趙樹海

（連云港沃利工程技術(shù)有限公司 北京分公司，北京 100012）

0 引言

隨著石油化工儲運行業(yè)的快速發(fā)展，在商業(yè)化的背景下，對產(chǎn)品銷售領(lǐng)域的自動化程度要求越來越高。在裝車操作中，要求裝車效率高，控制精度高，提高便捷性并減少人工干預(yù)。石化產(chǎn)品一般屬于危險化學(xué)品，務(wù)必要確保安全生產(chǎn)。企業(yè)也希望提高服務(wù)質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率來提高企業(yè)的競爭力。

定量裝車系統(tǒng)在危化品智能儲運行業(yè)已應(yīng)用多年，其裝車控制技術(shù)、計量技術(shù)、安全保障技術(shù)已經(jīng)很成熟[1,2]。目前，石化產(chǎn)品的槽車裝車廣泛采用定量裝車系統(tǒng)[3,4]，并使用地磅作貿(mào)易結(jié)算的方式。常用的工藝是1套鶴管配置1臺泵、1臺裝車閥、1臺流量計、1套靜電溢油保護器、1臺裝車儀（批量控制器）及1套上位管理計算機，構(gòu)成1套定量裝車系統(tǒng)。各種裝車方案的工藝基本一致，只是在裝車閥和流量計的選型、批量控制器的功能選擇方面存在差異，如裝車閥在氣動兩段閥、數(shù)控電液閥、氣動控制閥、電動V型球閥之間的比選[5]，流量計的比選[6]，批量控制器的功能選擇[7]。

近年來，數(shù)字物流及智慧物流是最新的趨勢。裝車管理系統(tǒng)也在不斷發(fā)展過程中，系統(tǒng)功能包括，對裝車進行排隊、下達任務(wù)、調(diào)度等管理，IC卡管理，裝車信息管理，與批量控制器或DCS系統(tǒng)通訊對裝車的過程和結(jié)果數(shù)據(jù)進行存儲和管理，與地磅系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）等通訊。

本文從工藝條件、儀表和控制系統(tǒng)方案及實施情況3個方面，對某?；费b卸站的設(shè)計進行了詳細介紹。

1 工藝條件

某中心裝卸站，新建10套裝車鶴位，滿足EOA2裝置產(chǎn)品、PALD裝置產(chǎn)品、TBA裝置產(chǎn)品的公路裝車需要，一種產(chǎn)品對應(yīng)一套鶴位。

EOA2裝置產(chǎn)品的裝車尾氣收集后返回EOA2裝置，處理后送至火炬焚燒處理，PALD和TBA尾氣直接送至火炬焚燒處理。

并設(shè)置3臺卸車泵，用于不合格品的卸車和外購丙醛（PALD）、白油槽車卸車的需要。

1.1 工藝流程

綜合考慮安全、健康、環(huán)保及盡可能減少操作員的干預(yù)，本次設(shè)計采用了最新的鶴管液下密閉裝車方案。以EDA裝車為例，其工藝及儀表流程如圖1。

圖1 工藝及儀表流程圖—EDA裝車Fig.1 Process and instrument flow diagram EDA loading

1.2 工藝安全

1）槽車負壓或超壓保護

由于槽車均為常壓槽車，須考慮在密閉裝車過程中負壓或超壓，導(dǎo)致槽車損壞、危險物料溢出車外的工況。筆者在為該項目做裝車控制系統(tǒng)的工程設(shè)計中，與工藝專業(yè)一同考慮了工藝介質(zhì)的特性，引入氮氣平衡管線并設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥，在槽車低壓力的工況下，及時補充氮氣，并設(shè)置了槽車高壓力停止裝車聯(lián)鎖。

2）靜電防護

初始裝車時，如果介質(zhì)流速太快（大于1m/s），物料飛濺產(chǎn)生的靜電荷可能引起槽車內(nèi)爆。為此，增加了裝車前用氮氣置換管線及槽車中空氣的過程。設(shè)置了流量調(diào)節(jié)閥，初始限制流速在1m/s以下，以及槽車靜電接地報警裝置。

3）可燃氣體監(jiān)測及火災(zāi)隔離

為了預(yù)防火災(zāi)，在區(qū)域內(nèi)設(shè)置了可燃氣體探測器，用于監(jiān)測可能的泄漏。在距離裝車鶴位10m以外的裝車管道上設(shè)置了緊急切斷閥，當槽車起火時，可立即切斷進料，防止和控制槽車火災(zāi)的蔓延與擴大。

2 儀表及控制系統(tǒng)方案

為了滿足業(yè)務(wù)管理和工藝安全及操作的需要，本次設(shè)計的裝車管理和控制系統(tǒng)包括：批量控制器、現(xiàn)場儀表、集散控制室系統(tǒng)（DCS）、可燃氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)，以及裝車業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。

2.1 批量控制器

每個鶴位設(shè)置一臺批量控制器，主要功能包括：①裝車定量控制、程序控制、直接控制，完成充裝過程；②通過顯示面板監(jiān)視裝車情況；③操作管理，DCS與批量控制器實時通訊，裝車管理系統(tǒng)設(shè)置的裝車量可通過DCS校驗批量控制器預(yù)裝量；④通過RS485接口上傳裝車數(shù)據(jù)至DCS和接收DCS的裝車指令，見表1；⑤多段流量爬坡或下坡控制；⑥集成IC卡讀卡功能。

表1 批量控制輸入輸出清單Table 1 Batch control input and output list

在裝車時為避免調(diào)節(jié)閥突然開啟造成對管線壓力的干擾和對流量計產(chǎn)生較大的沖擊，以及槽車中液體飛濺產(chǎn)生的靜電，須調(diào)節(jié)閥開啟時開度先達到預(yù)先設(shè)定的小開度位置，即小流量啟動。然后，達到最大流量開度或系統(tǒng)允許的最大開度。同樣，在裝車即將達到設(shè)定量時，關(guān)閉過程也需要遵循分段關(guān)閉原則，分段數(shù)量和各段的保持時間根據(jù)實際過程調(diào)試及裝車專家經(jīng)驗確定。

從快速裝車的角度出發(fā)，往往希望關(guān)閉過程越短越好。而從定量精確控制的角度講，希望有充分的關(guān)閉過程，且關(guān)閉過程閥位分段數(shù)量（流量分段）越多裝車量控制越精確，但分段過多會使系統(tǒng)控制邏輯及控制算法復(fù)雜度增加，實施難度加大，帶來一定的隱患。

綜合以上分析和論證，本次采用0%～25%、25%～100%和100%～25%、25%～0%的二段流量爬坡控制和下坡控制，如圖2。

圖2 流量控制曲線Fig.2 Flow control curve

2.2 現(xiàn)場儀表

1）現(xiàn)場流量計采用高準確度、高可靠性、適用介質(zhì)范圍廣的科氏力原理的質(zhì)量流量計。正常情況下流量計負責定量控制，對外貿(mào)易結(jié)算以地磅為準，不過需要流量計的準確度達到貿(mào)易交接[8]的0.2級別要求，用于校核地磅的結(jié)算量。

2）裝車控制閥是裝車系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其主要作用有：確保貿(mào)易交接時的控制精度；在裝車鶴管浸沒前，以小流量裝車，防止流量太大產(chǎn)生靜電造成危險；在裝車快結(jié)束時，實現(xiàn)分段關(guān)閥，防止管道產(chǎn)生“水擊”。采用無級氣動調(diào)節(jié)閥對介質(zhì)流量進行控制。

3）防溢流和防靜電開關(guān)、急停按鈕。裝車時防溢開關(guān)安裝在鶴管的上部，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。帶接觸電阻檢測的專用防靜電開關(guān)有兩個探針，一個探針將槽車上的裸板直接接地，另一個提供接地電阻檢測。若大于10Ω，則停止裝車；若小于10Ω，則按預(yù)裝量進行。在裝車島的平臺及地面各設(shè)一個急停按鈕，裝車過程異常時，現(xiàn)場可手動緊急停止裝車。

4）壓力和溫度檢測儀表。在尾氣管線上設(shè)置壓力變送器，壓力高時聯(lián)鎖關(guān)閉液相閥，并與設(shè)置在氮氣平衡管線上的調(diào)節(jié)閥組成簡單壓力調(diào)節(jié)回路，實時調(diào)節(jié)尾氣壓力，以防止低壓力把槽車抽癟。在液相產(chǎn)品輸送管線上和尾氣管線上，設(shè)置溫度變送器，用于實時溫度監(jiān)視。

5）切斷閥。在液相產(chǎn)品輸送管線、尾氣管線和氮氣平衡管線上均設(shè)有切斷閥，選用全通徑球閥。

2.3 集散控制系統(tǒng)（DCS）

在C161機柜間設(shè)置DCS系統(tǒng)，主要功能包括：①采集現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)；②執(zhí)行常規(guī)控制，常規(guī)控制是系統(tǒng)提供商的標準功能，有PID控制、串級和比值控制、計算功能、爬坡、數(shù)字量控制，與第三方控制器通訊等；③執(zhí)行裝車過程的順序控制程序；④提供實時的交互式顯示和操作員界面；⑤數(shù)據(jù)收集、歸檔、報表及歷史數(shù)據(jù)庫；⑥過程和系統(tǒng)診斷報警；⑦執(zhí)行非關(guān)鍵安全聯(lián)鎖。DCS系統(tǒng)是實現(xiàn)整個過程控制的核心和大腦，現(xiàn)就其采集數(shù)據(jù)、控制對象以及與其他系統(tǒng)的通訊說明如下：

現(xiàn)場模擬量數(shù)據(jù)的采集，如產(chǎn)品介質(zhì)溫度、流量及尾氣壓力，采用（4～20）mA電流信號再疊加HART協(xié)議的方式。現(xiàn)場至C161機柜間約400m，電流信號可進行較遠距離的傳輸，在需要的情況下，HART協(xié)議可以訪問其他過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準、診斷信息。

現(xiàn)場參與聯(lián)鎖的信號，如槽車進站允許、鶴管就緒、裝車開始、暫停、急停按鈕，鶴管歸位、梯子歸位，槽車高高液位、靜電接地故障等。采用數(shù)字量信號硬接線的方式，保證了裝車過程的可靠和穩(wěn)定性。

現(xiàn)場批量控制器和流量計的狀態(tài)信號的采集，通過RS485接口采用Modbus RTU協(xié)議的方式。讀取流量計的實時流量，并計算累計流量，然后校核批量控制器的實際充裝量。

按照預(yù)定程序開啟和關(guān)閉開關(guān)閥和批量控制器，包括氮氣吹掃閥（裝車前吹掃和裝車結(jié)束后吹掃），尾氣閥（裝車和吹掃過程開啟，否則關(guān)閉），液相閥和批量控制器（充裝時開啟，充裝結(jié)束關(guān)閉）。采用數(shù)字量信號硬接線的方式，保證穩(wěn)定可靠的動作。

與DCS系統(tǒng)通訊的有：裝車業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)、可燃氣體報警系統(tǒng)，采用Modbus TCP協(xié)議通過光纜或超5類以太網(wǎng)線連接。

2.4 可燃氣體檢測報警系統(tǒng)

該裝卸站區(qū)域共有3種可燃液體蒸氣需監(jiān)測，見表2。

表2 可燃液體蒸氣物性一覽表Table 2 Physical properties of combustible liquid vapor

可燃氣檢測報警系統(tǒng)由可燃氣體探測器、現(xiàn)場區(qū)域報警器和報警控制單元組成。在每個裝車島的地面和操作平臺各設(shè)置一個可燃氣體探測器，探測器的一級報警設(shè)定值為25%LEL，二級報警設(shè)定值為50%LEL。當檢測到泄漏在空氣中的可燃氣體含量達到二級報警設(shè)定值時，報警控制單元啟動現(xiàn)場區(qū)域報警器并在模擬盤上顯示報警狀態(tài)。只到達一級報警設(shè)定值時，僅在模擬盤上顯示報警狀態(tài)。

可燃氣體二級報警信號及報警控制單元的故障信號送至火災(zāi)報警系統(tǒng)。

可燃氣體檢測報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3。

圖3 可燃氣體檢測報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of combustible gas detection and alarm system

2.5 裝車業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)

系統(tǒng)以裝車管理軟件作為管理平臺，以控制室的裝車管理服務(wù)器/工程師站作為裝車管理的控制中心，并與DCS及現(xiàn)場批量控制器采用Modbus TCP協(xié)議通過光纜通訊，可對裝車計量數(shù)據(jù)管理，并對裝車的過程和結(jié)果數(shù)據(jù)進行存儲和管理。

在D831操作室設(shè)置業(yè)務(wù)站，現(xiàn)場批量控制器集成了IC卡讀卡功能，以使裝車排隊和現(xiàn)場裝車實現(xiàn)自動化和信息化。現(xiàn)場IC卡的信息進入裝車管理軟件系統(tǒng)，進行作業(yè)確認，并對結(jié)果進行對比和管理。

裝車的地磅數(shù)據(jù)可接入裝車管理系統(tǒng)，實現(xiàn)裝車數(shù)據(jù)的自動錄入和管理。

裝車管理系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖4。

圖4 裝車業(yè)務(wù)管理架構(gòu)圖Fig.4 Loading business management framework

3 裝車自動化及信息化的實現(xiàn)

該工程設(shè)計包括了優(yōu)化的裝車方案、自動化儀表選型，以及批量控制器、地磅等裝車配套設(shè)施，構(gòu)成了以批量控制器和DCS為核心的裝車控制系統(tǒng)。系統(tǒng)投用后，可實現(xiàn)自動裝車和智慧物流功能。

3.1 自動裝車

①司機完成空車過衡后，開車到等待區(qū)域。待指定鶴位的前一輛車離開后，開車進入裝車臺；②按照裝車規(guī)定，進行相關(guān)檢查和操作，接好防靜電接地夾，放下梯子并對位鶴管；③確認無誤后，刷裝車卡，開始裝車。按照順序控制程序，先打開氮氣吹掃閥，吹掃6min后自動關(guān)閉，然后打開相應(yīng)的裝車控制閥，到達預(yù)裝量再關(guān)閉裝車控制閥，再次打開氮氣吹掃閥，吹掃6min后自動關(guān)閉，完成裝車；④正常情況下，裝車完畢后裝車控制閥會自動關(guān)閉，批量控制器裝車完畢指示燈會點亮并發(fā)出提示音；⑤異常停止裝車，若在裝車過程中位于槽車上部的防溢流液位開關(guān)動作、槽車防靜電接地夾電阻超限、尾氣壓力超限、鶴管或梯子連接故障等，均導(dǎo)致暫停裝車，待故障排除后，可按下批量控制器的開始按鈕，繼續(xù)裝車，直至完成裝車；⑥緊急終止裝車，如按下設(shè)置在島上、區(qū)域四周或控制室的急停按鈕，則終止裝車。

3.2 智慧物流

裝車管理系統(tǒng)實施后的裝車流程為：銷售開單→入廠→自助取卡→排隊叫號→空車過衡→裝車→重車過衡→出廠。

◇ 車輛進廠大門制卡。

◇ 司機開車去地磅處刷卡過磅。

◇ 裝車系統(tǒng)從SAP中讀取ID對應(yīng)車輛信息。

◇ 車輛刷卡，裝車系統(tǒng)根據(jù)刷卡信息排隊。

◇ 車輛根據(jù)排隊屏前往指定鶴位。

◇ 車輛去指定鶴位刷卡。

◇ 系統(tǒng)接收刷卡信號與鶴位信息比對，發(fā)現(xiàn)錯誤紅燈報警并發(fā)出聲音，不能裝車。

◇ 刷卡后，系統(tǒng)判別鶴位準確顯示黃燈?，F(xiàn)場操作員放好鶴管，接地完成。

◇ 操作員再次刷卡，系統(tǒng)接收到刷卡信號通知系統(tǒng)已經(jīng)準備就緒。

◇ 操作員啟動批量。

◇ 裝車結(jié)束后，裝車系統(tǒng)從DCS讀取批量數(shù)據(jù)。

◇ 裝車系統(tǒng)定時從SAP中讀取地磅數(shù)據(jù)與批量數(shù)據(jù)比對。

排隊區(qū)：裝車管理系統(tǒng)需從地磅系統(tǒng)或讀卡器中讀取ID卡信息，并與SAP系統(tǒng)匹配，然后進行排隊。主要設(shè)備為排隊屏幕，軟件為類似銀行排隊系統(tǒng)。

◇ 司機排隊休息，等候裝車。

◇ LED屏幕顯示槽車排隊信息。

控制室：主要設(shè)備為裝車管理系統(tǒng)和地磅管理系統(tǒng)。

裝車控制系統(tǒng)：

◇ 識別ID卡讀卡設(shè)備。

◇ 裝車系統(tǒng)從SAP中讀取數(shù)據(jù)。

◇ 車輛排隊信息發(fā)布。

◇ 報警監(jiān)控及清除。

◇ 裝車過程監(jiān)控、控制。

◇ 系統(tǒng)報告領(lǐng)取。

地磅：主要設(shè)備為地磅系統(tǒng)。

◇ 車輛識別（ID卡與地磅管理系統(tǒng)配套）。

◇ 對裝車前后的槽車進行稱重。

◇ 確認槽車的皮重和裝車重量。

4 結(jié)束語

根據(jù)企業(yè)的業(yè)務(wù)發(fā)展需求，該系統(tǒng)使用了當前先進的自動化、信息化技術(shù)和設(shè)備，可為用戶提供安全、高效的產(chǎn)品裝卸，降低人工勞動強度。產(chǎn)品收發(fā)業(yè)務(wù)管理可在裝車管理軟件中實現(xiàn)，所有數(shù)據(jù)和信息，如裝車作業(yè)號、收貨量、發(fā)貨量、地磅、銷售記錄等均存儲記錄，禁止人為干預(yù)或修改。

該系統(tǒng)的批量控制器采用的是流量分段控制方式，屬于開環(huán)控制，做不到精確控制，依賴地磅作為最終裝車量，而采用閉環(huán)精確定量控制是今后的發(fā)展方向。