基于PC的质量流量计计量控制系统

　　一 概述
　　
　　金陵石化炼油厂成品油装船计量和控制系统主要采用了Micro
Motion和Krohne公司的质量流量计作为码头最末端的计量和批量控制手段。炼油厂码头分布间距远(超过1000m)，流量、压力控制要求高，模拟或脉冲信号远传易产生信号失真，影响计量和控制的精确度。我们应用iFIX组态软件，在Windows
NT
4.0的运行环境下开发了计量和控制系统，采用集中管理和分级控制方案，系统自2000年3月投用以来，其计量控制和数据处理满足了计量精确度、数据采集和控制响应实时可靠的要求。
　　
　　二 质量流量计的测量特性及信号特性
　　
　　1. 测量特性
　　
　　一台质量流量计的计量系统包括一台传感器和一台用于信号处理的变送器。以Rosemount公司的质量流量计为例，传感器内是U型流量管，在没有流体流经流量管时，流量管由安装在流量管端部的电磁驱动线圈驱动，其振幅小于1mm，频率约为80Hz。流体流入流量管时被强制接受流量管的上下垂直运动。在流量管向上振动的半个周期内，流体反抗管子向上运动而对流量管施加一个向下的力；反之，流出流量管的流体对流量管施加一个向上的力以反抗管子向下运动而使其垂直动量减少。这便导致流量管产生扭曲，这一扭曲现象被称之为科里奥利(Coriolis)现象。流量管扭曲量的大小完全与流经流量管的质量流量大小成正比，安装于流量管两侧的电磁信号检测器用于检测流量管的振动。当没有流体流过流量管时，流量管不产生扭曲，两侧电磁信号检测器的检测信号是同相位的；当有流体流经流量管时，流量管产生扭曲，从而导致两个检测信号产生相位差，这一相位差的大小直接正比于流经流量管的质量流量。由于这种质量流量计主要依靠流量管的振动来进行流量测量，因此质量流量计的安装应在无应力的状态下进行，且安装时应先固定仪表，配管和主管线碰头应在自由状态下连接或焊接，管道的支撑件应安装得离传感器连接件越近越好(在管道一侧)，传感器附近的管道支撑物或卡子应安装在同一连接面上，尽可能减小管道对传感器工艺连接件所产生的应力(包括轴向与侧向应力)，绝不能用传感器来支撑工艺管道。
　　
　　2．信号特性
　　
　　Rosemount的变送器RFT9739是模块化并带有微处理器功能的电子装置，配合ASICS数字技术，可选择数字通信协议。它与传感器连接使用而获得高精确度的质量流量、密度、温度和体积流量信号，并将获得的信号转换为模拟量、频率等输出信号，还可使用275型HART通信手操器或AMS、Prolink软件对其组态、检查及通信。
　　
　　RFT9739的主要技术参数为：4~
20mA模拟量输出，可表示质量或体积流量、密度、温度、事件1和事件2，频率/脉冲输出，可表示瞬时质量流量、体积流量和质量流量总量或体积流量总量；独立于模拟量可输出0~15V方波，频率为1~10000Hz，脉冲宽度在低频可调；控制输出可表示流向、故障和过程零点；数字输出的开关，可选择Bell
202或RS-485串行标准，与HART协议兼容；电源为85~250V AC、50Hz或12~30V
DC；环境温度为－30℃~+55℃，密度测量范围为0~5g/cc(0~5000kg/L)；测温量程为－240℃~+450℃，安全等级为UL、CSA。附加输出有API密度输出、密度变化抑制、阻尼及出错显示。
　　
　　三 计量控制方案
　　
　　如上所述，Micro
Motion和Krohne公司的质量流量计具有RS-485标准通信接口(Modbus协议)和模拟信号输出(脉冲或4~20mA电流信号)，通过RS-485标准通信接口，用一根两芯电缆可将质量流量计的质量、密度、温度、体积等数据传至上位机供计量用，质量流量计的脉冲输出送至控制器提供批量控制的输入信号。
　　
　　(1)数据采集和控制方案
　　
　　如图1所示，每台控制器对应一个计量控制点，控制器接受上位机的批量值，判定压力值，执行开阀功能，进行批量控制。当累计重量等于批量值时，控制器输出4mA电流信号给电动阀，使电动阀完全关闭。
　　
　　(2)数据通信方案
　　
　　如图2所示，控制器通过RS-232方式连接到C320串行口分配器的各端口，再与计算机通信。采用OP2协议方案，在发送数据串的同时，形成并发送校验和；在接收数据时，也同时形成校验和，将接收与发送的校验和相比较。如果两者相同，则认为此次通信有效；如果不相同，则通信无效，需要重新通信，以提高其可靠性。
　　
　　如图3所示，质量流量计选择RS-485标准通信接口，以Modbus协议方式通过C320串口分配器与上位机通信，传送现场质量流量计的变送器的所有参数。
　　
　　(3)数据处理和管理方案
　　
　　数据处理和管理由PC机完成，包括界面显示，批量输入和设置，仪表系数修改，实时流量、压力、密度、阀位等显示，瞬时流量压力、密度、阀位曲线显示，数据查询，网络发布查询，以及报表输出和系统维护等，方案如图4所示。
　　
　　其中，上位机采用数据处理控制服务端与批量输入报表打印客户端隔离以写读网络数据库方式的方案，以保证计量控制系统运行的可靠性。
　　
　　四 计量控制系统
　　
　　图5为一个实际的基于PC的质量流量计计量控制系统单回路流程图。
　　
　　质量流量计的传感器直接安装在工艺管路上，其一路输出信号通过RS-485标准通信接口(Modbus协议)，此输出信号速率为9600b/s，有8位数据位、1位奇校验位和1位停止位。Krohne公司的质量流量计产生的质量累积流量提供的是IEEE7-X双精确度浮点数(8B)，iFIX2.21所带驱动程序不支持这种数据格式。因此，系统先将8B按4个双字节数采集、编程，将所有采集的数据分解成IEEE7-X标准的二进制数，再转换成系统默认的数据格式。
　　
　　压力变送器以模拟信号方式(4~20mA)输出至控制器，进行在线压力控制。在批量控制付油过程中，当管道的压力达到设定值时才能打开控制阀，当管道中的压力低于设定值时，系统自动关闭阀门，直到管道压力重新达到设定值，确保流量计在付油过程中始终保持满管，满足流量计的工况条件。压力变送器的输出信号同时与质量流量计串接，进行在线自动压力补正。
　　
　　控制器对测量回路中的流量、压力信号进行采集运算并与上位机通信，接收上位机的指令以连续地将运算结果与批量进行比较控制。
　　
　　电动阀采用Fisher-Rotork的执行机构，由控制器控制进行可靠的关闭和开启，电动阀输出阀位反馈信号至上位机，通过上位机可监控阀的开度，并记录阀位曲线。
　　
　　系统采用了安全性和可靠性很高的Windows
NT4.0网络操作系统，达到数据资源的共享，保证数据的安全，具有分级用户的功能，不同的用户登录具有不同的操作权限(计量管理、油品分厂、码头车间等3级)。系统采用了iFIX工控组态软件组态，iFIX2.21是基于FIX7.0工控组态软件发展起来的最新产品，运行在Windows
NT操作系统环境下，具有实时性好的特点。实时数据库支持无限工位点数，内嵌Visual
Basic语言，支持多种通信协议，网络数据响应迅速，安全级别高。系统分前后台控制方式，前台实时显示各个控制回路的瞬时流量、累计流量、密度、温度、压力、阀位开度和发油状态，并及时响应用户的各种需求，完成相应的功能；后台采用通信的方式，每2s采集一次各回路控制器和质量流量计的各种参数和状态，供实时显示，采集的数据以5s/次的速度存储到历史数据库，各种曲线参数保存时间达一年以上，以供查询和分析。
　　
　　五 系统运行效果
　　
　　当某个码头需要某个品种付油时，操作人员在上位机上选择"批量输入"按钮，选定码头号和付油品种，输入计划量、船号、操作员和班次，当确认无误后，按"确定"按钮将批量值发送到批量控制器。控制器接收到付油命令后，判断管线的压力，当管线压力大于设定值时，输出20mA电流信号给电动阀，并打开电动阀。付油过程中，批量控制器接收到质量流量计的流量信号即进行计算，同时将计算结果与计划量比较，当累计重量(质量)为批量值的99%时，控制器输出12mA电流信号给电动阀，电动阀关闭50%阀位，继续控制流量；当累计重量等于批量值时，控制器输出4mA电流信号给电动阀，完全关闭电动阀。计算机接收到付油结束信息，提示用户付油结束并将当前的付油记录存储到网络数据库中。
　　
　　系统将付油的瞬时流量、密度、温度、压力、累计量和阀位等参数进行存储，可显示指定时间内的历史趋势图，在主管厂长、调度及计量管理客户端，通过网络数据查询可实时浏览和动态查询付油结束的码头号、品种、船号、计划量、末端表量、绝对误差和相对误差。系统运行以来，不仅能满足成品油出厂计量控制的需求，而且作为一个开放式的系统，为厂里提供了后续开发的空间。