車的鶴管數量，依據不同鶴管數量，調用相應的提前量數值，然后依據偏差E的屬性進行不同計算和修正。E為負值則表明Q5區數值偏小，反之偏大，進行相應的加減運算，在運算中偏差E值取50%，目的是在一些不定因素的影響下，防止修正偏差E后產生正負之間跳變，使其逐步進入誤差允許范圍內。

6　系統的自診斷功能（如圖5所示）

    在每個掃描周期中均要調用自診斷功能模塊，對系統進行自診斷，其中每項功能發生問題均停止裝車并報警。

    自診斷功能中包括常規的靜電保護和防溢出保護功能。

    對質量流量計設置診斷功能，通過診斷通訊中校驗碼的正確與否，判斷通訊是否正常。E+H公司的質量流量計內部具有100多項報警信息，包括過程和系統兩類報警信息，同時在質量流量計中提供綜合信息提示，運行正常時提供“1”信息，如果某項內容產生報警信息，該項內容為“-1或其他代碼”信息，直接讀取“1”信息作為綜合報警判斷信息，如果產生錯誤，停止裝車，具體原因可以在流量計本身的顯示信息上查明。

    對定量裝車儀也設置了故障報警自診斷功能，有看門狗定時器，便于程序抗干擾，程序飛走進入死循環后，能自動復位重新啟動。

    電液閥的開關狀態及泄露情況的程序實現如圖6所示。

    在一個裝車過程結束后，定量控制儀的運行繼續進行，溢出累計量清零，在延時3秒內，繼續讀取累積值G“，后判斷G“值是否大于1Kg，如果是，則報錯并顯示溢出累計量。上述方法同時也可以診斷閥的關斷情況。

    除此之外，每臺定量裝車儀安裝有浪涌保護器，因為加油站地理位置比較空曠，容易遭受雷擊，安裝有浪涌保護器保護可以保護其遭受感應雷等引起的損壞。

    整個系統有上述的保護，可以基本上保障其安全性和工作可靠性。

7　質量流量計調試

    為保證通訊數據的正確和系統的正常運行，必須對現場儀表進行調試，

    (1) 脈沖當量：0.1L/ms

    (2) 累計流量單位：Kg

    (3) 脈沖高電平寬度：1ms

    (4)  通訊協議：   MODBUS RTU RS485

    (5) 儀表位號：   TAG NAME：                90#-1  90#-2  90#-3

    (5) 通訊地址：   FIELDBUS ADDRESS：        1（90#-1），2（90#-2）,3(90#-3)

    (6) 波特率：     BAUDRATE：               9600

    (6) 通訊格式：   TRANSMISSION：           RTU

    (7) 數據格式：   BYTE ORDER：              3-2-1-0

    (8) 掃描時間：   DELAY TELEGRAM REPLY： 10ms

    (9) 寫保護：     WRITE PROTECTION：       OFF

    (10) 寄存器 1     SCAN LIST REGISTER1：     2007（瞬時流量）

    (11) 寄存器2     SCAN LIST REGISTER2：     2610（累積）

    (12) 寄存器3     SCAN LIST REGISTER3：     2017（溫度）

    (13) 寄存器4     SCAN LIST REGISTER4：     2013（密度）

    (14) 寄存器5     SCAN LIST REGISTER5：     6859（OK）

    (14)定量控制儀尋址地址

    《1》數據緩沖區：瞬時流量       5050----2007

    《2》數據緩沖區：累積值        5052----2610

    《3》數據緩沖區：溫度           5054----2017 

    《4》數據緩沖區：密度           5056----2013

    《5》數據緩沖區：綜合信息提示   5068----6859

    《6》小信號切除               0.2Kg/s

    質量流量計調試應注意以下幾個方面問題：

    (1) 數據緩沖區設置,在質量流量計中，設置數據緩沖區,為便于計算機尋址連續讀取數據，簡化程序，也可以直接從2007中讀取數據，此項設置依據程序編制需要而定。所有數據參數設置中，數據緩沖區地址或寄存器地址，數據格式是最重要的參數，必須參照說明書調試準確，否則不能通訊或數據錯誤。

    (2) 由于脈沖當量單位設置的很小，在不裝油的工況下，在工藝管道的震動干擾下，產生累計量，為避免上述情況產生，應當把質量流量計的小信號切除打開,并根據現場情況調整好參數，但是在工況壓力不穩定的情況下，應當慎重使用該項功能。

8　結論

    輕油定量裝車系統尤其是使用在貿易交接方面，技術要求很高，其誤差必須滿足相關規范的要求，數字通訊技術在定量裝車系統中的應用，提高了系統的檢測和控制精度，提高了系統的先進性和自動化、智能化水平，自診斷技術的應用，保證系統的安全、可靠。本文主要從控制算法、現場安裝、調試角度根據現場使用的實際情況進行總結，供大家參考和借鑒。

其它作者：

    主艷紅（1973-），河北衡水人, 工程師,現就職于藍星石化有限公司天津石油化工廠,從事煉油自動化的設計、施工等工作。

參考文獻

    [1] E+H公司.科氏力質量流量測量系統使用手冊.         

    [2]陳冬云,杜敬倉,任柯燕.ATmega128單片機原理與開發指導/單片機與嵌入式系統應用叢書[M].北京:機械工業出版社.