一种用于LNG加注船的计量计费控制装置及控制方法
技术领域
本发明属于LNG装卸控制系统领域，具体涉及计量计费控制领域，特别是一种用于LNG加注船的计量计费控制装置及控制方法。
背景技术
目前，LNG加注船的计量计费控制系统是由控制器、计量仪表(如流量计)、动作仪器(如阀门、泵机)、上位电脑组成。LNG卸料过程中，计量方式是使用输送管线上配置的流量计进行流量监测，经过换算后得出装卸料的体积或质量。人员通过实际装卸料的结果进行费用结算。
LNG船加注或卸料的控制方式是：人员利用独立的控制模块如PLC等，根据特定的安全操作规程对泵机、阀门进行控制。控制器对流量计的数据进行采集和换算，同时监测介质管线上的温度、压力信号，便于人员观察和记录。这种传统的加注方式存在以下问题：依赖经验，分时间改变管线阀门开度，对介质流速缺乏精确管控，容易造成危险事故，对加注的效率也没有合理规划。
总之，现有计量计费控制系统的硬件设备分散，造成一定的资源浪费，自动化程度不高，并且对现场的作业很大程度依赖于人员的经验和熟练程度。同时，对紧急情况的发生没有一套自动化的联锁控制，存在安全风险。
发明内容
本发明的目的在于克服现有LNG船计量计费系统存在的硬件设备单一分散、自动化水平低、安全性差等不足，提供一种LNG加注船的精确计量计费控制装置和控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于LNG加注船的计量计费控制装置，所述控制装置包括：
身份验证模块，用于验证是否为安全身份；
人机交互模块，包括：显示模块，用于显示所述控制装置以及由该控制装置控制的加注设备的所有工作状态及数据；操控模块，用于实现手动操控所述显示模块；
紧急控制模块，用于产生紧急切断所述控制装置、加注设备各部件动作的触发信号；
报警模块，用于监测所述加注设备加注过程以及所述控制装置运行过程中的所有异常信息，在监测到任意异常信息时进行声光报警；
PLC控制模块，用于在所述身份验证模块的验证结果为安全身份时唤醒所述人机交互模块；用于启动加注命令，接收所述操控模块的控制信息，并采集、换算所述加注设备中各计量计费仪表的数据，结合该数据和所述控制信息控制加注设备实现加注作业；用于接收操控模块产生的暂停加注设备信号，暂停加注命令；还用于接收紧急控制模块产生的触发信号或报警模块产生的报警信号，暂停加注命令的同时执行安全联锁动作。
进一步地，所述身份验证模块包括：一级验证单元，用于判断加注IC卡信息是否属于安全信息，若是，执行二级验证单元，反之判定为非安全身份；二级验证单元，用于判断输入的密码是否属于安全信息，若是，判定为安全身份，反之判定为非安全身份；
所述显示模块包括由操控模块操控的：数据录入单元，用于录入所述控制装置、加注设备的工作状态及数据；加注模式选择单元，用于选择加注设备的加注模式；加注设备启动单元，用于启动加注设备工作；加注设备暂停单元，用于暂停加注设备工作。
进一步地，所述加注模式包括：
定量加注模式：设定加注量，PLC控制模块判断设定的加注量是否超过加注IC卡余额换算后的加注量，若是，加注设备根据加注IC卡余额换算的加注量进行加注，否则加注设备根据设定的加注量进行加注；
定金额加注模式：设定加注金额，PLC控制模块判断设定的金额是否超过加注IC卡余额，若是，加注设备根据加注IC卡余额换算的加注量进行加注，否则加注设备根据设定的金额换算后的加注量进行加注；
自定义加注模式：PLC控制模块判断加注IC卡余额换算的加注量是否超过注满阈值量，若是，加注设备以所述注满阈值量进行加注，反之，加注设备以加注IC卡余额换算的加注量进行加注。
进一步地，所述PLC控制模块包括：
PLC控制器，用于接收处理其他模块传来的信号，实现自动化控制加注设备的加注作业过程；
电源防雷浪涌器，用于保护所述控制装置的电源线路避免雷击损坏；
信号防雷浪涌器，用于保护所述控制装置的信号线路避免雷击损坏；
继电器，用于隔离作业现场仪表的数字量信号，保护PLC控制器不受该数字量信号干扰；
开关电源，用于为所述控制装置中除PLC控制器之外的其余模块器件供电，同时为作业现场的仪表供电；
所述PLC控制器和开关电源由外部220V供电。
进一步地，所述PLC控制模块还包括用于控制加注设备实现加注作业的：
预冷模块，用于对LNG管线预冷，直至实际温度T0达到预设温度T；
分级加注模块，用于采用多段式流速控制方式控制加注设备进行分级加注。
进一步地，所述分级加注模块具体采用四段式流速控制方式控制加注设备进行分级加注，该模块包括：
一级加注单元，用于执行第一级加注，直至当前加注流量累积值m0达到第一加注量阈值m1，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v1-v0|≤ε1，v1为第一加注流速阈值，ε1为第一允许误差；
二级加注单元，用于执行第二级加注，直至当前加注流量累积值m0达到第二加注量阈值m2，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v2-v0|≤ε2，v2为第二加注流速阈值，ε2为第二允许误差；
三级加注单元，用于执行第三级加注，直至当前加注流量累积值m0达到第三加注量阈值m3，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v3-v0|≤ε3，v3为第三加注流速阈值，ε3为第三允许误差；
四级加注单元，用于执行第四级加注，直至当前加注流量累积值m0达到预设加注量mmax，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v4-v0|≤ε4，v4为第四加注流速阈值，ε4为第四允许误差；
上述m1＜m2＜m3＜mmax，v1,v4＜v3＜v2。
基于上述用于LNG加注船的计量计费控制装置的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1，身份验证模块对操作人员的身份进行安全验证，若验证通过，执行下一步；
步骤2，PLC控制模块唤醒人机交互模块；
步骤3，通过人机交互模块启动加注设备，并选择加注模式；
步骤4，PLC控制模块清除当前加注流量累积值m0，载入所选定加注模式下的预设加注量mmax；
步骤5，PLC控制模块启动加注命令，并检测报警模块是否产生报警信号，若是，则暂停加注命令并执行安全联锁动作，在故障消除后返回执行步骤4；否则执行下一步；
步骤6，对LNG管线预冷，直至实际温度T0达到预设温度T；
步骤7，采用多段式流速控制方式控制加注设备进行分级加注，在加注过程中由PLC控制模块实时监测是否出现加注结束条件，出现时由PLC控制模块暂停加注命令，结束加注。
进一步地，步骤7中所述加注结束条件包括：
第一结束条件：PLC控制模块监测到所述当前加注流量累积值m0达到预设加注量mmax；
或第二结束条件：PLC控制模块监测到所述操控模块产生暂停加注设备信号；
或第三结束条件：PLC控制模块监测到所述报警模块产生报警信号；
或第四结束条件：PLC控制模块监测到所述紧急控制模块产生触发信号；
进一步地，在出现所述第三或第四结束条件时，步骤7还包括由PLC控制模块执行安全联锁动作，切断加注设备各部件的动作。
进一步地，步骤7所述采用多段式流速控制方式控制加注设备进行分级加注，具体为采用四段式流速控制方式控制加注设备进行分级加注，具体过程包括：
执行第一级加注，直至当前加注流量累积值m0达到第一加注量阈值m1，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v1-v0|≤ε1，v1为第一加注流速阈值，ε1为第一允许误差；
执行第二级加注，直至当前加注流量累积值m0达到第二加注量阈值m2，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v2-v0|≤ε2，v2为第二加注流速阈值，ε2为第二允许误差；
执行第三级加注，直至当前加注流量累积值m0达到第三加注量阈值m3，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v3-v0|≤ε3，v3为第三加注流速阈值，ε3为第三允许误差；
执行第四级加注，直至当前加注流量累积值m0达到预设加注量mmax，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v4-v0|≤ε4，v4为第四加注流速阈值，ε4为第四允许误差；
上述m1＜m2＜m3＜mmax，v1,v4＜v3＜v2。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)将单一的硬件进行集成化开发，克服了各个设备独立分散的缺点；2)具有身份验证功能，提高了安全性；3)具有定额、定量、自定义三种加注方式，解决了LNG船加注领域一直以传统流量计进行计量、人员辅助换算方式的问题，丰富计费计量控制的功能，提高了加注方式的多样化，提升了LNG船的装卸效率和自动化水平；且能实现一键式加注，简化了操作流程，提升了智能化水平；4)具备工艺自动化监测与控制，解决了人员反复观察、操控的繁琐作业问题，节约人员成本和装卸时间；5)具备异常报警和急停操作等一系列安全联锁功能，在紧急情况下对现场设备进行安全联锁控制，为用户提供生命财产安全保障，提高了应急效率和安全系数；6)采用多段阶梯式的调节手段，实现LNG介质的分级加注过程，解决了传统依赖经验、分时间改变管线阀门开度的粗犷作业方式，避免了对介质流速缺乏精确管控进而造成危险事故的问题。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中用于LNG加注船的计量计费控制装置的组成结构框图。
图2为一个实施例中用于LNG加注船的计量计费控制装置的结构图。
图3为一个实施例中用于LNG加注船的计量计费控制装置各部件硬件连接框图。
图4为一个实施例中用于LNG加注船的计量计费控制装置各部件供电示意图。
图5为一个实施例中用于LNG加注船的计量计费控制方法的流程图。
图6为一个实施例中用于LNG加注船的计量计费控制方法的四阶段曲线图。
图7为一个实施例中用于LNG加注船的计量计费控制方法的控制策略图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种用于LNG加注船的计量计费控制装置，该控制装置包括：
身份验证模块，用于验证是否为安全身份；
人机交互模块，包括：显示模块，用于显示控制装置以及由该控制装置控制的加注设备的所有工作状态及数据；操控模块，用于实现手动操控显示模块；
这里，示例性地，操控模块通过触摸显示模块方式或外设设备控制方式实现操控显示模块，由此操控模块可以采用触摸笔或键盘等。
紧急控制模块，用于产生紧急切断控制装置、加注设备各部件动作的触发信号；
报警模块，用于监测加注设备加注过程以及控制装置运行过程中的所有异常信息，在监测到任意异常信息时进行声光报警；
这里，异常信息包括流速异常、温度异常、压力异常、静电异常等所有影响LNG加注船作业的环境因素异常。
这里，示例性地，声光报警由LED灯、蜂鸣器等实现。
PLC控制模块，用于在身份验证模块的验证结果为安全身份时唤醒人机交互模块；用于启动加注命令，接收操控模块的控制信息，并采集、换算加注设备中各计量计费仪表的数据，结合该数据和所述控制信息控制加注设备实现加注作业；用于接收操控模块产生的暂停加注设备信号，暂停加注命令；还用于接收紧急控制模块产生的触发信号或报警模块产生的报警信号，暂停加注命令的同时执行安全联锁动作。
这里，安全联锁动作表示切断加注设备各部件的动作。在紧急情况下对现场设备进行安全联锁控制，为用户提供生命财产安全保障，提高了应急效率和安全系数
这里，优选地，各模块之间的通信线缆均设置于防爆挠性软管内。
进一步地，在其中一个实施例中，控制装置的每个模块均安装于防爆箱体内。
进一步具体地，在其中一个实施例中，上述身份验证模块和人机交互模块安装于同一防爆箱体内；紧急控制模块安装于一个防爆箱体内，PLC控制模块安装于一个防爆箱体内。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，结合图2，控制装置包括防护柜，该防护柜包括柜体3、柜门1和柜门锁2，控制装置还包括设置于柜体3内的身份验证模块9、采用LCD显示屏7的显示模块、采用键盘6的操控模块、采用急停按钮10的紧急控制模块以及PLC控制模块4，设置于柜体3外壁上的采用声光报警灯8的报警模块。结合图3，LCD显示屏7与PLC控制模块4通过网线连接，身份验证模块9与PLC控制模块4通过RS485线缆连接，急停按钮10与PLC控制模块4通过电气连接，声光报警灯8与PLC控制模块4通过电气连接，键盘6与LCD显示屏7通过USB端口连接。各模块之间的通信线缆均设置于防爆挠性软管5内。
这里，柜门1上在身份验证模块、显示模块、操控模块和紧急控制模块对应的部位设有开孔，在柜门锁2上锁的情况下便于操作和观察。
进一步地，在其中一个实施例中，上述身份验证模块包括：一级验证单元，用于判断加注IC卡信息是否属于安全信息，若是，执行二级验证单元，反之判定为非安全身份；二级验证单元，用于判断输入的密码是否属于安全信息，若是，判定为安全身份，反之判定为非安全身份。
这里，一级验证单元即为加注IC卡刷卡验证，二级验证单元为密码验证。
采用本实施例的方案，通过双重身份验证，提高了安全性。
进一步地，在其中一个实施例中，上述显示模块包括由操控模块操控的：数据录入单元，用于录入所述控制装置、加注设备的工作状态及数据；加注模式选择单元，用于选择加注设备的加注模式；加注设备启动单元，用于启动加注设备工作；加注设备暂停单元，用于暂停加注设备工作。
进一步地，在其中一个实施例中，上述加注模式包括：
定量加注模式：设定加注量，PLC控制模块判断设定的加注量是否超过加注IC卡余额换算后的加注量，若是，加注设备根据加注IC卡余额换算的加注量进行加注，否则加注设备根据设定的加注量进行加注；
定金额加注模式：设定加注金额，PLC控制模块判断设定的金额是否超过加注IC卡余额，若是，加注设备根据加注IC卡余额换算的加注量进行加注，否则加注设备根据设定的金额换算后的加注量进行加注；
自定义加注模式：PLC控制模块判断加注IC卡余额换算的加注量是否超过注满阈值量，若是，加注设备以所述注满阈值量进行加注，反之，加注设备以加注IC卡余额换算的加注量进行加注。
采用本实施例的方案，解决了LNG船加注领域一直以传统流量计进行计量、人员辅助换算方式的问题，丰富计费计量控制的功能，提升了LNG船的装卸效率和自动化水平。
进一步地，在其中一个实施例中，上述PLC控制模块包括：
PLC控制器，用于接收处理其他模块传来的信号，实现自动化控制加注设备的加注作业过程；
这里，示例性优选地，采用型号为S7-200 Smart的PLC控制器。
电源防雷浪涌器，用于保护所述控制装置的电源线路避免雷击损坏；
信号防雷浪涌器，用于保护所述控制装置的信号线路避免雷击损坏(各信号线缆通过信号防雷浪涌连接到PLC控制器)；
继电器，用于隔离作业现场仪表的数字量信号，保护PLC控制器不受该数字量信号干扰；
24V开关电源，用于为所述控制装置中除PLC控制器之外的其余模块器件供电，如图4所示，同时为作业现场的仪表供电；
结合图4，电源防雷浪涌器与外供电的L、N直接并联，PLC控制器和24V开关电源由外部220V供电。
进一步地，在其中一个实施例中，上述PLC控制模块还包括用于控制加注设备实现加注作业的：
预冷模块，用于对LNG管线预冷，直至实际温度T0达到预设温度T；
这里，示例性地，温度T一般设置为-120℃至-130℃。
分级加注模块，用于采用多段式流速控制方式控制加注设备进行分级加注。
进一步地，在其中一个实施例中，上述分级加注模块具体采用四段式流速控制方式控制加注设备进行分级加注，该模块包括：
一级加注单元，用于执行第一级加注，直至当前加注流量累积值m0达到第一加注量阈值m1，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v1-v0|≤ε1，v1为第一加注流速阈值，ε1为第一允许误差；
二级加注单元，用于执行第二级加注，直至当前加注流量累积值m0达到第二加注量阈值m2，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v2-v0|≤ε2，v2为第二加注流速阈值，ε2为第二允许误差；
三级加注单元，用于执行第三级加注，直至当前加注流量累积值m0达到第三加注量阈值m3，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v3-v0|≤ε3，v3为第三加注流速阈值，ε3为第三允许误差；
四级加注单元，用于执行第四级加注，直至当前加注流量累积值m0达到预设加注量mmax，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v4-v0|≤ε4，v4为第四加注流速阈值，ε4为第四允许误差；
上述m1＜m2＜m3＜mmax，v1,v4＜v3＜v2。
采用本实施例的方案，通过多段阶梯式的调节手段，实现LNG介质的分级加注过程，解决了传统依赖经验、分时间改变管线阀门开度的粗犷作业方式，避免了对介质流速缺乏精确管控进而造成危险事故的问题。
上述用于LNG加注船的计量计费控制装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，结合图5，提供了一种基于上述用于LNG加注船的计量计费控制装置的控制方法，该控制方法包括以下步骤：
步骤1，身份验证模块对操作人员的身份进行安全验证，若验证通过，执行下一步；
步骤2，PLC控制模块唤醒人机交互模块；
步骤3，通过人机交互模块启动加注设备，并选择加注模式；
步骤4，PLC控制模块清除当前加注流量累积值m0，载入所选定加注模式下的预设加注量mmax；
步骤5，PLC控制模块启动加注命令，并检测报警模块是否产生报警信号，若是，则暂停加注命令并执行安全联锁动作，在故障消除后返回执行步骤4；否则执行下一步；
步骤6，打开液相阀门对LNG管线预冷，直至实际温度T0达到预设温度T；
步骤7，采用多段式流速控制方式控制加注设备进行分级加注，在加注过程中由PLC控制模块实时监测是否出现加注结束条件，出现时由PLC控制模块暂停加注命令，结束加注。
进一步地，在其中一个实施例中，上述步骤7中加注结束条件包括：
第一结束条件：PLC控制模块监测到所述当前加注流量累积值m0达到预设加注量mmax；
或第二结束条件：PLC控制模块监测到所述操控模块产生暂停加注设备信号；
或第三结束条件：PLC控制模块监测到所述报警模块产生报警信号；
或第四结束条件：PLC控制模块监测到所述紧急控制模块产生触发信号；
进一步地，在其中一个实施例中，在出现上述第三或第四结束条件时，步骤7还包括由PLC控制模块执行安全联锁动作，切断加注设备各部件的动作。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图6，上述步骤7中采用多段式流速控制方式控制加注设备进行分级加注，具体为采用四段式流速控制方式控制加注设备进行分级加注，具体过程包括：
执行第一级加注，直至当前加注流量累积值m0达到第一加注量阈值m1，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v1-v0|≤ε1，v1为第一加注流速阈值，ε1为第一允许误差；
这里，设置v1值较小，该措施的益处在于加注初始进行小流速灌装，对装置内部及各个管线进一步预冷，解决大流速灌装LNG的造成瞬时蒸发、压力剧增的安全隐患，同时避免大流速造成的水击现象，设置的加注量m1使液位正好漫过加注管口，避免气化的天然气逆向排出；
执行第二级加注，直至当前加注流量累积值m0达到第二加注量阈值m2，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v2-v0|≤ε2，v2为第二加注流速阈值，ε2为第二允许误差；
这里，设置v2为一般情况下的正常加注流速，为全速加注流速；
执行第三级加注，直至当前加注流量累积值m0达到第三加注量阈值m3，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v3-v0|≤ε3，v3为第三加注流速阈值，ε3为第三允许误差；
这里，设置v3低于上述全速加注流速，为后期减速完成加注工作做准备；
执行第四级加注，直至当前加注流量累积值m0达到预设加注量mmax，在此过程中控制实际加注流速v0满足|v4-v0|≤ε4，v4为第四加注流速阈值，ε4为第四允许误差；
这里，考虑到加注量即将满足设定要求的加注值，设置v4值较小，控制过程开始慢速收尾，该措施的益处为，通过缓慢流速结束加注过程，能避免突然切断管线造成的压力隐患和冲击破坏，同时也使得加注量的收尾更加精准。
上述m1＜m2＜m3＜mmax，v1,v4＜v3＜v2。
进一步优选地，在其中一个实施例中，设置v4＜v1。
示例性优选地，在其中一个实施例中，设置v1＜1,v2＝3.3,v3＝2,v4＜1，单位为m/s，设置m1＝15％mmax，m2＝60％mmax，m3＝85％mmax，单位为m3。
结合图7，上述分级加注中的调速通过调节调节阀的开合实现，调速控制策略具体为：以第一级加注为例，当调节阀门的控制v0＞v1时，调节阀以1％/s的速率进行递减开度；当调节阀门的控制v0＜v1时，调节阀以1％/s的速率进行递增开度；当调节阀门的控制v0＝v1时，调节阀开度不变。该措施的益处在于，针对当前的控制要求不高的情况，这种方式比传统PID调节更加直接，实时性更好，控制策略也更加成熟可靠，解决了传统PID控制针对不同阀门性能、需要依赖于经验值不断调整比例P、积分I和微分D参数的问题，不再依赖各类控制器(如PLC等)的各有优劣的PID控制策略，避免加注前期反复测试造成安全隐患。
关于用于LNG加注船的计量计费控制方法的具体限定可以参见上文中对于用于LNG加注船的计量计费控制装置的限定，在此不再赘述。
综上，本发明能实现一键式安全加注作业，克服了各个设备独立分散的缺点，解决了传统人员反复观察、操控的繁琐作业问题，简化了操作流程，提升了智能化水平；且具备安全联锁控制，为用户提供生命财产安全保障，提高了应急效率和安全系数。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
