储油罐区SCADA系统设计
税爱社1 ,姚冬平2 ,李 林1 ,林 龙1 ,李 枢2 ,刘 楠2
(1. 后勤工程学院后勤信息工程系,重庆 400016; 2. 总后勤部油料研究所自动化室,
北京 102300)
摘 要: 围绕储油罐区监测控制与数据采集系统进行研究和实践。从构建SCADA系统结构模式和功能出发,提出系统设计关键技术,阐述其应用处理方法。应用结果表明:正确的储油罐一次仪表及计量方法选择是实现高性能监测与计量的基础;基于现场总线的多功能数据处理器的设计与应用,解决了分布式储油罐对象的信息采集、处理与利用问题,是实现罐区大范围数据共享的关键;储油罐油量平衡分析及泄漏故障诊断是提升SCADA系统全管理智能化水平的有效途径。
关键词: 储油罐;监测控制与数据采集;现场总线;自动计量
0 引 言
油库储油罐区是油料保障的重要储存基地,具有分布空间范围广、安全防爆要求高、监控点多、布线复杂,自动化系统的水平和垂直集成难度大的特点。围绕储油罐区自动监测、计量和管理,采用先进测控与管理技术,设计储油罐区监测控制与数据采集( SCADA)系统,改善油罐测量劳动强度大、作业环境差、管理手段落后的现状,已成为目前油库自动化建设的一项重要内容。其中涉及的关键难点技术问题有:实时、准确、可靠、经济地采集点多面广的储油罐监控信息,实现大范围的数据共享;基于多参数实时数据,进行智能分析、处理,进一步提高计量精度;基于监控信息及数据,进行储油罐区油料平衡分析,提高储油罐区安全管
理的智能化水平等。为此,以某典型油库储油罐区SCADA系统设计为例,分析介绍系统设计中主要难点技术问题的处理方法。
1 储油罐区SCADA系统
1.1 SCADA系统结构与组成
针对该油库储油罐的实际情况, SCADA系统采用了现场控制网络和信息管理网络一体化的体系结构,如图1所示。
系统体系结构分为3层,底层为油罐一次仪表,包括液位计、温度传感器、压力传感器、可燃气浓度传感器等,通过智能节点DPU接入中间层。中间层为LonWorks分布式现场总线测控网络。上层为TCP / IP油库局域网。
LonWorks分布式测控网络采用总线型(洞库可采用环型)拓扑结构,主频78 kHz,通讯介质为屏蔽双绞线,通过iLon路由器与上层局域网实现无缝连接。现场监测站安装网络管理工具软件LonMaker完成组网、节点增删、网络变量绑定、网络维护等功能。油库局域网采用TCP / IP协议,主频100 MHz. 系统采用监控组态软件,通过界面组态和控制组态,实现监测控制与信息资源的可视化。
1.2 SCADA系统功能
1.2.1 油罐自动计量
根据系统实测的液位、温度、压力等参数,以及罐容表、体积修正系数和密度修正系数,自动计量油品密度、体积、质量。
1.2.2 油罐状态实时监测与报警
实时监测液位、界位、温度、油罐正负压、罐室油气浓度等参数。实时监测油罐收发油作业状态。高低液位预报警、报警,水位超高预报警、报警,泄漏报警等。
1.2.3 系统参数设定与修改
储油罐参数设定和修改:储油罐数量、油品种类设置与增减、标准密度设置、通讯参数设置、储罐分区管理定义等。
单个储油罐参数设定和修改:储油罐高度、安全高度、油品种类、液位和界位的基准零点、液位和界位的高低报警值等设定和修改;储罐容积表设定、修改。多功能现场数据处理器DPU应用程序的修改和下装。
1.2.4 油罐信息自动显示与管理
现场(罐旁)显示液位、温度、密度、体积、质量、油水界面、油罐正负压、罐室油气浓度、洞库温湿度等。监控室和信息中心集中显示所有油罐的上述参数,以及体积、质量的棒状图、实时数据一览表、实时曲线和历史曲线。储油罐信息的自动存储、查询、统计、
分析、预测、报表生成、预览及打印。
1.2.5 网络浏览与可视信息服务
借助油库局域网和监控组态软件,所有网上计算机终端授权后均可浏览油罐测量系统的实时数据和监测画面。通过专用网络服务器将信息传送至“油库信息系统数据中心”。通过广域网或互联网,实现油库信息综合查询、纵向可视信息服务、远程诊断等信息服务功能。
2 关键技术及其处理方法
2.1 储油罐液位计选型
根据油库储油罐特点,通过对比分析国际主流液位计产品,选用了3种不同类型的液位计(伺服液位计、雷达液位计、磁致伸缩液位计) ,分别用于覆土立式储油罐、洞库立式储油罐、卧式中继和放空罐。
2.1.1 伺服液位计854ATG
该产品在储罐计量领域应用广泛,经过了国内和国际计量部门的认证和防爆检验,测量精度高,是立式轻质油料大罐测量的首选产品之一。因其是隔爆型产品,适用于1 级危险场所,因此将其安装在覆土立式储油罐被覆顶外侧的大气环境中。
2.1.2 雷达液位计TA840
该产品具有本安防爆性能,适用于0级危险场所。雷达天线为扁平结构的平面天线,其高度不到10 cm,特别适合油料洞库罐顶空间狭小的安装环境。因此,选用该雷达液位计作为
洞库罐的测量仪表。
2.1.3 磁致伸缩液位计USTD
该产品具有本安防爆性能,结构为刚性直杆,特别适用于5 m以下的中继卧式及放空罐液位测量,在国内外加油站卧式罐测量占据很大市场份额,可同时测量油位、温度和油水界面,性价比高。
2.2 混合法油罐自动计量
为实现多参数的实时监测和质量计量,并保证计量精度,系统采用混合法油罐自动计量(Hybrid Inventory ManagementSystem, H IMS) ,主要设备包括:高精度液位计测量油高;安装于罐壁底部和罐顶部的高精度智能压力变送器测量油品压力和气相压力;多点温度传感器测量油品平均温度。根据直接测量参数及储油罐容积表,计算出标准密度、视体积、标准体积和质量。该方法结合了静压法和液位法的优点,充分发挥了仪表的性能,是目前唯一可同时满足容积计量和质量计量的油罐自动计量方法。混合测量技术的算法如图2所示。
2.3 现场总线标准的选择
由于LonWorks现场总线技术包含ISO /OSI的全部7层协议,支持多种通信媒介和网络拓扑结构,便于构成分布式控制网络;具有节点开发、安装、调试软件,以及系统诊断和管理工具软件;为用户和OEM集成商提供了一个完整开发平台,使得用户可以方便地开发既符合自己应用要求,同时又符合Lon2Talk协议标准的控制节点,且具有很高的性价比。因此,系统选定其作为现场控制网络的总线标准。
2.4 多功能现场数据处理器DPU的设计与开发
2.4.1 系统数据流向分析
系统数据流向如图1所示,储油罐一次仪表将采集的各种参数送至现场DPU;DPU进行二次处理后,现场显示处理结果,同时将数据以网络变量的形式送至LonWorks网络,实现DPU之间、DPU和监控微机之间以及LonWorks网络与以太网之间的信息交换与数据共享。
2.4.2 DPU的作用和功能
从系统数据流向可见,DPU具有简化储油罐区SCADA系统的水平和垂直集成难度,增强系统智能化水平和可扩展性的作用。DPU应是一个多通道、智能化、网络化、用于防爆危险场所的二次仪表,其主要功能是:信号采集、数据处理、控制输出、就地显示、网络通讯。
2.4.3 DPU的设计与开发
DPU采用模块化的设计思想,开放式的系统结构,由MCU主板、M IP模块、HART模块、LCD 显示器和电源模块组成。DPU设计原理框图如图3所示。
DPU可采集多个物理参数,如液位、温度、压力、油气浓度、液位开关状态等;可处理多种信号类型,如RTD热电阻输入、4～20 mA模拟量输入、开关量输入、开关量输出、频率/脉冲量输入;具备多种总线通信模式,如RS - 485、MODBUS、HART、LonWorks;且具备现场显示和报警输出等功能。DPU的开发采用HostBase结构,主处理器采用单片机,神经元芯片作为协处理器。
2.5 储油罐油量平衡分析及泄漏故障诊断
油罐泄漏不仅会造成经济损失,还会严重威胁油库及生态环境安全。泄漏故障将造成测量数据列出现累进性的显著误差,因此,储油罐油量平衡分析及泄漏故障诊断的关键就是要判断在储油量是否存在显著误差,可应用数理统计中假设检验方法来判定。
选择处于油料收发作业间歇期间的储油罐,以t0时刻实时油温下对应的测量油高h0、储油量M0为分析基准点。随着时间的推移,到t时刻,实时测量油高ht下的储油量M t ,在无显著误差的情况下,油料平衡方程为：
M t =M0 +ε (1)
ε～N (0,σ*σ) (2)
式中ε为随机因素引起的偏差, 服从方差为σ2的标准正态分布。
一旦计量参数M t存在显著误差,将会导致油料平衡方程失衡。在作业间歇期,设M t ～N (M0 ,σ2 ) ,选择δt时间段下n个测量值:M t1 ,M t2 ,M t3 , ⋯, M tn , 作为统计推断样本, 计算出样本均值M t ,样本标准差s,则可按照总体方差σ2未知的情况下,单个正态总体均值的假设检验判定油量测量值是否满足油料平衡方程。
设满足油料平衡方程,油量测量值不存在显著误差为零假设;不满足油料平衡方程,实际储油量低于理论应储油量为备择假设,即
H0∶M t =M0 , H1 ∶M t 当显著性水平为α时,拒绝域为：K0 = {M t - M0 < tα( n - 1) s / n} (3)
如果M t ∈K0 ,则拒绝H0 ,接受H1 ,即实际储油量低于理论应储油量,存在油罐泄漏的可能性,需进行有可能存在泄漏故障报警。但由于检测仪表自身的故障、仪表测量精度的下降、储油罐变形、检测基准的偏移、油罐倾斜等均可能造成油量测量值误差,为提高诊断的可靠性,可进一步进行人机联合诊断分析。
