油品儲運自動控制系統設計

周鵬，肖璽(北京聯合燃氣技術研究發展中心，北京 100029)

油品儲運自動控制系統設計

周鵬，肖璽
(北京聯合燃氣技術研究發展中心，北京 100029)

介紹了罐區SCADA系統及網絡結構、系統功能。通過對油品儲罐過程儀表及安全儀表等的選用，概述了液位計、液位開關、閥門、可燃氣體探測器、火焰探測器、感溫光纖等的特點及各自的安裝方式。介紹了自動定量裝車控制系統自控設計方案，并討論了汽車上裝及下裝的控制方式及組成儀表的工作原理，重點討論了貿易計量中體積流量換算成質量流量的方法和防靜電、防溢開關的工作原理。

監控與數據采集系統 油品儲罐自動控制 批量控制器 遠程測控終端系統 現場通信單元 裝車

成品油作為一種不可或缺的能源，消費量在逐年提高，成品油的儲存需要大量的儲罐，自動化控制水平目前參差不齊，現場儀表的選用也有很大的差別。筆者以上海百聯油庫為例，將罐區監控與數據采集(SCADA)系統、現場過程儀表的選型進行論述。

1 SCADA系統配置

該油庫罐區包括： 汽油罐區、柴油罐區、燃料油罐區，汽車上、下裝車系統，火車上裝車系統，此外還有碼頭定量裝船系統和消防系統等。罐區采用SCADA系統對工業對象進行實時的本地和遠程轉換控制，并實時監視其狀態，為生產、調度、管理提供必要的數據支持。罐區設置了遠程終端控制系統(RTU)，通過Modbus-RTU協議對各個罐區進行數據采集、數據預處理和控制輸出，然后數據通過中心控制室機柜間的通信服務器傳至對應的操作員工作站，實現相應的操作。油庫SCADA系統配置如圖1所示。

現場的雷達液位計(包含罐旁指示儀及平均溫度計)使用總線通信結構。除了雷達液位計(含平均溫度計)的液位、罐內溫度等信號直接接入中心控制室的現場通信單元(FCU)，罐區內的其他儀表信號先進入相應罐區的RTU，再通過RS-485傳輸至中心控制室。采用RTU方式不僅節省了大量的電纜，降低工程成本，減少維護量，同時為系統擴展提供了方便。當罐區擴建時，只需增加相應數量的RTU即可。中心控制室內設置上位機管理控制系統，設有3個操作站及1個工程師站兼操作員站，通過通信網絡實現上位機與現場RTU、裝車批量控制器、各種配套系統橇塊的PLC信息交換。SCADA具有良好的人機界面，能完成各種控制和管理功能，控制方式可靠、簡單、高效、方便。

圖1 SCADA系統配置示意

2 罐區現場儀表的設計

2.1液位儀表

儲罐油品的液位計量通常采用雷達液位計、伺服液位計、磁致伸縮液位計等。液位報警開關通常采用音叉液位開關、浮球液位開關、外貼式的超聲波液位開關。該油庫的汽、柴油及燃料油儲罐液位儀表均選用雷達液位計及其配套的平均溫度計(8點)及罐旁指示儀。雷達液位計采用發射—反射—接收的工作模式，電磁波從發射到接收的時間與其到液面的距離成正比，關系式如下：

H=ct/2

式中：H—電磁波到液面的距離；c—光速；t—電磁波運行時間。

雷達液位計的天線形式各異，汽油儲罐選用的是靜止管陣列形式的雷達天線；柴油儲罐及燃料油儲罐選用拋物面形式的雷達天線。平均溫度計信號傳入罐旁指示儀，雷達頭以總線方式將信號傳入控制室FCU單元，然后通過通信服務器接入罐區管理系統。

儲罐類型不同，液位開關的安裝方式也不同。外貼式超聲波液位開關為非接觸式，雖然可以用于任何種類的儲罐及油品，安裝也相對方便，但其價格較音叉液位開關高；浮球液位開關與音叉液位開關相比，壽命較短，不適宜黏度較大介質，靈敏度較低，因而該油庫選用音叉液位開關，安裝方式為側裝，并與水平方向呈15°夾角，防止掛料。

2.2閥門

油罐區進出口主要為大口徑閥門，為加快動作時間，通常選用氣動或電動執行機構的閥門。因燃料油吹掃介質為空氣，柴油和汽油吹掃介質為氮氣，并且選用了空壓機及制氮機橇塊，所以該項目中閥門選用了氣動執行機構，界區之間設置了緊急切斷閥(并配有備用氣罐)。閥門信號有故障報警、閥位反饋、遠程及就地選擇開關。

儲罐上安裝的音叉液位開關與罐進出口閥門聯鎖，高位音叉液位開關在系統發出高高限報警時發出一個開關量信號聯鎖關閉罐根部進油閥門，防止冒罐事故發生；低位音叉液位開關在系統發出低低限報警的同時發出一個開關量信號聯鎖罐根部出油閥門，防止抽空事故的發生。

2.3安全儀表

當溫度高于系統內溫度設定值，液位高低位置到達系統設定值，SCADA系統操作員工作站上會顯示報警狀態，經過人工判斷采取必要措施。

安全儀表有火焰探測器、可燃氣體探測器，還有罐上的感溫儀表(感溫電纜、感溫光纖)等。火焰探測器主要設置在有可燃氣體泄漏或者容易產生火焰的區域，檢測原理主要有催化燃燒和紅外補償兩種。文中筆者重點討論罐上感溫儀表(感溫電纜、感溫光纖)的選用。從使用靈敏度分析，感溫電纜是利用金屬受熱變形，發生短路而進行信號報警，長期使用后，彈性鋼絲外絕緣材料破裂易發生誤報警；而感溫光纖由于自身特點，極少發生誤報警。從經濟角度分析，感溫電纜一旦發生報警，自身發生破壞短路，必須更換，而感溫光纖壽命較長。因此，該油庫選用了感溫光纖，當發生報警時，經人工確認火情后與消防系統聯動。

3 裝車控制系統

3.1裝車系統簡介

自動定量汽車裝車系統具有集中式和分布式兩種控制方案，實際應用中多采用分布式，并配置批量控制器。采用分布式批量控制器的裝車程序： 1) 業務部發IC卡給需要裝車的汽車司機(IC卡屬于裝車門禁系統)；2) 司機在裝車場進廠門衛處刷卡獲得裝車位置后，大門打開；3) 車開到指定車位刷卡正確后允許裝車；4) 放下鶴管、掛好防溢開關、接好防靜電接地夾；5) 準備就緒后，設定好預裝量，按下批量控制器按鈕，批量控制器按照程序先打開相應鶴位的泵，然后打開相應的裝車控制閥，到達預裝量再關閉裝車控制閥然后關泵，完成裝車。裝車過程中，加油量在批量控制器上顯示。正常情況下，裝車完畢后裝車儀自動關閉閥門及相應泵，油罐汽車到出廠門衛處刷卡打印裝車單，將IC卡交回，大門打開即可離開。若在裝車過程中位于槽車上部的防溢液位開關動作或連接槽車的防靜電接地夾電阻超限，均自動停止裝車；如果現場有緊急情況需要停止加油，按停止裝油按鈕即可停止裝油。實際應用中，每個裝車臺還設有大屏幕顯示器，顯示裝車油品的名稱及裝車量。典型汽車裝車流程如圖2所示。

火車裝車過程與汽車裝車類似，只是裝火車站臺工藝主管上連接多個鶴位(上裝)，同時可以并入多臺泵同時為火車槽車裝車，其典型工藝流程如圖3所示。

圖2 汽車裝車流程示意

圖3 火車裝車流程

3.2裝車系統儀表的選用

3.2.1流量檢測

自動檢定裝車計量有質量計量和體積計量兩種方法，流量計也分為質量流量計和體積流量計。如果檢測時使用體積流量計，但貿易交接時采用質量流量作為交接依據，則需要將體積流量折算成質量流量。折算時需要檢測管路油品的實際溫度，對容積式流量計的計量值進行溫度補償，換算成20 ℃的標準體積流量，再換算成油品的質量流量。換算方法如下：

qm=qV[1-γ(T-20)]ρ20 ℃

式中：qV—瞬時流體的體積流量；γ—管路中流體的體積膨脹系數；T—管路中流體溫度；ρ20 ℃—20 ℃時流體密度。

實際工程中，應采用某一時段的累計體積流量進行計算。為保證計量精度，流量計輸出信號應為脈沖信號。

3.2.2防靜電和防溢開關

1) 防靜電開關是自動定量裝車實現聯鎖的關鍵設備，帶接觸電阻檢測的專用防靜電開關有2個探針，一個探針將槽車上的裸鋼板直接接地；另一個提供接地電阻檢測。當起動裝車時，批量控制器先測量接地電阻，若大于100 Ω，則停止裝車，上位機同時報警；若小于100 Ω，則按預裝量進行自動定量裝車。

2) 根據裝車方式的不同，防溢開關的安裝位置也各不相同。當采用上裝車時，電容防溢開關安裝在裝車鶴管的上部，裝車時與鶴管同時插入槽車，安裝高度與槽車額定液位相當；當采用下裝車時，防溢開關由具有下裝口的槽車配帶，當裝車液位超過額定高度時，防溢開關動作，同時向批量控制器發送中斷請求，批量控制器立即關閉閥門，避免物料溢出，上位機同時發出聲音報警。

3.2.3兩段式球閥

為防止裝車過程中的水擊現象及保護裝車系統中的流量計等重要儀表，裝車系統采用了兩段式球閥。兩段式球閥由2臺電磁閥控制閥門流量，使開閥、關閥速度更為緩慢，使管道流體變化平穩。兩段式球閥與裝車批量控制器結合，可實現平穩的批量控制，同時保護了重要儀表。

4 結束語

根據百聯油庫整體業務發展的需求，使用當前先進的自動化、信息化技術和設備，實現了百聯油庫各部門的信息共享，進而實現經營決策的科學化，可為用戶提供安全、高效的油品輸配，降低了人工勞動強度。

[1]劉靜文.液體定量控制儀表的選擇[J].石油化工自動化,2002,38(03)： 17-19.

[2]巨改生.儲罐區液位自動檢測系統[J].化工機械,2009(06):649-651.

[3]鄭水成.董愛娜.現代化油庫信息系統的工程設計及管理功能[J].石油化工自動化,2012,48(06):21-25.

[4]張伶.雷達液位計探討及應用舉例[J].石油化工自動化,2007,43(03):84-86.

[5]張曉蘭,孫偉,王建華.實現油品自動裝車系統計算機控制與管理的探討[J].哈爾濱師范大學自然科學學報，1999(03):64-67.

[6]徐萬君,鄒文江.油品汽車裝車自動化的方案設計[J].傳感器技術,2000(04):31-33.

[7]蔣曉蕾.大型儲罐液位的測量方法[J].石油化工自動化,2003，39(04):22-25.

[8]甘維兵,祁耀斌,張宇.現場總線網絡在油庫安全監測中的應用[J].石油化工自動化,2006,42(01):76-78.

[9]蘇夢,馮達,陸朝榮,等.基于PLC的油料儲運監控系統的設計與實現[J].微計算機信息,2006(25):13-15.

[10]包秀榮,白鳳山.基于CAN總線的液位數據采集傳輸系統設計[J].內蒙古大學學報(自然科學版),2006(06):679-684.

[11]張濤.大容積臥式容器的設計探討[J].化工設備與管道，2010，47(01)： 5-6.

[12]顧權，施云波，修德斌.車載用油品質量在線檢測儀的設計[J].化工自動化及儀表，2012，39(01)： 36-39,84.

AutomationControlSystemDesignforOilStorageandTransportation

Zhou Peng，Xiao Xi

(BUGAS，Beijing,100029，China)

The supervisory control and data acquisition (SCADA) system, network structure and the function for tank farm are introduced. The characteristics and individual installation techniques for liquid level indicator, liquid level switch, valve, flammable gas detector, flame detector and temperature sensing optical fiber are summarized by selecting the process and safety instrument for oil storage. The design scheme of automatic control system for automatic and quantitative entrucking control system is introduced. The working principle of control mode of tops and bottoms loading and the related instrument are discussed. The method of converting volume flow to mass flow in trade measure, the anti-static and spill-proof switch are stressed.

supervisory control and data acquisition; oil tank automatic control; batch controller; RTU; FCU; entrucking

稿件收到日期：2013-03-25，修改稿收到日期2013-06-17。

周鵬，男，2007年畢業于西南石油大學過程裝備與控制工程專業，現就職于北京聯合燃氣技術研究發展中心電控室，任自控工程師。

TP273

B

1007-7324(2013)05-0012-04