1 引言

目前，工業(yè)系統(tǒng)常用的液位計(jì)按工作原理主要分為直讀式、靜壓液位計(jì)、浮力式液位計(jì)、電氣式液位計(jì)、聲學(xué)液位計(jì)及激光液位計(jì)，各種類型的液位計(jì)應(yīng)用于不同的行業(yè)，特別是在油氣集輸儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中，石油、天然氣與伴生污水要在各種生產(chǎn)設(shè)備和罐器中分離、存儲(chǔ)與處理，物位的測(cè)量與控制，對(duì)于保證正常生產(chǎn)和設(shè)備安全是至關(guān)重要的，否則會(huì)產(chǎn)生重大的事故［1］ 。在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，液位計(jì)將液位信號(hào)通過(guò)各種方式轉(zhuǎn)化為直流電壓或電流信號(hào)，zui終被模擬量輸入模塊識(shí)別接收，作為測(cè)量顯示值或反饋量進(jìn)入閉環(huán)控制系統(tǒng)參與自動(dòng)控制，傳統(tǒng)的取值方式為單個(gè)設(shè)備取值，在閉環(huán)控制系統(tǒng)如果計(jì)量設(shè)備發(fā)生故障將導(dǎo)致所控制設(shè)備失控而發(fā)生事故，而通過(guò)二進(jìn)一出模擬量數(shù)據(jù)采集方法運(yùn)用于冗余式液位計(jì)數(shù)據(jù)采集及控制方法的引入解決了這一問(wèn)題［2］ 。

 

2 背景介紹

酒鋼選礦精礦脫水工序采用國(guó)內(nèi)冶金行業(yè)首次引入的 GPJ－120 加壓盤式過(guò)濾機(jī)，自動(dòng)控制系統(tǒng)為羅克韋爾 compacteLogix 系列產(chǎn)品，儲(chǔ)漿槽液位的穩(wěn)定控制是提高加壓過(guò)濾機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率的重要指標(biāo)。由于工況條件發(fā)生變化(原設(shè)計(jì)介質(zhì)為精煤，現(xiàn)濃度為60%鐵精礦)，儲(chǔ)漿槽液位控制經(jīng)常發(fā)生失準(zhǔn)現(xiàn)象，儲(chǔ)漿槽液位計(jì)是由 E+H 的 FM151 型導(dǎo)波式雷達(dá)液位計(jì)來(lái)測(cè)量液位的，利用液位測(cè)量反饋值控制入料泵變頻器頻率，以此達(dá)到儲(chǔ)漿槽內(nèi)液位穩(wěn)定的目的［3］ 。之所以選用此液位計(jì)是因?yàn)榧訅哼^(guò)濾機(jī)在工作狀態(tài)下是密閉和真空環(huán)境，對(duì)液位計(jì)有著較高的環(huán)境要求。該液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于可以用于真空，還可以用于zui 大 100 bar 的 過(guò) 壓，對(duì) 電 導(dǎo) 率 為100 μS/cm或更高的介質(zhì)，不需要標(biāo)定。然而，在實(shí)際應(yīng)用中由于液位計(jì)回波失真而導(dǎo)致的液位失控的事故經(jīng)常發(fā)生，給生產(chǎn)的連續(xù)性造成了很大的影響。為了解決上述問(wèn)題，引入了一種用于穩(wěn)定液位控制的冗余式液位計(jì)數(shù)據(jù)采集方法，此方法對(duì)于提高類似加壓過(guò)濾機(jī)復(fù)雜環(huán)境下的液位穩(wěn)定性有著重要意義，在其它特殊環(huán)境液位自動(dòng)控制有著重要的指導(dǎo)意義。

 

3 故障的原因及解決的方法

3．1 故障產(chǎn)生的原因

自投入生產(chǎn)以來(lái)，前期儲(chǔ)漿槽液位計(jì)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題為液位計(jì)入液部位(導(dǎo)波桿)掛漿較多影響液位的測(cè)量，需要周期性清理。加壓過(guò)濾機(jī)從開始啟機(jī)到運(yùn)轉(zhuǎn)正常過(guò)程中液位落差很大(一般為 300～680 mm 之間)，啟機(jī)時(shí)需要手動(dòng)將液位打到 360 mm 以上才能轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，由于受環(huán)境限制只能選用 FM151 型的液位計(jì)，該液位計(jì)有效測(cè)量高度為 L = 800 mm，屏蔽段長(zhǎng)度 L3 = 100mm，安裝不能太高或太低，太低會(huì)導(dǎo)致液位計(jì)表頭淹沒進(jìn)水或出現(xiàn)回波失真現(xiàn)象，太高會(huì)導(dǎo)致低液位無(wú)法精確測(cè)量和液位計(jì)無(wú)法安裝的現(xiàn)象存在。另外，液位計(jì)測(cè)量經(jīng)常發(fā)生失準(zhǔn)現(xiàn)象，此種情況和工況條件也有一定關(guān)系，由于加壓過(guò)濾機(jī)內(nèi)相對(duì)濕度大，且運(yùn)行時(shí)艙內(nèi)壓力變化很大，液位計(jì)安裝位置過(guò)低會(huì)導(dǎo)致液位測(cè)量進(jìn)入盲區(qū)范圍的現(xiàn)象存在 ［4］ 。單個(gè)液位計(jì)測(cè)量取值，對(duì)液位計(jì)的依靠太大，由于該加壓過(guò)濾機(jī)儲(chǔ)漿槽較小，入料泵單位時(shí)間內(nèi)打入的礦漿很多，一旦發(fā)生故障后無(wú)可靠的備用設(shè)備可供參考修正，導(dǎo)致加壓過(guò)濾機(jī)液位控制進(jìn)入失控狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，這也是導(dǎo)致故障頻發(fā)影響生產(chǎn)的重要因素［5］ 。

 

3．2 新方法可行性分析

通過(guò)對(duì)液位計(jì)性能參數(shù)分析，F(xiàn)M151 型液位計(jì)為輸出兩線制 4～20 mA 信號(hào)，測(cè)量值正常情況響應(yīng)時(shí)間為 t≤0．3 s，SIL 操作模式下 t≤ 0．5 s，如下圖 1所示。另外，通過(guò)對(duì)二進(jìn)一出模擬量采集系統(tǒng)模擬量輸入模塊采樣時(shí)間分析和模擬量輸入模塊數(shù)字濾波功能分析，完全可以達(dá)到工況液位調(diào)節(jié)的時(shí)間要求和采樣要求，因此對(duì)采樣和數(shù)據(jù)通訊無(wú)任何影響［6］ 。況且羅克韋爾系統(tǒng)模擬量輸入模塊有速率報(bào)警功能，當(dāng)兩個(gè)時(shí)間間隔的傳輸速率差值大于設(shè)定值時(shí)會(huì)報(bào)警提示，這樣保證了數(shù)據(jù)的快速傳輸。

4 具體實(shí)施方法

4．1 基本系統(tǒng)構(gòu)成

在加壓過(guò)濾機(jī)儲(chǔ)漿槽使用時(shí)，只需在原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造即可。該系統(tǒng)主要包括冗余液位計(jì)，二進(jìn)一出模擬量采集系統(tǒng)，控制模塊及供電系統(tǒng)。該方法在特殊環(huán)境效果明顯，特別是針對(duì)液位波動(dòng)大，環(huán)境因素相對(duì)苛刻而導(dǎo)致液位計(jì)故障頻發(fā)的區(qū)域，改造前后液位計(jì)安裝對(duì)比如圖 2 所示。

4．2 基本原理

用于穩(wěn)定液位控制的冗余式液位計(jì)數(shù)據(jù)采集及控制方法在于，兩個(gè)液位計(jì)安裝于不同的高度，通過(guò)兩進(jìn)一出的模擬量采集方法將液位采集到控制系統(tǒng)，將液位標(biāo)定一致，當(dāng)檢測(cè)到任意一個(gè)液位發(fā)生不確定波動(dòng)時(shí)，通過(guò)比較算法自動(dòng)切換到另一個(gè)液位計(jì)比較計(jì)算，如果正常的液位突然波動(dòng)則取值自動(dòng)調(diào)節(jié)，如果是液位計(jì)故障導(dǎo)致的突然波動(dòng)，通過(guò)報(bào)警提醒操作人員手動(dòng)切換到另一液位計(jì)進(jìn)入反饋調(diào)節(jié)狀態(tài)，在同一系統(tǒng)中相互標(biāo)定，當(dāng)檢測(cè)到液位波動(dòng)時(shí)報(bào)警提示并自動(dòng)脫離故障設(shè)備，這樣既保護(hù)了故障液位計(jì)不被溢出礦漿損壞，又保證了設(shè)備運(yùn)行的連續(xù)性和穩(wěn)定性，節(jié)省了故障處理時(shí)間，正常情況下由A 液位計(jì)反饋值控制，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到 A 液位計(jì)液位異常波動(dòng)時(shí)，通過(guò)控制程序進(jìn)行上位畫面報(bào)警提示并自動(dòng)切換至 B 液位計(jì)投入反饋控制液位。可通過(guò)兩個(gè)不同的模擬量輸入通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在下位程序中再進(jìn)行不同方法控制，以期實(shí)現(xiàn)不同工藝要求的控制。

 

4．3 該方法實(shí)施的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)該方法的實(shí)施，有效解決了運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)液位計(jì)回波失真而導(dǎo)致的礦漿外溢的生產(chǎn)事故，能夠通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)解決液位計(jì)讀數(shù)失準(zhǔn)的問(wèn)題，避免了液位計(jì)故障停機(jī)時(shí)間，有效提高了生產(chǎn)連續(xù)性。其次，該方法可運(yùn)用于復(fù)雜環(huán)境液位計(jì)失準(zhǔn)的環(huán)境，也可以用不同工作原理［7］ ，甚至不同型號(hào)的液位計(jì)進(jìn)行相互冗余標(biāo)定［8］ 。以此來(lái)消除不同環(huán)境下液位計(jì)選型的難點(diǎn)。

 

5 結(jié)語(yǔ)

隨著自動(dòng)化系統(tǒng)的不斷升級(jí)，生產(chǎn)設(shè)備連續(xù)性和密集性越來(lái)越高，在關(guān)鍵部位的關(guān)鍵設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題后往往導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線停滯，從而影響了生產(chǎn)運(yùn)行成本，這也成為制約企業(yè)發(fā)展的重要障礙，本文通過(guò)實(shí)際問(wèn)題的排查分析，結(jié)合相關(guān)設(shè)備理論研究試驗(yàn)，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)液位穩(wěn)定控制有著重要的借鑒意義。