（精密仪器及机械专业论文）基于神经网络的乙醇汽油调合控制研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 基于神经网络的乙醇汽油调合控制研究 摘要 油库调合控制系统的先进程度是体现油库现代化水平的重要指标之一。 国外乙醇汽油调合付油控制系统种类较多，虽然控制精度比较高，但造价昂 贵。而国内油库调合作业操作方式各异，水平也参差不齐。随着我国石油事 业的发展和国际市场竞争的加剧，这些调合控制系统的自动化水平已经不能 满足生产的需要，提高油库的调合付油自动化水平是我国石油行业发展中的 一项迫切需求。因此开发出价格低廉的新型调合控制系统是非常必要的。 油库属于易燃易爆环境，用一般配比调合系统中使用的电动阀做乙醇汽 油配比调合系统的执行机构难以满足防爆要求，而选用防爆电动调节阀，价 格又过高。因此现在油库调合系统中经常使用电液阀做流量控制元件。这样 虽然降低了系统造价，但控制不易实现，因为电液阀是一种非线性执行机 构，过于频繁调节容易保证调合比的要求，但电液阀的膜片很容易被损坏， 而降低调节次数，虽然可以延长阀的使用寿命，却很难保证调合比的要求。 模糊神经网络优化控制以其控制算法不依赖于被控对象的精准数学模型 的建立为特点，在非线性系统的控制中得到了广泛的应用。本文设计了基于 神经网络的优化和模糊控制相结合的控制方案，在尽量减少电液阀动作次数 的基础上，调合比的控制精度却可以完全满足要求。 本文简要介绍了乙醇汽油调合付油控制系统的工艺流程及现场设备，构 建了乙醇汽油调合付油控制系统。利用p l c 组态完成了付油控制系统的硬 件部分，利用组态软件完成了上位监控系统的设计。 关键词乙醇汽油；调合；优化控制；神经网络 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fe t h a n o lg a s o l i n eb l e n d i n gc o n t r o l b a s e do nn e u r a ln e t w o r k s a b s t r a c t t h ea d v a n c e dl e v e lo fb l e n d i n gc o n t r o ls y s t e mi nt a n kf a r mi so n eo ft h e m a i ns i g n st oi n c a r n a t et h em o d e r n i z a t i o no fi t t h e r ea r em a n yk i n d so fe t h a n o l g a s o l i n eb l e n d i n gd i s t r i b u t i n go i lc o n t r o ls y s t e m sa b r o a d ，t h ec o n t r o la c c u r a c yo f w h i c hi sh i g h e r , b u ti tc o s t st o om u c h t h eo p e r a t i o nm o d e l so fo i lb l e n d i n ga r e d i f f e r e n ti n0 1 1 1 c o u n t r y , s od ot h el e v e l s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep e t r o l e u m i n d u s t r ya n dt h ea g g r a v a t i o no ft h ei n t e r n a t i o n a lm a r k e tc o m p e t i t i o n ，t h e a u t o m a t i o nl e v e lo fe x i s t i n go i lb l e n d i n gc o n t r o ls y s t e mi su n a b l et os a t i s f yn e e d s o fp r o d u c t i o n i ti su r g e n tt oi m p r o v ea u t o m a t i o nl e v e l o fo i l b l e n d i n g d i s t r i b u t i n gi nt a n kf a r mi nt h ed e v e l o p m e n to fp e t r o l e u mi n d u s t r yo f o u rc o u n t r y s oi ti sn e c e s s a r yt od e s i g nan e wc h e a pb l e n d i n gc o n t r o ls y s t e m t a n kf a r mb e l o n g st ob u r n a b l ea n de x p l o s i o ne n v i r o n m e n t ，d y n a m o e l e c t r i c v a l v eu s e di ng e n e r a lb l e n d i n gs y s t e ma st h ea c t u a t o ro fe t h a n o lg a s o l i n e b l e n d i n gs y s t e mc a nh a r d l ys a t i s f yt h en e e do fe x p l o s i o n a n di t st o oe x p e n s i v e t ou s et h ee x p l o s i o nd y n a m o e l e c t r i cv a l v e s oe l e c t r o h y d r a u l i cv a l v ei su s e da s f l o wc o n t r o lc o m p o n e n to fd i s t r i b u t i n g o i ls y s t e mi nt a n kf a r mn o w a d a y s a l t h o u g hi tr e d u c e ss y s t e mp r i c e 。t h ec o n t r o l i sh a r dt oa c h i e v e s i n c ee l e c t r o h y d r a u l i cv a l v ei s an o n l i n e a re x e c u t i o nu n i t ，i t se a s yt oa n s w e rt h en e e do f b l e n d i n gr a t i ob ya d j u s t i n gi tf r e q u e n t l y b e c a u s et h ef i l mo fe l e c t r o h y d r a u l i c v a l v ei se a s yt ob r o k e n ，t h et i m e st h a tw ec a nu s ei sr e d u c e d a l t h o u g ht h eu s e f u l t i m ec a l lb ep r o l o n g e d ，i t sh a r dt oa n s w e rt h en e e do fb l e n d i n gr a t i o t h ec o n t r o la l g o r i t h mo ff u z z yn e u r a ln e t w o r ko p t i m i z a t i o nd o e sn o t d e p e n do nt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ea c c u r a t em a t h e m a t i c sm o d e lo fc o n t r o l l e d o b j e c t ，b e c a u s eo ft h i sc h a r a c t e r ；t h ef u z z yn e u r a ln e t w o r ko p t i m i z a t i o nc o n t r o l h a sg o tw i d ea p p l i c a t i o n si nn o n l i n e a rc o n t r o ls y s t e m t h ep a p e rd e s i g n sc o n t r o l s c h e m eb a s e do nn e u r a ln e t w o r ko p t i m i z a t i o nc o n t r o la n df u z z yc o n t r o l ，t h e c o n t r o la c c u r a c yo fb l e n d i n gr a t i os a t i s f yr e q u e s to nt h eb a s i so fr e d u c i n g i i 哈尔滨理_ t 大学t 学硕士学位论文 e l e c t r o - h y d r a u l i cv a l v eo p e r a t i o nt i m e s t h ep a p e ri n t r o d u c e sp r o c e s sf l o wo fe t h a n o lg a s o l i n eb l e n d i n gd i s t r i b u t i n g o i lc o n t r o ls y s t e m sa n dl o c a t i o ne q u i p m e n tb r i e f l y , a n dc o n s t r u c t se t h a n o l g a s o l i n eb l e n d i n gd i s t r i b u t i n g o i lc o n t r o ls y s t e m s t h eh a r d w a r ep a r to f d i s t r i b u t i n go i lc o n t r o ls y s t e m sh a sb e e na c h i e v e db yu s i n gp l cc o n f i g u r a t i o n ， a n dt h ed e s i g no fm a n a g e m e n tm o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e na c h i e v e db yu s i n g c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e k e y w o r d s e t h a n o lg a s o l i n e ，b l e n d i n g ，o p t i m i z a t i o nc o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r k s m 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于神经网络的乙醇汽油 调合控制研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签名：圣飑 日期：肼年6 月肜e l 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于神经网络的乙醇汽油调合控制研究系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权 哈尔滨理工大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密z ( 请在以上相应方框内打“一) 作者签名：毛边 导师签名： 日期：蒯年弓月日 日期：堋年弓月铂 哈尔滨理_ t 大学1 = 学硕上学位论文 1 1 课题来源及意义 第1 章绪论 1 1 1 课题来源 该课题属于与哈尔滨天源石化公司的合作项目。 1 1 2 课题研究的意义 我国石油储运自动化技术与国际先进水平有一定差距，石油销售企业的油 库自动化水平比发达国家落后十几年。各种计量仪表的精度较低，稳定性较 差，控制系统的控制精度比较低，信息化管理水平不够健全。我国加入w t o 之后，迫切需要我国石油储运现代化水平快速与国际接轨。 尽管乙醇汽油有很多优点，但它在我国的推广使用工作还存在一些技术性 问题。特别是要解决乙醇汽油的储运问题。由于乙醇汽油一旦遇水就会分层， 影响使用，因而无法采用成本很低的管道输送。 而我国乙醇汽油调合付油控制采用两种方案，一种是引进美国的s m i t h 公 司生产的a l 3 控制器。这种方案具有控制精度高的优点，但系统造价较高， 特别是它是基于质量流量计的控制器，更加大了系统成本。另一种方案是基于 p l c 控制器的集中控制系统，这样的控制系统采用容积式流量计成本相对较 低，采用多鹤位集中控制，所以系统相对较实用，但精度相对较低啦! 。因此， 开发出更可靠更高精度的调合付油控制具有非常重要的现实意义。 因为电液阀是非线性的，运用常规的控制方法无法达到好的调节效果。我 们考虑用模糊神经网络控制对其进行调节，使其在预定的精度范围内稳定调 节，避免电液阀开阀关阀太频繁，使用寿命减少，而且能保证有相当高的精 度，以达到国家标准。 本课题在分析了目前油库控制中存在的问题，从客观实际出发，设计一套 通用性强，安全可靠，自动化程度高的调合油发油监控系统，实现乙醇和组分 油的调合，实现精确发油控制，解决中规模油库发油控制存在的问题，提高油 库的自动化水平。 所以，开发这套控制器具有非常高的研究价值。 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 1 2 调合控制的发展状况及应用 早在七八十年代，美国的几家石油公司就开始对汽油的调合过程予以重 视，对此做了各种有益的探索和研究，国内外学者也针对调合机理提出了一系 列不同的调合模型。在汽油调合质量指标方面，1 9 8 1 年r u s i n 等提出了利用 调合组分浓度及烯烃、芳烃和烷烃含量预测汽油调合辛烷值的变换模型，该法 采用三个变换，模型复杂程度较高b 1 ；1 9 9 2 年m u l l e r 提出了过量法，通过在 线性组合模型后添加一个超出数预测调合辛烷值h 1 ：1 9 9 3 年z a h e d 等根据试验 数据，采用回归分析法得到了一个具有五个独立变量的公式预测调合汽油的辛 烷值碍1 ；1 9 9 9 年t w u 等从烃类混合物的混合机理出发，利用二元交互作用参 数，提出了可用于多组分调合模型，并于2 0 0 0 年提出了修正形式阳7 1 ；2 0 0 4 年国内陈新志基于溶液混合过程中热力学性质的变化和局部组成的关系，建立 了多元调合汽油的辛烷值模型喁1 。 随着对汽油调合研究的不断深入以及科技的日新月异，汽油调合的发展也 经历了几个阶段。二十世纪七十年代中期，炼油厂基本采用罐调合的方式，它 通过泵循环和机械搅拌方式将汽油组分按一定比例均匀混合成一种新的产品， 缺点是占用储罐数量多，调合时间长，油品损耗大，调合比例不准确。由于各 组分汽油间存在着复杂的调合效应，无法及时准确地确定调合产品辛烷值，从 而导致了重调次数增加，经济效益的下降。 二十世纪七十年代后期，管道调合方法开始得到应用。但受当时的自动化 技术水平和计算机软硬件发展水平的限制，管道自动调合的应用状况并不理 想：调合的仪表控制系统较为简单，检测技术相对落后，无法及时精确地获得 产品指标并修正配方，单、双闭环的调合比例控制系统的精度有限。直n - 十 世纪九十年代，随着检测技术和先进控制技术的迅速发展和大量应用，以及先 进控制优化软件的研发，使汽油管道调合的在线优化和自动控制成为可能。 1 9 9 0 年6 月英国林赛( l i n d s e y ) 炼油厂采用f o x b r o 公司的调合优化与监控系 统( b o s s ) ，该系统的汽油调合优化控制选用了f a s 系统，并与油罐计量系 统相连，极大提高了控制精度。系统投用后，减少了质量偏差，降低了重调 率，最大限度地利用了廉价调合组分阳1 。西班牙r e p s o lp e t r o l e o 公司t a r r a g o n a 炼油厂于1 9 9 0 年完成了在线调合多装置优化项目，特别适用于非线性特征的 在线优化调合，利用d c s 实施调合比例控制n 叭。1 9 9 4 年英国b p 公司在法国 的l a v e r a 炼油厂通过d c s 将在线近红外分析仪的实时测量值传递给多元控制 哈尔滨理t 大学t 学硕 学位论文 软件，对汽油调合生产实行闭环反馈优化控制，年效益2 0 0 万美元1 。1 9 9 6 年波兰最大的燃料油生产厂p k no r l e n 建成了一套汽油调合装置( g b u ) ， 使用了一套较为复杂的自动调合与优化系统，每年节约费用3 0 0 4 0 0 美元n 副。 1 9 9 7 年美国太阳石油公司位于加拿大的s a m i a 炼油厂投用了一套实时调合优 化系统，该系统采用了a s p e n 技术公司的d m c 多变量模型预估控制技术，对 汽油调合的8 项产品指标实时测定和计算，整个调合优化系统的收益达到每立 方米0 5 加元1 。2 0 0 1 年瑞典p r e e m 公司歌德堡炼油厂为提高油品调合操作 水平和经济效益，满足欧洲日趋严格的产品规格要求，投用了a b b 公司提供 的先进调合控制系统( a b c ) ，该系统可实现在线优化，降低了调合成本和生 产时间，提高了调合效率n 引。目前，国外对汽油、柴油、润滑油的生产基本上 已全部实现管道调合，中间不设组分罐，由装置馏出口的在线仪表控制组分质 量，直接进入管道调合系统，通过在线分析组分、成品的各项主要指标，使用 先进的优化控制技术，使油品一次调合合格。 与国外相比，国内的汽油管道调合起步较晚，发展较为落后。下面对我国 汽油调合的应用情况做简要回顾。1 9 8 7 年长岭炼油厂利用自己研制z x w - 1 1 型在线汽油辛烷值分析仪，组成了质量、比值与数学模型相结合的汽油辛烷值 管道自动调合系统，在当时取得了良好的效果和经济效益n 射。1 9 9 2 年大连西 太平洋石油化工公司在国内最早引进了在线近红外分析仪用于汽油调合系统， 但由于缺乏配件和模型，系统安装后长期未能启用n 酊。1 9 9 5 年原中石化兰州 炼油化工总厂在汽油管道调合系统中选用了h o n e y w e l l 公司的s 9 1 0 0 e 控制器 及其p c s 控制软件包，自行开发了汽油在线调合优化控制系统，较好地解决 了汽油在线调合过程中的辛烷值控制及优化问题，在当时取得了较好的经济效 益n 引。 2 0 0 2 年9 月中石化镇海炼油化工股份有限公司启动了在线汽油自动调合 项目。该系统是浙江大学工业控制技术研究所在国内第一套成功地利用调节电 液阀开发了汽油管道自动调合系统。投用后，成品汽油辛烷值富余量不高于 0 2 个单位，提高了一次调合成功率和储罐利用率，经济效益显著，但无法完 全满足当前汽油调合的质量指标要求n 引。中石油大连分公司于2 0 0 2 年6 月 启动了汽油在线调合及油品移动自动化项目。该系统采用了电液阀的自动控制 和优化技术，调合辛烷值偏差小于o 3 个单位n 引。中石化洛阳分公司和天津分 公司于2 0 0 4 年建成了汽油在线调合优化控制系统，汽油辛烷值富余量不大于 0 3 个单位，经济效益显著洲。 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 1 3 神经网络理论及应用发展状况 1 3 1 神经网络应用及发展状况 神经网络的应用已经涉及到各个领域，如：控制系统幢h 捌、系统建模与 辨识心毛2 射、动态目标跟踪啪1 、故障检测与诊断。并且在生物医学工程、传感 器信号处理、机器人控制、处理组合优化问题等方面取得了令人鼓舞的发展。 近几年来，神经网络理论引起世界各国企业家和科学家的重视。他们正在 组织和实施与此有关的重大研究项目。如美国的d a r p a 计划，日本的h f 作 s p 计划、法国的“尤里卡”计划、德国的“欧洲防御 计划和俄罗斯的“高 技术发展 计划。我国在1 9 9 0 年举办神经网络的学术年会，研究工作已在高等 院校和研究单位开展妇8 踟。 神经网络是一门发展十分迅速的交叉学科，虽已在许多领域取得了广泛的 发展。如：2 0 世纪6 0 年代初，b w i d r o w 和m h o 行提出了a d a l i n e ，a d a l i n e 采用最小均方( l e a s tm e a ns q u a r e ，l m s ) 算法调节权值啪1 ；2 0 世纪7 0 年代， 当p a u lw e r b o s 研究社会科学问题时，发现了b p 算法。1 9 8 2 年，j h o p f i e l d 提出了h o p f i e l 神经网络，又掀起了神经网络研究的一个热潮口：2 0 世纪8 0 年 代中期，r u m e l h e r t 和他的同事们出版了著名的并行分布式处理( p a r a l l e l d i s t r i b u t ep r o c e s s i n g ) 专著m 3 ，建立了b p 算法和前向神经网络等等。但其发展 还不十分成熟，还有一些问题需进一步研究。 1 神经计算的基础理论框架以及生理层面的研究仍需深入。这方面的工 作虽然很困难，但为了神经计算的进一步发展却是非做不可的。 ， 2 增强神经网络的可理解性是神经网络界需要解决的一个重要问题。这 方面的工作在今后若干年中仍然会是神经计算和机器学习界的研究热点。 3 在研究监督学习的同时应该认识到非监督学习具有很大的潜力。相对 于监督学习来说，非监督学习的研究起步较晚，其研究空间比前者更大。 4 神经计算技术与其他技术尤其是进化计算技术的结合以及由此而来的 混合方法和混合系统，正成为一大研究热点。 5 神经网络用于控制时还有许多问题值得研究：现行的学习算法收敛速 度低，存在局部最优问题；分布式并行处理方，的网络内部机理并不清楚，选择 网络层数、每层神经元个数，还得凭经验；泛化能力不足，制约了控制系统的鲁 棒性：需要创造更适合于控制的专用神经网络：网络建立模算法和控制系统的 收敛性与稳定性需进一步研究。 哈尔滨理工大学工学硕i 卜学位论文 1 3 2 神经网络控制的优点 从控制角度看，与传统方法相比，神经网络对自动控制具有多种的特征和 优势棚。 1 并行分布式信息处理。神经网络具有并行结构，可以进行并行数据处 理。这种并行机制可以解决控制系统中大规模实时计算问题，并且并行计算中 的冗余性可以使控制系统具有很强的容错性和鲁棒性。 2 神经网络是本质非线性系统。理论上，神经网络能以任意精度实现任 意非线性映射，网络还可以实现较其他方法更优越的系统建模。这种特性使神 经网络在解决非线性控制问题中具有广阔的前景。 3 ：学习和自适应能力。神经网络是基于所研究系统过去的数据记录来进 行训练的。当提供给网络的输入不包含在训练集中时，一个经过训练的网络具 有归纳能力。神经网络也可以在线进行自适应调节。 4 多变量系统。神经网络可以处理很多输入信号，并具有很多输出量， 所以很容易用于多变量系统。 5 神经计算可以解决许多自动控制计算问题，如优化计算和矩阵代数计 算等。而且既可在线计算，也可离线计算，也可用或光学集成系统实现或利用 计算机模拟，灵活性大。 神经网络的应用己深入到自动控制领域的各个方面，包括系统辨识、系统 控制、优化计算以及控制系统的故障诊断与容错控制等。 1 4 本课题的主要研究内容 1 通过简单的介绍调合付油控制系统的工艺，着重分析了调合系统中的 几个重要设备，特别是电液阀，因为电液阀控制着乙醇和组分油的流量，并且 它是一种非线性机构，会严重影响调合的精度。 2 完成了调合控制系统的硬件组态及调合控制上位监控系统的设计，并 给出了上位监控画面。 3 通过对神经网络模型和控制方案的介绍，本文采用了基于神经网络的 h a m m e r s t e i n 模型来对调合比进行优化，最终用于优化电液阀的开度。并通过 了模糊控制的方法来控制调节电液阀，以实现精度发油。 4 完成了调合系统的软件设计思想。 哈尔滨理下大学工学硕千学位论文 第2 章调合付油控制系统的工艺概述 2 1 调合付油控制系统 2 1 i 调合付油系统的总体结构 整个调合控制系统由以下几个部分组成：现场设备，调合付油控制器和监 控管理系统。该系统的结构如图2 1 所示，可知调合工艺流程为：各种原品油 从其储罐出来，经过过滤网将杂质去掉，由泵将其输入相应的输油管道，流经 温度变送器将温度值上传给调合控制器，经过流量计将流量脉冲上传，通过电 液阀来调节流量，最终排入管线混合器，混合器中组分油和乙醇按比例混合调 配，旋拌均匀，而成为成品油，直接售出。 组分油泵 电液阀 图2 1 调合付油控制系统的结构 f i g 2 l s t r u c t u r eo fb l e n d i n gd i s t r i b u t i n go i lc o n t r o ls y s t e m 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 2 1 2 调合付油系统的功能及特点 系统主要完成的是乙醇、组分油按照一定的比例进行调合，并给油罐车进 行付油，可根据现场需要灵活配置控制通道和户外同步显示器套数等硬件资源， 对各管路工作状态等进行过程动态监测，以及拥有以下的一些功能： 1 参数设置功能( 体积系数、表系数等) ； 2 定量付油控制( 远程现场两种付油模式) ； 3 现场急停功能； 4 高亮大字符现场显示器； 5 能接受静电发信器的信号( 未接静电夹不能发油) ； 6 能接受溢油发信器的信号( 溢油时自动停泵、关阀) ； 7 数据采集功能( 流量、温度) ； 8 数据密码保护功能； 9 配比装车功能：在乙醇汽油的装油过程中，一面装车一方面就可以实 现乙醇和组分油的按比例调合； 1 0 阀门控制输出：d c 2 4 v 或a c 2 2 0 v 电压信号，控制电液阎： 1 1 系统具有断电保护功能，上电后能自动从断点处继续原来工作； 1 2 具有静电溢油保护功能。 基于p l c 的付油控制器对非线性电液阀的调节阀做动态的控制，从而解 决非线性执行机构的精确控制问题。这里的精确控制包含两方面的问题：方 面是保证实际付油总量的准确控制问题，另一方面是乙醇和组分油调合比控制 的精确性问题。 本课题就是在上述神经网络技术的基础上，高速采集相关参数( 组分油和 乙醇的流量和温度) ：然后通过控制乙醇的流量来达到最终所要求的乙醇汽油 总量和调合比。 现场若有多个鹤位，可通过r s 4 8 5 总线与上位机连接起来构成大的网络管 理系统，使得整个系统功能强大、而又富有灵活性。鹤位现场工作操作人员、 测控间主控工作人员构成一整套自动化调合付油控制系统。 2 2 调合付油工作流程简介 在调合控制通过上位机对工作过程的状态实时监视，对应的设备操作按钮 和键盘，面板上除了有数字键、切换键，还有操作按钮，在发生危急情况时能 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 切断电源，停止所有的工作。 调合付油工作流程如下： 1 付油前准备付油前要做如下几走准备工作：将槽车开进付油现场， 鹤管水平移动，使鹤管与槽车装油口准确对位，人工将鹤管插入槽车，并且放 低到适当位置；将静电夹夹在槽车上；将溢油探头伸入槽车内的固定位置。 2 付油 现场自动操作付油时，付油员在控制器上设定付油值，由控制 器采集到“静电接地 和“就绪 信号，且没有其它保护信号后，控制开阀、 启动开始付油；并实时采集流量和温度信号，通过实时温度补偿，将容积量换 算成质量，实现系统按“升 和“公斤 两种计量方式进行付油，同时还将实 际装车值送到现场数显屏上显示，供购油者查看：p l c 通过采集流量并进行流 速测算，采用模糊控制方式实现电液阀的多段关闭，实现高精度付油控制。 3 调合控制器在付油的同时进行调合运算，p l c 依据所采集的温度信 号，查表求得计重密度，用于调合比计算：将流量信号经过一定的数据处理、 计算，得到乙醇汽油调合比，查模糊控制规则表，确定是否要调整电液阀的开 度，做了相应的处理之后进入下一轮的调合计算，不断循环直到付油值与设定 值相等时，停止所有的动作，等待下一次付油操作。 4 保护付油控制器实时监测溢油，静电，急停，无流量，超速，超温 等信号，当有上述状态发生时，系统给与报警并做记录，同时立即停泵关阀， 实施保护。 2 3 电液阀控制系统 2 3 1 电液阀 d y f 系列多功能电液阀适用于输送介质的流量、流速需要自动控制的场 合。特别适用于石油、化工、天然气行业。 2 3 1 1 电液阀的选择从控制的角度上理解，气动阀、电动阀、电磁阀、多 段电液阀等可遥控阀门都可以作为发油控制阀。但为了保证系统的可靠性，提 高发油精度，从性价比综合考虑，我们选择了数字式多功能电液阀恻。 数字式多功能电液阀特别适用于石油化工行业，以实现对输送介质的流 量、流速的自动控制。其主要的性能特点为：多段开闭，消除水击及静电：可 控调节，实现恒流；无填料密封，密封可靠；利用介质压力，压力损失小：独 立的开阀、关阀速度控制；控制回路简单，维修方便；可水平、垂直安装，适 哈尔滨理工大学_ t 学硕士学位论文 用范围广；电磁阀控制触点电压可选直流2 4 v 或交流2 2 0 v 厂5 0 h z 。 2 3 1 2 调合系统对电液阀的要求在发油过程中，由于控制阀的突然开关， 容易造成管道中的压力在一瞬间会突然升高，产生很高的压力峰值，这种现象 称为“水击 或“水锤 现象。“水击 产生的压力峰值往往比正常工作压力 高好几倍，且常伴有巨大的振动和噪声，使液压系统产生温升，有时会使一些 液压元件或管件损坏，并使某些液压元件( 控制阀、流量计等) 产生误动作，导 致设备损坏。因此，发油自动化控制系统控制的主要目标之一，就是尽可能的 消除、减小发油开始和累计发油量达到设定时，控制阀的突然开关而产生的 “水击 现象。除此之外还要求控制阀能达到以下要求： 1 能较好地解决过冲问题，重复性误差小； 2 能适应各种发油工艺，包括流速不稳定的单支和多支管路； 3 防止喷溅式进油； 4 启闭工作可靠、无泄漏，便于维护； 5 低电压，低功耗，控制较简单。 2 3 1 3 电液阀的工作原理采用数字式多功能电液阀，它由主阀、常开电磁 阀和常闭电磁阀组成。 工作原理如图2 2 所示： 图2 - 2 电液阀原理图 f i g 2 - 2s c h e m a t i co fe l e c t r o - h y d r a u l i cv a l v e 数字式多功能电液阀由主阀、一个常开电磁阀、一个常闭电磁阀组成。常 开电磁阀在控制回路逆流部位，常闭电磁阀在控制回路顺流部位，在两只电磁 阀的激励下，高的逆流压力被堵塞。阀套中的介质流向低的顺流压力处，模片 两端产生压差，主阀被打开。反之，在消除掉两只电液阀的激励的情况下，允 许高的逆流压力去关闭主阀门。在流动过程中常开电液阀线圈通电同时常闭电 磁线圈断电以后，压力集聚在阀套中，从而使得阀门锁定在打开位置，保持一 个恒定的流量。当工作条件变化而引起流量变化时，控制器给相应的电磁线圈 通电，就能重新调到设定的流量值啪1 。 图2 - 3 电液阀 f i g 2 3e l e c t r o - h ) 7 d r a u l i cv a l v e 电液阀实物如图2 3 所示，防爆型式：e x di ib t 4 ；温度使用范围一3 5 0 c + 7 0 0 c 。与批量控制器结合，可实现精确平缓的批量控制。我们所开发的付油 控制器是通过继电器与电液阀的电磁阀相接，并且发送脉冲信号来控制电液阀 的动作。 2 3 2 电液阀的控制流程 开阀操作总共分为两级，当接收到开阀命令时，电液阀首先开启到小开 度，以小流量进行发油，使发油管道中的流体仅仅对管道产生较小的冲击，当 发油平稳并且各类相关设备适应了第一级开阀后，进行第二级开阀操作，第二 级开阀操作使电液阀开启到最大开度，以最大流量进行发油，在未接收到关阀 命令之前，电液阀保持最大开度，以最大流量平稳快速地发油。电液阀两级开 启的目的是避免产生管线振动、水击、泡沫、喷溅、静电等。 开阀控制程序流程图如下图2 _ 4 。当p l c 监控系统接收到发油信息和发油 命令后，p l c 监控系统首先发出命令，自动开启发油泵，使管道中流体的压力 增加，为电液阀开启提供足够的压力，延时之后，进行第一级开启电液阀的操 作，即p l c 监控系统对上游常开电磁阀、下游常闭电磁阀同时加电，电液阀 开始开启。 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 开始发油操作 发油泵启动操作 延时 第一级开阀 电液阀保持开度l = 二亡爿 延时 l = 二亡爿 第二级开阀i 适苎：奎兰乒叫竺兰望翌皇 l y 电液阀保持开度i 电液阀开启结束 图2 - 4 电液阀开阀控制程序流程图 f i g 2 - 4t h ef l o wd i a g r a m t oo p e ne l e c t r o - h y d r a u l i cv a l v ef l o wd i a g r a m 此时p l c 监控系统自动检测管道中的流量，当流量等于预先设定的小流 量值时。发出命令保持电液阀的开启度，即上游常开电磁阀加电、下游常闭电 磁阀掉电；小流量发油控制保持较长的时间，使发油时管道振动、水击、泡 沫、喷溅、静电等影响降低到最低的程度；延时之后，p l c 监控系统开始第二 级开启电液阀的操作，既上游常开电磁阀、下游常闭电磁阀又同时加电，电液 阀再度开启。 当p l c 监控系统自动检测计算的流量等于或大于预先设定的大流量值 时，保持电液阀的开启度，进行大流量发油，这是电液阀自动开阀的控制过 程。 图2 - 5 电液阀关阀控制程序流程图 f i g 2 - 5t h ef l o wd i a g r a mt oc l o s ee l e c t r o - h y d r a u l i cv a l v e 由于发油结束时电液阀的关闭具有一定的滞后性，若等到实际的发油量 等于预设发油量时再次性关闭电液阀，使实际发油量多于预设发油量，不能 哈尔滨理- t 大学工学硕上学位论文 精确控制，因此，电液阀多级关断除了避免产生管线振动等不良现象外，还有 实现精确发油的目的，最终p l c 监控系统的控制目的是电液阀在p l c 程序控 制下，逐级关闭，使流量随之逐渐减小，在发油剩余量到达一定数值时，管道 中的流体的流量极小，可以轻易关断电液阀而不出现实际发油量多于预设发油 量的现象，完成精确发油操作。 电液阀关阀程序框图2 5 所示，关阀程序比开阀程序复杂，控制目标不是 避免产生管道振动等不良影响，还要有效的逐级降低流量，实现精确发油。首 先，p l c 监控系统自动进行比较，在发油剩余量达到一定数值，即程序框图中 的设定值l 时，开始第一次降低流量的控制，p l c 监控系统检测管道中流体的 流量，与程序中的预设值3 相比较，如果流量大于预设值，p l c 监控系统就发 出命令，使上游常开电磁阀、下游常闭电磁阀同时掉电，减小电液阀的开度； 如果流量小于预设值，p l c 监控系统就发出命令，使上游常开电磁阀加电、下 游常闭电磁阀掉电，保持电液阀的开度，通过以上控制，p l c 监控系统可以自 动根据管道中流体流量变化进行关闭或保持的操作。与此相同，进行流程图中 以下几步的关阀控制，p l c 监控系统可以有效的将流体流量逐级降低，最终使 管道中的流体降低到较小流量，准确关断电液阀。p l c 监控系统关断电液阀 后，进行一段时间的延时，保证电液阀完全关闭后，发出关闭发油泵的命令。 2 4 付油调合设备 2 4 1 流量计的选择 目前，石化行业广泛使用的流量计主要有两种。一是体积式流量计另一种 是质量流量计。体积式流量计分为：容积式流量计、差压式流量计、速度流量 计。质量流量计分为：推导式质量流量计和直接式质量流量计。在这次的设计 中我选用的是质量流量计中的直接式流量计，它具有安装简便、工作可靠、操 作简单等优点，广泛应用于石油、电力、化工、冶金、食品等行业对精度要求 高或贸易结算的场合。 2 4 1 1 质量流量计质量流量计也称科里奥利流量计，近年来，广泛应用于 石化工业对流量的测量，特别是对成品油的计量。它属于直接式质量流量计， 其计量精度一般在0 1 加2 之间，流量计有c m f l 0 , - c m f 4 0 0 等七种型号可 供选择，流量范围在o - , 4 0 9 t h 之间，达到用于成品油贸易结算的要求，且性能 稳定。这种流量计集流量测量、温度测量、密度测量于一体，内部没有可动部 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 件，可以很方便地测出成品油的密度、温度和流量。其优点是不用再进行温度 和压力的修正，而体积测量必须把测量的体积修正到标准条件下；石油工业通 常以“吨( t ) ”，作为石油计量的基本单位，而成品油通常以“升( l ) 为基本 单位，科里奥利流量计可以很方便地实现计量单位的转换。因此科里奥利流量 计在我国成品油领域中得到广泛应用。 科里奥利流量计实物如图2 6 所示，其性能指标及特点m 1 如下： 适用范围：用于测量较大流量范围的气体或液体质量： 测量原理：依据科里奥利力原理，实现流体质量流量直接精密测量； 测量管材质：1 c r l 8 n i 9 t i 或3 1 6 l 不锈钢； 介质温度：一1 0 0 0 c + 2 5 0 0 c ； 环境温度：一4 0 0 c - + 8 5 0 c ； 准确度：士0 2 4 - 零点稳定度； 防爆标志：e x ( i b ) i i b t 2 t 5 。 特点：不用分流，测量绝对稳定；单管串联对称结构，能抑制外部振动， 测量管弯曲半径大，保证压力损失最小；测量管壁厚，无可动件，易于检测具 有磨损性的液体；具有液、电加热及保温型，保证流体在测量管内不会凝结； 振动频率低适于转换器进行多点采样，保证高精度；桥架重量占传感器重量的 7 0 ，保证测量管不受外界干扰。 2 4 2 温度变送器 图2 - 6 科里奥利流量计 f i g 2 - 6c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r 温度变送器用于上传现场乙醇、组分油的温度信号给控制器，p l c 依据采 样的温度，查表求出环境温度为2 0 0 c 时的标准体积，从而进行调合比运算。 由于温度变送器输出的是电流信号，而p l c 接受的是数字信号，所以 善一 缓 繁蓼 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 p l c 与温度变送器之间要经过模数转换器转换，那么，一般，选择温度变送 器，需要具有下面的特征汹1 ： 供电电压：2 4 v d c ； 输出形式：4 , - - 2 0 m a ，0 - - 1 0m a ，0 - - 5 v ，1 - 5 v ： 量程：根据所选传感器不同而有所不同； 引线：引线可为二线或三线，引线的阻值不得超过2 0 q ； 精度：d 档：钍1 ；e 档：删5 ；f 档：钍0 2 ；g 档：钍0 1 ，专 门标校； 储存环境：一4 0 0 c 一5 0 0 c 。 特点：j w b 一体化温度变送器在温度传感器的接线盒内安装了变送模块； 变送模块选用专用芯片进行放大和线性化处理。提高了传感器测量精度，冷端 无需补偿，负载能力大，传输距离远，抗干扰能力强。广泛应用于电力、石 油、化工、建材、科研等行业的温度测量。 2 5 安全系统 2 5 1 静电接地 油库在发油作业过程中，油品在流动、冲击等作用下，产生大量静电荷， 其积聚速度远大于泄漏速度，因此，必须对装油罐车、输油金属鹤管等设置导 静电装置，及时导除静电荷，并保持发油设施和受油容器之间没有电位差。在 发油作业过程中，通过连接罐车接地线而使发油鹤管及罐车之间实现等电位跨 接和接地，及时排除静电，消除金属鹤管与罐车之间的电位差，从而防止放电 事故嘲。 而防止静电放电的方法如下： 1 一切用于储存、输转油品的油罐、管线、装卸设备，都必须有良好的 接地装置，及时把静电导入地下，并经常检查静电接地装置技术状况和测试接 地电阻。 2 向油罐、油罐汽车、铁路槽车装油时，输油管必须插入油面以下或接 近罐底，以减少油品的冲击和与空气的摩擦。 3 在空气特别干燥、温度较高的季节，尤应注意检查接地设备，适当放 慢速度，必要时可在作业场地和静电接地极周围浇水。 4 在输油、装油开始和装油到容器的四分之三至结束时，容易发生静电 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 放电事故，这时应控制流速在l m s 以内。 5 油库内严禁向塑料桶里灌轻质燃料油，禁止在影响油库安全的区域内 用塑料容器倒装轻质燃料油。 2 5 2 溢油保护 溢油事故属于责任事故，其主要原因是由于计量失误或油泵工作时间过 长，油罐内油品超过安全储量，油品从泡沫发生器、呼吸阀等处溢出导致的事 故。将溢油保护装置安在鹤管上，当鹤管进入油罐口时，溢油保护装置位于油 罐口处，进行油位检测。当油位超过指定位置，系统发出报警提示，并且停止 发油。 s l a s 溢油静电保护器，如图2 7 所示，实现静电接地可靠连接和防止溢 油双重功能，解决了在微机自动付油过程中，发生油品溢出和由于没有静电接 地或接地连接不良问题产生的安全隐患，可用于集中式微机付油系统，能够确保 油库的安全生产n 0 1 。系统功能如下： 1 监测液位安全高度； 2 检测静电接地连接状况； 3