摘 要:本文简要描述了在工业气体行业高速发展的背景下,一种气体分段计量系统的设计,包括系统产生的背景、设计的目的、系统的结构、实现的功能、系统特点及应用领域等。
1 引言
流量计量广泛应用于农业生产、国防建设、科学研究、对外贸易以及人民生活各个领域中,对保证产品质量、提高生产效率、保障生产安全、改进操作工艺改善生产条件、完善科学实验条件及促进科学技术发展等有着极其重要的意义[1]。特别是在能源危机日趋严重、工业生产自动化水平日新月异的当今时代,流量计量在国民经济中的地位与作用更加明显,具有广阔的发展前景。
2 分段计量系统产生的背景
对于专业气体分离设备制造商的发展趋势是向产业链的下游延伸,既卖气体分离设备又卖气体,从而将用户牢牢地与自己绑在一起。而诸如钢厂、碱厂、化肥厂这样大的气体用户,用气量可以从每小时几百标立 到几万标立,甚至可以一段时间停止不用,气体使用过程的大幅波动性、间歇性导致气体供应商与用气客户之间的需要建立一种更加公平结算关系。例如:客户不用气体,供应商的大型空分设备依然要消耗能源、人力维持最低运转;客户最大用气量时,供应商不但要将空分设备满负荷运转,还得将液态气体气化来补充供应,对于能源、人力等消耗都是巨大的;显然如果这时都按照普通的用气标准计费显然对气体供应商来说是不公平的,传统的计量方式此时不能满足需要的。我们就是针对市场的这个需求提出气体分段计量的概念,目前国内外尚且少见诸如此类的资料,主要目的是为气体供应商设计一套气体分段计量系统,从而对所有供应客户的氮气、氧气、氩气、氢气、氦气等气体(无论气体和液体)等进行统一的、精确的计量,更重要的是通过本系统进行智能分段处理以生成可以用于保证公平的贸易结算报表。
3 分段计量系统的结构
由于本系统功能要求多,设计采用二层体系结构,即 PLC 加 HMI 的形式。PLC 是目前工控行业最普遍的产品,本系统主要用来承担数据的采集、标准状况转换、积分、分段处理和通信的作用。HMI 主要承担从PLC 采集数据、数据存储、人机界面、生成并打印报表、第三方通信的作用。下面将分别阐述 PLC 和 HMI是如何选择,以保证系统的可靠、准确和稳定的。图一为系统照片。
3.1 HMI组件及功能
硬件选择两台研华工业计算机进行互为备份冗余, 任何一台机器的故障均不影响系统的正常使用,这样的配置极大的保证了系统的可靠性。在服务器上运行稳定的 Windows XP Professional 操作系统、Intouch 组态软件、SQL Serve 数据库和 Office 办公软件。Win-dows 平台下,Wo nderware Intouch 作为世界知名的SCADA 软件,能够长期稳定的运行,提供友好的人机界面,利用动画、图表、曲线等形式把要收集到的数据形象的显示出来,重要的是可以与流行的 SQL Server 数据库兼容,将历史数据永久保存,以备查考。选用 Office办公软件用来生成我们所需的各种生产报表,便于结算。以上组件的选择是充分考虑了系统的兼容性、稳定性,也是经过长期运行所考验了的。
3.2 PLC 硬件设备组成
PLC 系统采用西门子 SIMATIC S7-300,CPU 为315-2DP,128KB 主存储器,浮点数指令运算仅需 3 微秒,其平均无故障时间在 30 万小时以上,而且我们采用UPS 及双 24VDC 电源冗余供电,更加保证了系统的可靠性[2];为了保证计量精确性这一前提,我们选择最大 16位精度、通道转换时间仅为 10ms 的模拟量采集模块,它可以同时采集流量、压力和温度信号,通过对流量差压信号补偿后计算出标准瞬时流量,同时根据瞬时流量大小积分出累计流量,并对累计进行分段。为了系统的扩展,我们配备工业以太网通讯模块为 CP343-1,10/100Mbit/s 全双工自动切换,能与 ITP,RJ45 和 AUI 连接,与 ISO 和 TCP 协议建立多种协议模式,也可选择配备 Modbus 等协议接口。
4 流量计算及分段处理
4.1 瞬时流量和累计流量的计算
通常气体计量是通过孔板流量计测得流量差压信号,再根据孔板流量计算书计算得到气体工况下的瞬时流量,最后经过温压补偿积分得到累计流量。根据中国国家标准网.SY/T 6143-1996《天然气流量的标准孔板计量方法》、《GB/T2624-93l 流量测量截流装置用孔板, 喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量》、《JJG640-94 差压式流量计检定规程》及流体力学原理,差压孔板流量计流量计算公式如下(公式 1)[3]:
T 工况: 工况下, 被测气体的实际绝度温度( 即温度补偿输入,需加 273.15)
对瞬时流量求积分便可以得到累计流量,而积分的采样时间间隔理论上是越小越好,但是过小不但增加了CPU 的运行负担,而且也会受通道采样时间的制约而没有意义。根据实际工作状况和精度要求,我们将积分间隔定为 100ms,因此可以得到小时累计流量的计算公式(公式 2):
4.2 分段处理
气体分段是个比较新的概念,有些时候难于理解, 我们假设一种模型,甲向乙两种工况下经过 T 时间供应氮气都为 10000 标立,其瞬时流量在 A、B 两种工况曲线分别如图 2、图 3 所示。
可见,虽然供应总量是一定的,A 工况气体供应流量平稳,对甲的设备、人力、能源消耗是稳定的,效率也是最高的,而 B 工况气体供应波动幅度很大,对于甲的设备、能源、人力消耗是跳跃的,有时候甚至是浪费的,对空分系统的要求更高。因此为了保证贸易公平,我们通常将单位时间(通常为一小时)内的累计流量分成三段,第一段为照付不议,第二段为正常供应,第三段为超负荷供应,当然,每段的单价是不同的,也可以根据工况要求分成更多的段。举例说明,第一段段点为 Ptop,其含义是在此范围内无论用量是多少,均需要按 Ptop 结算,目的是保证空分系统的正常消耗。第二段段点 P2,在 Ptop 和 P2 之间的流量是按第二段的单价进行收费的。第三段段点为 P3,那么在 P2 和 P3 之间的流量是按第三段的单价进行收费的, 这段的单价自然也是最高的,因为系统满负荷运行,还得由后备系统将液态气体气化来补充供应才能满足乙方的使用需求,对甲方的要求甚高。可见,同样供应一定量的气体,因其工况的不同,造成了贸易结算量也不同,对于甲乙双方而言更加公平、平等和合理,这也是设计气体分段计量系统的宗旨和目的。
5 分段计量系统的功能设计
本系统主要是对企业气体计量进行研究, 实现如下功能:
1 . 数据采用与处理功能
提供总线式和电流式等仪表接口,模拟量模块均采用高精度的模拟量采集卡,保证了信号的采集精度,也提供各种工业总线式接口,譬如 Modbus、Profibus 等现场总线协议,对现场仪表进行高速循环的数据采集,以保证计量的精度和实时性。
2 . 流量计算及分段处理功能
按照企业的要求进行流量累积和分段处理,分我们利用缩短扫描周期的方式经过软件模拟,测得分段后的数据之和经过数年后的累计,误差依然不超过 0.1 ‰, 当然整体误差需要抛开孔板误差, 而且孔板是需要每隔一段时间进行标定的。可根据企业要求将任何温度和压力条件下的气体流量精准转换为标况或任意指定工况下的流量,并对瞬时流量进行精准的积分,对 积分后的累计流量进行分段处理。系统程序架构采用具有标准子程序的结构化编程,只要修改相应的参数值即可完成不同的控制要求,如:瞬时流量补偿计算程序块等。
3 . 人机界面功能
本系统以友好简洁的画面方式显示各气体管线流量、压力、温度等,可查询实时 / 历史趋势、实时 / 历史报警记录。提供趋势及报表的自动生成和打印功能及任意画面的打印等功能;允许操作员快速查阅现场工况,解除警报。系统提供即时报警功能可以激活 PLC 柜上的 LAU 单元(报警指示灯等),HMI PC 报警画面产生 报警;并且报警根据其重要程度将被划分为若干等级,在HMI 上区别显示。
4 . 数据存储与检索功能
系统将所有重要数据存入 SQL Server 或者当前各种流行的数据库,并且利用 VBA 技术自主开发了能够自动和手动生成和打印符合企业要求的生成报表,管理员可以在任何时刻进行数据检索和报表生成。企业管理人员可以方便的根据各种报表进行资金的结算。系统还提供数据库备份、数据库查询、数据导出等操作。
5 . 第三方通信功能
系统提供标准 OPC 接口,OPC 是工控行业国际通用的接口协议,企业可通过 OPC 接口有取舍地向第三方提供数据,方便企业对系统的扩展和企业资源的统一管理,容易进入生产信息系统。
6 . 冗余热备与安全管理功能
系统可根据企业要求提供基于工业以太网,双机冗余采集数据,实时监控通讯状态、响应通讯请求,数据库冗余热备,计算机时钟自动同步等功能。可以根据权限和安全需要,设置两套不同级别的登陆密码和用户名,只有正确输入登陆密码和用户名,才能对相应权限的计量参数作修改。
6 结束语
本系统已经成功推广多套,实际运行证明,系统计量精度高、功能强大、使用灵活,达到了分段计量的目的。尤其近年来,中国 GDP 增长在 8% 以上,中国工业气体的需求前景十分看好,石油化学工业及其他工业也在迅猛发展,尤其是国内大型供气企业才刚刚起步,既卖设备又卖气体已经成为国外气体分离设备制造商的发展模式,也将是下一步中国气体分离设备行业发展的方向。目前尚未见气体分段计量的相关报道,因此能够满足市场和客户需求的分段计量系统具有广阔的发展前景。
参考文献:
[1] 中国社会科学院工业经济研究所.2009中国工业发展报告[M].北京:经济管理出版社,2009,9.
[2] 西门子工业自动化与驱动技术集团.siemens 300 可编程控制器产品目录[Z],2009.
[3] 中国国家标准网[S].SY/T 6143-1996 天然气流量的标准孔板计量方法,1996.
作者简介:朱明清(1978-),男,助理研究员,研究方向:自动化系统设计及过程控制与通信系统的研究开发。
