導波雷達物位計在儲罐自動化監控系統中的應用

 

        儲罐是化工企業生產、運輸、儲存過程中的重要設備，其具有儲存量大、布置分散、占地面積廣等特點。我國自20世紀90年代初引進液位儀表自動測量技術以來，在儲罐參數測量的精度、保護人員安全、降低勞動強度等方面都有了明顯的提升。但隨著生產經營規模及油品種類的增加，罐區范圍也越來越大，原有的罐區管理方式已不能滿足實時性，升級和改造化工儲罐的監控系統迫在眉睫。

 

1　化工儲罐的改造技術要求

        筆者所在單位共擁有21臺不同儲存容量的儲罐，分別存放硫酸、液堿、硝酸、甲醇、甲苯等。在自動化技術改造前，罐區監控主要由人工巡檢完成，機泵由人工啟動，儲罐存放的物料量無法實時準確地計算。罐區收付液管道大部分未安設質量液位計，人工儲罐、地磅計量數據作為物料收付時的結算依據。在高危區，設有可燃氣體檢測探測器，在值班室安裝報警柜，并由當值人員負責監督報警。

 

        對化工儲罐自動化改造技術的要求如下：由系統采集儲罐的重要數據，如壓力、溫度、液位等，并在監控界面上實時地顯示。機泵要求遠程遙控，并具有緊急狀態時就地操作的功能。由于生產任務緊迫，加之遠程控制閥門的安裝需要火焰切割、焊接等工序，因此暫定主要工藝管道上的遠程控制閥門先預留安裝位置，待后期二次改造。儲罐的收付料液位暫以雷達液位計量、地磅計量為準，其數據要進入控制系統。后期二次改造時，在儲罐加裝物量液位計，實現全自動計量控制，并將可燃氣體的實時采集報警信號，發送至PLC系統，在無人值守時，記錄報警信息，并供日后查詢，實現全自動化管理。

 

2　自動化系統改造的總體設計

2.1　儲罐監控儀表的設置

        根據儲罐的改造技術要求，對儲罐加裝導波雷達、溫度變送器、壓力變送器等儀表，負責采集儲罐內液體所有的數據。本次改造采用的SC-2000型導波雷達物位計，其液位計信號以4～20mA的模擬信號進入系統。在測量時，該裝置幾乎不受任何環境干擾，可以提供長期、穩定的數字量或模擬量的物位信號。將機泵的開關回路改造成可供自動或人工控制的回路，并在泵房內安裝自控/手動切換控制箱?？扇細怏w報警柜的報警輸出信號，以24V開關量的形式輸入系統。

 

2.2　控制網絡的設置

        控制網絡采用的是基于遠程I/O站點的現場總線控制網絡，即遠程I/O站點將以模擬信號的形式采集儲罐儀表信號，并作為整套現場總線控制網絡中的從站，負責與主控制器進行通訊?，F場總線控制系統分為五個部分：第一部分是現場傳統型的設備；第二部分是放置于危險區域的防爆遠程I/O站點，負責直接采集儲罐現場信號；第三部分是有現場總線接口（PLC的CPU單元）的控制器；第四部分是I/O站與主控制器的連接附件和現場總線；第五部分是I/O站與現場設備的連接附件和電纜。

 

2.3　人機交換界面的設置

        本系統人機交換截面，是利用MCGS組態軟件，在Windows環境下，快速構造和生成上位機監控系統。通過MCGS組態軟件的驅動程序，其實現與外部設備的數據交換，包括采集數據的接受和發送指令。MCGS的驅動程序包括VB和VC程序設計語言，操作人員通過MCGS組態軟件，可實現對PLC編程，調試、監控廠區內儲罐的實際情況，并可通過該人機交換界面實現歷史數據存儲、查詢、儲罐容量計算、打印等操作。

 

2.4　PLC控制系統的構成

        該系統采用的是西門子S7-200PLC控制系統，集成了一定數字I/O點的CPU（包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM）。數字量擴展模塊包含EM22、EM222、EM223；模擬量擴展模塊包含EM231、EM232、EM235；通訊模塊包含EM277、EM241等，可直接與現場I/O點從站連接，并接受從站輸入或向從站輸出0～5V的直流信號。

 

3　監控系統程序的設定

3.1　系統的控制程序

        改造后的儲罐監控系統分為自動和手動兩種操作方式，具體采用哪種工作方式，要在系統啟動前，通過安裝于泵房內的切換按鈕實現，并在切換的同時，將相應的信號輸送到PLC，以調用相對應的子程序。在自動模式下，由S7-200PLC接收各從站采集現場儲罐液位的數字信號，經過程序的計算并得出液位值后，再與主調節器給定的液位值做出比較，得出偏差。在通過兩級PID的調節后，電動調節閥輸出相應的控制量信號，驅動負載以實現液位的精確控制；手動操作，就是由人工來調節儲罐的液位。

 

        控制系統的控制箱內設置了3臺PID控制器，分別控制甲類罐組、酸堿罐組及甲醇罐組。PID的回路采用的是回路表的組態信息和輸入信息，簡化了系統的PID運算。同時為了控制和監視PID的運算，該系統還采用了其中9個主要參數作為判斷控制精確性的依據，這些參數為給定值SP N 、過程變量當前值PV N 、輸出值M N 、過程變量當前值PV N－1 、增益K C 、積分時間T L 、采樣時間T S 、積分項前值M X 、微分時間T D 。PID參數先根據自設定的方式進行整定，再根據實際的情況做出調整。

 

3.2　數據的采集程序

        導波雷達物位計SC-2000按照一定的掃描周期，連續采集有關的模擬量、開關量等數據信號，將運行過程中的參數、輸入輸出狀態、操作信息、異常情況等，利用I/O從站并經過AD轉換后，輸入PLC得出一個16進制的數字，再經過系統的量程和十進制轉換，才能在人機交換顯示屏上顯示出讀數。

 

3.3　閥門的開關程序

        在罐區所有重要管道上的氣動閥門都要有狀態回信，并能夠通過繼電器回路完成開關量輸出點對氣動閥門的開關控制。在上位機MCGS程序中，通過相同狀態下的“不可用”設置，可防止出現與閥門的現有狀態相同的重復性控制命令。例如：當上位機MCGS程序根據閥門的回訊，顯示閥門的當前狀態為“開啟”時，“開閥門”按鈕將顯示失效狀態，操作人員只能點擊“關閥門”按鈕。在每次的操作過程中，系統均會提示二次確認的對話框，以免誤操作。

 

3.4　罐裝平臺的控制程序

        考慮到生產任務緊迫，罐區易燃易爆，無法實施動火處理的原則，在主要工藝管道上，先預留遠程控制閥門的安裝位置，待后期生產淡季時予以二期改造?，F階段，浙江嘉興嘉化物流有限公司罐裝平臺進、出料暫行高報（到達某一設定液位高度）、高切（到達設定zui高液位高度時，切斷主進料泵）、低報的辦法，并發出聲光報警信號的原則。

 

        二期整改時，將徹底實行罐區的自動計量、自動灌裝的設計。其主要設計思路如下：在原罐裝的管道上，安裝遠程控制閥門，再將質量累計信號和液位計的液位信號接入到監控系統中。同時，在槽車罐裝管線上，還要安裝一條管徑稍小的管路并加裝遠程控制閥門，以保證計量更為準確，并將閥門的狀態和控制信號接入到PLC系統中。在每次開始灌裝前，都要同時將這兩個閥門打開，當加裝量至設定值時，關閉主閥門，灌裝完畢時，再關閉小閥門。

 

        在上位機MCGS系統中，操作人員可預設灌裝預裝量M 0 值。開始罐裝前，監控系統將根據檢測到的罐內現有的讀數，與預裝量M 0 相加得出儲罐的目標值M X 。如果設M為監控系統檢測罐內的實時累計量讀數，δ為距離目標值M X 的特定值，則當M距離目標值M X 為δ時，大閥門將會自動關閉，小閥門繼續灌裝，直到罐量為目標值M X ，小閥門關閉，灌裝完成。

 

3.5　SQL數據庫的查詢

        MCGS組態系統提供了訪問SQL數據庫的控件，通過該控件可在MCGS畫面中便捷地訪問和編輯數據庫。通過輸入數據庫的查詢函數，可對篩選數據庫中的相關數據，并由控件中的統計函數，計算zui大值、zui小值或平均值等。

 

        罐區監控系統的實時監控數據均儲存在SQL數據庫中，其數據變化是以動畫的形式展現，當啟動查詢程序后，界面將彈出“查詢條件對話框”，輸入查詢條件（自動生成SQL的查詢語句）后，點擊“確認”便可自動生成查詢的數據信息。

 

3.6　系統的安全保障措施

        該系統中的控制箱操作站，實現對整套系統的數據采集、控制操作、狀態監視等功能操作。MCGS組態系統對超出儲罐儲存范圍的量將發出報警，提醒技術人員適當地修改系統的參數。系統還對每一個操作人員進行了權限劃分，實現了分級操作，避免現場操作人員的誤動作。所有I/O模塊都具有硬件和軟件的自診斷功能，模塊與端子分離，其通道與現場的信號相互隔離，以便現場能夠及時更換，縮短監控系統的維護時間。當系統出現故障時，監測信號會持續輸出，將事故的影響降至zui低。

 

4　結語

        化工儲罐監控系統在自動化改造完成后，操作人員可在監控室內實時地查看罐區現場的儀表情況，遠程控制設備的自動開閉，減少了操作人員在重大危險源地檢查的頻率，縮短了停留的時間，降低了事故發生的概率。在現有的化工行業生產經營模式下，從降低成本和安全生產的角度來分析，對化工儲罐自動化監控系統的改造，是一個利國、利民、意義深遠的決策。