罐区液位测量安全改造的设计与实施.pdf

44 “变频调速技术” 、 “PLC技术”培训班（第四期）5月开班，欢迎报名 文献标识码B 文章编号1003－0492200401－0044－02 中图分类号TH864 罐区液位测量安全改造的设计与实施 Design and Implementation of Safely Improved Tank Level Measurement （山东大成农药股份有限公司，山东 淄博 255009） 于海波，安世梅，赵 芸，孟凡德 摘要介绍了几种常用的液位仪表，说明了本质安全系统设计、选型， 简述了 MCGS 监控软件的组态及其在液位测量系统的成功应用。 关键词液位仪表；本质安全系统；MCGS 软件 Abstract This paper introduces several kinds of commonly used level instruments, describes the design and selection of intrinsic safety system. It also introduces the configuration of MCGS software and its successful application in level measuring system. Key words level instrument; intrinsic safety system; MCGS software 1 概述 某公司北库原料罐区贮存有苯、甲苯、二甲苯、甲醇、 乙醇、一甲胺等化工原料。上述化工原料均有挥发性，改造 前贮罐未密封，原料气体直接排到大气中，造成原料损耗、 环境污染和经济损失。此次改造加装微压呼吸阀，把原料气 体密封在贮罐内，仅异常时排放，避免了环境污染和经济损 失。 原有液位测量方法是从顶部观察，人工检测尺插入罐底 部然后取出测量。这种方法虽直观但不方便、不准确，越来 越不能满足现代化安全生产管理的需要，而且仅有此一种测 量方法，不符合重大危险源至少有两种不同方法测量液位的 安全要求。 为了达到化工厂区原料安全贮存的目的，充分考虑安全 为主，经济、实用、可靠、性价比高的原则，在此设计、实 施液位测量安全改造，最经济地实现重大危险源两种不同方 法测量液位，做到安全第一，预防为主，消除安全隐患。 2 现场仪表的选型 现场仪表即液位变送器的选型是这次液位改造的关键 所在。既要可靠、实用地测量液位，又不能把危险因素引入 收稿日期2004－10－22 作者简介于海波（1976－），女，黑龙江庆安人，助理工程师，学士， 主要从事自动化仪表及分析仪器的维护与改进；安世梅（1976－），女， 黑龙江安达人，助理工程师，学士，主要从事化工生产用自动化仪表和 工控机的设计、调试、实施；赵芸（1975－），女，山东淄博人，助理 工程师，学士，主要从事自动化仪表及衡器、计量标准；孟凡德（1970 －），男，山东潍坊人，高级工程师，学士，主要从事自动化仪表、PLC、 DCS、FCS 的设计、调试、实施，组态软件的组态、编程、调试，工控 机的维护等工作。 罐区。根据液位测量原理，有直读法、浮力法、静压法、电 容法、超声波法、微波法等测量方法，此外有磁致伸缩液位 计、外侧液位计等新型液位计。 各种原理液位计的主要特点 直读法液位计主要有人工检测尺和玻璃液位计等 人工检测尺利用浸入式刻度钢皮尺测量液位，简单、实 用，但不方便，可以作为参考、比对手段；玻璃液位计直观、 便宜，但液位高时开孔较多。 浮力法液位计有浮子钢带、 伺服式、 浮球式、 翻板式、 浮筒式液位计等多种 浮子钢带液位计用于开口容器， 比较直观， 价格较便宜， 但传动部件多，容易发生故障，尤其是安装要求高；伺服式 液位计功能强， 可测液位、 界位、 比重等， 精度高 （0.9mm） ， 可达到计量级，故障率较低，但价格较高，安装较困难；浮 球式和浮筒式液位计测量高度小；翻板式液位计比较可靠、 实用，但远传装置故障率较高，罐高时相对笨重。 静压式液位计有扩散硅、 单晶硅、 电容式变送器等多 种 这类液位计都是把静压通过不同方式转换成标准信号 输出，相对小而轻，精度高（高精度的 3051S 电容式变送器 可以做到计量级） ，稳定性较好，应用较广泛，尤其是 1151 电容式变送器稳定性更佳。 电容式液位计 电容式液位计以罐中的介质作电介质，液位高度变化， 电容量发生变化，把电容量的变化转化成模拟信号的变化来 检测液位，精度较高，但不能测量成份变化的液体，高液位 不适宜。 超声波液位计 利用超声波在不同介质中传播速度不同和在不同介质 界面发生反射来测量液位，不接触介质，但不适宜测量挥发 性介质液位。 微波液位计主要是雷达液位计 不接触介质，无可动部件，故障率低，精度很高，有计 量级雷达液位计，但价格偏高。 磁致伸缩液位计 是一种新型液位计。它利用磁场脉冲波，测量时液位计 的头部发出电流“询问脉冲” ，此脉冲同时产生一个磁场，该 磁场沿着波导管内的磁致伸缩线向下运行，与液位计管外随 液位沿管上下移动的浮子内磁铁产生的磁场相遇，随之产生 45 2004年度业界重大事件、新闻人物大盘点，敬请关注控制网（） 新的“返回脉冲” ，测出“询问脉冲”和“返回脉冲”的周期 便可知道液体的变化位置。精度较高，安装较简单，维护工 作量小，可同时测量温度，但仅适宜于常温液体。 外测液位计 也是一种新型液位计。该仪表利用振动分析原理，通过 专用算法处理安装在容器壁外的液位测量头检测到的液位振 动波形和容器振动波形，得出液位高度 h 与振动特征量 y 及 液体温度 t 之间的数学模型关系hfabty。式中a 是 液体特性系数，b 是液体温度系数，t是液体温度（起温度补 偿作用， 温度测量头同样安装在容器壁外） ， y 是振动特征量。 安装维护容易，安全可靠，精度较高，可测量的液体范围广， 但需要在罐底部安装，价格高。 表 1 几种仪表的应用对比表 仪 表安 装 位 置 安 装 复 杂 程 度 测 量 方 式精 度防 爆 性 能价 格维 护 量 玻 璃 管侧面开孔一般接触低最高低小 1151差 压 变 送 器 容器上开孔一般接触 较高 到高 可选中等小 浮 子 钢 带 旁通管或容 器内套管中 复杂接触高可选较低 定时清 理 大 射 频 导 纳顶部开孔一般接触较低可选中等中 磁 致 伸 缩顶部开孔简单接触较高隔爆较高小 超 声 波 式顶部开孔简单非接触较低可选较高无 雷 达 式 顶部或侧 面开孔 简单非接触 较高 到高 可选高无 外 测 式底部不开孔简单非接触中等隔爆高无 注可选为普通、隔爆、本安选择其一 几种仪表的应用对比表见表 1。 旧罐改造，现场不能动火，不能进罐作业，只能利用可 拆离现场接近罐底的人孔盖， 以满足本质安全回路参数要求， 以安全可靠为主，考虑实际安装、实用、投资少、性价比高 等因素，综合平衡，选用进口 1151 电容式差压变送器。 安装时把气相引至差压变送器的低压侧，以平衡掉微压 呼吸阀产生的气相微压的影响。 3 本质安全（以下简称本安）系统 苯、甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、一甲胺等化工原料易 燃易爆。为了不把危险因素引入危险罐区，设计时应留出安 全裕量系数，合理选型隔离式安全栅、本安型差压变送器和 信号电缆。 3.1 安全栅 隔离式安全栅的本安级别越高越不易引起爆炸。在一定 的本安级别下，安全栅允许的负载电容 C0和负载电感 L0越 大越容易构成本安回路。 3.2 本安变送器 本安型差压变送器的本安级别越高越不易引起爆炸。在 一定的本安级别下，本安型差压变送器的内部等效电容 Ci和 内部等效电感 Li越小越容易构成本安回路。而且需要满足 CiC0，LiL0。 3.3 信号电缆 在本安防爆系统的设计中，正确地设计电缆长度和选择 电缆线的种类是不容忽视的问题。本安系统中，变送器和导 线同为安全栅的负载，当安全栅和变送器选定后，导线的最 大允许长度也就决定了。 导线存在着分布电容 CB和分布电感 LB，这两者都是储 能元件。其大小须满足 CBm≤C0-Ci，LBm≤L0-Li，其中CBm、 LBm分别为允许导线最大分布电容、允许导线最大分布电感， 其它参数意义同前。根据生产厂家提供的（或查阅有关资料） 导线单位长度分布电容 KC、导线单位长度分布电感 KL，计算 允许导线最大长度 lCmCBm/KC，lLmLBm/KL，取其值较小者作 为设计依据。实际导线长度小于允许导线最大长度。 3.4 验算 安全栅和变送器要经过联合认证，而且接入导线构成本 安回路，要按实际导线长度进行验算。WLLiLBI02/2， WCCiCBU02/2，其中 I0、U0分别为安全栅的允许最大输 出电流、允许最大输出电压，WL、WC分别为回路电感实际最 大储存能量、回路电容实际最大储存能量，WL和 WC中值较 大者小于最易燃易爆物料的最小引爆能量，即满足本安回路 的要求。 3.5 干扰抑制 信号在传输过程中会受到电场和磁场等干扰而产生非 本安能量，必须采取措施加以克服或抑制。 接地 正确接地不仅具有抑制干扰的作用，而且是仪表系统具 有本安性质的措施之一。 安全栅接地端子、仪表的接地端子、 24V 直流电源的负极、仪表盘、线管、汇线槽等金属构件可 靠接地。 信号电缆采用屏蔽单端接地，克服静电干扰。 对绞线减小电磁干扰效果明显，通常采用 12 寸绞 距。 线路敷设时增加导线与干扰源的距离。 通常设计施工中，本安系统电缆都穿金属线管或沿金属 汇线槽敷设，而金属管和线槽本身已起到静电屏蔽作用，因 此电缆选型时主要考虑克服电磁干扰。 4 系统构成 实现重大危险源两种方法测量液位。膜盒压力表简单、 直观；差压液位变送器和监控机组成的监控方法相对准确、 科学、使用简便。 工控机 A D A M 4 5 2 0 G S 8 0 3 6 1 1 5 1 D P A D A M 4 0 1 7 图 1 硬件系统组成图 4.1 硬件 系统由 Dell监控机、RS232/RS485 转换器、A/D 模拟量 输入模块、本安型 1151 差压变送器以及 24V 开关电源组成， 形成 RS485 通讯协议的小型局域网。 （下转 48 页） 定时清理 大 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 48 “变频调速技术” 、 “PLC技术”培训班（第四期）5月开班，欢迎报名 达到预期效果。 0 0 7 0 4 0 0 6 1 5 C 0 0 0 ＃0 0 0 2 C N T 0 0 7 0 5 T 0 9 9 0 2 0 0 1 T 0 9 9 ＃0 0 0 1 T I M 0 0 6 0 0 0 0 7 0 5 0 0 6 1 4 图 5 周期循环程序 5 结语 在 PLC 系统中利用外部定时器， 使得各种信号的转换的 规律变得复杂， 增加了编程的难度。 但是，这种“内外结合” 、 “以长补短”的做法，可以增加系统的灵活性，通过适当的 调节工作和休息时间以适应生产的实际情况，从而提高系统 的使用效率，提高生产效率。 参考文献 [1] 汪引红, 降低脉冲布袋除尘器可编程控制器控制设备造价的探讨[J]. 工业安全与防尘, 2000, 8 9-10. [2] 金太东, 提高 PLC 控制系统可靠性的研究[J]. 机电一体化, 2004, 4 69-73. [3] 邓茂忠, 刘德钦. 外滤式布袋脉冲除尘脉冲反吹控制系统的改进探 讨[N]. 本溪冶金高等专科学校校报, 2002, 2 62-63. [4] 苑庆军, 胡学林, 徐文. 水泥除尘系统的 PLC 控制[J]. 冶金动力, 2002, 3 14-16. [5] 黄昭. 利用外部电路改变 PLC 内部定时器时间[J]. 工业控制, 2004, 8 88-89. （上接 43 页） 时序图。第 1 个秒脉冲上升沿来到时，Y0 被置位，输出高电 平。第 3 个秒脉冲上升沿来到时，Y0 被复位输出低电平。第 7 个秒脉冲上升沿来到时，Y0 又被置位，输出高电平。从而 实现占空比为 33.3、周期为 6 秒的脉冲列输出。改变 CO、 C1 的设定值，就可改变脉冲的占空比和频率。 1.9 应用定时器实现脉冲输出 T i t l e R e v i s i o n S i z e B X 1 0T 1T 0K 1 0 T 0T 1 T 0Y 0 K 1 5 1 s 1 . 5 s X 1 0 Y 0 a 梯形图 b 时序图 图 9 定时器实现脉冲输出 图 9 为应用定时器实现脉冲输出的梯形图及时序图。当 X10 接通，T0 线圈得电 1 秒后，其常开触点闭合，Y0 得电， 同时 T1线圈得电计时。 T1 线圈得电 1.5秒后， 其常闭触点断 开，使 T0 线圈失电复位。T0 复位后，其常开触点断开，使 T1 线圈失电复位，Y0 失电。T1 复位后 T0 线圈又得电，进 入下一周期，只要 X10 接通，则上述过程周而复始，从输出 继电器 Y0 即可得到周期为 2.5 秒振荡信号。 2 结语 实现 PLC 脉冲输出的方法较多，实际应用中， 可根据控 制任务和要求的不同，个人对指令和元件的熟练程度加以选 择，使设计的 PLC 控制系统经济合理。 参考文献 [1] 李云新. PLC 定时器的应用技巧[J]. 电工技术杂志, 200412. [2] FX2 Programmable Controller Manual. MITSUBISHI. （上接 45 页） 24VDC 开关电源给安全区的安全栅供电， 安全栅的危险 侧采用二线制，既给危险区的变送器供电，又接收变送器的 420mA 标准信号， 安全侧供给 A/D 模入模块 420mA 信号， A/D模块把420mA信号转换成数字信号， 监控机通过RS485 协议定时查询各个模块读取信号。 系统构成示意图如图 1 所示。 4.2 软件组态 以 Windows XP 为系统软件，MCGS 组态软件为平台， 在 MCGS 组态环境下完成主控窗口、设备窗口、用户窗口、 实时数据库、运行策略的组态，其中设备窗口完成设备测试 和数据处理，生成组态结果数据库；运行环境下在线调试， 实现液位、体积数据的实时显示、动画显示、历史趋势查询 等功能。 5 总结 通过规范设计，科学严谨地计算，标准施工，精心调试， 达到了罐区液位测量安全改造的目的。目前系统运行稳定， 受到了使用单位的好评；同时方便了操作，减轻了工人的劳 动强度，提高了工作效率。 参考文献 [1] 李新青, 等. 油罐液位仪表的设计及应用[J]. 自动化博览, 2003, 202 4244. [2] 程来斌. 正确设计选择本安系统的电缆[J]. 自动化博览, 2001, 182 4647. [3] 裘履正. 工业仪表防护[M]. 机械工业出版社, 1976. [4] MCGS 工控组态软件用户指南[Z]. 北京昆仑通态自动化软件科技有 限公司.