基于模糊控制理论的HTG自动校验系统的

基于模糊控制理论的HTG自动校验系统的

大连理工大学

硕士学位论文

基于模糊控制理论的HTG自动校验系统的研究

姓名：于美荣

申请学位级别：硕士

专业：电子与通信工程

指导教师：刘晓东

20071201

基于模糊控制理论的HTG自动校验系统的

大连理工大学专业学位硕士学位论文

摘要

燃油被广泛的应用在各行各业，可靠、精确的油罐燃油计量是管理和商业交付的基

础。油罐计量的参数包括燃油的密度、液位、质量、体积、温度等。油罐计量系统长期

工作在较恶劣的工业环境下，有很多因素影响其精度和可靠性，会导致计量误差变大，

甚至使计量系统无法正常使用。目前国内在油罐计量技术方面，尤其是在燃油密度的计

量方面，计量的可靠性和精度难以达到要求，因此油罐计量系统的精度和可靠性一直是

计量工程师们关注的问题。

本次毕业设计针对计量系统存在的这一问题，设计了一套油罐综合计量发放系统。

燃油主要针对柴油，重点探讨了一种燃油密度误差的自动校验系统。在燃油密度自动校

验系统中，采用了静压力油罐计量系统Ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ

主要工作有以下几个方面的内容：ＴａｎｋＧａｕｇｉｎｇ（ＨＴＧ）的基本检测方案。

首先，压力检测系统长期漂移的自动校验。文中介绍了一种应用间接的给定值校验

方法～高度给定值法对压力检测值进行校验，主要针对ＨＴＧ系统压力传感器自动校验

的实现，内容包括计算过零点的漂移量和仪表满量程的漂移量，通过推理得到△办与卸

的关系，为此推导了一个理论模型。

其次，基于模糊控制理论的ＨＴＧ自动校验系统的实现。运用模糊控制理论的基本

方法对上述理论模型进行校验，关键是准确的确定△办与△ｐ之间的隶属度关系。建立系

统的ＦＵＺＺＹ模型的基本思想是将精确数据模糊处理，将原先通过精确量输入、输出的

数据描述系统的问题转换成一种由一系列控制规则表达的关系。并针对一个实例，建立

了一个ＦＵＺＺＹ模型，说明了通过模糊控制理论可以提高系统的测量精度。但是由于实

际影响检测精度的因素很多，模糊理论中算法和隶属度表都应该在实际中反复修改校

正。

再次，自动校验系统的仿真实现。上面已经运用模糊控制理论实现了ＨＴＧ系统的

自动校验，论文中第四章主要做的工作就是进行系统仿真，进一步验证了系统设计的正

确性。

最后，应用ＰＣＷＡＹ实现系统的网络通信。控制系统采用了松下电气的ＰＬＣ可编

程逻辑控制器进行现场控制，并采用松下电气开发的ＰＣＷＡＹ网络通信软件与中心调度

上位机进行系统通信。关键词：静压力油罐计量系统；漂移；自动校验；模糊控制

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ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＨＴＧＡｕｔｏ－ｃｈｅｃｋＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＦｕｚｚｙＣｏｎｔｒｏｌＴｈｅｏｒｙ

Ａｂｓｔｒａｅｔ

Ｓｉｎｃｅｔｈｅｆｕｅｌｏｉｌｉｓｕｓｅｄｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙｉｎｖａｒｉｏｕｓｆｉｅｌｄｓ，ｉｔｓｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄａｃｃｕｒａｔｅ

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｓｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｐａｙｍｅｎｔ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆ

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｓｆｕｅｌｏｉｌｄｅｎｓｉｔｙ，ｌｉｑｕｉｄｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｖｏｌｕｍｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

ａｎｄＳＯｏｎ．Ｍａｎｙｆａｃｔｏｒｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｉｔｓａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓ

ｗｏｒｋｉｎｇｉｎｗｏｒｓｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｏｒａｌｏｎｇｔｉｍｅ．Ｉｔｗｉｌｌｌｅａｄｔｏａｌａｒｇｅｅｒｒｏｒｉｎ

ｍｅａｓｕｒｉｎｇ，ｅｖｅｎｍａｋｅｉｔｕｎａｖａｉｌａｂｌｅ．ＷｅＣａｎ’ｔｍｅｅｔｉｔｓｎｅｅｄｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎａｃｃｕｒａｃｙａｎｄ

ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｏｉｌｄｅｎｓｉｔｙｆｏｒｔｈｅｔｉｍｅｉｎｏｕｒｏｉｌｔａｎｋｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｓｏｍａｎｙｅｎｇｉｎｅｅｒｓ

ｐａｙｍｕｃｈａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｉｔ．

Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｓａｓｅｔｏｆｏｉｌｔａｎｋｓｙｎｔｈｅｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅ

ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅｆｕｅｌｏｉｌｍａｉｎｌｙａｉｍｓａｔｔｈｅｄｉｅｓｅｌｏｉｌａｎｄｉｔｍａｋｅｓｅｍｐｈａｓｉｓｏｎａｎａｕｔｏ。ｃｈｅｃｋ

ｓｙｓｔｅｍｉｎｏｉｌｄｅｎｓｉｔｙｅｒｒｏｒ．Ｉｎｔｈｅａｕｔｏ－ｃｈｅｃｋｓｙｓｔｅｍｏｎｆｕｅｌｏｉｌｄｅｎｓｉｔｙ．ｔｈｅｂａｓｉｃｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ

ｐｌａｎｉｓｕｓｅｄ—ＨｙｄｒｏｓｔａｔｉｃＴａｎｋＧａｕｇｉｎｇ（ＨＴＧ）．Ｔｈａｔｍａｉｎｌｙｈａｓａｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇ

ｓｅｖｅｒａｌｒｅｓｐｅｃｔｓ：

Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｃｈｅｃｋ－ｕｐｔｈａｔｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｉｆｔｓｆｏｒａｌｏｎｇ

ｔｉｍｅ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｋｉｎｄｏｆｉｎｄｉｒｅｃｔｃｈｅｃｋｉｎｇｍｅｔｈｏｄ——ｓｅｔｔｉｎｇｈｅｉｇｈｖａｌｕｅｔｏ

ｃｈｅｃｋ—ｏｕｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｖａｌｕｅｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅ．ＩｔｉＳｄｉｒｅｃｔｅｄｐｒｉｍａｒｉｌｙｔｏｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆ

ａｕｔｏｍａｔｉｃｃｈｅｃｋ－ｏｕｔｏｆｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｏｆＨＴＧｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｚｅｒｏｄｒｉｆｔａｍｏｕｎｔ

ａｎｄｔｈａｔｏｆｆｕｌｌｑｕａｎｔｉｔｙａｎｄｒｅｃｅｉｖｅｓａｔｈｅｏｒｙｍｏｄｅｌｔｈｒｏｕｇｈｄｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎ

ＡｈａｎｄＡＰ．

Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＨＴＧａｕｔｏｍａｔｉｃｃｈｅｃｋ．ｕｐｓｙｓｔｅｍｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆＦｕｚｚｙ

ＣｏｎｔｒｏｌＴｈｅｏｒｙ．ＵｓｉｎｇｔｈｅｂａｓｉｃｔｏｏｌｏｆＦｕｚｚｙＣｏｎｔｒｏｌＴｈｅｏｒｙｔｏｃｈｅｃｋｏｕｔｔｈｅｔｈｅｏｒｙｍｏｄｅｌ

ｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｂｏｖｅ，ｔｈｅｍｏｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｈｉｎｇｉＳｔｏｍａｋｅｓｕｒｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＡｈａｎｄＡＰ．

ＴｈｅｂａｓｉｃｔｈｏｕｇｈｔｏｆｓｅｔｔｉｎｇｕｐｓｙｓｔｅｍａｔｉｃＦＵＺＺＹｍｏｄｅｌｉｓｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅａｃｃｕｒａｔｅｄａｔａ

ｆｕｚｚｉｌｙ，ｔｈａｔｍｅａｎｓｉｔｗｉｌｌｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｑｕｅｓｔｉｏｎｗｉｔｈｓｏｍｅｆｕｚｚｙｒｕｌｅｓｉｎｓｔｅａｄｏｆ

ａｃｃｕｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅｒｕｌｅｗｉｌｌｂｅｅｘｐｒｅｓｓｅｄｂｙａｓｅｒｉｅｓｏｆｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｄａｔａｔｈａｔａｃｃｕｒａｔｅ

ｑｕａｎｔｉｔｙｗｉｌｌｂｅｉｎｐｕｔ，ｏｕｔｐｕｔｔｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｎａｆｕｚｚｙｍｏｄｅｌｉｓｓｅｔｕｐ，ｗｈｉｃｈｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅ

ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈＦｕｚｚｙＣｏｎｔｒｏｌＴｈｅｏｒｙ．Ｂｕｔｉｔｉｓｎｕｍｅｒｏｕｓｔｏ

ｔｈｅｆａｃｔｏｒｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｃｔｕａｌｌｙ，ｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｎｔｈｅｆｕｚｚｙｔｈｅｏｒｙａｎｄ

ｓｕｂｏｒｄｉｎａｔｉｏｎｆｏｒｍｓｓｈｏｕｌｄｂｅｒｅｖｉｓｅｄａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｅｄｒｅｐｅａｔｅｄｌｙ．ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅ

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Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｃｈｅｃｋ．ｕｐｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔｈａｓａｌｒｅａｄｙｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅ

ａｕｔｏｍａｔｉｃｃｈｅｃｋ—ｕｐｏｆＨＴＧｓｙｓｔｅｍａｂｏｖｅｉｎＦｕｚｚｙＣｏｎｔｒｏｌＴｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｏｆ

ｃｎａｐｔｅｒｆｂｕｒ１Ｓｔｏｇｏｏｎｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｆｕｒｔｈｅｒｐｒｏｖｅｓｔｈｅｅｘａｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎ．

Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈＰＣＷＡＹ．Ｔｈｅ

ｔｏｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｕｓｅｓＰＬＣａｎｄ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）ｏｆＰａｎａｓｏｎｉｃｄｅｔｅｃｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｎｔｈｅｓｐｏｔ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｓｗｉｔｈｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｃｏｍｐｕｔｅｒｗｉｔｈｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｏｆＰＣＷＡＹ．

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＨｙｄｒｏｓｔａｔｉｃＴａｎｋＧａｕｇｉｎｇ；Ｄｒｉｆｔ；Ａｕｔｏ—ｃｈｅｃｋ；ＦｕｚｚｙＣｏｎｔｒｏｌ

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独创性说明

作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工

作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，

论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理

工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志

对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名：雄日期：皂堕址

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大连理工大学学位论文版权使用授权书

本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用

规定＂，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子

版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内

容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论

文。

作者签名：

导师签名：

迎年卫月鱼日

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１绪论

１．１题目的来源及研究意义

中国是一个能源消耗大国，据资料介绍，燃油消耗占总能耗的３０％左右。燃油的计

量和管理举足轻重，也直接影响着交易双方的利益。燃油计量包括密度、液位、重量、体

积、发放质量流量、温度等参数。目前国际上标准的燃油交易是以质量为计量标准的。

燃油属于非均匀液体，同一品种的燃油密度变化范围很大，如铁路内燃机车用柴油不同

季节密度的变化范围是Ｏ．７～０．９ｔ／ｍ３，相差达３０％，所以密度是一个重要的检测参数。然

而计量系统长期使用会有诸多因素影响计量精度，如传感器及整个检测系统长期漂移、

温度的变化、柴油的非均一性、罐体静压力效应等等…。这些漂移具有多变量性、无规

律性等特点，会导致系统的计量误差变大，甚至无法正常使用。通过对国内一些大的燃油

储运部门如大庆炼油厂、抚顺炼油厂、铁道内燃机储油罐厂以及解放军总后勤部燃油储

备中心等单位的调查１２】，结果发现目前国内在油罐计量方面，尤其是在密度计量方面，

都没有采用在线计量方式，而是基本采用手工计量为主的方法。燃油发放时，有的单位使

用质量流量计，但是价格昂贵，在小城市里一般没有质量流量计的标准计量校验部门，

影响质量流量计的应用。目前国内这种落后的油罐检测【３】方式人为因素较大，操作人员

每天都要爬到罐顶计量燃油参数，既不安全又无法保证检测的精度和可靠性，使生产操

作和管理决策具有很大的盲目性。

所以各燃油使用部门和科研部门都十分重视燃油计量的精度和可靠性，计量工程师

们也正在努力采取各种方法争取解决系统长期漂移的问题。

１．２目前的研究概况

目前常用的油罐计量方法有：液位法、称重法、ＨＴＧ及各类综合计量方法等【２２１。

液位高度检测技术已经基本成熟，液位计由于结构特点，其漂移很少，而且有罐外

偏差调节机构，可以保证长期的计量精度。其中浮子式液位计精度可以达到５ｍｍ，雷

达液位计精度可达到Ｏ．５％ｏ，还有伺服液位计等【２５】。

温度检测传感器方面，从原理到工艺都很成熟，精度可靠性完全可以满足要求。

称重法可以检测到燃油总的质量，其方法是在油罐底部安装压力传感器或用吹气法

测量出罐底压强，然后根据罐底面积计算出燃油总重量，但是这种方法对于国内普遍使用

的搭焊罐不能直接使用，需要根据有关油罐容积表，通过燃油液位实际高度，利用插值法

反算出燃油的重量，这种方法精度可靠性受传感器及系统漂移的影响，而吹气法精度低【１１１。

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静压力油罐计量系统１２７】（ＨＴＧ）是一种计量方法简单、实用、易于实现的油罐计量

系统，目前应用的比较广泛。１９８７年国际标准化组织（ＩＳＯ）在意大利炼油厂通过对世

界上最优秀的油罐计量仪表的实验对比研究ｆ４】，最后将系统作为可行的石油及其产品计

量系统。ＨＴＧ也是目前唯一通过美国石油学会（ＡＰＩ）油罐液位自动测量特别工作小组

认定并纳入ＡＰＩ标准的系统。ＨＴＧ系统由美国的ＦＯＸＢＯＲＯ公司首创，ＨＴＧ系统最大

的优点就是理论成熟、无可动部件（与浮球液位计相比）、设备简单、易于实现。仅用

两只压力传感器（非带压罐）就可以检测到油罐的密度、高度、压力、体积等参数。在

欧美等国ＨＴＧ系统应用较多ｆ２引。ＦＯＸＢＯＲＯ公司安装的ＨＴＧ系统实验室精度达Ｉ‰１４ｊ。

当商业交付时，计量结果必须达到一定的精度，如铁路燃油部颁标准燃油计量精度

要达到３％ｏ以上。目前油罐计量系统中液位、温度、体积计量的精度和可靠性都可以达

到要求，而油罐计量系统关于密度的检测还存在较多的问题。传感器及电路系统长期漂

移、温度变化对传感器非线性及柴油非均一性的影响、安装位置的漂移、罐体静压力效

应等等。这些漂移具有多变量性、无规律性等，都会导致计量误差变大，甚至无法正常使

用。如荷兰的学者曾经研究风对ＨＴＧ系统的影响，结果表明风速和风向导致ＨＴＧ系统

的计量误差竞达到４％【４１。目前国内油罐参数计量以手工计量为主，或采用体积计量方

法；国外一般采用高精度的压力传感器和精密的安装来解决问题【３６１，一个油罐检测设备

的成本至少在２０万元人民币以上。在燃油发放交付方面，主要大型储运部门采用进口

质量流量计计量，更普遍的方式是采用体积式流量计，换算成质量时，密度采用平均值

或人为确定。

１．３文章内容简介

论文针对某铁路内燃机务段设计了一套油罐计量及发放系统，整个罐区共有６个

１０００立方米的搭焊柴油罐，要求自动计量油罐中柴油的密度、液位、重量、体积、温度

等参数，并完成自动发放功能。同时还要设计粘度系数较大的机油、润滑油自动计量发

放系统。油罐区计量发放参数要求远传到中央调度室，形成报表图。

柴油的计量采用了静压力油罐计量（ＨＴＧ）系统方案，论文重点研究的是计量系统

长期漂移的问题，也就是压力检测的漂移及校验的问题。文中采用双液位开关误差比较，

及模糊理论压力传感器自动校验法实现了长期漂移的自动校验，并采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真来

验证了系统设计的正确性。整个罐区采用分布式网络监控系统方案，采用松下电气

ＰＣＷＡＹ通讯软件实现调度上位机和现场罐区下位机的通讯和控制，其中罐区下位机全

部采用松下ＰＬＣ可编程控制器并配用相应模块实现监控。２

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论文主要分成以下六个章节：第一章是绪论部分，针对题目的来源及研究意义、基

本概念及基础理论、目前的研究概况等问题进行了阐述和探讨；第二章是对综合的油罐

计量发放系统的论述，包括燃油发放系统的设计，并主要阐述了静压力油罐计量系统的

基本原理及测量参数的推导过程以及系统中所用到的压力传感器的选择与安装；第三章

和第四章是本次毕业设计的重点部分，第三章论述了运用模糊控制理论实现的误差自动

校验系统，分析了系统误差产生的原因，引出了论文设计的几个主要问题，介绍了自动

校验的实现方法，探讨了模糊控制论的概况、模糊控制的基础及特点，以及如何利用模

糊控制理论进行ＨＴＧ自动校验系统的实现；第四章是对第三章所设计的校验系统进行

了Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的仿真实现，验证了系统设计的正确性，简单叙述了Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块中的模

糊控制工具箱，重点阐述了各个模块的参数设置方法，最后如何通过Ｓｉｍｕｌｉｎｋ方框图实

现了系统的仿真验证；第五章是对系统中存在的一些其他问题进行了简单的介绍，保证

了系统设计的完整性；第六章介绍了应用ＰＣＷＡＹ实现的ＨＴＧ分布式控制系统，主要介绍了系统通信的实现。

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２油罐计量发放系统

２．１油罐计量发放系统简介

油罐计量发放系统如方框图２．１所示，原理图如附录１所示。燃油发放系统主要包

括：柴油、机油、传动油、油脂的发放。考虑到油品的粘度、精度、价格等因素，发放

系统的设计方案各有不同。采用松下电气新开发的通讯软件ＰＣＷＡＹ实现地区、站点、

ＰＬＣ三层网络监控系统，最多监控６４（地区）ｘ３２（站点）。调度中心主机以通讯方式

监控罐区下位机工况，形成日报表、月报表、流程图等，每个站点采用松下ＰＬＣ作为

的下位机，负责直接完成对柴油、机油、传动油、润滑油、杂油的储量和发放，并将监控

数据传送到上位调度中型计算机‘３７。３９１。

（１）柴油罐计量发放系统

如附图１所示，每个油罐的柴油发放系统均由发油泵、电磁阀（ＦＢＤＦ．６．５０ｘ）、质量

流量计（ＭＦＭｌ００１．６００ＳＤＮ５０）组成。采用松下ＡＦＰｌ２２１３ＣＢ型ＰＬＣ可编成控制器，共

计２４个Ｉ／Ｏ点，继电器触点输出。输入ＸＯ设置成高速计数端，接受质量流量脉冲信号；

ＹＯ、Ｙ１输出开关量分别控制电磁阀和油泵。工作开始时，在触摸屏上输入发油量，运

行程序首先打开电磁阀，然后开始发油泵，ＰＬＣ串口读质量流量计的值，当发油量到时，

ＰＬＣ控制先停泵，然后关闭电磁阀。

柴油发放量最大，占运营费用的３０％，柴油的密度是经常变化的，会导致质量计量

上的误差。在设计中采用ＨＴＧ系统方案，安装两只压力传感器可检测柴油的液位、密

度、重量、体积等参数。使用质量流量计，保证发放精度，这是国际燃油交付最常用的

方法。设计中采用德国ＫＲＯＨＮＥ公司生产的科氏力质量流量计，可同时测量流体的密

度、质量、流量、温度。用质量流量计计量发放量，发放结束时，停泵并关断电磁阀。

同时在本ＨＴＧ系统中使用质量流量计，可以对油罐计量压力进行反校验。

（２）机油和传动油发放系统

机油、传动油粘度比柴油大，但是用量相对较小，系统如附图１所示，每个发放系

统均由发油泵、电磁阀，流量计。机油、传动油价格便宜，计量部分可以采用齿轮脉冲

流量计１２４］，发放部分采用流量泵配合电磁阀。采用松下ＡＦＰｌ２２１３ＣＢ型ＰＬＣ可编成控制

器，共计２４个Ｉ／Ｏ点，继电器触点输出。输入ＸＯ设置成高速记数端，接受质量流量脉

冲信号；ＹＯ、Ｙ１输出开关量分别控制电磁阀和油泵。工作开始时，在触摸屏上输入发

油量，运行程序首先打开电磁阀，然后开发油泵，ＰＬＣ读齿轮流量计脉冲数，当发油量

到时，ＰＬＣ控制先停泵，然后关闭电磁阀。

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（３）油脂发放系统

油脂包括调速器油、报轴瓦油、压缩机油。因为该类油粘度较大，采用齿轮泵发放，

配合电磁阀控制发放流量，计量部分用托力多电子秤计量发放重量（见附图１）。电子秤

具有去皮计量功能，每次计量开始在电子秤上输入发油量，电子秤自动计量发油量，并

将信号送入ＰＬＣ高速计数端。发放量到时，ＰＬＣ控制电磁阀关闭。

（４）液位开关电路

液位开关电路是ＨＴＧ系统中的关键元件，选用德国柯普乐公司浮球式液位开关，内

部干簧管单项精度５ｍｍ以内，液位开关设计要防波及防振动，液位开关下部采用特殊的

角架固定，为提高可靠性，要求多只干簧管并联使用，按防爆要求设计，经安全栅完全隔

离后，送入计算机内。电源由２４Ｖ分压后，将开关量０和１转换成１＂－－＇５Ｖ。

调

图２．１分布式油罐计量系统图

Ｆｉｇ．２．１Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｌｏｉｌｐｏｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄｉａｇｒａｍ

整个系统设计中有两个重点部分，其一是解决油罐检测系统的漂移问题并能够实现

自动校验；其二是采用松下电气通讯软件ＰＣＷＡＹ实现地区、站点、ＰＬＣ三层网络监控

系统。

２．２静压力式油罐计量系统（ＨＴＧ’）

油罐柴油检测采用静压力式油罐计量系统【７１（ＨＴＧ）方案如图２．２所示，在油罐底部

安装两只相距胴的压力传感器眉、Ｂ，通过物理运算得到柴油的重量、密度、液位高

度、体积、等参数【１８】。ＨＴＧ系统具有系统简单、功能强、无可动部分（与浮子液位计

比较）等诸多优点，是唯一被美国石油学会（ＡＰＩ）认定并纳入ＡＰＩ标准的油罐计量系

统【２３１。而目前其它油罐计量方案，无论是高度法还是称重法只能计量部分参数，而且设备复杂，价格昂贵不利于推广和使用。

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图２．２＿，尸：＼，办ＨＴＧ系统原理图

ＨＴＧＳｙｓｔｅｍｄｉａｇｒａｍＦｉｇ．２．２

２．３ＨＴＧ计量方法

２．３．１求油罐中燃油的密度

如图２．２所示，两只压力传感器压强鼻、最计算柴油的密度：

ｄ×ｇ×Ｓ×皑＝足×Ｓ一只×Ｓｄ：盟ＡＨＸｇ（２．１）（２．２）

其中，ｄ燃油的密度；脯两压力传感器间距离：

Ｓ油罐截面积，ｇ是重力加速度。尽只为传感器检测到的压强值；

因为燃油的密度与温度有关，温度高时燃油体积油膨胀，密度变小；反之温度降

低时燃油体积油缩小，密度变大。所以要把检测计算出的密度转换成标准温度（一般２０

摄氏度）下的密度进行显示和计量

２．３．２求液位高度

如图２．２所示，任意位置液位高度‘１４】为：

ｈ：！！

ｄＸｇ（２．３）

把式（２．２）代入式（２．３）得液位高度为：

扯熹ｄ２造１一—生×㈦４，‘ｇ

’Ｐ、

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２．３．３求容积

国内普遍采用搭焊式储油罐其结构为塔状【１０】，如图２．３所示，用常规的计算公式无法

求出其体积及重量，在本设计中采用计算机检测出液位的高度，根据罐的容积表，利用

插值比较法，反推出累积的容积矿。

从结构形式可知，油罐每一体圈的截面积Ｓ是不同的，要求得储油罐的体积矿，只

能把体圈板叠加起来。油罐中液位的高度是ｈ，每一块体圈板的高度都是Ｈ，如图２．３

所示液位高度时体积计算方法是：

Ｖ＝符×Ｓ１＋Ｈ×Ｓ２＋（磊一２Ｈ）Ｓ３＝ｈ×（Ｓｌ＋Ｓ２）＋（磊＋２Ｈ）×Ｓ３（２．５）

图２．３储油罐的示意图

Ｆｉｇ．２．３Ｏｉｌｔａｎｋｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｒａｗｉｎｇ

推广为普通式则为：

Ｖ＝Ｈ×（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ２＋…。＋Ｓ々）＋（乃一Ｋ×Ｈ）×Ｓ女“（２．６）

其中，Ｋ值求法是，取整（吉）。

２．３．４求质量

Ｗ＝Ｖｘｄｘｇ＝Ｖｘ墨ＡＨ生ｘｇ（２．７）

２．４静压力传感器选择与安装

实现ＨＴＧ系统最关键的元件就是压力传感器，综合考虑采用投入式静压力传感器。

２．４。１投入式静压力传感器选择

油罐设计如图２．４所示要求罐顶安装单向安全阀，所以油罐上部蒸汽压大于外部大

气压，属于带微压罐。这时差压式压力传感器正压室压强为蒸汽压与液位压之和，负压室的压力是大气压力，作用在压力传感器模片两端的压差是要比液位的压强大一些，这

基于模糊控制理论的HTG自动校验系统的

基于模糊控制理论的ＨＴＧ自动校验系统的研究

时虽然用式２．２计算出的燃油密度不受影响，但是用式２３计算高度时就会有很大的偏

差，对于这种情况，有一种方案就是再采用一只差压式压力传感器测量大气压和油罐蒸

汽压差，代入式２．３就能计算出准确的液位高度了【３０Ｊ。

对于已经建成的油罐安装传感器时，从安全和使用的角度方面考虑，是不允许对现

有罐钻孔和改造，而普通差压式压力传感器是在油罐侧壁钻孔安装负压室取压口的，为

此我们在设计中选择一种特殊的投入式静压力传感器，它属于差压式压力传感器的一

种，结构如图２．５所示，投入式压力传感器导线电缆中间有一根塑料导气管接传感器负

压室，传感器从油罐顶部人孔口处投入，负压室直接与油罐气压连通，而正压室检测的

是液位压力和油罐气压，这样做用在压力膜片两端压差正好是液位的压强。

液压

图２．４差压式压力传感器图

Ｆｉｇ．２．４Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｔｙｐｅｐｒｅｓｓｕｒｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ

２．４．２投入式静压力传感器参数【２６Ｊ

（１）组成原理：压力膜片可以采用采用扩散硅敏感元件并且以桥的形式设计在硅杯

上，采用高精度激光技术光刻修正，并进行非线性及温度校正，专用的ＡＤ６９３芯片为

压力桥提供１．５ｍＡ恒流源，并将桥路输出的ｍＶ级的信号放大成４－－一２０ｍＡ的恒流源信

号，精度可以达到１％ｏ。

（２）设计标准：采用国际标准信号恒流源输出４－－－，２０ｍＡ，消除了传感器负漂移时丢

零点的现象，下限为４ｍＡ不与机械零点重合，容易判断出断点、断线等故障，供电电

源在１２＂－－３６Ｖ内波动，不影响传感器的精度，特殊的电源供电与输出信号公用两线制，

既节省费用又便于安装，还可以提高安全性。

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（３）结构：气管容易产生冷凝结露问题，露水滴到传感器的电子部件而影响精度或

输出漂移，使用滴液盒侧面蒸发结构及密封探头的方法减少冷凝结露影响，同时将传感

器引线和导气管安装在防暴盒内也克服导管冷凝问题。燃油罐检测系统要按防暴型设

计。

选用陕西华瑞传感器技术研究所生产的ＣＹ．ＤＢ３１，其中，ＣＹ．ＤＢ代表变送器；３液位；１

为４－２０ｍＡ输出信号．主要技术参数：

＞量程：０．１０ｍ

＞允许过载：冬２００％

＞输出信号：４－２０ｍＡ

＞电源２４Ｖ

＞负载：Ｒ．＝５０Ｑ

＞精度：Ｏ．１％

≯启动时间：预热１０ｍｉｎ

＞单价１２００元

气管

图２．５投入式压力传感器结构

Ｆｉｇ．２．５Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｔｙｐｅｐｒｅｓｓｕｒｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

２．４．３传感器的安装方式

由于油罐体一般情况下是不允许钻孔安装的，对于已有油罐安装采用投入式静压力

传感器，两压力传感器间距脯直接决定检测精度，脯长度一般为满量程２０％。采用

钢体安装架固定传感器，如图２．６所示。

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互皇＝……一／心∞”。

反力弹簧

图２．６投入式压力传感器安装

Ｆｉｇ．２．６Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｔｙｐｅｐｒｅｓｓｕｒｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｉｎｓｔａｌｌｍｅｎｔ

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３静压油罐计量系统（ＨＴＧ）误差产生原因及自动校验

油罐系统计量长期飘移产生的原因３．１

３。１。１油罐系统长期飘移产生原因

油罐计量系统在现场一经安装，就会长期使用，不便于拆卸和校验，影响压力传感

器产生长期飘移的原因一般可归纳一下几个方面：

（１）检测系统方面【２ｌｊ：随时间推移，如传感器本身特性变化、温度、安装位置、转

换放大电路、安全栅的漂移等，都会影响传感器检测输出。

（２）燃油方面：柴油属于非均一性液体，长期放置会导致上下分层，罐中柴油密度

和温度沿罐纵向、横向分布并不均匀、燃油体积随温度会有变化。

（３）罐体方面：油位高度的变化会引起罐体形变；油位增加会使油罐底板下沉，反

之，油位降低会使油罐底板上翘，据国外资料【６】介绍底板下沉造成的误差达到目的１％。

（４）荷兰学者曾做过实验，风对ＨＴＧ的影响误差竞达到４％Ｅ７１。

综合如上所述，计量系统具有漂移、多变、无规律等特点，这种误差用传统的单独

修正传感器特性或对象特性的方法是无法解决的，而采用高精度的传感器和精确的安装

也不能从根本上解决漂移问题，尤其是密度和重量检测精度和可靠性很难达到要求【”１。

３．１．２长期漂移ＨＴＧ系统的误差放大效应

长期漂移产生的误差放大效应是所有计量系统的共性问题，普通的计量仪表需要定

期校验，而在生产中的油罐系统不具备这样的条件，采用ＨＴＧ计量系统虽然满足结构简

单、可靠，但是长期漂移避免不了，而且分析它的理论计算公式发现，当传感器漂移时，对高

度检测误差有放大效应。如某ＨＴＧ系统未漂移时测量参数：Ｐｌ＝６９ｋｐａ，Ｐ２＝５７ｋｐａ，

ＡＨ＝Ｉ．５米，实际液位高度ｈｉ＝８．６２５米，当尸ｌ发生漂移为６９．１ｋｐａ，Ｐ２未变，由式（２．４）式

计算出高度为：

办ｚ２１１．５＝８．５６６米

６９．１

ＨＴＧ系统高度检测误差ｈｌ－ｈ２＝５．９厘米，既当传感器检测到的压力值漂移０．１％，

测量的高度漂０．６８％，近７倍左右。所以国内ＨＴＧ一般仅作为定性计量系统。

３．１．３本设计中重点考虑的几个问题（１）压力检测系统长期漂移的自动校验；

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基于模糊控制理论的ＨＴＧ白动校验系统的研究

（２）油罐体积、重量计量方面的静压力校验；

（３）温度变化对标准体积、液位的校验，对传感器特性的影响。

３．２ＨＴＧ自动校验系统的实现

如图２．２所示，ＨＴＧ系统根据压力检测值按公式２．２和２．４计算燃油的密度和高度，

但是两只压力传感器只、只任意一只发生漂移时，其密度和高度计算都会发生漂移，这

种情况ＨＴＧ计量系统本身无法判断是哪只压力传感器发了漂移，为此必须判断是哪只

传感器发生了漂移，然后分别校验。传感器校验最好的办法是用标准压力计定期标定，

这在实际应用中很难实现，为此我们研究设计了一种校验方法，即间接的利用压力传感

器来计量液位高度的偏差，再反推压力传感器压力偏差的双液位开关自动校验法ｆ３０】ｐ２】。

３．２．１单只压力传感器计算标准液位高度

单只压力传感器自动校验系统如图３．１所示，每次卸油时液面经过Ｈ，（１０ｍ）、Ｈ，

（９．８ｍ）位置时，液位开关Ｋ．、Ｋ，发出开关信号，系统将自动检测对应的燃油压强

Ｐ．、Ｐ，，这时可以计算燃油密度为：

ｄ：翌ｌ＝旦２：翌！二翌２

Ｈ１一Ｈ２ＡＨ（３．１）

式中，△日为两个液位开关Ｋ，、Ｋ２的间距。

对应Ｋｌ（／４，）处液位计算高度为：

１ｈ，：旦：旦１一旦ｄ

Ｐ１（３．２）

如果系统未发生漂移，由式３．２计算出液位高度ｈ等于液位开关Ｋｌ的安装高度硒，

如果液位发生漂移，当ｚｈｈ＝ＨＩ．ｈｌ＞３％ｏ时（如铁道部规定）必须进行误差校验。

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发放

流量计

图３．１单传感器校验

Ｆｉｇ。３．１Ｓｉｎｇｌｅｓｅｎｓｏｒｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ

３．２．２单只压力传感器自动校验的设计

传感器故障类型【２０】主要包括以下四种：

＞传感器恒偏差漂移：令Ｙ加，（ｆ）为第ｉ个传感器的实际输出，Ｙ，加（ｆ）为第ｉ个传感

器的正常时应该输出的信号，则第ｉ个传感器恒偏差的故障模式为：

ＹＪｏｕ，（，）＝Ｙ，加（ｆ）＋Ａｉ

式中，△ｆ为常数。

＞传感器恒增益漂移：第ｉ个传感器恒增益的故障模式为：

Ｙ删（ｆ）＝Ｐｙ，加（ｆ）

式中，∥为增益变化的比例常数。

＞传感器卡死：第ｉ个传感器卡死的故障模型为：

Ｙ如埘Ｕ）＝口ｆ

式中，ａ，为常数，ｉ＝ｌ，２，３…

＞突变型故障：即

善（ｆ）＝万（ｔ）

ｆ１．．ｔ＝０引¨２ｔｏ√≠ｏ

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其中后两种故障现象比较严重，用简单的方法就可以判断。但是前两种故障一般会

随时间产生漂移，具有累积误差效应，是自动化监控系统中最常见而且难以处理的故障

现象，文中主要讨论前两种故障的校验。

传感器结构如图３．２所示。传感器漂移特性如图３．３所示，横轴尸（用大写）表示燃油

的实际压强，纵轴，表示检测系统输出的电流信号（或经公式３．３计算出的液位的压强

值，用小写Ｐ表示）。曲线１表示传感器未发生漂移时的输出信号，曲线２表示传感器

全漂移曲线，既包括传感器恒偏差漂移卸。又包括传感器恒增益的漂移，曲线２平移了恒

偏差卸。就变成了纯恒增益漂移曲线３。

图３．２压力传感器结构

Ｆｉｇ．３．２Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ

（１）恒偏差漂移校验：恒偏差漂移校验如图３．１所示，在压力传感器处设一液位开

关硒，当燃油液位低于压力传感器时，液位开关硒动作，这时压力传感器处的实际压

强应为零。如果传感器未发生漂移，当满量程液位在０－＂１０米范围内变化时（以水为例），

传感器检测到的压强变化范围为０＂－－＇９８（ｋｐａ），压力传感器恒流源输出信号变化范围应

该为４，－－２０（ｍＡ），如图３．３中直线１，是一条经过Ｐ＝０，／－－４ｍＡ点（传感器零点）直线，

当计算机检测到传感器任意输出电流为，时，反算液位压强为：

‘矽：—９８－０—（ｋｐａ）ｃ，．４）ｍＡ：６．１２５（二４）２０一４（ｍＡ）。（３．３）

在零点处传感器输出电流应为４（ｍＡ）代入公式３．３得压强值为零，若发生零点漂

移，计算机检测压力传感器输出电流值为，＝４＋△，（ＩｎＡ），代入公式３．３可计算出零点

漂移压力值为

（３．４）印ｏ＝６．１２５Ａ１０

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～

．？

△厶

△胁∥

／？０

Ｆｉｇ．３．３／移∥。～、‘∥ｊ‘Ⅳ：／；ａ奎／ｉｉ；｛、Ｐ２ＰｌⅣ１印ｌｌＩ、ｐ１厂图３．３压力传感器特性曲线Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｔｌｒｖｅｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ

全漂移曲线２减去恒偏差漂移量卸。就变成纯恒增益漂移的曲线３，曲线３，经过

［０（ｋｐａ），４（ＩｎＡ）】点。

为了方便分析，压力传感器在零点处仅进行恒偏差漂移校验，这个位置恒增益漂移

影响较小可以忽略。

（２）恒增益漂移：如图３．３所示，对曲线２恒偏差漂移校验后得到恒增益漂移曲

线３，曲线３所有点都经过点【Ｏ（ｋｐａ），４（ｍＡ）】。

曲线１是压力传感器未漂移曲线，对应液位开关Ｋ１其高度为％，实际压强尸ｌ，检测

到的压强为Ｐｌ（ａ点），对应液位开关Ｋ２其高度飓，实际压强为Ｐ２，检测到的压强为ｐ２（ｂ

点），漂移后的恒增益漂移的曲线３对应液位开关Ｋｌ处其压强漂移△飙（ｃ点，满量程点），

对应液位开关Ｋ２压强漂移卸：（ｄ点）。

曲线３满量程点压强飘移量卸，（或斜率）后无法直接求出，根据公式３．２液位高度

ｈ与液位压强有函数关系，当压力检测系统发生漂移卸后，相应计算出液位高度也会发生漂移劬，所以如果能求液位高度漂移量△乃也就可以间接求得压强漂移量△ｐ。为此我

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