LNG 槽车装车控制系统设计

贺 耿 王新良 张德均 王 正

1.连云港远洋流体装卸设备有限公司，江苏 连云港 222062；

2.新疆新捷股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000

0 前言

随着近两年我国LNG 接收站和液化厂项目的大规模建设，LNG 产量和销量不断增大，而LNG 从接收站和液化厂到中小型用户的运输只能通过LNG 槽车实现。对于装车量比较大的槽车装车站，装车位较多，车辆进出频繁，操作人员工作强度大，且进出场站人员繁杂，存在安全隐患。因此需要设计一套控制系统规范和监控装车作业，自动记录每一个作业节点数据，并自动完成数据统计和报表服务，减小人员劳动强度，提高装车效率。

1 LNG 槽车装车控制系统组成

LNG 槽车装车控制系统由现场装车橇、串口服务器、控制机、业务机、地秤系统、通讯网络等组成，系统结构见图1。控制系统中的装车橇用于现场装车控制；串口服务器用于装车橇的RS485 总线信号和控制机的工业以太网转化间的转换；控制机（位于装车控制室）通过串口服务器监控现场装车橇运行状态，向装车橇发送装车命令和数据，接收装车橇的运行数据和报警信息，及时显示在装车控制机的屏幕上，同时将数据存储在数据库中；业务机安装在业务室，位于装车区出入口附近，业务机和控制机采用工业以太网连接，并通讯连接地秤，负责客户登记和槽车的秤重，同时业务机还控制地秤前后的红绿灯，用于槽车上地秤和下地秤的指示。

对于1 500 t/d 以上销售量的槽车装车站，每天装车作业量大，对系统的安全性要求高。系统设置两套业务机和地秤来提高槽车过秤速度，根据计量原则，槽车过秤要求进出同秤；同时设置两台热备份的控制站，保证数据的可靠性；业务机和控制机之间铺设两条通讯光纤，分别埋地和电缆桥架铺设，减少意外损坏对装车控制系统的影响。

2 槽车装车流程设计

槽车装车流程包括了LNG 槽车从进入到离开装车站的全过程，包括本地控制和远程控制两种装车流程。本地装车控制流程是指槽车装车站没有配置上位管理系统（控制机和业务机）的情况下，装车橇和地秤系统独立运行，装车时操作人员直接在装车橇的批量控制器上输入预装车量，批量控制器按照工艺流程完成装车，地秤系统独立完成秤重过程，槽车进出装车站完全靠人工调度；远程装车控制流程则是指槽车装车站配置上位管理系统，地秤系统作为控制系统的一部分，将有关装车作业纳入到一套控制系统进行控制，下面重点说明远程控制装车流程，其步骤为：

图1 LNG 槽车装车控制系统结构图

a）客户首先到装车业务室，在业务机上录入客户单位、车号、预装车量等，槽车过地秤，称出皮重，发IC卡给槽车司机，槽车司机开车离开地秤，前往指定装车台，以上信息在业务电脑上形成一条最初客户纪录，并将数据上传控制机。

b）槽车司机开车到指定装车橇位置，按要求停放好槽车，放置好车轮限位块，连接好槽车和装车臂。

c）槽车司机将IC 卡交给现场装车操作人员，现场操作人员到对应的装车橇上刷卡，装车橇的IC 卡读卡器将把IC 卡信息上传控制机，控制机按照IC 卡信息在数据库中找到对应客户记录和预装车量，将预装车数量下发到装车橇上的批量控制器，现场操作人员核对预装车量和槽车车型是否配套，若配套则在批量控制器按“启动”键，系统按照装车橇的工艺程序进行装车作业。装车过程中控制机监控装车过程并记录数据。

d）现场装车作业结束，完成氮气吹扫后，槽车司机断开装车臂和槽车连接法兰，装车臂归位，控制机将数据写入对应的客户记录。

e）槽车司机取出车轮限位块，槽车离开装车台，回到装车业务室地秤上，交回IC 卡并刷卡，业务机从控制机数据库读出对应的客户记录，同时槽车过地磅，称出毛重，计算净重，比对流量计和地秤的数据，如果在误差范围内，将数据写入数据库对应客户记录中，打印包括客户信息、装车量的提货单（四联单：存根、发货、客户、出门证）。

f）槽车到装车站出口，交验出门证后离开装车站，装车作业结束。

3 设备及仪表说明

3.1 装车橇

装车橇是LNG 槽车装车的专用设备，其内部包括了质量流量计、静电接地控制器、压力变送器、温度变送器、流量控制阀、气动切断阀、批量控制器等仪表，装车橇到达用户装车现场后，连接地角螺栓、工艺管线、通讯和供电线路就可以使用［1］。装车橇的设计压力1.40 MPa，液相操作压力0.6～0.7 MPa，气相操作压力0.01～0.3 MPa；设计温度-196～60 ℃，操作温度-162～60 ℃［2］，装车正常流量60 m3/h，最大流量80 m3/h［3］。批量控制器是装车橇的控制核心，主要由一台小型PLC、现场显示器、键盘、电源和防爆壳体组成，它接收流量计信号，控制阀门开度，按照装车工艺依次完成氮气置换、系统预冷、快速、定量装车和LNG残液吹扫等功能。批量控制器采用RS485/MODBUSRTU 通讯总线与串口服务器连接，通过串口服务器将装车信息、阀门状态和仪表数据实时上传控制机，用于控制室对装车橇的监控［4］，主要数据见表1。

表1 装车橇通讯数据表

3.2 控制机和业务机

3.2.1 配置说明

控制机安装在装车控制室，是控制系统核心，通过串口服务器和网络交换机与现场装车橇通讯，向装车橇发送装车命令和数据，接收装车橇的运行数据，监控装车过程，控制机内建立系统数据库，存储客户信息、装车和秤重数据、报警数据。控制机通过数据库连接外部ERP 系统，使装车系统成为全厂性管理系统的子系统。业务机安装在业务室（或开票室），通过网络交换机与装车控制机连接，作为装车控制机的终端，负责业务登记和秤重功能，将客户记录和地秤数据发送到控制机系统数据库进行存储。

控制机和业务机采用工作站级品牌计算机，按照当前主流配置，要求计算机稳定可靠，操作软件采用Windows 平台，控制机软件采用组态软件，保证软件的实时性和可靠性，业务软件采用有装车控制系统成熟经验的厂家产品，保证业务软件功能完善，并具有良好的操作性。

3.2.2 主要功能

a）业务登记。操作员在业务机上对装车槽车进行登记，录入客户单位、车号、货物品名、货物密度、预装车量等信息，在控制电脑形成客户记录，该记录为装车作业建立了最初档案，并将客户记录写入控制机的数据库中。

b）装车工艺监控。控制机软件设置装车工艺流程画面，实时将装车数据显示在工艺流程画面上，装车数据包括阀门、流量、累积量、温度、压力及静电接地状态。

c）报警监控和记录。装车过程中出现报警信息，实时在控制机屏幕上弹出报警框，提醒操作人员进行处理，并将报警信息存储在数据库中，便于以后查询。

d）计量管理。装车前业务机对槽车秤皮重，装车后对槽车秤毛重，得到净重，同时从控制机数据库中读出流量计计量数据，二者对比，在误差范围内，将净重写入装车控制机数据库中；超过了误差范围，业务软件系统报警，操作人员上报管理部门排查原因。

e）数据库管理。控制机内设置开放式数据库，按照客户记录存储装车过程数据，分为历史数据库和实时数据库，支持远程访问，便于连接ERP 或MIS 系统。

f）统计报表。包括发货统计、日志管理、数据备份等内容，可按日期、货物品名、客户单位、车号、提单号码、提货单位等内容进行单独或组合查询和统计，并可打印各种报表。

g）定制提货单和报表格式。每个接收站或液化厂都有自己的业务管理模式，对提货单和报表的内容及编排要求不同，系统软件应及时满足不同客户需要。

h）权限设置和操作人员管理。控制软件设置操作员级、工程师级和管理级等三级权限，对不同操作人员设置不同的权限，每个操作人员只能在自己的权限范围内进行操作。为每个操作人员设置用户名和密码，建立操作日志和操作记录，实现对操作人员的监控。

i）参数设定功能。依据权限进入设定系统，可对通讯参数、控制软件参数、装车橇运行参数进行修改。

3.3 地秤系统

地秤系统包括地秤、地秤二次表和交通绿灯。由于装车橇内的质量流量计在LNG 装车计量过程中存在误差，目前通用的装车计量都采用地秤方式，地秤二次表采用RS485 总线连接业务机，在业务机上完成自动秤重。地秤前后安装交通绿灯，用来指示上下地秤，并由业务机自动控制，当地秤空闲时，将交通绿灯点亮，槽车上地秤，交通绿灯熄灭，操作人员在业务机上秤重完毕，交通绿灯重新点亮，允许槽车离开地秤。秤重时槽车司机必须离开车辆，在地秤外等候。

目前国内运输槽车最大为20 t LNG 半挂式槽车，罐容为51 m3，车长约为16.5 m，按照此条件，地秤设计参数如下：额定称量定位为60 t，检定分度值为20 kg，秤重精度为OIML Ⅲ级，允许通过的安全轴载为40 t，最大安全过载为125%，台面尺寸为18 000 mm（长）×3 400 mm（宽），台面结构全钢为3 节秤台结构，基础形式为浅基坑，秤台防护等级为IP68 室外工作；供电为220 V、50 Hz；通讯为RS485/MODBUS-RTU。

地秤结构必须符合我国现行的《钢结构设计规范》相关要求：秤体钢材应选用符合国家标准的优质结构钢材；秤体整体刚性应优于1/1 000，以满足高频次和重载的使用，满足高精度的计量要求；焊缝应采用自动焊，焊缝表面应光滑平整；应具有良好的耐腐蚀性能；基坑必须考虑排水措施［5］。

3.4 IC 卡管理

IC 卡采用非接触式射频识别IC 卡，符合ISO 10536系列标准，装车系统中的IC 卡只是一个身份识别码，装车数据并没有存储在IC 卡中。首次发卡时仅将卡号和数据库中客户数据对应起来，系统后续的刷卡是按卡号读取数据库数据或向数据库填写新的数据。这种将数据存在数据库的方法比直接存储在IC 卡上的方法更安全。

4 销售业务与装车作业

通常LNG 接收站或者液化厂的销售业务和装车作业属于两个部门，装车前客户先到销售部门预交货款，销售单上的购买货物数量要稍大于预装车的数量，销售部门为客户出具销售单，客户凭销售单来到装车站业务机处进行装车业务登记，装车结束后凭装车站出具的提货单回到销售部门，销售部门按照提货单的实际装车量进行结算。销售部门按当天的库存量进行销售，销售单必须是一车一单，当天的销售单当天装完，当天没有装完的，第二天应重新开具销售单，每天装车作业结束后，销售部门和装车部门要及时核对当天的装车数量，便于销售和生产管理［6］。

5 与DCS 系统的通讯

装车控制系统通过工业以太网和DCS 系统通讯接收装车橇的运行数据，将装车过程中的装车状态、阀门状态、流量、温度和压力数据上传至中控室DCS系统，上传数据见表1。DCS 系统只监视装车橇现场装车数据，不向装车橇下发命令和数据，装车橇的控制功能完全由系统内的控制机完成。如果厂站的规模较小，没有专门的装车控制室，则可取消系统内的控制机，在DCS 系统内建立数据库。DCS 系统直接和业务机数据交换，由DCS 完成对装车橇下发装车命令和数据；或者将控制机放到中控室，取消DCS 系统和装车系统通讯连接，DCS 在中控室对装车系统的监控功能由控制机实现。

6 特殊情况下装车作业

LNG 厂站都配置ESD（或者SIS）系统，保证厂站的运行安全，在装车系统的装车橇面板、装车区域和控制室都配置了ESD 系统紧急停按钮，ESD 系统直接控制系统内的装车切断阀，如果发生紧急情况，ESD系统直接关闭系统内的装车阀门，停止作业。但为了提高装车效率，装车控制系统的设计应考虑部分设备失效情况下系统还能够进行装车作业：

a）控制机和业务机之间通讯故障。启动业务机内设计本地数据库，将装车数据存储于本地数据库内，现场装车橇采用本地方式进行装车作业，控制机还能够记录不带客户信息的装车数据，对装车效率影响小。

b）控制机和装车橇之间通讯故障或控制机自身故障。启动业务机内备份的本地数据库，将槽车数据存储于本地数据库内，现场装车橇采用本地方式进行装车作业，控制机不能记录任何装车数据，对装车效率影响小。

c）业务机故障。手动称槽车皮重、毛重并制单，现场装车橇采用本地方式进行装车作业，控制机还能够记录不带客户信息的装车数据，对装车效率影响较大。

d）装车橇故障。系统配置多台装车橇，单个装车橇故障不会影响其它装车橇以及系统的正常工作，对装车效率影响小。

e）地秤故障。需要借助外部地秤，业务机手动输入槽车皮重及毛重，对装车效率影响大。

7 结论

LNG 槽车装车控制系统已成为LNG 厂站信息自动化的重要组成部分，并在中国石油江苏液化天然气公司和中国石油大连液化天然气公司成功投用。LNG槽车装车控制系统将自动化仪表技术、计算机控制技术、网络及通讯技术和装车工艺有机结合起来，融合了装车控制和销售管理内容，实现了LNG 装车的分散控制和集中管理功能，减小了劳动强度，减少了安全隐患，提高了装车效率，确保生产安全。

［1］贺 耿，王 正，包光磊.LNG 槽车装车系统的技术特点［J］.天然气与石油，2012，30（4）：11-14.He Geng，Wang Zheng，Bao Guanglei.Technical Characteristic of LNG Truck Loading System［J］.Natural Gas and Oil，2012，30（4）：11-14.

［2］顾安忠.液化天然气技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2010.284-345.Gu Anzhong.Technical Manual of Liquefied Natural Gas［M］.Beijing：China Machine Press，2010.284-345.

［3］NFPA 59A-2011，液化天然气（LNG）生产储存和装运标准［S］.NFPA 59A-2011，Standard for the Production，Storage，and Handling of Liquefied Natural Gas（LNG）［S］.

［4］廖志敏，杜晓春，陈 刚.LNG 的研究和应用［J］.天然气与石油，2005，23（3）：28-31.Liao Zhimin，Du Xiaochun，Chen Gang.Investigation and Application of LNG［J］.Natural Gas and Oil，2005，23（3）：28-31.

［5］熊光德，毛云龙.LNG 存储和运输［J］.天然气与石油，1999，23（2）：17-20.Xiong Guangde，Mao Yunlong.Storage and Conveyance of LNG［J］.Natural Gas and Oil，1999，23（2）：17-20.

［6］杜光能.LNG终端接收站工艺及设备［J］.天然气工业，1999，19（5）：82-86.Du Guangneng.Technology and Equipment for LNG Receiving Terminal Station［J］.Natural Gas and Oil，1999，19（5）：82-86.