石化行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程之中，對(duì)于液位的監(jiān)測(cè)與控制是一項(xiàng)極其重要的工作內(nèi)容，無(wú)論是對(duì)于生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量，乃至涉及到到系統(tǒng)的重大安全風(fēng)險(xiǎn)都是無(wú)法忽視的，因此就需要對(duì)于自動(dòng)化控制系統(tǒng)中彩信的液位數(shù)據(jù)要求有高的可靠性。本文即針對(duì)于磁翻板液位計(jì)(變送器)等現(xiàn)場(chǎng)液位儀表在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的諸如失真，造成DCS系統(tǒng)控制失靈的故障，提出可靠的報(bào)警解決辦法。
 
1引言
石油、化工生產(chǎn)系統(tǒng)中，有的裝置中液位控制極為重要，有時(shí)牽涉系統(tǒng)的重大安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，它要求自動(dòng)控制系統(tǒng)中采集的液位信息具有高可靠性。例如，油田聯(lián)合站液化氣生產(chǎn)制冷系統(tǒng)中丙烷中間分離器，該液位控制屬于高風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)節(jié)，正常情況下分離器功能是：分離器頂部氣相進(jìn)入丙烷制冷壓縮機(jī)二級(jí)入口，液相進(jìn)入丙烷蒸發(fā)器，見(jiàn)圖1。如果液位失控，高液位會(huì)導(dǎo)致丙烷進(jìn)入壓縮機(jī)，直接威脅制冷壓縮機(jī)的安全，低液位會(huì)造成丙烷蒸發(fā)器液位低，影響整個(gè)制冷系統(tǒng)的效果。只有保證液位信息真實(shí)可靠，DCS控制系統(tǒng)方能正確運(yùn)行，才能有效地保障生產(chǎn)和安全。實(shí)際生產(chǎn)中，測(cè)量信號(hào)受振動(dòng)、凍堵、臟堵、電路故障等影響，時(shí)常出現(xiàn)“假液位”現(xiàn)象。本文針對(duì)液位變送器在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的失真，造成DCS系統(tǒng)控制失靈的問(wèn)題，提出可靠的報(bào)警解決辦法（基于歐陸2500組成的DCS系統(tǒng)）。
 


2提高裝置液位測(cè)量可靠性的軟硬件設(shè)施
DCS系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)、測(cè)量變送器、調(diào)節(jié)器（閥）以及各種驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)等組成。下位機(jī)和液位變送器的工作原理簡(jiǎn)述如下：
 
2.1歐陸2500智能遠(yuǎn)程I/O控制器
歐陸2500控制器組成的DCS系統(tǒng)下位機(jī)，精度高，性能好，能提供實(shí)用的控制功能。2500I/O控制模件通過(guò)Modbus或Profibus協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通訊，用于信號(hào)調(diào)節(jié)、監(jiān)視報(bào)警以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。2500I/O控制模件有高穩(wěn)定性的PID功能塊，可以支持構(gòu)成強(qiáng)大的控制策略的能力。在Windows操作系統(tǒng)下，使用組態(tài)軟件包"iTools"用以2500的組態(tài)。"iTools"可設(shè)置分配I/O點(diǎn)；設(shè)置PID功能塊、Toolkit功能塊；互連不同變量、報(bào)警、功能塊等。其中Toolkit功能塊可支持就地的數(shù)學(xué)、邏輯運(yùn)算。
 
2.2電動(dòng)浮筒液位計(jì)變送器和磁翻板液位計(jì)(變送器)
2.2.1電動(dòng)浮筒液位變送器
變送器是基于阿基米德定律及力平衡原理工作的。相當(dāng)于被測(cè)液面高度的浮筒懸掛在下杠桿端部，液位上升時(shí)，浮筒沉浸在液體中，并受到阿基米德定律向上的浮力作用。其浮力F等于：
F=1/4πD2·H·ρ
式中：D：浮筒外徑
H：液位高度
Ρ：介質(zhì)密度
當(dāng)液位上升時(shí)，浮筒失去自重，支承點(diǎn)杠桿力發(fā)生變化，通過(guò)稱重傳感器測(cè)得浮筒浮力的大小，即可得到液面的高度。經(jīng)轉(zhuǎn)換，輸出與液位高度成比例的4～20mA.DC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。遠(yuǎn)傳至控制室，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程液位顯示或工藝流程的控制。
 
2.2.2磁翻板液位計(jì)(變送器)
浮子液位變送器是采用磁耦合原理，將磁開(kāi)關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電阻線性變化。浮子液位變送器是由液位傳感器和電流轉(zhuǎn)換器兩部分組成，浮子與液位同步變化，控制磁開(kāi)關(guān)吸合或斷開(kāi)，從而使傳感器內(nèi)電阻呈線性變化，再將電阻變化轉(zhuǎn)化成4～20mADC標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)液位的遠(yuǎn)傳測(cè)量與控制。
 
3設(shè)計(jì)思想
采用兩套液位變送器進(jìn)行測(cè)量，其中采用電動(dòng)浮筒液位變送器的數(shù)據(jù)，參與構(gòu)成PID控制回路；另一套磁浮子變送器的數(shù)據(jù)，用于對(duì)電動(dòng)浮筒液位變送器數(shù)據(jù)的跟蹤判斷。比較兩數(shù)據(jù)在一定誤差范圍內(nèi)是否相符，以識(shí)別信息的可靠性。因兩種變送器測(cè)量原理不同，同時(shí)出故障的概率極小，而且同時(shí)出故障時(shí)數(shù)據(jù)大小相符的概率幾乎為零。因此，該方法可有效地提高液位測(cè)量的可靠性。現(xiàn)以油田液化氣生產(chǎn)過(guò)程中，制冷劑丙烷中間分離器為例，描述一下實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)裝置液位失真報(bào)警的方案(系統(tǒng)組成：下位機(jī)———歐陸2500智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)；上位機(jī)———組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng))。
 
①丙烷中間分離器罐體上加裝液位計(jì)
原系統(tǒng)是用電動(dòng)浮筒液位變送器對(duì)中間分離器檢測(cè)液位數(shù)據(jù)，現(xiàn)在在該罐體上加裝一套磁翻板液位計(jì)(變送器)，與電動(dòng)浮筒液位變送器等量程，安裝等高度。
 
②下位機(jī)加裝硬件
在DIN導(dǎo)軌上加裝一塊2500M/AI2雙通道模擬輸入模件；2500M/RLY4四通道繼電器輸出模件；WS1525A隔離配電器；4組保險(xiǎn)端子。電路接線如圖2、圖3：


 
③下位機(jī)組態(tài)
組態(tài)軟件包"iTools"用于2500的組態(tài)，進(jìn)入iTools組態(tài)環(huán)境，對(duì)磁翻板液位計(jì)(變送器)模擬輸入信號(hào)組態(tài)，完成圖2的控制采集功能；
設(shè)置磁浮子液位高、低參數(shù)極限值，通過(guò)繼電器輸出模件，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器，完成圖3的液位高報(bào)警和液位低報(bào)警功能；
利用Toolkit功能塊支持就地的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，設(shè)置Input1等于電動(dòng)浮筒液位數(shù)據(jù)（A），Input2等于磁翻板液位計(jì)數(shù)據(jù)（B），運(yùn)算A-B，高限HiLimit設(shè)50，低限LoLimit設(shè)-50，即量程的±5％。輸出超限信息控制繼電器輸出模塊，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器，完成圖3的液位失真報(bào)警功能。設(shè)置Toolkit的界面如圖4：
 


④上位機(jī)組態(tài)
進(jìn)入組態(tài)王組態(tài)環(huán)境，在原有中間分離器畫(huà)面上，增加柱狀液面顯示窗口，將磁浮子液位數(shù)據(jù)與柱狀液面顯示窗口進(jìn)行動(dòng)畫(huà)連接。
將下位機(jī)的液位高報(bào)警、液位低報(bào)警和液位失真報(bào)警的參數(shù)，配置到運(yùn)行系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)警窗口。
通過(guò)上述對(duì)原系統(tǒng)軟、硬件的增設(shè)，就徹底解決了該分離器液位測(cè)試儀表失真問(wèn)題，無(wú)論是臟堵、凍堵、機(jī)械故障、還是電路故障，只要有一個(gè)數(shù)據(jù)失真，系統(tǒng)會(huì)參數(shù)對(duì)照，跟蹤報(bào)警。上位機(jī)和下位機(jī)都設(shè)置報(bào)警，有利于操作、監(jiān)視人員及時(shí)采取措施，為安全高效生產(chǎn)提供可靠的保障。
 
4生產(chǎn)應(yīng)用
液化氣生產(chǎn)場(chǎng)所，高壓、易燃、易爆，我們根據(jù)安全生產(chǎn)的需求，對(duì)兩個(gè)裝置的液位自動(dòng)控制進(jìn)行了“高可靠性”升級(jí)改造。安裝調(diào)試后，運(yùn)行正常，效果明顯，不但滿足了生產(chǎn)的需求，也排除了重大安全隱患。同時(shí)也為DCS自控系統(tǒng)中解決其他參數(shù)可靠性問(wèn)題開(kāi)辟了一條途徑。
 
5結(jié)語(yǔ)
對(duì)一個(gè)裝置采用兩套液位計(jì)測(cè)量，其中一套測(cè)量嵌入PID自動(dòng)控制環(huán)節(jié)，控制出液調(diào)節(jié)閥，另一套測(cè)量只起“監(jiān)視”作用，其測(cè)量數(shù)據(jù)只與PID控制回路的液位數(shù)據(jù)做誤差運(yùn)算。這樣的設(shè)計(jì)方案，在不改變下位機(jī)主控制回路基礎(chǔ)上，略加組態(tài)程序，即可對(duì)增加的硬件實(shí)現(xiàn)有效控制和運(yùn)行，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相應(yīng)的變動(dòng)也較少，整個(gè)升級(jí)改造調(diào)試極為便捷。


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