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雷達液位計在石化工業的應用(完整版)實用資料(可以直接使用,可編輯完整版實用資料,歡迎下載)
雷達液位計在石化工業的應用朱頂峰。等雷達液位計在石化工業的應用(完整版)實用資料(可以直接使用,可編輯完整版實用資料,歡迎下載)雷達液位計在石化工業的應用ApplicationofRadarLevelGaugeinPetrochemicalIndustry朱頂碑霧楚華易挺(新疆大學機械工程學院,新疆鳥魯木齊830008)摘要:隨著石化工業的進步,低精度、接觸型的液位測量儀已經不能滿足儲油罐的發展需求。針對這種狀況,ROSEMOUNT公司利用雷達測距原理研制了新一代液位測量儀。分別就液位儀的結構、原理、分類、參數設定以及選型等方面作了詳細的介紹。該液位儀以其高自動化集成、高精度、高可靠性等諸多優點,在石化行業中得到了廣泛的應用,并取得了良好的經濟效益和社會效益。關鍵詞:雷達液位計調頻連續波中圈分類號:TH816Abstract:Alongwiththeabletomeet高精度天線傳感器文獻標志碼:Aprogressofpetrochemicalindustry,thelowaccurateandcontacttypelevelmeasuringgaugesusedforoiltanksisnewun-thedevelopingdemands.Inaccordancewiththesituation,theliquidlevelinstrumentofsetupgenerationhasbeenstudiedandde-gaugesinalevelopedbyROSEMOUNT.Thestructure。principle,classification,parameterandmodelselectionofthelevelintroducedindetail.Thelevelinstrumentfeatureshishintegration,hishaccuracyandhishreliability,andhasbeenwidelyusedpetrochemicalindustrywithfavorableeconomicandsocialbenefits.gaugeKeywords:RadarlevelFrequencymodulationcontinuouswave(FMCW)HishaccuracyAntennaTransducerO引言隨著我國對石油能源需求的急劇增加,近年來,石1.1.1雷達表頭雷達表頭主要由以下幾個部件組成。①變壓器整流卡件TRC(transformerrectifiercard):ROSEMOUNT油儲備公司新增了許多儲油罐。在能源緊缺的今天,無論石油產量計量還是貿易交接,灌區石油液位檢測控制都顯得極其重要。特別是石油貿易,既要講究公平又要考慮雙方利益,誰都不愿意因計量上的誤差造成不必要的損失,這就對液位檢測提出了更高的精度要求。但傳統的計量方式達不到需要的精度,且隨著灌區的不斷增加,巡檢和計量的任務不斷增大,需要投入的人力物力也隨之加大,這就對石油儲備的自動化提出了更嚴峻的考驗。高精度要求與現有設備之間的矛盾越演越烈,因此,必須找到一種測量精度高,又能與石油化工自動化很好地結合的液位測量儀表。而雷達液位計則是一種較好的選擇。雷達液位計提供交直流自適應式24~240V電源TRC,它主要起到交直流轉換的作用。②現場通信卡件FCC(fieldcommunicationcard):FCC負責處理與外部裝置的通信,不同的現場通信卡件對應不同的協議(Hart、FF、Modbus等)。③信號處理卡件SPC(signalprocessingcard):SPC主要通過遠程編程來保存特定監processing測器數據。④模擬處理卡件APC(analoguecard):APC主要用于模擬輸入信號的濾波和多路復用傳輸,通過使模擬電路集中在單獨的卡件上,可得到極高的信噪比。⑤TIC(transmitterinterfacecard)變送器接口卡件:本質安全輔助輸入需要使用此卡件。⑥溫度多路復用卡件TMC(temperaturemultiplexercard):TMC用于連接多達6臺的溫度傳感器,包括平均溫度傳感器和單點溫度傳感器。⑦主板MB(mainboard):MB主要用于連接各功能卡件。1.1.2雷達分類根據波發射種類的不同,將其分為脈沖一時域和調頻連續波這2類雷達。①脈沖一時域:雷達發射裝置發射一個固定頻率l雷達液位計1.1雷達液位計結構和原理SAAB雷達液位計采用分體式結構,主要由表頭與天線兩部分組成…。修改稿收到日期:2009—02—27。第一作者朱頂峰,男,1982年生,現為新疆大學機電工程專業在讀碩士研究生;主要從事機械和儀表自動化等方面的研究。12PROCESS的雷達脈沖波。該雷達波以固定速度C向下傳播,并檢測發射和接收之間所消耗的時間r(發射一反射一接AUTOMATIONINSTRUMENTATIoNVoL30No.12Decemeber2009萬方數據收之間的時間),從而計算出空高和液位。L=胃k—c光速×T/2(1)式中:£為儲油灌中介質的高度;H。為罐的高度;c光速為光速(即雷達波的速度);T為雷達波發射一反射一接收所用時間。這種測量不適合近距離的高精度測量。以ROSE.MOUNT5600雷達為例。它的準確度為±5mlTl或4-10mill。因為隨著罐中液位的增加,空高不斷減少,雷達波發射到接收的時間就會變短,計時困難,隨之測量精度也會降低。因此,用測時間的辦法達到高精度準確計算變得十分困難。而頻率測量法能克服這一問題,所以就提出了調頻連續波測量雷達。②調頻連續波FMCW(frequencymodulationcon—tinuouswave):FMCW應用頻差原理如圖l所示。圖1調頻連續渡原理圖Fig.1PrincipleofFMCW雷達頭發射雷達波不再是固定的工作頻率,而是被調制成圍繞基本工作頻率、以固定速率連續變化的高頻率信號(GHz級)。雷達信號被液體表面反射后,天線接收回波,由于雷達波頻率不斷變化,使回波與新發射的雷達波的頻率不同而形成頻率差。差值Af和雷達頭到液面的距離(口)成正比?;谶@種頻率數字信號的FMCW技術是一種數字化技術,它能夠有效地提高信噪比并獲得更高的精度。因此,本文采用FM—CW技術測量頻率差,以得到準確的空高和液位值。以ROSEMOuNTSAAB雷達為例,REX39系列的液位準確度為±0.5mm;PRO系列精度為±3mm。1.1.3天線作用天線在雷達液位計中主要起導波的作用,它具有多種天線形式,以配合各種需求。天線具體可分為非’接觸式和接觸式兩種¨1。①非接觸式天線非接觸式天線包含以下幾種:喇叭型天線,一般固定于拱頂罐,允許近罐壁安裝;拋物面天線,適用于大量程和重組分(瀝青、重油)的應用;導波管天線,使用浮頂罐導波管安裝,其可拆裝的導波連接單元便于人工檢測;LPG/LNG雷達、烴類、高壓力條件之球罐及臥罐等。以上所有天線均為不結液型、冷凝液自動流除,從而避免影響測量《自動化儀表》第30卷第12期2009年12月萬方數據雷達液位計在石化工業的應用朱頂峰,等精度;非接觸式天線不與測量介質接觸,在一定程度上減少了介質對它的腐蝕,延長了雷達的使用壽命。②接觸式天線接觸式天線主要使用特制的纜線,并配套相應的雷達頭,它具有高信噪比、可測量不同介質、適用于小容器密閉罐等優點,同時,接觸式天線還能用于界面測量,例如測量油水分界面。1.2與其它液位計的比較測量液位的方法很多種,最常用的是靜壓測量、差壓測量,但是它們容易受密度的影響;音叉測量只能做限位開關,不能用于實時監測;電浮筒受密度影響較大,因結構原因,量程一般只在3m以內;放射性測量輻射太大,對操作者身體有害。而雷達液位計摒棄了上述儀表的缺點,更體現自身在實時監控和人性化方面的優點。雷達液位計現已廣泛應用于石油化工、電廠等行業。2雷達液位計與石油化工自動控制2.1雷達液位計的參數設定2.1.1雷達選型現場情況包括選型時必須確定待測介質、壓力、溫度等參數,具體參照普利特公司選型手冊。計量時,選用脈沖時域雷達液位計ROSEMOUNTPR040系列,準確度為4-3film;若用作貿易交接,那就必須選擇高準確度級雷達,如ROSEMOUNTREX39系列,其精度為±0.5mm;如果對準確度要求不高,能滿足測量即可,可以盡量選用價格便宜的雷達。2.1.2安裝因為ROSEMOUNT雷達液位計都采用分體式,所以在安裝上相對來說比較簡單。該液位計的安裝方式主要分為兩大類。①機械安裝:機械安裝主要是把天線法蘭或者螺紋方式固定在入孑L上,但須保證天線正下方無干擾物。安裝時盡量靠近罐的邊緣,天線起著隔離介質與雷達表頭的作用,安裝時在兩個配對法蘭之間加配套的密封墊片,以防止介質揮發泄漏。②電子安裝:電子安裝主要是電子部分(電源和信號)的接線,雷達的一般接線分為兩種,其中一種是防爆接法,主要有兩根電源線和兩根信號線;另一種是本安接法,主要接本安輸出、繼電器輸出、模擬輸入、現場顯示單元(DU)。2.1.3組態組態相對比較復雜,ROSEMOUNT組態主要采用Radarmaster軟件。一般用戶只需設置幾個關鍵的參數:罐高、量程(液位計量程必須和DCS設成一致,否則13雷達液位計在石化工業的應用朱頂峰,等是24—240DAC,信號線需不需要供電應根據雷達具體型號而定。無源器件需供24V直流電,反之則不需供電。如新疆石河子瑪和氣田雷達突然間出現沒有輸出、現場表頭也不顯示的狀況,檢測人員測其電源電壓為22.4V,而信號電壓為24V,懷疑電源供電不足;但詢問故障時現場情況,對方告之前幾天有打雷,猜測電子模塊中二極管或電容可能被擊穿舊1。但經過長時間檢測,證明電子模塊部分都正常;最后懷疑電源電壓出現問題,決定接上220V交流電進行試驗,結果表頭有顯示,而接在DCS供電模塊上無顯示。經過反復查驗,原來是DCS供電模塊與I/O端口之間的保險有松動,造成電源功率不足,因而雷達不能正常工作。一個小小的故障牽涉到的不單單是儀表本身的問題,而關系到了整套控制系統。因此,解決雷達故障要求服務人員必須了解生產工藝和整套控制系統。②干擾信號故障青海格爾木煉油廠瓦斯柜液位計出現故障時的波形如圖3所示。DCS上顯示的液位就會和雷達不匹配)、介電常數、盲區、所使用的天線類型和尺寸,其余參數已經在出廠時已經設置,用戶按默認即可,詳細設置請參考相關資料。2.2在石化自動控制中的作用雷達液位計在整個系統中具有舉足輕重的作用。它用來采集介質的液位數據,并在雷達信號處理模塊中進行初步分析處理(包括濾除干擾信號、進行PID計算等),同時通過模塊傳輸數據至中控室,將數據交由DCS做進一步監測控制”1。如圖2所示是灌區雷達的一個控制系統,多臺雷達的液位信號線匯總到現場總線接口單元,再連接到機柜(如果需要對現場信號線進行本安隔離,那么先通過安全柵,再傳輸至DCS的I/O端子)。此時通過DCS監視器就可以實時監控灌區介質液位的變化情況,并輔以灌區進出口閥門進行相應動作,從而使介質的液位維持在需要的位置上,以便實現對后續生產的保證。圖2雷達控制系統Fig.2Radarcontrolsystem圖3雷達信號波形圖ng√Kadar819nalwavelom82.32.3.1雷達液位計維護及其故障處理維護從圖3可以看出,P,點縱坐標顯示的是液位信號強度,橫坐標表示液位高度值18.032m(罐的高度減去罐上面的空氣高度就是液位值),這個值就是我們所測瓦斯的真實液位;而P2是干擾信號,干擾信號強度明顯大于液位信號強度,這就會出現假液位。處理此類故障必須充分熟悉現場情況,知道干擾所在。當時該煉油廠出現故障就是因為安裝雷達時未裝反射板?,F場測瓦斯用的是浮頂罐(上錐形),雷達波射在罐里的錐型活塞上,造成反射波散射,即接收到的是經過幾次反射的回波,這樣就導致發射和接收的時間增加,空高也相應增加,液位自然就降低了p。8],因而在這些特定位置就會出現液位跳動。處理時,我們只需在天線下方加一塊長度為2m的正方形鋼板。3為使雷達液位計工作穩定、使用時間長,維護就顯得十分重要。維護時,一般應注意以下幾個方面。①接地保護和瞬間過激電壓保護:可以在雷達表頭或機柜作接地保護,只要有一端接地即可。雷達一般自帶過激保護功能,但安裝時應做雷擊保護或者盡量避開經常性雷擊的地方。②接線端12I:現場接線端子一定要進行密封隔離,以免液體侵入,造成短路或者腐蝕接線端子和電子模塊,導致設備發生電子故障而影響測量。③干擾信號:如果出現液位信號變弱或者干擾信號變強現象,用戶首先應考慮對天線進行清洗,特別是測量介質為瀝青或者揮發性物質及粉塵;其次查看天線正下方是否有障礙物。2.3.2故障處理出現故障的情況有很多,這里舉兩個典型案例。①電源故障雷達接線室包括兩條電源線和兩條信號線。電源14PROCESS結束語雷達最初只作為軍事用途,現在它已被廣泛應用(下轉第18頁)AUTOMATIONINSTRUMENTATIONVoL30No.12Decemeber2009萬方數據工業無線傳感器網絡管理模式的研究左蕓,等上加入了冗余網關以防止網絡負載過重而提早癱瘓,WIA.PA則采用層次型網絡,使其能應用于大規模的網絡。3.2評價標準無線傳感器網絡管理的目標是優化網絡的資源配置、降低網絡系統的成本、延長網絡的生命周期,最終提供持續穩定的服務,從而滿足應用的業務需求。其主要涉及到網絡的能量管理、網絡通信安全性、拓撲管理、QoS支持。在工業現場這個特殊的應用場合,對無線傳感器網絡管理模式的評價標準主要包括以下幾點:能源有效性、生命周期、時間延遲、感知精度、可擴展性和網絡安全。工業現場環境惡劣、干擾較多,并且對網絡的可靠性挑戰較大。同時,網絡規模的擴大會致使數據傳輸可靠性和實時性的降低。如何在保證網絡規模擴大的同時,還能保證數據傳輸的可靠性和實時性,這對我們來說是一個很大的難題。實時性和能耗也存在相互制約的關系。能量消耗的減少往往伴隨數據傳輸延遲的增加,節能和延遲的權衡關系已經成為無線傳感器網絡的研究重點。在集中管理方式中,網關往往成為研究的熱點問題。網關附近的節點往往因為能量消耗過快而造成較早失效,從而致使整個網絡癱瘓。在層次管理模式中,簇首承擔了數據處理和傳輸的任務。如果層次管理模式采用固定簇首,整個網絡能量消耗不均衡也會致使網絡生命周期的縮短。理模式,使得無線傳感器網絡的資源配置得到優化、網絡系統的成本得以降低、網絡的生命周期得以延長,其提供的服務質量持續且穩定。但是現在對網絡管理模式的研究仍然停留在定性階段,還需要繼續定量研究,即通過建模觀察網絡行為和獲得的參數特性,大致確定每一種管理模式的適用條件,并對算法進行改進,從而提出一種基于不同網絡規模和使用場合的網絡管理模式。參考文獻[1]HARTCotmmnieation2007:2—5.Foundation.mRT7overviewandsummary[s].[2]IEC.Industrialcommunicationnetworksfieldbnsspecifications—WIA.隊?ⅪammnicationnetworkandcommunicationAAprofile[S].2008:l-2.management[3]RuizLB,NoqueiraJM,LoureimF.MANNA:aarchitectureforwireless㈣∞rnetworks[J].IEEECommunicationsMagazine.2003,41(2):116—125.[4]李建中,李金寶,石勝飛.傳感器網絡及其數據管理的概念、問題與進展[J].軟件學報,2003,14(10):1717—1727.[5]BiswasJ,BaraiM,NandySK.Efficienthybridmulticastroutingprotocolforad?hocwirelessofnetworks[C]∥LCN2004:Proceedings29thAnnumIEEEInternationalConferenceonLoacalComputerNetworks,Tampa,USA:IEEE,2004:180—187.[6]ChenWenli,JainN,SinghS.ANMP:ad—heconnetworkmanagementprotocol[J].IEEEJournal1999,17(8):1506—1531.SelectedAreasofCommunications.[7]ZigBeeAlliance.ZisbeeI.0specification[S].2005:19—21.[8]GislasonD,GillmanT.ZigBeewirelesssengornetworks[J].Soft.wareToolsfortheProfessionalProgrammer,2004,29(11):38—40.[9]HARTCommunicationFoundation.WirelessHART“teehnicaldata4結束語無線傳感器網絡在工業中的應用受到越來越多人的青睞,但對無線傳感器網絡管理模式還有待進一步研究;并且在不同領域的應用中,網絡管理模式必須要考慮因地制宜。我們期望通過提出無線傳感器網絡管sheet[S].2007:1—2.[10]DustNetworks.Technicaloverviewofthetimes”chronizedmeshprotocol(TSMP)[EB/OL].[2006一06—20].http://www.dust.networks.com/cms/sites/default/files/TSMP_Whitepaper.pdC[11]彭瑜.無線HART協議——一種真正意義上的無線短程網協議的概述和比較[J].儀器儀表標準化與計量,2007(5):31—37.(上接第14頁)于交通和儀表行業,并起著舉足輕重的作用。特別是雷達液位計在灌區液位的測量,它與石油化工自動化相結合,它不僅實現了精確計量,而且也簡化了整個工藝的流程,提高了生產效率。相信雷達液位計將會取代傳統的機械和低精度的電子測量,成為物位測量自動化的主要儀表。參考文獻[1]陸石輝,邱瑞鑫,黃少先.淺談雷達液位計及其構成的液位測量系統[J].中國水能及電氣化,2007(10).上的應用[J].甘肅科技,2006,22(12):25—26.[3]彭晶.雷達液位計及其應用[J].化肥設計,2000(3):45—49.[4]厲玉鳴.化工儀表及自動化[M].北京:化學工業出版社,1985:30一36.[5]邵惠鶴,潘日芳.化工生產過程計算機控制[M].北京:化學工業出版社。1988:45—48.[6]張蘊端.化工自動化及儀表[M].上海:華東化工學院出版社,1990:
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