1 概述
随着计算机技术和检测技术的不断发展和完善，各种各样的物料流量计在石油化工装置中得到大量使用，为操作人员对工艺进行准确判断提供了有力的保证，提高了自动化控制水平。流量计从最初的用节流孔板、文丘里管等产生差压原理（变送器传送差压信号）来检测流量，发展到目前广泛使用的涡街流量计（流体经过挡体后产生漩涡力变化）、质量流量计（利用科氏力原理）、电磁流量计（电磁测量原理）等来检测流量。上述流量计检测的物料介质一般都是液体和气体，而在此将要介绍的是美国K-TRON公司冲板式固体质量流量计，它所检测的物料是聚乙烯粉末，在此将阐述它的工作原理、数据通讯、工程控制应用等方面的内容。
上海石化塑料部4PE是引进北欧化工双峰工艺技术、年产250kt聚乙烯的生产装置。乙烯原料在环管反应器和气相釜进行聚合反应形成聚乙烯粉末，粉料输送系统把聚乙烯粉末送至T-702A/B/C储槽。聚乙烯粉末经回转阀到秤重计量系统，所检测到的流量信号传送至控制器，控制器通过通讯系统把信号传输至整个西门子S7PLC控制系统，操作人员可方便地在控制器界面上或流程图界面上设定流量值，控制回转阀的变频器信号，形成闭环控制回路。聚乙烯粉末最后送到挤出机进行造粒。由于物料聚乙烯粉末具有粘性，在输送过程中易形成少量的丝带料，原先设计使用的质量流量计是靠一个垂直旋转的马达带动叶片通过测物料的离心力来完成称重计量工作，因此在上述的工况下仪器有时无法正常工作，容易导致丝带料缠住叶片，造成计量精度不准、无法正常下料等诸多问题，严重时甚至必须停下整个设备进行清理，这些都极大地影响了正常生产。为了彻底地解决这个技术问题，决定更新设备，采用美国K-TRON公司生产的冲板式质量流量计来替代目前使用的设备。
2 K-TRON流量计工作原理及技术特点
K-TRON冲板式质量流量计在固体流量测量领域处于世界领先水平，它的K-SF系列数字式流量计是一种能在恶劣的工业环境中精确测量的计量工具。首先，它配备了两个超高精度的数字型重力传感器，利用震动弦的共鸣频率和张力来测量外界的负荷，外界的负荷通过K-SFT特别的机械结构传达到震动弦，震动弦被拉紧后使得共鸣频率改变，内部备有的微型电脑通过这些信息计算出外界负荷的重力，经过线性和温度补偿之后，这个重力信号就通过RS485接口传到K-TRON控制器（K-SL）。一个K-TRON控制器的通讯道（serial bus）最高能处理15个K-SFT的信号，重力信号传送的速度介于2400~38400波特之间。先进的称重技术使得重力传感器具有如下特点：
1）分辨率高，可达一百万分之一，取样速度快，每秒可收集112个样品；
2）使用精度超过0.5% ，高流通能力为200~300t/h；
3）具有抗震性，可以自动识别并消除振动引起的虚假重力信号的干扰；
4）具有温度补偿功能，能克服环境温度对喂料量的影响；
5）能长距离且不受干扰地传送重力信号（采用RS485数字通讯）。
高精度的传感器与独特设计的结合使K-TRON质量流量计成为准确测量物体流量的最佳工具。其原理如图1所示。它利用了牛顿物理学原理：力=质量×加速度。
物料在重力的影响下顺利地进人流量计上面斜置的测量通道，里面的SFT称重传感器能够排除所有摩擦力并检测物料对斜置通道的垂直力FR，然后物料进入下面的垂直通道，垂直通道内的SFT称重传感器测量并计算物料产生的力FP。通过这两个传感器的信号来确定单位时间内的物料流量值（kg/h或t/h）：
设计中流量计泻槽没有任何狭窄路段和转动部件，使得物料不易粘附在测量通道上，即使流量计的任何部件发生事故，物料的流动也不会受影响。
K-TRON质量流量计有双通道设计（旁通管道），维护使用十分方便。物料转向流入旁通管道，使得流量计能在线零点自动校准和清洗维护。使用流量计时，在一些物料粘附在测量通道上或物料温度明显变化的情况下，这一校准功能即可派上用场，弥补了传统计量方式需停下整条生产线而影响生产的不足。如果需要在线清洗或校正零点，只需打开旁通管道气动阀门，引导物料进入旁通管道气动阀门的操作时间间隔由电子控制器调节控制。流量计的保养非常简单，主体的门极易开启，十分便于清洗，流量计本身也基本上不需要维修。总的来说，K-TRON质量流量计具有如下优点：
1）使用精度超过0.5% ，高流通能力为200~300t/h；
2）两个高分辨率（百万分之一）的SFT数字式重力传感器；
3）完全的数字式称量技术，真正的质量流量计量（力=质量×加速度）；
4）双通道独特设计（国际专利），可不中断生产进行零点自动校准；
5）物料自由通过，不受累积物影响，且物料特性不影响称量精度；
6）几乎不需要维修，结构简单，拆卸方便，无任何活动部件，密封防尘。
3 K-TRON流量计的数据通讯
3.1 K-TRON流量计的内部数据通讯
开创控制器（K-SL）的控制柜一般置于安全区，控制器通过RS-485通讯接口接受来自现场高精度重力传感器送过来的数字信号，带有发光二极管（LED）显示屏的开创控制器也是一个人机界面，在它上面可以完成许多基本参数和功能的设置，实现各种控制要求。在开创控制器显示屏上可方便地查看各种参数，如流量设定值、瞬时质量流量、累积流量、驱动命令等。通过开创控制器配有的卡板可以输出瞬时质量流量、累积流量等电流信号，以供DCS集散控制系统显示等。
3.2 K-TRON流量计与其它系统间的数据通讯
K-TRON质量流量计支持许多通讯协议，可以实现与其它系统之间的数字通讯，利用开创控制器的智能控制模件SCM（Smart Control Mod-ule），可以实现与西门子S7PLC系统间的通讯。西门子PLC与开创PLC之间通讯是通过现场总线（PROFIBUS）之间通讯来完成的，所采用的协议为PROFIBUS-DP协议，该协议为主从协议，即一个主站，其余站点都为从站，一个电气回路中可以有126个站点。西门子PLC为DP主站，开创PLC通过支持PROFIBUS协议的接口模块与西门子的DP网络连接，作为DP从站，由于PROFIBUS是当今最流行的现场总线通讯方式，所以在西门子与开创都支持该协议的情况下，可以比较容易地实现数据交换。西门子通过硬件配置和组态结束以后，调用相应的通讯功能块，SFC14读DP总线功能块，与SFC15写DP总线功能块，完成了数据的传输。开创通过相应的程序也可以得到总线上相应的数据，这就完成了数据的通讯过程。
4 仪表控制方案
图2是本次改造方案的仪表控制方框图，图中传感器、控制器均为K-TRON公司的系列产品。
根据4PE装置实际工艺情况，设有3座聚乙烯粉末储槽T-702A/B/C，故本次改造由3台K-SF冲板式质量流量计，1台K-SL控制器等设备构成，完成工艺控制要求。其基本工作原理是：储槽T-702A/B/C管线下分别安装有1台回转阀（图2中回转阀1（3））和相应的1台K-SF冲板式质量流量计（图2中传感器1（3））检测到的流量信号通过RS485通讯方式传输至开创K-SL控制器，开创控制器对接受到的数据加以计算处理，流量设定值可在开创控制器操作界面直接设定，通过比较现场实际流量与设定流量，控制器随时更新驱动命令至变频器，并通过变频器调整回转阀的转速以实现实际流量与设定流量的一致，达到自动控制的目的。借助于PROFIBUS数据通讯、WINCC画面，K-TRON的3台质量流量计的许多数据信息也可在PC操作台上显示和操作，如上面提到的流量设定、瞬时质量流量、累积流量、驱动命令等，同样在PC操作台上操作变更的数据能传送到开创控制器，并能准确地改变相关参数（如流量设定值等）。当K-TRON流量计控制系统出现故障时，可发出信号至SIEMENS PLC系统，使挤出机联锁停车。
K-TRON流量计的主要设备和元器件型号如下：
质量流量计 K-SF 350
重力传感器（斜置通道） 0831_90128
重力传感器（垂直通道） 0831_90131
智能控制器 K-SL IP65
液晶显示器
频率/电流转换器 K-SFM 350
SFM软件
5 软件组态
现场质量流量计和控制室的开创控制器安装好以后，还有一项重要的工作是组态用户应用软件。系统的组态软件采用SFM软件，它为用户提供了从数据采集和数据处理、报警处理、流程控制、动态画面显示等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。根据工艺控制要求，开创控制器中组态设有3个流量调节器和3个选择器，用于现场流量的显示、设定、控制输出（至回转阀）、设定值信号选择（就地设定还是PLC设定）、物料通道选择逻辑（1台、2台或3台同时使用）等功能。组态定义I/O（输入/输出）信号的槽路地址及仪表位号，定义了与PLC互相通讯信号的软地址。进行了开创控制器与西门子S7系统间的通讯组态工作，如定义通讯端口、通讯速率、传输方式等。K-TRON质量流量计与西门子S7系统之间的主要通讯参数如下：流量计启动/停止信号、流量计速度设定信号、流量计运行信号、流量计报警信号、流量计质量流速信号等。同时通过修改SIE-MENS（S7）内部的通讯地址、PLC组态、增加1个通讯接口等工作，完成了西门子S7系统的组态工作，最终实现了K-TRON的3台质量流量计与SIEMENS PLC系统之间的通讯。
6 结束语
在完成了K-TRON流量计硬件设备的现场安装和软件组态工作之后，进行了联动调试工作，随后把该系统投入运行。自K-TRON3台质量流量计投用以来，重力传感器性能比较稳定，测量精度较高，开创控制器与西门子PLC系统间的通讯良好，基本达到设计要求，工艺操作人员反映较好。特别是没有出现过聚乙烯丝带料堵塞质量流量计通道的现象，解决了一大技术难题，减少了挤出机系统许多次非计划停车，为装置增加了经济效益。
