王笑
(中石化第十建設(shè)有限公司,山東 淄博 255438)
目前,國內(nèi)各地加油站已經(jīng)安裝部署了諸多信息系統(tǒng),如零售管理系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、各類管理報(bào)表等,都是通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及管理。但對于非常重要的油品儲罐僅安裝了液位計(jì),數(shù)據(jù)無法采集到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。筆者設(shè)計(jì)了可跨地域管理的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA),從而使得各地的加油站油品溫度及庫存數(shù)據(jù)得以實(shí)時(shí)采集并管理。該系統(tǒng)采用1塊專用的數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集液位計(jì)中的液位高度、溫度、體積等數(shù)據(jù),利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)定時(shí)將數(shù)據(jù)主動上傳到省計(jì)量站專用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,從而以最小成本達(dá)到采集油品庫存液位、溫度、體積等數(shù)據(jù)的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
以中石化河南石油分公司為例,按銷量大小和地域劃分的10個(gè)加油站作為試點(diǎn),分別在開封(東部地區(qū))、漯河(南部地區(qū))、洛陽(西部地區(qū))、新鄉(xiāng)(北部地區(qū))、鄭州(中部地區(qū))等5個(gè)地市各取2個(gè)加油站。通過采集不同地域的加油站溫度數(shù)據(jù)從而推測出該區(qū)域的溫度范圍,通過數(shù)據(jù)分析,指導(dǎo)制訂全省油品損溢的考核指標(biāo)。同時(shí),通過實(shí)時(shí)監(jiān)控加油站庫存,使得庫存量更加透明化,在一定程度上避免了油品的非正常損失。
數(shù)據(jù)安全性通過權(quán)限管理、數(shù)據(jù)庫加密、服務(wù)器登錄IP地址限制等技術(shù)手段來充分保證數(shù)據(jù)安全。,只有擁有相應(yīng)權(quán)限的用戶才可以登錄,并且只允許看到與自己崗位相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。加油站數(shù)據(jù)采集控制器采用工控專用設(shè)備,功耗低、性能可靠,可以實(shí)時(shí)采集加油站溫度及庫存數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器。加油站當(dāng)日零售數(shù)據(jù)和當(dāng)日油庫輸入到加油站的油品數(shù)據(jù)從現(xiàn)有的管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中提取。
圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
該系統(tǒng)利用現(xiàn)有零售管理系統(tǒng)建立的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳?,F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)是通過各地市當(dāng)?shù)芈?lián)通或者電信建立的,每個(gè)加油站有聯(lián)通或者電信寬帶網(wǎng)絡(luò),可通過該網(wǎng)絡(luò)訪問總部內(nèi)網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn):分站局域網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)可以訪問總部內(nèi)網(wǎng),但是總部計(jì)算機(jī)不能直接訪問分站局域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)。針對這一特點(diǎn),該系統(tǒng)采集設(shè)備將采集到的液位計(jì)數(shù)據(jù)主動上傳給總部服務(wù)器。
該系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集器是一款可編程開發(fā)的智能采集器,可針對不同儀表、不同協(xié)議進(jìn)行客戶端開發(fā)。該采集器有2個(gè)接口,一端是RS-232接口,用于采集各類數(shù)字智能儀表或系統(tǒng)信號;另一端是以太網(wǎng)RJ-45接口,用于通過以太網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)。
RS-232接口端在該系統(tǒng)中連接液位計(jì),協(xié)議遵循液位計(jì)的通信協(xié)議。接口參數(shù)設(shè)置為波特率9600bit/s,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位,無校驗(yàn)。
數(shù)據(jù)采集器通過RS-232接口下發(fā)讀數(shù)據(jù)命令,采樣頻率設(shè)為5s。液位計(jì)在收到讀命令后響應(yīng)并返回所有數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器在收到全部數(shù)據(jù)并判斷無誤后暫存在緩存里以備后續(xù)上傳使用。
數(shù)據(jù)采集器可通過與計(jì)算機(jī)連接,利用專門的設(shè)置軟件[2](一款特定的設(shè)置軟件,文中不再詳述)設(shè)置數(shù)據(jù)采集器的通信參數(shù)及遠(yuǎn)程采集的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。由于該系統(tǒng)利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),因而需要設(shè)置本地和遠(yuǎn)程IP地址、網(wǎng)關(guān)及DHCP服務(wù)器等參數(shù)。本地和遠(yuǎn)程地址均為靜態(tài)地址。
RJ-45接口采用UDP協(xié)議(User Data Protocol,用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議,是與TCP相對應(yīng)的協(xié)議。它是面向非連接的協(xié)議)[3],將已經(jīng)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)置好的IP地址的3000端口(可自定義,數(shù)據(jù)采集器和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)一致即可)。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)端有專門的數(shù)據(jù)接收軟件實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)采集器上傳來的數(shù)據(jù)。接收軟件接收到數(shù)據(jù)后再將數(shù)據(jù)按Modbus TCP協(xié)議格式與組態(tài)軟件(人機(jī)界面)通信[4]。
該系統(tǒng)安裝環(huán)境為WinXP,運(yùn)行2個(gè)應(yīng)用程序:接收各個(gè)加油站主動上傳數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接收軟件;用于組態(tài)人機(jī)界面和實(shí)現(xiàn)各種管理功能的組態(tài)軟件。
數(shù)據(jù)接收軟件DataAccess是用C++編寫的一款應(yīng)用軟件,其主要功能是監(jiān)聽并接收本地端口由各個(gè)加油站上傳的數(shù)據(jù)。每個(gè)加油站的數(shù)據(jù)采集器在安裝時(shí)設(shè)定了本地的路由及服務(wù)器端的IP地址和端口號,在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)里有唯一的名稱,在上傳數(shù)據(jù)時(shí)一并上傳到服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集器在通電后,自動實(shí)時(shí)采集液位計(jì)的液位、體積、溫度等數(shù)據(jù)并立即轉(zhuǎn)發(fā)到設(shè)定好的遠(yuǎn)程服務(wù)器的端口。數(shù)據(jù)采集軟件將各個(gè)加油站的數(shù)據(jù)采集器的名稱及儲罐數(shù)量等參數(shù)預(yù)先配置好,并根據(jù)各名稱及上傳的數(shù)據(jù)在界面上展示出來。同時(shí)按照Modbus TCP的協(xié)議格式準(zhǔn)備好以供組態(tài)軟件調(diào)用。
流程圖監(jiān)控畫面主要是指該項(xiàng)目涉及的5個(gè)地區(qū)的10個(gè)加油站的儲罐液位、溫度及庫存數(shù)據(jù),主要顯示儲罐的液位及溫度。利用組態(tài)軟件繪制溫度、體積和液位的趨勢曲線,通過歷史曲線可以查到2年前的歷史數(shù)據(jù)。趨勢圖展示的是加油站的儲罐體積變化趨勢。加油站每天收油時(shí)體積快速升高,平時(shí)都是緩慢下降,如果有異常變動,會在曲線中體現(xiàn)出來。例如曲線突然下降或者曲線歸零都是不正?,F(xiàn)象。從趨勢圖中可以看到加油站液位歸零的記錄,每次歸零恢復(fù)后保持原來的值,通過趨勢很容易分析出導(dǎo)致該種現(xiàn)象的原因是上傳數(shù)據(jù)中斷所致,該種情況的出現(xiàn)對于整體油品庫存沒有影響。如果在很短時(shí)間內(nèi)體積驟然下降,則需要調(diào)查分析,可能存在盜油或者其他異常情況。因此,通過該系統(tǒng)可以監(jiān)控加油站庫存,避免加油站油品非正常損失。
加油站油罐溫度是該系統(tǒng)監(jiān)測的重要參數(shù)之一,國內(nèi)成品油出售都是按照體積計(jì)算,因而在加油站收油時(shí)也用體積結(jié)算。由于熱脹冷縮的原因,體積受溫度影響比較大。例如在油庫中提油時(shí)用槽車裝,結(jié)算用體積結(jié)算,油庫中油品溫度與加到槽車后的溫度會有少許差別,槽車將油品運(yùn)到加油站的過程中油品溫度也會發(fā)生變化,在油品卸到加油站儲罐中溫度還會有變化。因此,關(guān)注油品流通每個(gè)環(huán)節(jié)的溫度變化對分析油品的正常損耗非常重要。
4.1.1付油環(huán)節(jié)
油庫對陸上罐車付油大多采用質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量,流量表的計(jì)量精度決定了付油體積的準(zhǔn)確度。下面討論工藝溫度對質(zhì)量流量計(jì)準(zhǔn)確度的影響。
科氏力質(zhì)量流量計(jì)的質(zhì)量流量測量原理基于如下公式:
qm=KΔt/(8r2)
(1)
式中:qm——質(zhì)量流量;K——傳感器管的扭轉(zhuǎn)彈性模量;Δt——左右傳感器管的時(shí)間差;r——左右傳感器管的半徑。
當(dāng)K,r為常數(shù)時(shí),qm只與時(shí)間差成正比。然而與金屬彈性變化有關(guān)的楊氏彈性模量是溫度的函數(shù)。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí),傳感器的剛性也隨之變化,此時(shí)K不再是一個(gè)常數(shù),從而影響質(zhì)量流量計(jì)的準(zhǔn)確度;當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí),還會引起傳感器幾何結(jié)構(gòu)的不均衡,從而影響到質(zhì)量流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定度。當(dāng)流量較大時(shí)工藝溫度變化對流量準(zhǔn)確度的影響不是很大。就羅斯蒙特VMF200的質(zhì)量流量計(jì)來說,在額定流量時(shí),溫度每變化1℃影響準(zhǔn)確度±0.0001%。因此,通常情況下較大流量裝車時(shí),準(zhǔn)確度受溫度影響有限,幾乎可以忽略不計(jì)。但流量較小時(shí)工藝溫度對準(zhǔn)確度的影響就不可忽視了。
4.1.2運(yùn)輸環(huán)節(jié)
油品在運(yùn)輸過程中,溫度會不斷地發(fā)生變化,而溫度變化又直接影響油品體積,導(dǎo)致油品體積損耗增大或減小。在運(yùn)輸環(huán)節(jié),溫度對油品體積損耗的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:溫度的變化引發(fā)罐車內(nèi)油品發(fā)生小呼吸損耗,而且溫度變化幅度越大,其小呼吸損耗越明顯,且該種損耗是實(shí)實(shí)在在的;溫度變化導(dǎo)致罐內(nèi)油品體積熱脹冷縮,使油品在運(yùn)輸過程中的體積損耗增加或減少,當(dāng)然該種油品體積損耗并不是絕對的,它也會隨著溫度的變化而變化,而當(dāng)溫度還原時(shí),該種損耗又會趨近于“0”。后一種影響程度大于前一種,綜合考慮這兩方面的影響因素,可以認(rèn)定:當(dāng)溫度升高時(shí),罐車內(nèi)油品體積損耗會降低;當(dāng)溫度降低時(shí),罐車內(nèi)油品體積損耗會上升。
4.1.3收油環(huán)節(jié)
在加油站收油環(huán)節(jié),溫度對油品體積損耗的影響,主要通過卸油前罐車內(nèi)油溫對卸油后地罐油溫的影響來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)油品卸進(jìn)地罐后,會與地罐內(nèi)原有油品相混合,兩者之間發(fā)生熱傳遞,使地罐油溫發(fā)生變化,根據(jù)能量守恒定律:Q吸=Q放,對同一類油品,即:
V吸×(t2-t1)=V放×(t3-t2)
(2)
則:t2=(V放t3+V吸t1)/(V放+V吸)
式中:V吸——低溫油品體積;V放——高溫油品體積;t1——低溫油品溫度;t3——高溫油品溫度;t2——油品混合后的平衡溫度。
假設(shè)罐車內(nèi)油品體積為17800L,油溫為25℃,地罐內(nèi)油品體積為25400L,油溫為18℃,則根據(jù)式(2)可得t2=20.88℃。
卸油前油品總體積為43200L,油品混合后,罐車內(nèi)油品體積變?yōu)?7800+17800×(20.88-25)×0.0012=17711.99(L),地罐內(nèi)油品體積變?yōu)?5400+25400×(20.88-18)×0.0012=25487.78(L),則混合后油品總體積為17711.99+25487.78=43199.77(L),與卸油前油品總體積相差0.23L。
由此可見,2種溫度不同的同類油品混合后,理論上體積不變。對于同一車油,由于卸油前罐車內(nèi)較高油溫相對于較低油溫體積較大,因而卸入油罐后,地罐內(nèi)油品總體積也相對較大,這樣可以有效降低因溫差而產(chǎn)生的油品體積損耗,此效果在銷量大、銷售節(jié)奏快的加油站更為明顯。因此,很多加油站,在不影響經(jīng)營和安全管理的前提下,往往選擇在較高油溫時(shí)卸油,其目的就是為了降低油品體積損耗。
4.1.4儲存環(huán)節(jié)
加油站地罐內(nèi)油品在儲存過程中會發(fā)生體積損耗,發(fā)生體積損耗的原因主要有兩點(diǎn):
1)油罐的小呼吸損耗,而小呼吸損耗是因罐內(nèi)氣體空間溫度變化而產(chǎn)生的。白天外界溫度上升,罐內(nèi)氣體空間的溫度也隨之上升,罐內(nèi)油溫升高,引起罐內(nèi)上部空間氣體膨脹和油面蒸發(fā)加劇,罐內(nèi)壓力隨之升高,導(dǎo)致油蒸氣大量蒸發(fā),蒸發(fā)出來的油蒸氣和上升的溫度使罐內(nèi)氣體空間壓力增大,當(dāng)壓力達(dá)到呼吸閥允許壓力值時(shí),油蒸氣就逸出罐外造成損耗;夜晚外界溫度下降,罐內(nèi)溫度也隨之下降,溫度下降使罐內(nèi)氣體收縮,油氣凝結(jié),罐內(nèi)壓力隨之下降,當(dāng)壓力降到呼吸閥允許真空值時(shí),空氣進(jìn)入罐內(nèi),使氣體空間的油氣濃度降低,又促使油品不斷蒸發(fā),產(chǎn)生損耗,這樣反復(fù)循環(huán),就形成了油罐的小呼吸損耗,且這種損耗是絕對的,是實(shí)實(shí)在在的損失量。
2)罐內(nèi)油品在儲存過程中的溫度變化,使油品“熱脹冷縮”,導(dǎo)致單位質(zhì)量油品銷售體積和儲存體積發(fā)生變化,從而使油品體積損耗隨之發(fā)生變化,即常說的溫差體積損耗,該種損耗是相對、動態(tài)的,一旦溫度急劇升高時(shí),甚至?xí)褂推敷w積從虧損轉(zhuǎn)為盈余。
槽車從油庫中提取油品后經(jīng)過各方的鉛封并確認(rèn)后運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)加油站,油庫通過檢尺數(shù)據(jù)和裝車的流量計(jì)進(jìn)行比對,無異常后確定油庫的發(fā)出量,加油站在槽車卸油之前記錄加油站油罐庫存量(油高、體積),卸油后記錄庫存量,二者相減得到該次卸油量。
由于加油站正常加油過程都是液位逐漸降低,只有在開始卸油時(shí),液位才會升高。因而卸油開始的條件是檢測到液位計(jì)的液位開始升高為卸油啟動條件。由于采集滯后無法避免,因而檢測到液位升高時(shí)記錄的庫存已經(jīng)是變化的了,油品已經(jīng)進(jìn)入了油罐。為解決采集滯后問題,在組態(tài)軟件策略腳本中記下當(dāng)前時(shí)間,再將當(dāng)前時(shí)間提前3~5min作為開始收油時(shí)間,從歷史數(shù)據(jù)庫中以開始收油時(shí)間到當(dāng)前時(shí)間段中最低的庫存值作為該次收油前的量。但是取最低值有一種情況必須避免,即:有可能在記錄卸油開始時(shí)間的當(dāng)前時(shí)間之前的3~5min內(nèi),恰好網(wǎng)絡(luò)中斷從而導(dǎo)致當(dāng)前庫存數(shù)據(jù)歸零。解決辦法是增加判斷,因?yàn)檎S蛶鞄齑娌豢赡転?,所以提取數(shù)據(jù)庫中的非0數(shù)據(jù)。待到卸油液位持續(xù)10min內(nèi)不再升高作為該次收油結(jié)束的條件。記錄當(dāng)前的庫存量作為該次收油的結(jié)束量,收油結(jié)束量減去收油開始量,得到該次收油量。在收油結(jié)束后保存該次收油量到數(shù)據(jù)庫中。
該系統(tǒng)自動提取油庫的發(fā)出量和加油站卸油量進(jìn)行比對,設(shè)定好誤差范圍,如果超出誤差范圍,系統(tǒng)自動提示收油異常,提醒操作人員確認(rèn)。系統(tǒng)自動產(chǎn)生收油報(bào)表,隨時(shí)可以查詢。
該系統(tǒng)每天自動生成當(dāng)天收付油的損益曲線,如圖2所示。
圖2 正常的加油站油品損溢曲線
從每月的統(tǒng)計(jì)曲線進(jìn)行分析,如圖3所示,如出現(xiàn)異常,則從系統(tǒng)中調(diào)出當(dāng)天的溫度曲線和收付油曲線進(jìn)行比對分析,具體找出由于何種原因?qū)е碌妮^大盈虧偏差。
圖3 加油站收付油出現(xiàn)異常的損溢曲線
針對加油站現(xiàn)有條件,筆者提出了一套完整的數(shù)據(jù)采集管理的解決方案,采用專用的液位計(jì)的數(shù)據(jù)采集器,實(shí)時(shí)采集各個(gè)加油站液位計(jì)的數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到省計(jì)量站數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,通過管
理軟件,實(shí)時(shí)記錄并顯示各種數(shù)據(jù),同時(shí)從現(xiàn)有的其他管理系統(tǒng)中提取相關(guān)的數(shù)據(jù)用于完善該系統(tǒng)的各種管理功能。加油站儲罐油品溫度、液位在線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、靈活性強(qiáng)、實(shí)施容易。系統(tǒng)運(yùn)行后,各項(xiàng)指標(biāo)均符合當(dāng)初設(shè)計(jì)目標(biāo),達(dá)到了預(yù)期效果。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前中石化所屬的加油站在河南境內(nèi)沒有類似系統(tǒng),但有加油站700余座,因而推廣空間非常巨大。
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