新型成品油库计量监控系统的设计.pdf
信息技术及应用 收稿日期:2009210221。作者简介:李 学(1980),男,吉林市人,2003年毕业于吉林建筑工程学院电气工程及其自动化专业,获学士学位,2009年毕业于东北电力大学控制工程专业,获硕士学位,现工作于中石油东北炼化工程有限公司吉林设计院自控室,一直从事自控专业设计工作,任工程师。新型成品油库计量监控系统的设计李 学,孙 旭,王梓旭(中石油东北炼化工程有限公司吉林设计院 自控室,吉林 吉林 132002)摘要:阐述了成品油库计量监控系统的控制方案及各部分组成,重点对其各部分的功能进行了论述。整个系统由底层、中间层和上层构成,底层为现场仪表设备,主要功能是将油库罐区的工艺参数准确有效检测出来,并通过不同的传输信号或总线协议向上层传输;中间层为仪表信号传输层,包括传输信号及传输介质,常规仪表信号和现场总线仪表信号通过不同的传输介质(电缆、光缆)实现信号传输;上层为过程控制及管理层,过程控制层通过PLC实现对底层现场仪表设备的监视、控制及联锁,管理层是通过库级信息管理处理器(数据库服务器、通信服务器及Web服务器)及其配套软件来实现油库的综合信息存储、数据通信及Web浏览等功能。关键词:成品油库计量监控系统;HART协议;Modbus2RTU串行总线协议;Profibus2DP总线协议;通信服务器中图分类号:TP277文献标志码:B文章编号:100727324(2010)0120047203The Design of Supervising and Control System in New Type Product Oil DepotLi Xue,Sun Xu,Wang Zixu(Petrochina Northeast Refining&Chemical Eng.Co.Ltd.Jilin Design Inst.,Jilin,132002,China)Abstract:The control scheme and composition of the supervising and control system in product oil depotare introduced.The function of each part of the supervising and control system is mainly described,thesupervising and control system contain bottom layer,middle layer and top layer.The field instrumentsare in bottom layer,its main function is to detect process parameters in oil depot accurately andeffectively,and to transmit to the upper layer through different transmission signals or bus protocol;middle layer is signal transport layer,it includes transmission signal and the transmission medium,general instrumentation signals and field2bus instrumentation signals realize signal transmission throughdifferent transmission media(electric cable,fiber cable);the process control and management are in toplayer,its function is controlling,monitoring and interlocking bottom layer instruments through PLC.Management layer realizes the function of the integrated information storage,data communication andWeb browsing in oil depot through the base2level processor(database servers,communications serversand Web servers)and the supporting software.Keywords:supervising and control system in product oil depot;HART protocol;modbus2RTU protocol;profibus2DP protocol;OPC0 引 言成品油库是油料保障的重要储存基地,要求成品油库计量监控系统具有安全可靠性高、自动化系统功能先进等特点。以下笔者结合最新的成品油库标准及相应的油库建设规范对成品油库计量监控系统的组成、控制方案及功能进行阐述1-3。1 成品油库计量监控系统的组成及控制方案成品油库计量监控系统结构分为三层,底层为罐区现场仪表,包括伺服液位计、平均温度计、罐旁指示仪、音叉液位开关、智能电动切断闸阀、可燃气体检测器及防雷浪涌保护器等4。中间层为仪表信号传输层,包括常规仪表信号传输和现场总线仪表信号传输,常规仪表信号包括420mA模拟量信息技术及应用 石 油 化 工 自 动 化,2010,147AUTOMATION IN PETRO2CHEMICAL INDUSTRY信号和接点信号,现场总线仪表信号传输多采用Profibus2DP总线通信协议和Modbus2RTU总线通信协议与上层进行通信。上层由过程控制层和管理层两部分构成,过程控制层包括PLC和网络连接设备等,控制层采用PLC自身的网络协议实现系统内部互联,同时采用以太网将过程控制层和管理层集成为一体。管理层为油库内部综合信息处理及集中监控部分,其组成包括:库级信息管理处理器(数据库服务器、通信服务器及Web服务器)、监控操作站、打印机、生产调度作业软件和库级管理软件等。管理层通过数据库服务器实现对PLC的数据采集,由通信服务器OPC完成与控制层PLC系统数据信息的通信,Web浏览服务功能由Web服务器来实现,达到上级主管部门上网浏览相关数据信息的目的。成品油库计量监控系统结构如图1所示。图1 成品油库计量监控系统结构2 计量监控系统各部分功能2.1 系统底层功能系统底层的主要功能是将油库罐区的工艺参数准确有效地检测出来,并通过不同的传输信号向上层传输526。a)伺服液位计。成品油库储罐容积相对比较大,多采用伺服液位计对其进行测量,同时可测得液位、油水界面、密度等多种参数,另外伺服液位计可采集储罐上的平均温度计与压力变送器等仪表HART协议信号,实现了储罐上所有信号与控制室之间通过一根串行总线来传输,通信协议为Modbus2RTU。1)液位测量。测量浮子处于被测液体表面,其底部通常浸入液面23 mm,根据阿基米德浮力原理测量浮子本身的重力和受到的浮力,在测量钢丝上则表现为测量浮子所受重力和浮力之和,即钢丝上的张力。当液位下降时,测量浮子所受浮力减小,则钢丝上的张力增加,张力的改变立即传至力传感器的张力丝上,使其拉紧,减震器检测到张力丝上的频率增加,伺服控制器随即发出指令,伺服电机带动测量鼓逆时针转动,并以510-3mm的步幅放下钢丝,浮子在不断地跟踪液位下降的同时计数器记录了伺服电机的转动步数,自动计算出浮子的位移量,即液位变化量。当液位上升时,整个过程相反。2)油水界面测量。只要改变力传感器上的平衡张力,浮子则会自动地穿过油层到达油水界面,通过测浮子的位移量,即可检测出水位高度。3)油品密度测量。根据阿基米德原理和力平衡关系,如图2所示,测得油品密度。Bw=VvF=m-Bw=(m-F)/V式中 m 浮子质量;V 浮子体积;Bw 浮力;F 钢丝上的张力;密度。84石油化工自动化 2010年图2 测量浮子力平衡关系b)罐旁指示仪。罐旁指示仪与伺服液位计通过HART协议进行通信,采集伺服液位计检测到的各类参数。罐旁指示仪具有储罐数据计算功能,直接在表头设定参数,完成计算任务。c)音叉液位开关。通过储罐上的音叉液位开关实现储罐高低液位联锁,当储罐液位高时联锁切断储罐入口电动切断闸阀,当储罐液位低时联锁切断储罐出口电动切断闸阀。d)平均温度计。储罐平均温度通过平均温度计对其进行测量,通过测温电缆上设置的Pt100测温元件测得多点温度,并取其平均值。平均温度计集成温度转换器将多点温度和平均温度通过一对HART信号电缆将温度测量数据传输至主测量仪表,如伺服液位计或罐旁指示仪。e)差压变送器。储罐底部设差压变送器,通过差压变送器测量储罐液位静压,并计算得到油品平均密度。f)智能电动切断闸阀。油库内储罐进出口的控制阀门采用智能电动切断闸阀,切断闸阀装配具有Profibus2DP总线接口的总线式执行机构,通过国际通用的总线协议Profibus2DP进行数据传输。根据传输距离的远近来确定一条DP总线上连接的设备数量。2.2 系统中间层功能液位计总线通常采用RS2485串行总线7,采用Modbus2RTU总线协议。RS2485串行总线支持多点、双向通信,允许多个现场总线设备连接到同一条总线上,同时具有现场总线设备的驱动能力和冲突保护特性,扩展了总线共模范围。RS2485串行总线最大传输电缆长度为1 220 m,最大传输速率为10 Mbit/s,最大驱动输出电压为-7+12V,传输介质多采用屏蔽双绞线。RS2485总线网络一般要加终端电阻与其通信速率进行匹配,每条RS2485串行总线上最多可连接10个现场总线设备。智能电动执行机构通常采用Profibus2DP总线,它是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准。主要用于现场级的高速数据传输,完成自动控制系统(如PLC,PC等)与高度分散的现场设备(I/O,驱动器等)之间的通信任务。Profibus2DP协议规定了用户数据如何在总线各站之间进行传输。在同一Profibus2DP总线上最多可接126个站点,但在实际工程应用中应根据传输距离远近及现场设备的通信量确定连接站点数量,一般实际油库工程中一条Profibus2DP总线上连接的总线设备应小于10个。Profibus2DP总线 传 输 波 特 率 为9.6 kbit/s12 Mbit/s。Profibus2DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以便进行组态、诊断和报警处理。2.3 系统上层功能a)管理功能。管理功能是通过库级信息管理处理器来实现的。由数据库服务器实现对PLC控制系统的数据采集,通信服务器OPC完成与控制层PLC系统数据信息的通信,Web服务器实现对综合信息的发布,为总部油库管理信息系统提供真实、准确的油库进、销、存生产数据,按需要提供储罐液位等动态生产数据。油库管理信息系统采用生产调度和库级管理专业软件来进一步规范油库管理业务流程,明确管理职责、统一作业流程,提高管理水平,实现从油品入库到出库业务的全程业务数据信息管理;通过系统提高油库作业结果(入库、出库、库存等)的精细化管理,辅助提高整体供应链的运作能力(提高周转率),辅助降低运营成本(降低库存、降低跑冒滴漏),有效地控制仓储成本,保证利用现有的仓储设备达到油库的最大经济效益;实现油库数据的集中统一管理,通过对油库进、销、存生产数据的统计和分析,建立上级公司、库级油库管理业务与决策支持统一集成的信息平台,加强各级监管力度;用系统实用的功能、快速准确的数据处理,代替人工的繁琐操作、计算、查表,减少人工操作可能的差错;支持生产、安全各种数据记录的查询功能,自动生成定制化和查询的各种管理报表并打印输出;实现油库管理系统与油库自动化控制系统的数据交换,自动实时采集、处理相关业务数据,保证数据的准确性和可靠性;对油库人员、设备等基本信息实现信息化管理。b)监控功能。通过监控操作站对发油过程中的各种静态信息和动态数据进行显示;各种控制参数通过授予权限进行修改,记录各种操作;监控各种报警并进行相应的联锁保护;动态显示储罐液位、界位、温度等数据;自动判断储罐进、出油和静(下转第79页)94第1期 李 学等.新型成品油库计量监控系统的设计4 防喘振故障安全策略防喘振回路有可能会因仪表损坏等原因无法正常执行防喘振策略。如:防喘振相关的流量、压力、温度、防喘振阀等仪表故障,可能会造成防喘振控制的误动作或拒动。因此,在防喘振组态时还需要考虑关键仪表点故障后如何退却到一个更简单的备用算法上,保证压缩机不进入喘振区域。此时,可能会降低压缩机工作效率,但是与不设置故障安全策略比仍然是相当节约的。因为在没有故障安全策略的情况下,许多现场仪表故障都会导致防喘振阀全开或压缩机因喘振而停机。故障安全策略常用手段如下。a)安全值退却。在测量点超出预设的安全值范围时(说明此测量点已工作不正常),用预先设定的正常工况值代替测量值。例:某温度点超出正常情况下可能达到的值时,采用额定工况下的典型值代替测量值。b)在重要测量点(如流量仪表损坏)不能正常工作时,将防喘振回路切为手动模式,将防喘振阀打开一个预设开度或保持仪表发生故障前的开度,防止压缩机发生喘振。c)在防喘振阀上安装联锁电磁阀,以便于紧急情况下快速打开阀门。例如当防喘振阀因定位器或线路故障等原因无法正常调节开度时,若压缩机工作点左移至接近SLL线时,则电磁阀动作将防喘振阀迅速打开,防止压缩机进入喘振区域。5 结束语合理的防喘振控制策略,对于保证透平压缩机的安全运行和减少压缩机轻负荷下的能耗具有重要意义。该文以蒸汽透平压缩机为例讨论其防喘振控制策略,对于电动压缩机可以视为一台固定转速的蒸汽透平压缩机,其控制方法可以参考。另外,在一些应用场合,也采用电机电流或功率代替气体流量的方法实现防喘振控制。参考文献:1 黄钟岳,王晓放.透平式压缩机M.北京:化学工业出版社,2004:2322245.2 阮 艳.大型空分装置中空气透平压缩机的自动安全控制J.工业安全与环保,2005,(05):58259.3 沈 刚.浅谈离心式压缩机的控制方案J.石油化工自动化,2004,(06):42243.4 刘 真.济钢1.05105m3/h空压机防喘振控制设计及应用J.自动化仪表,2005,(9):40241.5 黄爱苹.透平压缩机状态监测与分析处理系统设计J.计算机时代,1992,(04):27230.6 杨小锋.TS_3000系统在轴流压缩机喘振控制中的应用J.自动化与信息工程,2006,(02):33235.7 杨海青.离心式空压机振动故障分析及处理J.装备制造技术,2009,(06):1442145.(上接第49页)态等工作状态;对罐区油品调和进行动态监测和数据存储,自动核算罐存;罐区流程可接受远程调度指令和本地操控指令的控制;消防水池液位动态监测显示,水池液位超高和超低报警;实时视频监视油库生产区域和办公区域;对库区油气聚积区域进行可燃气检测报警并联动视频。c)远程监控及查询功能。通过Web服务器实现数据信息的发布,油库业务主管部门及各级领导通过网页浏览(在给定权限后)油库的生产、安全状况,并对生产数据进行查询和统计。实时地了解油库库存、空容情况以及趋势的曲线变化;了解油库各项收发油业务流程情况,各种油品的进销存情况,动设备的运行状况,随时查询各类安全报警记录,打印各种生产统计、分析报表。3 结束语成品油库计量监控系统首先通过底层检测与变送,其次通过中间层的数据信号传输,然后由过程控制层实现对底层的监控,最后管理层实现综合信息管理功能。采用新型的成品油库计量监控系统,大大提高了油库自动化水平,结束了已往费力的人工操作,实现检测、传输、操作、维护、管理、运营、供销的自动化和信息化。参考文献:1 中国石油天然气股份有限公司.成品油库建设标准 G.中国石油天然气股份有限公司,2008.2 中国石油天然气股份有限公司.成品油库建设标准设计M.北京:石油工业出版社,2008.3SH 300521999,石油化工自动化仪表选型设计规范S.4GB/T 2054022006,测量和控制数字数据通信 工业控制系统用现场总线 类型3:Profibus规范S.5 税爱社,方卫红.油料储运自动化系统 M.北京:中国石化出版社,2008.6 董爱娜,郑水成.Profibus总线系统的设计探讨J.石油化工自动化,2007,(2):30232.7 甘维兵,祁耀斌,张 宇.现场总线网络在油库安全检测中的应用J.石油化工自动化,2006,(1):76278.97第1期 黄乐观.透平压缩机防喘振控制策略探讨
