袁汉福(1953－)
浙江宁波人，现任蓝星石化有限公司天津石油化工厂副总工程师，从事炼油自动化的设计、施工等工作。

摘要：主要介绍了轻油装车系统的组成、控制方案及算法，故障诊断。

关键词：通讯接口；质量流量计；定量装车仪；电液阀

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年蓝星石化公司天津石油化工厂对原有加油站进行技术改造，将原用高位罐自流装车方式改造为通过管道直接封闭方式装车。共计有7个鹤位，90#轻油一台机泵控制三个鹤位，4#轻油一台机泵控制三个鹤位，93#轻油一台机泵控制一个鹤位，流量仪表采用E+H公司的高精度的质量流量计，定量装车仪采用合肥蓝景电子有限公司DH6409VE产品，控制阀采用电液阀，改造后避免高位罐的油气挥发，每年节省100余万元，有很可观的经济效益。

    定量装车系统要求检测、控制精度高，系统采用质量流量计直接与定量装车仪进行数字通讯，并同时采集质量流量计的脉冲信号，上位机只是参与管理，而不参与控制。

2　系统组成

    下面以90#轻油装车系统为例，工艺控制流程图如图1所示。

图1 工艺控制流程图

    90#轻油配备三个鹤位，三个鹤位存在同时进行装车和不同时装车情况，为保证工艺管道的压力稳定，在泵出口安装压力调节仪表，用来控制机泵的变频，实现调节机泵的转速，从而实现调节稳定工艺管道压力的目的。

    由于工艺没有回流线，而且机泵调节在储运分厂的主控室，而加油站在工厂外面两地相距600米，两地操作不方便，在加油的间隙里，或在没有加油的情况下，而且机泵依旧在继续运行，产生憋泵的现象，威胁安全生产。定量装车仪与变频进行连锁，三台定量装车仪的常闭接点进行串联，当三个鹤位全部没有装车时，定量装车仪输出给变频一个常闭接点信号，强制变频将转速快速调整到5Hz/ s状态下的低转速运行。一旦有某个鹤位开始进行装车，定量装车仪的常闭接点打开，变为常开，变频自动转换到定值调节，使工况压力自动调整到设定值。

    定量装车仪内部核心部件为ATMEL的ATmega128高级单片机，核心部件为 高性能、低功耗的 AVR? 8 位微处理器,主频为16MHz,AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10 倍的数据吞吐率。128K 字节的系统内可编程Flash,寿命: 10,000 次写/ 擦除周期, 具有独立锁定位、可选择的启动代码区,通过片内的启动程序实现系统内编程,真正的读- 修改- 写操作。它可以提供2个外部通讯接口，可以同时实现与流量仪表和上位机的通讯,与变频连锁的开关量实现接点与主板光电隔离，保证系统的安全。定量装车仪与质量流量计的信号连接，一路接入脉冲信号，另一路接入RS-485信号。定量装车仪与上位机连接采用另一路RS-485。定量装车仪、质量流量计、电液阀组成检测控制系统，避免上位机二次计算和通讯滞后产生的误差。

3　控制曲线（如图2所示）

图2  控制曲线

    对执行机构电液阀的控制，一般有多极或两级控制2种控制方案，结合我们的实际工况，采用多极和两级控制方案相结合的控制方案。

    Q1 区为启动缓冲区，因为有变频控制，压力可以逐步提高，所以采用两级控制，Q1区流速缓慢增加，直接控制阀门开度进入Q2区。在质量流量计中设置参数为：脉冲当量为0.1L，脉冲高电平宽度为1ms，Q1区的流速设置为：5~8L/s，（根据实际情况，控制仪可设置）

    Q2 区为大流量恒流区,依据工艺要求确定具体数值，但要注意两个方面，一方面流速应当在规范允许的范围内，防止静电问题带来的危险。另一方面是流速过快对汽油介质来说容易产生气化现象，对计量产生误差。

    Q3 区为大恒流转换为小恒流的转换区，突然转换容易产生“水击”现象，所以采用多极控制方案，逐步降低电液阀的开度，使其缓慢的降低流速，进入到Q4区，Q3区的累计流量约为50Kg。

    Q4 区为小流量恒流区，为关断电液阀准备，不同厂家的电液阀的关断特性有所不同，依据电液阀厂家给出的关断特性，小流量尽量选择低，降低切断压差，便于快速切断电液阀。为了保证电液阀在小流量能稳住，我们将小流量恒流流速范围设定为5~8L/s,Q4区累计流量值约为150Kg。

    Q4区的流量值，随着使用时间的增加，电液阀内部元件的弹性减弱，不能保持线性，需要适当调整。

    Q5 区为电液阀关断区，即关断提前量，提前量的量值大小应当尽量符合电液阀的关断时间要求，随使用时间的延长，关断次数的增加，其关断特性有变化，大部分会逐渐延长关断时间，同时带来控制误差变大，所以提前量的大小决定控制误差的大小，装车提前量设置为：3~5L，即可保证精度。

    上述各区的参数调整，应当根据现场情况和电液阀的特性进行，不同的厂家产品、不同的口径、不同的管径、不同的压力、不同鹤管数量、不同的操作方式等都会有不同的具体要求，应当视具体情况分别对待。

4　主控制方案（如图3所示）

图3  主控功能模块

    控制仪在运行后首先和流量计进行通讯握手，如控制仪呼叫流量计5次无应答，系统报无应答错，在运行过程中进行CRC效验， 5次校验错，系统报CRC错，同时控制仪不断读取流量计“OK”码，以此判断流量计工作是否正常，一但发现“OK”码错误，系统立刻报OK码错，停止运行。

    主要算法为：使用质量流量计的累计量进行数值计算，使用脉冲量作为控制参数进行控制。在Q1和Q2区不断使用累积量与给定值（本次装车的数量）进行比对，判断是否到达Q3的临界值，到达后逐步调校阀的开度，使其平稳过渡到小恒流区Q4区，然后判断小流量恒流区Q4是否完成，完成后，进入Q5区，关断电液阀。

    在质量流量计中累计量单位设置为Kg ，脉冲当量为0.1L，在Q3、Q4、Q5区的量值计算中，需要进行质量和体积单位的换算，为保证计算精度，取用通讯采集的实时密度值参与运算，将各区的设定量之值转换为需要的具体脉冲数去进行控制。

5　控制精度（如图4所示）

图4  电液阀提前量修正模块

    Q5区量值即电液阀的关断控制提前量的大小，是否能够与电液阀的关断时间相吻合，是保证控制精度的关键。提前量偏大造成多付油，提前量偏小造成少付油，影响因素有如下几个方面：

    （1） 随开关次数的增加，关断时间会产生变化。

    （2） Q4区的流量在理论上是越小越好， 不同数量鹤管装车的流速不同，压力有所变化，造成阀的切断压差有差别。

    为此设置有2种解决办法即手动在控制面板上调整和自动修正。如果当前阶段阀的控制精度在设计要求范围内，可以在面板上选择不进行修正。

    自动修正首先计算本次装车给定值和流量计上的累积值之间的差值E，然后依据Q2区的瞬时流量值判断同时进行装车的鹤管数量，依据不同鹤管数量，调用相应的提前量数值，然后依据偏差E的属性进行不同计算和修正。E为负值则表明Q5区数值偏小，反之偏大，进行相应的加减运算，在运算中偏差E值取50%，目的是在一些不定因素的影响下，防止修正偏差E后产生正负之间跳变，使其逐步进入误差允许范围内。

6　系统的自诊断功能（如图5所示）

图5  自诊断功能模块

    在每个扫描周期中均要调用自诊断功能模块，对系统进行自诊断，其中每项功能发生问题均停止装车并报警。

    自诊断功能中包括常规的静电保护和防溢出保护功能。

    对质量流量计设置诊断功能，通过诊断通讯中校验码的正确与否，判断通讯是否正常。E+H公司的质量流量计内部具有100多项报警信息，包括过程和系统两类报警信息，同时在质量流量计中提供综合信息提示，运行正常时提供“1”信息，如果某项内容产生报警信息，该项内容为“-1或其他代码”信息，直接读取“1”信息作为综合报警判断信息，如果产生错误，停止装车，具体原因可以在流量计本身的显示信息上查明。

    对定量装车仪也设置了故障报警自诊断功能，有看门狗定时器，便于程序抗干扰，程序飞走进入死循环后，能自动复位重新启动。

    电液阀的开关状态及泄露情况的程序实现如图6所示。

图6  电液阀泄露诊断功能模块

    在一个装车过程结束后，定量控制仪的运行继续进行，溢出累计量清零，在延时3秒内，继续读取累积值G“，后判断G“值是否大于1Kg，如果是，则报错并显示溢出累计量。上述方法同时也可以诊断阀的关断情况。

    除此之外，每台定量装车仪安装有浪涌保护器，因为加油站地理位置比较空旷，容易遭受雷击，安装有浪涌保护器保护可以保护其遭受感应雷等引起的损坏。

    整个系统有上述的保护，可以基本上保障其安全性和工作可靠性。

7　质量流量计调试

    为保证通讯数据的正确和系统的正常运行，必须对现场仪表进行调试，

    (1) 脉冲当量：0.1L/ms

    (2) 累计流量单位：Kg

    (3) 脉冲高电平宽度：1ms

    (4)  通讯协议：   MODBUS RTU RS485

    (5) 仪表位号：   TAG NAME：                90#-1  90#-2  90#-3

    (5) 通讯地址：   FIELDBUS ADDRESS：        1（90#-1），2（90#-2）,3(90#-3)

    (6) 波特率：     BAUDRATE：               9600

    (6) 通讯格式：   TRANSMISSION：           RTU

    (7) 数据格式：   BYTE ORDER：              3-2-1-0

    (8) 扫描时间：   DELAY TELEGRAM REPLY： 10ms

    (9) 写保护：     WRITE PROTECTION：       OFF

    (10) 寄存器 1     SCAN LIST REGISTER1：     2007（瞬时流量）

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

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

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

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

    (14)定量控制仪寻址地址

    《1》数据缓冲区：瞬时流量       5050----2007

    《2》数据缓冲区：累积值        5052----2610

    《3》数据缓冲区：温度           5054----2017 

    《4》数据缓冲区：密度           5056----2013

    《5》数据缓冲区：综合信息提示   5068----6859

    《6》小信号切除               0.2Kg/s

    质量流量计调试应注意以下几个方面问题：

    (1) 数据缓冲区设置,在质量流量计中，设置数据缓冲区,为便于计算机寻址连续读取数据，简化程序，也可以直接从2007中读取数据，此项设置依据程序编制需要而定。所有数据参数设置中，数据缓冲区地址或寄存器地址，数据格式是最重要的参数，必须参照说明书调试准确，否则不能通讯或数据错误。

    (2) 由于脉冲当量单位设置的很小，在不装油的工况下，在工艺管道的震动干扰下，产生累计量，为避免上述情况产生，应当把质量流量计的小信号切除打开,并根据现场情况调整好参数，但是在工况压力不稳定的情况下，应当慎重使用该项功能。

8　结论

    轻油定量装车系统尤其是使用在贸易交接方面，技术要求很高，其误差必须满足相关规范的要求，数字通讯技术在定量装车系统中的应用，提高了系统的检测和控制精度，提高了系统的先进性和自动化、智能化水平，自诊断技术的应用，保证系统的安全、可靠。本文主要从控制算法、现场安装、调试角度根据现场使用的实际情况进行总结，供大家参考和借鉴。

其它作者：

    主艳红（1973-），河北衡水人, 工程师,现就职于蓝星石化有限公司天津石油化工厂,从事炼油自动化的设计、施工等工作。

参考文献

    [1] E+H公司.科氏力质量流量测量系统使用手册.         

    [2]陈冬云,杜敬仓,任柯燕.ATmega128单片机原理与开发指导/单片机与嵌入式系统应用丛书[M].北京:机械工业出版社.