嚴銘杰 王 剛 王東偉 姜凱軍 樓檑鳴

（浙江中控自動化儀表有限公司）

目前國內(nèi)較多企業(yè)涉及儲運業(yè)務（例如油品和化學原料的儲運），但是在裝車業(yè)務設計時沒有配備計量儀表、設計IC卡管理等，主要通過人工開關泵、閥，采用地磅稱重的裝卸方式，裝卸車操作基本處于手動操作，沒有相應的計量儀表與定值控制，經(jīng)常出現(xiàn)多裝退油、少裝二次補油等情況，嚴重影響裝車進度；出入庫管理的流程環(huán)節(jié)中，數(shù)據(jù)由紙質(zhì)單據(jù)傳輸，不能及時記錄到數(shù)據(jù)庫中，無法形成報表供歷史數(shù)據(jù)查詢；靠人眼觀察槽車裝載量，缺少防靜電防溢流控制器、急停按鈕等設備，未實現(xiàn)安全保護聯(lián)鎖。

為了實現(xiàn)以公司監(jiān)管部門為集中監(jiān)控中心，從而達成整個裝車業(yè)務集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、降低風險的目的，保障企業(yè)生產(chǎn)的安全性和高效性，設計定量裝車控制系統(tǒng)，以上位機軟件和批量控制器為核心，與流量計、閥門、溫度變送器、防靜電防溢流控制器通過電信號傳輸或者通信的方式，采集信號并進行處理，合理控制閥門和泵，達到安全生產(chǎn)、有效預防、形成記錄的目的［1］。

1 業(yè)務流程

儲運業(yè)務定量裝車業(yè)務流程分為開票下單及制卡、過皮重、裝車、過毛重和結算（圖1）。

1.1 開票下單及制卡

空罐槽車進廠之前，槽車司機先到營業(yè)大廳進行業(yè)務信息錄入，開票員根據(jù)ERP系統(tǒng)驗證槽車司機信息后開票，或根據(jù)槽車司機提供的提貨單信息開票。輸入涉及裝車的基本信息，包括裝車單號、客戶單位信息、槽車司機信息、油品信息、預裝量、車輛信息、分倉數(shù)量和每個倉的預設量，然后存儲到數(shù)據(jù)庫，形成一條裝車開票業(yè)務記錄。開票員根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的裝車開票業(yè)務記錄，將開票信息寫入IC卡，并打印出提貨單一同交付給槽車司機。

1.2 過皮重

槽車司機得到進廠許可之后，如果是地磅結算，則司機將槽車開到地磅稱皮重，地磅上位機記錄皮重數(shù)據(jù)，然后槽車開到提貨單指定鶴位裝車；如果是流量計結算，就可以直接將槽車開到提貨單指定鶴位裝車。

1.3 裝車

槽車到達指定鶴位后，先接好靜電夾，根據(jù)分倉情況選擇第1倉，然后插入鶴管、油氣回收軟管和溢流探頭。

操作人員在批量控制器上刷IC卡，批量控制器識別IC卡內(nèi)的鶴位號、物料等信息，與上位機比對是否允許裝車，比對信息無誤的情況下，批量控制器將顯示從數(shù)據(jù)庫讀取的預裝量、單位及單號等信息。

圖1 定量裝車系統(tǒng)業(yè)務流程

操作人員確認數(shù)據(jù)和操作準備就緒可以裝車后，按“開始”鍵啟動裝車，同時啟動泵（此信號也可不接入批量控制器），此后批量控制器根據(jù)定量裝車控制邏輯延遲一定時間（可設定）開啟閥門，下裝或底部密閉裝車，同時關聯(lián)打開氣相控制閥。

裝車過程中，當實裝量到達預裝量時自動停泵，延遲一定時間（可設定）后關閉閥門，待流速為零時結束裝車。

操作人員確認鶴管內(nèi)無流量后從槽車上取下防靜電夾，將鶴管、油氣回收軟管和防溢流探頭歸位。

1.4 過毛重

根據(jù)裝車模式，如果是地磅結算裝車模式，則司機將槽車開到地磅過毛重，地磅上位機記錄毛重數(shù)據(jù)；如果是流量計結算裝車模式，則司機將槽車開到業(yè)務室進行結算即可。

1.5 結算

裝車過程結束后，司機到業(yè)務室進行正式結算。上位機自動獲取流量計計量的裝車實發(fā)量與汽車衡凈重數(shù)據(jù)并進行比較，若在正常誤差范圍內(nèi)，即可辦理正式結算，同時回收IC卡，交付給司機發(fā)貨單；若超出誤差范圍，則人工查找原因，復檢無誤結算后，司機拿到發(fā)貨單才可出廠。

2 系統(tǒng)結構與網(wǎng)絡框架

定量裝車控制系統(tǒng)采用的是客戶端/服務器（C/S）結構模式，網(wǎng)絡基于企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)+VPN專網(wǎng)。整個系統(tǒng)采用二級布網(wǎng)方式。第1級網(wǎng)采用以太網(wǎng)，即客戶端與服務器之間采用TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議進行連接和通信，由客戶端向服務器發(fā)出請求，服務器端響應請求，并進行相應服務；同時，服務器連接公司內(nèi)部局域網(wǎng)，為ERP、MES或DCS等第三方系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口。第2級網(wǎng)采用RS485通信，現(xiàn)場批量控制器每4臺分成1組，通過RS485串口服務器將通信轉換成以太網(wǎng)（TCP/IP），再經(jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)交換機接入一級網(wǎng)［2～4］。

定量裝車控制系統(tǒng)由上位機（PC機）、下位機（批量控制器）和現(xiàn)場儀表設備3部分組成，采用分布式控制結構，如圖2所示。

圖2 定量裝車系統(tǒng)結構簡圖

2.1 上位機

上位機系統(tǒng)包括業(yè)務管理操作站、工作臺、交換機、IC卡讀寫器、網(wǎng)絡服務器及報表打印機等。上位機管理系統(tǒng)通常安裝在營業(yè)大廳。業(yè)務管理操作站安裝有裝車系統(tǒng)集成軟件和數(shù)據(jù)庫，其核心是實時裝車數(shù)據(jù)的采集、存儲和分析，并以PID流程圖展示，監(jiān)控整體裝車流程，數(shù)據(jù)庫管理，生產(chǎn)報表與業(yè)務單據(jù)的生成、查詢和打印等。同時，裝車系統(tǒng)集成軟件可通過OPC通信接口將裝車業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸給ERP、MES或DCS等其他第三方系統(tǒng)［5］。

2.2 批量控制器

批量控制器是分布式裝車系統(tǒng)的現(xiàn)場核心控制設備，用以采集流量計、防靜電防溢流控制器、閥門反饋及鶴管歸位等信號，對裝車過程進行程序控制、靜電與溢流聯(lián)鎖、泵閥聯(lián)鎖控制。批量控制器也可以以單機模式獨立運行，通過密碼權限采用人工干預作業(yè)；也可以通過RS485通信接口與上位機進行聯(lián)網(wǎng)實時通信，實現(xiàn)遠程裝車，將現(xiàn)場信息集中到業(yè)務室進行有效管理。本地或遠程兩種控制操作模式下均可實現(xiàn)安全、環(huán)保、高效定量裝車［6，7］。

2.3 現(xiàn)場儀表設備

裝車棧臺現(xiàn)場儀表包括防靜電防溢流控制器、流量計、控制閥及鶴管等。

3 工藝流程

3.1 裝車流程

定量裝車系統(tǒng)的裝車進度曲線如圖3所示，其中，A為起始速度，B為全速速度，C為截止速度，D為低速加油量，E為大提前量，F(xiàn)為小提前量，G為裝車總量。

圖3 裝車進度曲線

裝車準備就緒后按“開始”鍵低流速啟動，起始速度A采用數(shù)控閥或調(diào)節(jié)閥時可設定，批量控制器根據(jù)流量計實時流速和起始速度設定值A進行PID運算，從而控制閥門開度。

裝車量超過低速加油量D后（低速加油量D可設定）開始進入全速階段（全速速度B可設定）。批量控制器采集流量計脈沖信號，批量控制器人機界面顯示瞬時流量和累積流量，并將數(shù)據(jù)轉發(fā)給控制室裝車監(jiān)控站，控制室人員可對裝車過程進行實時監(jiān)控。

在快到達大提前量時（大提前量E可設定）降速到截止速度 （截止速度C可采用數(shù)控閥或調(diào)節(jié)閥設定）。

實裝量接近小提前量時停泵（小提前量F可設定），延時關閉閥門（延時時間可設定）。當過沖平穩(wěn)后，裝車量恰好等于預裝量，裝車過程結束。

正常裝車時，當靜電信號報警、溢油開關報警、長時間流量計無流量、急停按鈕按下時，會發(fā)出聲光報警并關閉閥門同時停泵，待恢復正常后可繼續(xù)啟動裝車。低流速啟動、高流速加油、低流速停止的裝車模式，開閥后延時啟泵功能，停泵后延時關閉閥門功能，都是為了防止出現(xiàn)管道內(nèi)液體流速急劇變化而引起的管道振動和水擊現(xiàn)象［8，9］。

3.2 PID流程

定量裝車系統(tǒng)的PID流程如圖4所示，定量裝車控制系統(tǒng)包括裝車批量控制器、檢測單元和控制單元。

圖4 定量裝車系統(tǒng)的PID流程

3.3 批量控制器

批量控制器是定量裝車控制系統(tǒng)的CPU，類似于電腦的處理器，對整體裝車流程進行控制，并設有安全保護聯(lián)鎖程序，也可以實時顯示當前裝車過程，使現(xiàn)場人員了解充裝過程，并讀取現(xiàn)場操作動作，包括單號輸入、啟動裝車及停止裝車等。批量控制器停電后會保存上個裝車數(shù)據(jù)，上電后可繼續(xù)裝車。

批量控制器內(nèi)部設有防雷柵，在接地良好的情況下可防雷擊，保護設備正常運行。

3.4 流量計

批量控制器采集其流量脈沖信號，完成對灌裝量的實時計量。流量計的精度和穩(wěn)定性直接影響整個裝車系統(tǒng)的精度。

流量計分為質(zhì)量流量計和體積流量計兩種類型。

脈沖信號輸出時，需注意流量計與批量控制器脈沖當量是否一致，比如批量控制器的脈沖當量默認為10P/kg，一般流量計設置為0.1kg/P。電流信號輸出時，需注意流量計與批量控制器的量程是否一致。大部分流量計可以通過模擬信號的方式檢測信號，當脈沖當量設定為0.1kg/P時，模擬輸出的脈沖寬度可設置為100ms，由于是矩形波，那么一個脈沖為200ms，1s有5個脈沖，因此批量控制器接收到的流量為0.5kg/s。

體積流量計需注意批量控制器內(nèi)密度必須正確并且經(jīng)常維護，才能保證精度。遇到膨脹系數(shù)較大的物料時，建議啟用溫壓補償功能以保證精度［10］。

3.5 控制閥

裝車控制閥一般選用氣動兩段式控制球閥、電液閥及調(diào)節(jié)閥等，受批量控制器驅動，控制管道流體的流速。裝車過程中，整體流速控制為慢速啟動，中間環(huán)節(jié)快速裝車，最后慢速結束裝車，其中慢速啟動裝車和慢速結束裝車有利于減少管道靜電積聚，防止出現(xiàn)“水擊”現(xiàn)象。

氣動式兩段閥，首先需保證閥門氣源壓力符合要求，可使用DO通道強制方法測試閥門控制是否正常。不同廠家的氣動兩段閥邏輯不同，強制DO可確認閥門邏輯，需在泵閥設置處選擇正確的邏輯。常見閥門的邏輯見表1，其中1代表電磁閥得電，0代表電磁閥失電。

表1 常見氣動兩段閥的邏輯

電液閥有3個針閥，常開電磁閥一側的針閥可控制閥門關閉速度，常閉電磁閥一側的針閥可控制閥門開啟速度。第3個針閥控制閥門的手/自動狀態(tài)切換，針閥開啟為手動模式并且閥門全開，針閥關閉為自動模式。電液閥邏輯見表2，其中1代表電磁閥得電，0代表電磁閥失電。

表2 電液閥邏輯

調(diào)節(jié)閥分為氣動調(diào)節(jié)閥和電動調(diào)節(jié)閥，電動調(diào)節(jié)閥的響應速度較慢，因此盡量在批量控制器組態(tài)中將啟泵延時數(shù)值改得大一點，防止啟動裝車時管道憋壓。4～20mA控制調(diào)節(jié)閥時，建議用戶現(xiàn)場管道上一定要裝手動球閥，原因是調(diào)節(jié)閥4mA時不能保證完全關死。

開關閥主要分為氣動開關閥和電動開關閥。氣動開關閥的響應速度較快，因此盡量在批量控制器組態(tài)中設定適當?shù)年P閥延時時間，防止停止裝車時管道憋壓。電動開關閥動作較慢，控制閥門至全開或全關時可采用粗調(diào)方式，即維持式DO輸出；控制閥門至設定流量時可采用精調(diào)方式，即脈沖式DO輸出，如圖5所示，其中t1和t2時間可設置，t2結束后判斷流速是否已在設定流速死區(qū)內(nèi)。

圖5 電動閥精調(diào)DO輸出方式

3.6 防靜電防溢流控制器

防溢流開關將液位高限報警信號傳達給批量控制器，批量控制器進行保護聯(lián)鎖；靜電夾與槽罐車相連，將槽罐車的靜電通過防靜電防溢流控制器導入大地。當接地夾與槽罐車接觸不良時，防靜電防溢流控制器檢測到靜電報警信號傳輸給批量控制器，批量控制器立即啟動保護聯(lián)鎖停止裝車，待報警解除后，重新按批量控制器“開始”鍵可繼續(xù)裝車；當液位開關觸發(fā)報警時，批量控制器也將輸出控制信號自動暫停裝車，待報警問題確認后，可重新按批量控制器“開始”鍵繼續(xù)裝車，或選擇結束裝車。

目前常用的是奧波泰克和艾特的防靜電防溢流控制器，若現(xiàn)場不需要防溢流，可在控制器內(nèi)撥碼修改功能。部分防靜電防溢流控制器具有歸位信號，當鶴管歸位時，靜電和溢流同時有報警輸出［11］。

3.7 打料泵

打料泵是裝車的動力裝置，控泵方式有3種：人工控泵、DCS控泵和批量控制器控泵。人工控泵直接在操作柱上啟停泵即可；DCS控泵一般是由批量控制器將控泵的DO信號送給DCS系統(tǒng)，由DCS進行邏輯啟停泵；批量控制器控泵是根據(jù)MCC柜控制回路分為脈沖式控泵和維持式控泵，單鶴位對應單泵的工況由批量控制器控泵方式較多，此外也有人工啟泵、批量控制器停泵的控泵方式。

4 軟件功能

業(yè)務站和操作站主要用于業(yè)務辦理、制卡、報表打印、歷史記錄查詢、操作日志查詢、工藝流程的操作與監(jiān)視、設備狀態(tài)的監(jiān)視、圖形化動態(tài)顯示、工藝參數(shù)的設定及過程趨勢的顯示等?，F(xiàn)將其主要功能進行分述。

4.1 數(shù)據(jù)存儲與展示

測點數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后依照實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行存儲和展示，操作記錄和報警記錄都可存儲到數(shù)據(jù)庫中。在操作站中，除了窗口畫面顯示數(shù)據(jù)外，還有報表組件和趨勢組件進行數(shù)據(jù)展示和分析。

4.2 畫面顯示

業(yè)務站設有5類畫面：鶴位監(jiān)控、訂單制作、裝車記錄、統(tǒng)計報表和操作日志畫面。

操作站設有6類畫面：菜單、流程圖、控制分組、回路參數(shù)、趨勢曲線顯示和報警記錄畫面。

4.3 票據(jù)打印

系統(tǒng)可以提供裝車提貨單和裝車發(fā)貨單，并按照用戶要求格式進行修改。

裝車提貨單是業(yè)務室給操作人員出具的相關車輛的提貨單據(jù)。裝車發(fā)貨單則是裝卸車完畢后，裝卸車業(yè)務室提供給司機的有效的出貨單據(jù)。

4.4 報警

定量裝車控制系統(tǒng)可以發(fā)出無流量報警、閥門未關報警、流量超速報警、靜電溢流報警及緊急停車報警等，其中流量和溫度可設置上下限報警。此外，可接入可燃氣體探測器、有毒氣體探測器進行實時監(jiān)控。報警時相應位號會閃爍，并帶有電腦音箱報警提示。

軟件可設置彈出式報警窗口提示，所有報警均可在操作站確認報警并消音。

4.5 流程圖控制

在操作站能對現(xiàn)場閥、泵等設備進行控制，實現(xiàn)裝車自動化管理。流程圖可根據(jù)用戶要求制作3D立體版，所有按鈕等控制命令均有信息提示。

操作站流程圖軟件具有編程功能，可制作一些簡單聯(lián)鎖，如一鍵啟停、一鍵確認、一鍵復位及緊急停止等。

4.6 報表生成及打印

操作站軟件可自定義報表編輯，生成所需報表，支持報表導出和打印。標準系統(tǒng)可生成日/周/月/年報表、報警記錄報表、操作記錄報表、客戶單位統(tǒng)計報表及物料單位統(tǒng)計報表等。

4.7 權限安全

操作站和業(yè)務站設有權限管理，每個賬號分為管理員、工程師、操作員及觀察員等權限，每個用戶可設置退出系統(tǒng)、系統(tǒng)熱鍵、報警確認、報表打印、監(jiān)控操作日志打印及運行程序等操作權限，也可針對一些按鈕、畫面設計權限處理。

4.8 IC卡管理

隨著信息技術的高速發(fā)展，IC卡技術越來越普及，逐漸應用到各行各業(yè)。對于企業(yè)的儲運管理而言，使用IC卡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的貨單既方便又安全。

4.9 通信功能

提供 OPC、Modbus、WebService 及數(shù)據(jù)庫等通信接口，可方便地實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

5 常見故障

當批量控制器異常停車時，需檢查批量控制器的報警記錄，常規(guī)導致異常停車的有靜電報警、溢流報警和無流量報警，恢復報警后按“開始”鍵可繼續(xù)裝車。

當靜電夾夾在罐車上，防靜電防溢流控制器依舊報警時，先檢查靜電夾的“牙齒”是否刺破金屬漆面，可扭動靜電夾使之接觸良好。若接觸良好依舊報警，可將靜電夾夾至其他接地良好的金屬架子上，測試是否為罐車原因，若靜電夾夾至接地良好的金屬架子上時防靜電防溢流控制器依舊報警，則需檢查靜電夾是否損壞或接線松動。

當溢流探頭未接觸液體報警時，需檢查溢流探頭的傳感器是否已損壞。

當防靜電防溢流控制器上無報警時，批量控制器依舊顯示靜電或者溢流報警，首先檢查防靜電防溢流控制器的靜電信號繼電器和溢流信號繼電器是否正常工作；如果繼電器未損壞，則需檢查靜電和溢流反饋線在批量控制器和防靜電防溢流控制器中是否接觸不良，線頭脫落，再檢查批量控制器的信號通道是否正常。

一般新儲罐首次裝車時，管道內(nèi)有氣體，流量計會出現(xiàn)短時間數(shù)據(jù)異常，滿管后即可恢復正常。

當氣動閥門不動作時，首先檢查閥門氣源壓力是否符合要求，再檢查電磁閥是否得電，閥門控制線接頭是否松動或接觸不良。

管道若未裝過濾器，則需定期清掃管道，防止出現(xiàn)流量計內(nèi)部淤積、閥門堵塞等情況。

若現(xiàn)場遇到刷卡刷不上的問題時，首先檢查開票室通信軟件是否開啟，批量控制器上通信燈閃爍是否正常，再檢查批量控制器內(nèi)讀卡器是否故障。

6 結束語

定量裝車控制系統(tǒng)相對于人工裝車、人工記賬而言，明顯提高了裝車效率，減輕了工作負擔；提高了油品交付的精確度；從安全角度看，定量裝車控制系統(tǒng)具備遠程監(jiān)控功能，提高了自動化水平，減少了事故的發(fā)生幾率，降低了生產(chǎn)風險。批量控制器的無流量報警停車功能，防止泵長時間空轉而損壞，從而降低了企業(yè)的維護成本。靜電溢流報警停車功能，使得發(fā)生火災等突發(fā)狀況時可以實時啟用緊急停車功能，保證了自動裝車的安全性。上位機軟件和批量控制器良好的人機界面，降低了操作工的使用門檻。裝車系統(tǒng)的遠程實時監(jiān)控，使企業(yè)領導層能夠實時掌握裝車進度，有助于根據(jù)企業(yè)的總體戰(zhàn)略調(diào)配資源，實現(xiàn)效率最大化。