基于PC的質(zhì)量流量計計量控制系統(tǒng)
| 一 概述 金陵石化煉油廠成品油裝船計量和控制系統(tǒng)主要采用了Micro Motion和Krohne公司的質(zhì)量流量計作為碼頭最末端的計量和批量控制手段。煉油廠碼頭分布間距遠(yuǎn)(超過1000m)，流量、壓力控制要求高，模擬或脈沖信號遠(yuǎn)傳易產(chǎn)生信號失真，影響計量和控制的精確度。我們應(yīng)用iFIX組態(tài)軟件，在Windows NT 4.0的運行環(huán)境下開發(fā)了計量和控制系統(tǒng)，采用集中管理和分級控制方案，系統(tǒng)自2000年3月投用以來，其計量控制和數(shù)據(jù)處理滿足了計量精確度、數(shù)據(jù)采集和控制響應(yīng)實時可靠的要求。 二 質(zhì)量流量計的測量特性及信號特性 1. 測量特性 一臺質(zhì)量流量計的計量系統(tǒng)包括一臺傳感器和一臺用于信號處理的變送器。以Rosemount公司的質(zhì)量流量計為例，傳感器內(nèi)是U型流量管，在沒有流體流經(jīng)流量管時，流量管由安裝在流量管端部的電磁驅(qū)動線圈驅(qū)動，其振幅小于1mm，頻率約為80Hz。流體流入流量管時被強(qiáng)制接受流量管的上下垂直運動。在流量管向上振動的半個周期內(nèi)，流體反抗管子向上運動而對流量管施加一個向下的力；反之，流出流量管的流體對流量管施加一個向上的力以反抗管子向下運動而使其垂直動量減少。這便導(dǎo)致流量管產(chǎn)生扭曲，這一扭曲現(xiàn)象被稱之為科里奧利(Coriolis)現(xiàn)象。流量管扭曲量的大小完全與流經(jīng)流量管的質(zhì)量流量大小成正比，安裝于流量管兩側(cè)的電磁信號檢測器用于檢測流量管的振動。當(dāng)沒有流體流過流量管時，流量管不產(chǎn)生扭曲，兩側(cè)電磁信號檢測器的檢測信號是同相位的；當(dāng)有流體流經(jīng)流量管時，流量管產(chǎn)生扭曲，從而導(dǎo)致兩個檢測信號產(chǎn)生相位差，這一相位差的大小直接正比于流經(jīng)流量管的質(zhì)量流量。由于這種質(zhì)量流量計主要依靠流量管的振動來進(jìn)行流量測量，因此質(zhì)量流量計的安裝應(yīng)在無應(yīng)力的狀態(tài)下進(jìn)行，且安裝時應(yīng)先固定儀表，配管和主管線碰頭應(yīng)在自由狀態(tài)下連接或焊接，管道的支撐件應(yīng)安裝得離傳感器連接件越近越好(在管道一側(cè))，傳感器附近的管道支撐物或卡子應(yīng)安裝在同一連接面上，盡可能減小管道對傳感器工藝連接件所產(chǎn)生的應(yīng)力(包括軸向與側(cè)向應(yīng)力)，絕不能用傳感器來支撐工藝管道。 2．信號特性 Rosemount的變送器RFT9739是模塊化并帶有微處理器功能的電子裝置，配合ASICS數(shù)字技術(shù)，可選擇數(shù)字通信協(xié)議。它與傳感器連接使用而獲得高精確度的質(zhì)量流量、密度、溫度和體積流量信號，并將獲得的信號轉(zhuǎn)換為模擬量、頻率等輸出信號，還可使用275型HART通信手操器或AMS、Prolink軟件對其組態(tài)、檢查及通信。 RFT9739的主要技術(shù)參數(shù)為：4~ 20mA模擬量輸出，可表示質(zhì)量或體積流量、密度、溫度、事件1和事件2，頻率/脈沖輸出，可表示瞬時質(zhì)量流量、體積流量和質(zhì)量流量總量或體積流量總量；獨立于模擬量可輸出0~15V方波，頻率為1~10000Hz，脈沖寬度在低頻可調(diào)；控制輸出可表示流向、故障和過程零點；數(shù)字輸出的開關(guān)，可選擇Bell 202或RS-485串行標(biāo)準(zhǔn)，與HART協(xié)議兼容；電源為85~250V AC、50Hz或12~30V DC；環(huán)境溫度為－30℃~+55℃，密度測量范圍為0~5g/cc(0~5000kg/L)；測溫量程為－240℃~+450℃，安全等級為UL、CSA。附加輸出有API密度輸出、密度變化抑制、阻尼及出錯顯示。 三 計量控制方案 如上所述，Micro Motion和Krohne公司的質(zhì)量流量計具有RS-485標(biāo)準(zhǔn)通信接口(Modbus協(xié)議)和模擬信號輸出(脈沖或4~20mA電流信號)，通過RS-485標(biāo)準(zhǔn)通信接口，用一根兩芯電纜可將質(zhì)量流量計的質(zhì)量、密度、溫度、體積等數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)供計量用，質(zhì)量流量計的脈沖輸出送至控制器提供批量控制的輸入信號。 (1)數(shù)據(jù)采集和控制方案 如圖1所示，每臺控制器對應(yīng)一個計量控制點，控制器接受上位機(jī)的批量值，判定壓力值，執(zhí)行開閥功能，進(jìn)行批量控制。當(dāng)累計重量等于批量值時，控制器輸出4mA電流信號給電動閥，使電動閥完全關(guān)閉。 (2)數(shù)據(jù)通信方案 如圖2所示，控制器通過RS-232方式連接到C320串行口分配器的各端口，再與計算機(jī)通信。采用OP2協(xié)議方案，在發(fā)送數(shù)據(jù)串的同時，形成并發(fā)送校驗和；在接收數(shù)據(jù)時，也同時形成校驗和，將接收與發(fā)送的校驗和相比較。如果兩者相同，則認(rèn)為此次通信有效；如果不相同，則通信無效，需要重新通信，以提高其可靠性。 如圖3所示，質(zhì)量流量計選擇RS-485標(biāo)準(zhǔn)通信接口，以Modbus協(xié)議方式通過C320串口分配器與上位機(jī)通信，傳送現(xiàn)場質(zhì)量流量計的變送器的所有參數(shù)。 (3)數(shù)據(jù)處理和管理方案 數(shù)據(jù)處理和管理由PC機(jī)完成，包括界面顯示，批量輸入和設(shè)置，儀表系數(shù)修改，實時流量、壓力、密度、閥位等顯示，瞬時流量壓力、密度、閥位曲線顯示，數(shù)據(jù)查詢，網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢，以及報表輸出和系統(tǒng)維護(hù)等，方案如圖4所示。 其中，上位機(jī)采用數(shù)據(jù)處理控制服務(wù)端與批量輸入報表打印客戶端隔離以寫讀網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫方式的方案，以保證計量控制系統(tǒng)運行的可靠性。 四 計量控制系統(tǒng) 圖5為一個實際的基于PC的質(zhì)量流量計計量控制系統(tǒng)單回路流程圖。 質(zhì)量流量計的傳感器直接安裝在工藝管路上，其一路輸出信號通過RS-485標(biāo)準(zhǔn)通信接口(Modbus協(xié)議)，此輸出信號速率為9600b/s，有8位數(shù)據(jù)位、1位奇校驗位和1位停止位。Krohne公司的質(zhì)量流量計產(chǎn)生的質(zhì)量累積流量提供的是IEEE7-X雙精確度浮點數(shù)(8B)，iFIX2.21所帶驅(qū)動程序不支持這種數(shù)據(jù)格式。因此，系統(tǒng)先將8B按4個雙字節(jié)數(shù)采集、編程，將所有采集的數(shù)據(jù)分解成IEEE7-X標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制數(shù)，再轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)默認(rèn)的數(shù)據(jù)格式。 壓力變送器以模擬信號方式(4~20mA)輸出至控制器，進(jìn)行在線壓力控制。在批量控制付油過程中，當(dāng)管道的壓力達(dá)到設(shè)定值時才能打開控制閥，當(dāng)管道中的壓力低于設(shè)定值時，系統(tǒng)自動關(guān)閉閥門，直到管道壓力重新達(dá)到設(shè)定值，確保流量計在付油過程中始終保持滿管，滿足流量計的工況條件。壓力變送器的輸出信號同時與質(zhì)量流量計串接，進(jìn)行在線自動壓力補(bǔ)正。 控制器對測量回路中的流量、壓力信號進(jìn)行采集運算并與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)的指令以連續(xù)地將運算結(jié)果與批量進(jìn)行比較控制。 電動閥采用Fisher-Rotork的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由控制器控制進(jìn)行可靠的關(guān)閉和開啟，電動閥輸出閥位反饋信號至上位機(jī)，通過上位機(jī)可監(jiān)控閥的開度，并記錄閥位曲線。 系統(tǒng)采用了安全性和可靠性很高的Windows NT4.0網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，達(dá)到數(shù)據(jù)資源的共享，保證數(shù)據(jù)的安全，具有分級用戶的功能，不同的用戶登錄具有不同的操作權(quán)限(計量管理、油品分廠、碼頭車間等3級)。系統(tǒng)采用了iFIX工控組態(tài)軟件組態(tài)，iFIX2.21是基于FIX7.0工控組態(tài)軟件發(fā)展起來的最新產(chǎn)品，運行在Windows NT操作系統(tǒng)環(huán)境下，具有實時性好的特點。實時數(shù)據(jù)庫支持無限工位點數(shù)，內(nèi)嵌Visual Basic語言，支持多種通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)響應(yīng)迅速，安全級別高。系統(tǒng)分前后臺控制方式，前臺實時顯示各個控制回路的瞬時流量、累計流量、密度、溫度、壓力、閥位開度和發(fā)油狀態(tài)，并及時響應(yīng) |
