1 外貼式超聲波水位計(jì)原理與應(yīng)用

石化領(lǐng)域儲(chǔ)罐應(yīng)用的液位開關(guān)有多種形式，如下超聲波式、浮力式、音叉式、壓力式、浸入式、電容式等，其中的大多數(shù)是接觸式 [2] 。工業(yè)萘在升溫后屬極易揮發(fā)性物質(zhì)，揮發(fā)的萘凝固在罐頂儀表連接口處，導(dǎo)致接觸式液位計(jì)都無法正常工作。因此工業(yè)萘儲(chǔ)罐需要一種非接觸式的，且儲(chǔ)罐不能開孔插入式的特殊液位開關(guān)，而外貼式超聲波水位計(jì)滿足這些特殊要求，適合工業(yè)萘類物料儲(chǔ)罐液位的測(cè)量。

1.1 外貼式超聲波水位計(jì)工作原理

檢測(cè)超聲波水位計(jì)的方法有脈沖回波法、共振法、頻差法和聲衰減法，zui為廣泛使用的是脈沖回波法 [3] 。超聲波被環(huán)繞并反射到罐壁，不受氣泡、壓力等各種因素的影響?？梢杂帽旧淼奶筋^發(fā)射的高頻超聲波脈沖通過罐壁，脈沖傳播信號(hào)和在罐壁和液體表面進(jìn)行反射，通過檢測(cè)和計(jì)算這些反射的特征信號(hào)，確定在儲(chǔ)液罐的檢測(cè)點(diǎn)是否有物料，檢測(cè)液體液位的同時(shí)發(fā)出報(bào)警，此時(shí)液位開關(guān)將繼電器產(chǎn)生的信號(hào)輸出到 PLC 過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液位聯(lián)鎖控制。

1.2 外貼式超聲波水位計(jì)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

外置式超聲波水位計(jì)不直接接觸物料，和溫度、密度等沒有關(guān)系，測(cè)量時(shí)不會(huì)對(duì)物料的泡沫產(chǎn)生影響，保證工作的可靠性?？梢耘渲贸筛魇教筋^，不僅測(cè)量常溫、常壓甚至高壓儲(chǔ)罐，而且還能應(yīng)用于對(duì)質(zhì)量要求嚴(yán)格苛刻的物料儲(chǔ)罐。為測(cè)量厚壁儲(chǔ)罐液位報(bào)警，液位開關(guān)測(cè)量厚度＜60 mm。非接觸式液位開關(guān)安裝在罐外壁，不用動(dòng)火作業(yè)，不用對(duì)儲(chǔ)罐開孔，安裝費(fèi)用低，施工安全，不需要生產(chǎn)停車運(yùn)行就能安裝維護(hù)及使用。安裝方式基本都是磁力吸附或膠粘。這種開關(guān)的重復(fù)性及穩(wěn)定性高，很少產(chǎn)生誤報(bào)警。沒有傳動(dòng)部件，可以做到無腐蝕、無磨損，使用壽命長(zhǎng)。環(huán)境的溫度可以高至 300 ℃，與壓力無關(guān)。如果裝有復(fù)合探頭的還能自動(dòng)校準(zhǔn)、免調(diào)試 [4] 。結(jié)合工業(yè)萘的物理特性實(shí)際要求，選用西安定華儀表的外貼式超聲波水位計(jì)，圖 1 所示為液位開關(guān)安裝示意。

2 儲(chǔ)罐 PLC 參數(shù)設(shè)計(jì)

整個(gè)工業(yè)萘罐區(qū)的生產(chǎn)過程采用 PLC 控制，對(duì)罐體壓力、溫度、液位參數(shù)，進(jìn)行設(shè)置聲光報(bào)警以及聯(lián)鎖系統(tǒng)。因?yàn)閮?chǔ)罐是“兩重點(diǎn)一重大”（重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化學(xué)品、重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝、危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源），危險(xiǎn)化學(xué)品的儲(chǔ)罐進(jìn)行重大危險(xiǎn)源辨識(shí)和計(jì)算后，確定工業(yè)萘儲(chǔ)罐為二級(jí)重大危險(xiǎn)源。危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP）后，確定工業(yè)萘儲(chǔ)罐安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) SIL2級(jí)，為進(jìn)一步提高罐區(qū)的本質(zhì)安全性，保證安全生產(chǎn)，防止事故發(fā)生，設(shè)置 PLC 安全儀表控制系統(tǒng)，一旦儲(chǔ)罐出現(xiàn)安全事故狀況時(shí)，PLC 系統(tǒng)瞬間進(jìn)行準(zhǔn)確的動(dòng)作，將生產(chǎn)過程安全停止，或是自動(dòng)進(jìn)入安全狀態(tài)，為工業(yè)過程中更為重要的安全控制措施 [5] 。

2.1 主要控制參數(shù)

儲(chǔ)罐 PLC 控制系統(tǒng)中，罐內(nèi)物料的溫度和壓力、液位是關(guān)鍵控制的參數(shù)。由于工業(yè)萘罐因?yàn)樯a(chǎn)工藝裝置輸送來的物料流量變動(dòng)，能夠發(fā)生原料被泵抽干，或者是物料裝滿儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)，所以PLC 控制的核心數(shù)據(jù)就是工業(yè)萘罐的液位，檢測(cè)裝置和獨(dú)立的設(shè)置取樣點(diǎn)，采用外貼式超聲波水位計(jì)和外貼式超聲波液位計(jì)兩種液位傳感器，共同構(gòu)成“二選二”的連鎖，液位開關(guān)和液位計(jì)分別設(shè)置成高高液位報(bào)警，將兩者的信號(hào)發(fā)送到 PLC 控制系統(tǒng)，只要 2 個(gè)都達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)送出信號(hào)進(jìn)行緊急事故聯(lián)鎖。設(shè)置的緊急事故切斷和聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料閥門都采用冗余電磁閥，為分別帶 2 個(gè)電磁閥的開關(guān)閥，系統(tǒng)正常操作條件下帶電，聯(lián)鎖啟動(dòng)時(shí)將不帶電。PLC 控制系統(tǒng)的邏輯包括冗余輸入信號(hào)的各類偏差報(bào)警，其中包括 2 個(gè)變送器信號(hào)的偏差，信號(hào)報(bào)警值設(shè)定在 5%。

2.2 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC 系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行器，按照故障安全型設(shè)計(jì)，可以和 DCS 之間進(jìn)行通信，但 DCS（Distribution Control System 分散控制系統(tǒng)）。不能將數(shù)據(jù)寫入 PLC 系統(tǒng)，避免出現(xiàn) PLC 控制系統(tǒng)與 DCS 控制系統(tǒng)之間的連接信號(hào)產(chǎn)生錯(cuò)誤。PLC 控制系統(tǒng)配備獨(dú)立的控制機(jī)柜、工程師站、操作員站、獨(dú)立通信網(wǎng)、冗余雙電源等。PLC 控制系統(tǒng)所用的軟件硬件都是官方版本，取得國家防爆、計(jì)量等強(qiáng)制性認(rèn)證。

儲(chǔ)罐 PLC 控制系統(tǒng)聯(lián)鎖控制流程見圖 2，LSA 的儀表點(diǎn)是一個(gè)外置式液位開關(guān)，LISA 儀表點(diǎn)是一個(gè)外置式液位計(jì)。PLC 系統(tǒng)聯(lián)鎖控制：當(dāng)工業(yè)萘儲(chǔ)罐外貼液位開關(guān)和外貼液位計(jì)的液位都高于設(shè)定值時(shí)，PLC 系統(tǒng)聲光報(bào)警，同時(shí)送出兩路開關(guān)量聯(lián)鎖信號(hào)至執(zhí)行器電磁閥，聯(lián)鎖關(guān)閉儲(chǔ)罐進(jìn)料切斷閥停止向儲(chǔ)罐內(nèi)進(jìn)料，防止儲(chǔ)罐液位繼續(xù)升高，引發(fā)冒罐風(fēng)險(xiǎn)；也可手動(dòng)停止工業(yè)萘儲(chǔ)罐的緊急停車按鈕，此時(shí)聯(lián)鎖動(dòng)作關(guān)閉儲(chǔ)罐進(jìn)料切斷閥，系統(tǒng)緊急停車。工業(yè)萘儲(chǔ)罐 PLC 控制系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯見圖 3。

用非接觸式外貼超聲波水位計(jì)和液位計(jì)報(bào)警裝置，同時(shí)采用 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，避免罐上開孔及動(dòng)火焊接作業(yè)，減少有害危險(xiǎn)物質(zhì)的泄漏和爆炸的概率。PLC 控制系統(tǒng)工作可靠，使用方便，維護(hù)量少，提高了安全性能。PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢并投入使用，工業(yè)萘罐的安全性顯著提升，生產(chǎn)過程不會(huì)出現(xiàn)由于PLC 控制系統(tǒng)誤動(dòng)作導(dǎo)致的工業(yè)萘罐緊急停車、影響裝置生產(chǎn)的故障。

3 結(jié)語

伴隨著儀器儀表行業(yè)的快速發(fā)展，化工裝置項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，尤其在儲(chǔ)罐液位測(cè)量領(lǐng)域，非接觸式液位儀表得到廣泛應(yīng)用 [6,7] 。PLC 控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域特殊的安全保障制度，嚴(yán)格按照安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范設(shè)計(jì)，尤其是在設(shè)備的設(shè)計(jì)、選型、使用、維修中，儀器的設(shè)計(jì)和選擇必須充分考慮裝置的穩(wěn)定性和操作現(xiàn)場(chǎng)的安全。

本項(xiàng)目從工程設(shè)計(jì)到實(shí)際應(yīng)用，工業(yè)萘罐的超聲波水位計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定，PLC 控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作維修方便，根據(jù)罐區(qū)裝置的生產(chǎn)實(shí)際，采用多種綜合安全性和可靠性措施，保證系統(tǒng)安全功能的實(shí)現(xiàn)，保證工業(yè)萘罐長(zhǎng)周期穩(wěn)定生產(chǎn)。