（电力电子与电力传动专业论文）车用乙醇汽油发油系统的研究与开发.pdf

a b s t r a c t b e c a u s et h em o t o rg a s o h o jh a st h ea d v a n t a g eo fl o wp o l l u t i o na n de n e r g y s a v i n g i ti sv i g o r o u s l yp o p u l a r i z e d b a s e do nt h ee x p e r i e n c eo fc e n t r a l i z e dc o n t r o i s y s t e ma n d m o d e is i m u l i n k t h i s p a p e r i n t r o d u c e dt h e d e s i g n m e t h o da n d i m p l e m e n t a t i o np r o c e s so fa na c c u r a t ef u e ld e l i v e r ya u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mi no n e t a n kf a r mi nt h ed e c e n t r a l i z e df o r m a sa ne n g i n e e r i n gp r o i e c t i tn e e d sn o to n l yt h e c i r c u i ta n dc o n t r o lm e t h o dd e s i g n i n g b u ta l s oc o n c e r na b o u tt h ef i l e ds i t u a t i o na n d p r o j e c tp r i c e t h ed e s i g nb r i n g sf o r w a r ds o m eb e t t e rc o n t r o lm e t h o d st h r o u g h e x t e n s i v er e s e a r c ho ns i m i l a rp r o j e c t sa n d p r e v i o u se x p e r i e n c e f o re x a m p l e ，o no n e s i d e ，t h ec o n t r o l l e ra d o p t st h ep u l s e c a p t u r em e t h o dt oc a l c u l a t et h ep u l s ew i d t h ，a n d u s e st h ef u z z yc o n t r o jm e t h o d o na n o t h e r , t h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o db a s e do nt h e m o d e lo fm o d b u st c p c l i e n t s e r v e r , a n ds h o w sab e t t e rr e s u l ta f t e re x p e r i m e n t c h a p t e rld e s c r i b e st h eb a c k g r o u n da n di m p l e m e n t a t i o ne t c o ft h ea c c u r a t er u e i d e l i v e r ya u t o m a t i o nc o n t r o is y s t e m i no r d e rt oi n t r o d u c et h ed e c e n t r a l i z e dd e s i g n c h a p t e r2t e l l st h em a i np r o b l e m sa n dh o wt h eo p e r a t i o nw o r k s ，m e a n w h i l es h o w st h e r e a s o no fw a t e rh a m m e r c h a p t e r3i st h ec o n c l u s i o na b o u tt h es i n o p e cl i n y if u e l d e l i v e r yc e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e m t h i sc h a p t e ra l s oi n t r o d u c e st h ep r o b l e m si nt h e c o n t r o jp r o c e s sa n dt e l l sw h a ts h o u l db ei m p r o v e d c h a p t e r4e s t a b l i s h e st h ep i p e s i m u l i n km o d e la n dg o tt h ef r e q u e n c yr e s p o n s er e s u l ti ne x t r e m es i t u a t i o n w h i c h s h o w st h ef u z z yc o n t r o lm e t h o ds h o u l db ea v a i l a b l e c h a p t e r5f u l l yi n t r o d u c e st h e c o n t r o l l e ro ft h ed e c e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e m ，m a i n l ya b o u tt h ed e s i g ns c h e m e ，t h e i m p l e m e n t a t i o nm e t h o de t c ，w h i c hi n c l u d e st h ec o n t r o i l e rd e s i g n 。t h ep r i n c i p l ea b o u t t h em o d b u st c pn e t w o r ki m p l e m e n t a t i o na n d p r o g r a mf l o wc h a r t c h a p t e r6i st h e i m p l e m e n t a t i o na b o u tt h ep cp r o g r a md e s i g n a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t t h el a s t c h a p t e ri st h ep r o j e c tc o n c l u s i o n k e yw o r d s ：d e c e n t r a l i z e d ，f u z z y , m o d b u st c p , f u e ld e l i v e r ya u t o m a t i o n c o n t r o ls y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一繇专象一妃7 ? 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者张手奈 导师签名：蔓延漓、 签字日期：莎护译6 月厂日 签字日期：纱0 年舌月旷日 第一章绪论 1 1 自控发油系统概述 第一章绪论 中国石化销售企业的油库担负着油品收发存的任务，其中对系统内加油站发 油和直接对客户发油是油库的一项重要工作。油库发油准确与否，直接关系到中 国石化销售企业经济效益及企业形象。建立油库发油准确性综合评价标准，对于 加强油库计量工作考核，促进油库做好准确发油工作，具有重要意义。油库发油 准确性综合评价应包括计量器具配置规范、计量器具检定合格有效、发油温度和 密度计量准确、发油数量准确等方面。 1 1 1 发油系统存在的主要问题 1 、发油温度、密度计量规范准确 目前，虽然油库与客户进行计量交接时，有的按体积，有的按质量，但大部分油 库配置体积流量计。由于油库收发存计量数据的登统、盘点等账务处理均以质量 计量单位进行管理，因此，通常要进行体积与质量的换算。 2 、发油数量准确 目前，客户到油库提油的方式主要有公路运输、水运和铁路运输三种，一般是 靠汽车油罐车、船舶、铁路罐车进行运输。由于装入汽车油罐车、船舶、铁路罐 车的油量难以当场用其他计量器具进行复核，因此对系统发油准确度的控制有较 高要求。 3 、报表汇总 根据中石化内部要求，需要将每日发油报表数据上报。如果是手工操作记录， 将是一个很大的工作量，并浪费大量的人力和物力。 1 1 2 发油自动化系统的背景和研究现状 在8 0 s 和9 0 s 期间，我国许多油库的发油控制和各种参数测量均采用以人工作 业为主的模式，劳动强度大，操作繁琐，准确度低；而油料管理作为信息资源管 理的概念还很淡漠，每个油库向上级编报半年、年度报表，往往需要专业人员用 一个多月的时间才能完成，由于人工作业时间长，产生的报表和实际情况存在很 大的差别，这种各个油库“差距误差 引起的报表总合“系统误差 相当可观， 因此对下一步的生产计划会产生极大偏差，甚至带来严重损失。 第一章绪论 从8 0 年代末开始，国内众多单位进行了提高油库自动化的研制工作，首先应 用在了军队油库里边，之后逐渐转为民用油库。但是，因为油库的信息管理环节 还比较薄弱，导致油库的整体自动化水平还不高。主要是模仿国外油库自动控制 的管理模式，并且并不完善。 9 0 年代以来，随着我国自动化水平的不断提高，油库自动控制得到了一个发 展，逐渐发展到如今一个比较固定的管理模式。即将系统分为管理层和控制层两 大部分，管理层和上级部门联网，控制层连接现场控制设备。这样就能实现不同 地域油库的集中管理和资源分配。如图1 1 所示。 国胃 上级单l 座r p i兰竺兰兰呈 图1 i自控系统管理模式图 在本级管理层计算机网络上，应用客户服务器体系结构，通过数据库服务 器构建局域网结构，实现信息资源共享和分布式处理，将大量的数据处理工作放 在高性能的服务器上完成，达到集中处理、分布管理、多点访问的目的。整个图 形应采用图形用户接口，提供良好的人机交互界面，针对油库管理及控制的实际 情况，提供全面报表制作和高效的后台打印功能。 控制层部分，控制微机应采用工业总线网络连接控制器设备，使用计算机进 行过程控制，实现数据的自动实时采集和发油过程的自动控制，有效减轻管理层 计算机的工作负担和网络流量，实现高效、高速、稳定的控制。整个系统的软硬 件设计采用结构化体系，易于维护。， 1 1 3 发油控制系统的构成和分类 控制系统一般有集散式和集中式两种，它们的区别主要体现在控制层上。集 中式系统采用一个主控制器控制现场所有设备和信号量采集，多是l ：l 的通讯方 式。它的主要特点是： l 、控制结构简单。通讯多采用2 3 2 或者4 8 5 实现。 2 第一章绪论 2 、所有的传输线包括信号线、控制线等等都要从控制机布到各个发油鹤位， 电缆需求量较大。 3 、在布局上，弱电信号和强电信号互相之间存在干扰，并且，信号线走线 过长，使分布电容增大，也容易降低抗干扰能力。 4 、风险隐患大，一旦控制机出现故障，将导致整个系统的瘫痪。 目前，国内油库集中式控制多数采用的是p l c 设备。虽然设计结构简单，但 故障率较高，维护费用也高。因为，近年来更多的向集散式控制发展。 集散式系统采用集中管理、分散控制的办法，构成一个上、下位机系统，将 控制任务分散到各台下位机，上位机完成管理功能。系统模块化好，易于更换和 维护，且一旦某台控制设备发生故障，不至于引起整个系统的控制瘫痪，增加了 系统的安全性和稳定性。本设计的下位控制部分，在经过多方调研之后，采用了 集散式的开发模式，通过m o d b u st c p 组网方式实现模组之间的通讯。 1 1 4 乙醇汽油控制设计 本项目针对设计的是乙醇汽油混合发油系统。车用乙醇汽油是将变性燃料乙 醇与常规汽油按一定比例调合混配而成的一种清洁汽车燃料，具有节省能源、减 少废气污染等一系列优点，具有极大的推广价值。目前，车用乙醇汽油刚刚在国 内起步，仅在山东等有限地区试点，一两年内将全面推广使用，具有极大的市场 价值和推广价值。与传统控制不同的是，乙醇汽油混合系统控制的是两路独立的 管线配置，并且需要对乙醇量和汽油量进行分配和速度匹配，以达到充分混合的 效果，见图1 2 。 图1 - 2乙醇汽油混合发油系统管线配置 1 2 课题中所要做的工作 l 、在总结集中式发油自动控制系统原理和控制的基础上，分析其优缺点和 存在的工程问题； 3 第一章绪论 2 、对目前系统所存在的问题进行理论分析，建立合适的数学模型并进行仿 真验证，从而提出更新合理的控制方案； 3 、根据实际经验和理论分析的结果，提出集散式系统的设计方案，选购并 设计硬件、调试程序，并完成现场模拟试验台试验。 4 第二章控制系统分析 第二章控制系统分析 2 1 控制系统整体介绍 2 1 1 发油流程 自动发油系统是油库监控系统的一个重要组成部分，它的主要目标是实现对 油库成品油的精确定量控制。本设计针对的是车用乙醇汽油管线的集散式自动控 制系统设计。车用乙醇汽油是将燃料乙醇与常规汽油按一定比例调合混配而成的 一种清洁汽车燃料，具有节省能源、减少废气污染等一系列优点，具有极大的推 广价值。系统工艺设计如图2 。1 所示。整套系统包括预约机系统、监控机系统以 及现场r t u 系统几大部分组成。 图2 1车用乙醇汽油自控系统示意图 业务机主要负责派发油品单，操作数据库并下发预约量，同时分配用户一张 包含用户个人设置密码，发油量、发油状态信息等的i c 卡，到发油台刷卡进行 发油操作。监控机与r t u 通过网线进行连接，采用的是基于r a b b i t3 0 0 0 处理器 m o d b u st c p 网络通讯方式，将实时数据信息显示在监控机的发油监控画面上， 并可以进行诸如输入密度、发油控制等一系列操作；同时还负责将结算数据及时 写回数据库，统计当日报表等j 这个过程通过网络访问数据库来实现。r t u 作 5 第二章控制系统分析 为系统的下位机处理器，是整个控制系统的核心控制器它主要完成对现场设备 信号采集、发油控制信号输出、发油流量计算和终端控制操作等功能。对于单路 鹤位的汽油回路和乙醇回路，系统采用的是独立控制的原则，互不干扰。本套系 统采用的是r t u 实现集散式发油控制。 用户操作流程如下：用户在业务室领到一张包含了预约量和油品信息的i c 卡之后，到现场任意选择一路油品对应的发油平台，在终端刷卡后进行密码输入。 r 1u 将输入信息送回上位机上位机查询数据库，核对密码和油品无误后监 控机向r t u 发送密码有效信号。r t u 控制器得到此信号后自动计算汽油和乙醇 分配的预约量，并在发油终端显示出来，等待用户确认；反之，则返回密码无效 的信息提示重新输入密码。发油预约成功后，根据终端提示。进行静电接地和 鹤管插入的操作，正确无误方可启动发油。操作终端在整个发油过程中能够分别 显示乙醇和汽油的已发量、流速、温度、标密、视密和预约量等相关信息。发油 完毕，终端显示发油总量并提示对现场设备进行归位操作。 需要说明的是，因为体制等原因，中石化对内部车辆和外部车辆采用不同的 计量方式所以在发油过程中，内部车辆是按照体积预约和计量，外部车辆按照 公斤预约和计量。 2 1 2 现场设备介绍 罗茨流量计 f r a 系列罗茨流量计是某厂家生产的高精度容积式流量计，效果图见图2 - 2 。 f r a 型罗茨流量计由计量部和计数部组成，能就地指示累积流量，配以光电式 流量转换器和流量智能控制仪，可实现远距离测量和控制。该流量计具有精度高、 可靠性好、重量轻、寿命长、安装使用方便等特点，广泛用于石油、化工、电力、 冶金、交通、食品加工、医药、国防、商业贸易等部门对石油及石油制品、化学 溶液等流体的精确计量。本设计选用的流量计参数见表2 1 。 图2 - 2 罗茨流量计外观圈 第二章控制系统分析 表2 1罗茨流量计参数指标 规格形式代号5 l 公称通经( m m )1 0 0 流量范围( m 3 h )+zb(4-20a)e= 【n b i fe + m 。 ( 4 2 1 ) i si f6 p + m 。 这里m b 和m m 为事先设定的压力变化判断常量。 由前述控制特性得知，电液阀的开阀时最小分辨时间约为1 2 0 m s ，关阀最小 分辨时间约为1 5 0 m s 。倘若采用电动最小分辨时间控制，虽然控制比较稳定，但 因为开、关阀同时受压力因素影响，在压力大的时候开、关阀速率均增大，在极 端情况下会引发“失控”现象，导致阀门关死，管道压力急剧增加，从而引发“水 击”。采用速度跟踪控制，更是容易因为测速不及时，使“失控 更加频繁。即 便是在速度调节控制上没出现失控，最小分辨时间调节也往往调节比较缓慢。 针对工程上出现的这些问题，本设计结合以上各种控制的优缺点进行了分 析，对阀的模糊控制器输出信号u 采取了以下的模糊定义： o p e np o p e nn o n ep - c l o s e dc l o s e d 这里o p e n 和c l o s e d 是一组变量，表示电液阀始终处于打开或者关闭的信号 输出阶段；p - o p