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有效提高重點裝置液位變送器測量可靠性安全分析
發(fā)表時間：2018-07-30 ??點擊次數(shù)：822? 技術支持：1560-1403-222
1引言
液位測量是石油、化工生產(chǎn)過程系統(tǒng)中一項重要的工作，液位控制無論是對于生產(chǎn)成果的計算，還是生產(chǎn)過程的控制都極為重要，甚至有時會涉及到重大的安全風險，也是實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)自動化控制的一個重要方面，只有達到對于液位數(shù)據(jù)的精確采集與處理，才能保證生產(chǎn)可靠安全地進行。本文就是針對在生產(chǎn)過程中液位變送器出現(xiàn)的各種案例進行說明分析。
舉例，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險的環(huán)節(jié)，正常情況下分離器功能是；分離器頂部氣相進入丙烷制冷壓縮機二級入口，液相進^丙烷蒸發(fā)器，見圖1。如果液位失控，高液位會導致丙烷進入壓縮機，直接威脅制冷壓縮機的安全，低液位會造成丙烷蒸發(fā)器液位低，影響整個制冷系統(tǒng)的效果。只有保證液位信息真實可靠，DCS控制系統(tǒng)方能正確運行，才能有效地保障生產(chǎn)和安全。實際生產(chǎn)中，測量信號受振動、凍堵、臟堵、電路故障等影響，時常出現(xiàn)“假液位”現(xiàn)象。本文針對液位變送器在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的失真，造成DCS系統(tǒng)控制失靈的問題，提出可靠的報警解決辦法(基于歐陸2500組成的DCS系統(tǒng))。
2提高裝置液位測量可靠性的軟硬件設施
DCS系統(tǒng)由上位機、下位機、測量變送器、調(diào)節(jié)器(閥)以及各種驅(qū)動、操作系統(tǒng)等組成。下位機和液位變送器的工作原理簡述如下：
2.1歐陸2500智能遠程I，O控制器
歐陸2500控制器組成的DCS系統(tǒng)下位機，精度高，性能好，能提供實用的控制功能。2500 I／O控制模件通過Modbus或Profibus協(xié)議與上位機進行通訊，用于信號調(diào)節(jié)、監(jiān)視報警以及遠程數(shù)據(jù)采集。2500 I／O控制模件有高穩(wěn)定性的PID功能塊?？梢灾С謽?gòu)成強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”可設置分配I／O點；設置PID功能塊、Toolkit功能塊；互連不同變量、報警、功能塊等。其中Toolkit功能塊可支持就地的數(shù)學、邏輯運算。
2.2電動浮簡液位計變送器和磁浮子液位變送器
2.2.1電動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。相當于被測液面高度的浮筒懸掛在下杠桿端部，液位上升時，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=l／47rD2。H‘P
式中：D：浮筒外徑
H：液位高度
P：介質(zhì)密度
當液位上升時，浮筒失去自重，支承點杠桿力發(fā)生變化，通過稱重傳感器測得浮筒浮力的大小，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標準信號。遠傳至控制室，實現(xiàn)遠程液位顯示或工藝流程的控制。
2.2.2磁浮子液位變送器
浮子液位變送器是采用磁耦合原理，將磁開關信號轉(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，控制磁開關吸合或斷開，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標準電流信號輸出，實現(xiàn)液位的遠傳測量與控制。
3設計思想
采用兩套液位變送器進行測量，其中采用電動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)，用于對電動浮筒液位變送器數(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，以識別信息的可靠性。因兩種變送器測量原理不同，同時出故障的概率極小，而且同時出故障時數(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量的可靠性?，F(xiàn)以油田液化氣生產(chǎn)過程中，制冷劑丙烷中間分離器為例，描述一下實現(xiàn)重點裝置液位失真報警的方案(系統(tǒng)組成：下位機——歐陸2500智能遠程控制系統(tǒng)；上位機——組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng))。
?、俦橹虚g分離器罐體上加裝液位計
原系統(tǒng)是用電動浮筒液位變送器對中間分離器檢測液位數(shù)據(jù)，現(xiàn)在在該罐體上加裝一套磁浮子液位變送器，與電動浮筒液位變送器等量程，安裝等高度。
②下位機加裝硬件
在DIN導軌上加裝一塊2500M／A12雙通道模擬輸入模件；2500bl／RLY4四通道繼電器輸出模件；WSl525A隔離配電器；4組保險端子。電路接線如圖2、圖3：
?、巯挛粰C組態(tài)
組態(tài)軟件包”iTools”用于2500的組態(tài)，進入iTools組態(tài)環(huán)境，對磁浮子液位變送器模擬輸入信號組態(tài)，完成圖2的控制采集功能；
設置磁浮子液位高、低參數(shù)極限值，通過繼電器輸出模件，驅(qū)動聲光報警器，完成圖3的液位高報警和液位低報警功能；
利用Toolkit功能塊支持就地的數(shù)學運算功能，設置In—putl等于電動浮筒液位數(shù)據(jù)(A)，Input2等于磁浮子液位數(shù)據(jù)(B)，運算A—B，高限HiLimit設50，低限LoLimit設一50，即量程的-I-5％。輸出超限信息控制繼電器輸出模塊，驅(qū)動聲光報警器，完成圖3的液位失真報警功能。
設置Toolkit的界面如圖4：
?、苌衔粰C組態(tài)
進入組態(tài)王組態(tài)環(huán)境，在原有中間分離器畫面上，增加柱狀液面顯示窗121，將磁浮子液位數(shù)據(jù)與柱狀液面顯示窗口進行動畫連接。
將下位機的液位高報警、液位低報警和液位失真報警的參數(shù)，配置到運行系統(tǒng)標準報警窗121。
通過上述對原系統(tǒng)軟、硬件的增設，就徹底解決了該分離器液位測試儀表失真問題，無論是臟堵、凍堵、機械故障、還是電路故障，只要有一個數(shù)據(jù)失真，系統(tǒng)會參數(shù)對照，跟蹤報警。上位機和下位機都設置報警，有利于操作、監(jiān)視人員及時采取措施，為安全高效生產(chǎn)提供可靠的保障。
4生產(chǎn)應用
液化氣生產(chǎn)場所，高壓、易燃、易爆，我們根據(jù)安全生產(chǎn)的需求，對兩個裝置的液位自動控制進行了“高可靠性”升級改造。安裝調(diào)試后，運行正常，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。同時也為DCS自控系統(tǒng)中解決其他參數(shù)可靠性問題開辟了一條途徑。
5結(jié)語
對一個裝置采用兩套液位計測量，其中一套測量嵌入PID自動控制環(huán)節(jié)，控制出液調(diào)節(jié)閥，另一套測量只起“監(jiān)視”作用，其測量數(shù)據(jù)只與PID控制回路的液位數(shù)據(jù)做誤差運算。這樣的設計方案，在不改變下位機主控制回路基礎上，略加組態(tài)程序，即可對增加的硬件實現(xiàn)有效控制和運行，上位機監(jiān)控系統(tǒng)相應的變動也較少，整個升級改造調(diào)試極為便捷。
上一條：關于電磁流量計的特點及與自來水電磁水表的區(qū)別
下一條：簡化科研儀器采購流程 為科技插上騰飛的“雙翼”
液位測量是石油、化工生產(chǎn)過程系統(tǒng)中一項重要的工作，液位控制無論是對于生產(chǎn)成果的計算，還是生產(chǎn)過程的控制都極為重要，甚至有時會涉及到重大的安全風險，也是實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)自動化控制的一個重要方面，只有達到對于液位數(shù)據(jù)的精確采集與處理，才能保證生產(chǎn)可靠安全地進行。本文就是針對在生產(chǎn)過程中液位變送器出現(xiàn)的各種案例進行說明分析。
舉例，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險的環(huán)節(jié)，正常情況下分離器功能是；分離器頂部氣相進入丙烷制冷壓縮機二級入口，液相進^丙烷蒸發(fā)器，見圖1。如果液位失控，高液位會導致丙烷進入壓縮機，直接威脅制冷壓縮機的安全，低液位會造成丙烷蒸發(fā)器液位低，影響整個制冷系統(tǒng)的效果。只有保證液位信息真實可靠，DCS控制系統(tǒng)方能正確運行，才能有效地保障生產(chǎn)和安全。實際生產(chǎn)中，測量信號受振動、凍堵、臟堵、電路故障等影響，時常出現(xiàn)“假液位”現(xiàn)象。本文針對液位變送器在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的失真，造成DCS系統(tǒng)控制失靈的問題，提出可靠的報警解決辦法(基于歐陸2500組成的DCS系統(tǒng))。
2提高裝置液位測量可靠性的軟硬件設施
DCS系統(tǒng)由上位機、下位機、測量變送器、調(diào)節(jié)器(閥)以及各種驅(qū)動、操作系統(tǒng)等組成。下位機和液位變送器的工作原理簡述如下：
2.1歐陸2500智能遠程I，O控制器
歐陸2500控制器組成的DCS系統(tǒng)下位機，精度高，性能好，能提供實用的控制功能。2500 I／O控制模件通過Modbus或Profibus協(xié)議與上位機進行通訊，用于信號調(diào)節(jié)、監(jiān)視報警以及遠程數(shù)據(jù)采集。2500 I／O控制模件有高穩(wěn)定性的PID功能塊?？梢灾С謽?gòu)成強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”可設置分配I／O點；設置PID功能塊、Toolkit功能塊；互連不同變量、報警、功能塊等。其中Toolkit功能塊可支持就地的數(shù)學、邏輯運算。
2.2電動浮簡液位計變送器和磁浮子液位變送器
2.2.1電動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。相當于被測液面高度的浮筒懸掛在下杠桿端部，液位上升時，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=l／47rD2。H‘P
式中：D：浮筒外徑
H：液位高度
P：介質(zhì)密度
當液位上升時，浮筒失去自重，支承點杠桿力發(fā)生變化，通過稱重傳感器測得浮筒浮力的大小，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標準信號。遠傳至控制室，實現(xiàn)遠程液位顯示或工藝流程的控制。
2.2.2磁浮子液位變送器
浮子液位變送器是采用磁耦合原理，將磁開關信號轉(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，控制磁開關吸合或斷開，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標準電流信號輸出，實現(xiàn)液位的遠傳測量與控制。
3設計思想
采用兩套液位變送器進行測量，其中采用電動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)，用于對電動浮筒液位變送器數(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，以識別信息的可靠性。因兩種變送器測量原理不同，同時出故障的概率極小，而且同時出故障時數(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量的可靠性?，F(xiàn)以油田液化氣生產(chǎn)過程中，制冷劑丙烷中間分離器為例，描述一下實現(xiàn)重點裝置液位失真報警的方案(系統(tǒng)組成：下位機——歐陸2500智能遠程控制系統(tǒng)；上位機——組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng))。
?、俦橹虚g分離器罐體上加裝液位計
原系統(tǒng)是用電動浮筒液位變送器對中間分離器檢測液位數(shù)據(jù)，現(xiàn)在在該罐體上加裝一套磁浮子液位變送器，與電動浮筒液位變送器等量程，安裝等高度。
②下位機加裝硬件
在DIN導軌上加裝一塊2500M／A12雙通道模擬輸入模件；2500bl／RLY4四通道繼電器輸出模件；WSl525A隔離配電器；4組保險端子。電路接線如圖2、圖3：
?、巯挛粰C組態(tài)
組態(tài)軟件包”iTools”用于2500的組態(tài)，進入iTools組態(tài)環(huán)境，對磁浮子液位變送器模擬輸入信號組態(tài)，完成圖2的控制采集功能；
設置磁浮子液位高、低參數(shù)極限值，通過繼電器輸出模件，驅(qū)動聲光報警器，完成圖3的液位高報警和液位低報警功能；
利用Toolkit功能塊支持就地的數(shù)學運算功能，設置In—putl等于電動浮筒液位數(shù)據(jù)(A)，Input2等于磁浮子液位數(shù)據(jù)(B)，運算A—B，高限HiLimit設50，低限LoLimit設一50，即量程的-I-5％。輸出超限信息控制繼電器輸出模塊，驅(qū)動聲光報警器，完成圖3的液位失真報警功能。
設置Toolkit的界面如圖4：
?、苌衔粰C組態(tài)
進入組態(tài)王組態(tài)環(huán)境，在原有中間分離器畫面上，增加柱狀液面顯示窗121，將磁浮子液位數(shù)據(jù)與柱狀液面顯示窗口進行動畫連接。
將下位機的液位高報警、液位低報警和液位失真報警的參數(shù)，配置到運行系統(tǒng)標準報警窗121。
通過上述對原系統(tǒng)軟、硬件的增設，就徹底解決了該分離器液位測試儀表失真問題，無論是臟堵、凍堵、機械故障、還是電路故障，只要有一個數(shù)據(jù)失真，系統(tǒng)會參數(shù)對照，跟蹤報警。上位機和下位機都設置報警，有利于操作、監(jiān)視人員及時采取措施，為安全高效生產(chǎn)提供可靠的保障。
4生產(chǎn)應用
液化氣生產(chǎn)場所，高壓、易燃、易爆，我們根據(jù)安全生產(chǎn)的需求，對兩個裝置的液位自動控制進行了“高可靠性”升級改造。安裝調(diào)試后，運行正常，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。同時也為DCS自控系統(tǒng)中解決其他參數(shù)可靠性問題開辟了一條途徑。
5結(jié)語
對一個裝置采用兩套液位計測量，其中一套測量嵌入PID自動控制環(huán)節(jié)，控制出液調(diào)節(jié)閥，另一套測量只起“監(jiān)視”作用，其測量數(shù)據(jù)只與PID控制回路的液位數(shù)據(jù)做誤差運算。這樣的設計方案，在不改變下位機主控制回路基礎上，略加組態(tài)程序，即可對增加的硬件實現(xiàn)有效控制和運行，上位機監(jiān)控系統(tǒng)相應的變動也較少，整個升級改造調(diào)試極為便捷。
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