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前言

    總廠液化氣罐區(qū)原有監(jiān)測(cè)儀表為大連自動(dòng)化儀表五廠的鋼帶液位計(jì)，這種表傳動(dòng)部件較多，容易發(fā)生故障，檢測(cè)進(jìn)度低，早在三年前就已經(jīng)處于全面癱瘓狀態(tài)，廢棄不用，工藝操作工只能一趟趟跑現(xiàn)場(chǎng)觀察玻璃板指示，玻璃板液位計(jì)由于安裝在現(xiàn)場(chǎng)，風(fēng)吹日曬雨林，工作環(huán)境差，壽命比較短暫，且液面不宜看清，給工藝人員操作帶來極大不便，也存在安全方面的隱患，加上2002年我廠氣聚裝置的投產(chǎn)，需液化氣罐區(qū)付原料，所以液化氣罐區(qū)儀表改造刻不容緩。

一、 系統(tǒng)概述

    液化氣灌區(qū)原安裝的鋼帶液位計(jì)及監(jiān)控系統(tǒng)已不符合儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)工藝技術(shù)和安全的要求，因此進(jìn)行儀表自控改造。液化氣球罐設(shè)遠(yuǎn)傳液位計(jì)采用E+H伺服液位計(jì)，信號(hào)遠(yuǎn)傳至控制室計(jì)算機(jī)顯示，就地液位計(jì)采用磁浮子，同時(shí)采用隔爆型液體音叉限位開關(guān)對(duì)球罐進(jìn)行高低液位硬報(bào)警，報(bào)警信號(hào)遠(yuǎn)傳至控制室的PLC系統(tǒng)進(jìn)行連鎖控制。每個(gè)罐底部設(shè)有啟動(dòng)緊急切斷球閥，與球罐的高低液位報(bào)警聯(lián)動(dòng)，由控制室的PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)緊急切斷，同時(shí)閥門的回訊進(jìn)PLC系統(tǒng),并在計(jì)算機(jī)內(nèi)顯示。球罐底部設(shè)手動(dòng)緊急切斷閥，罐口排污閥和常用操作閥的狀態(tài)回訊，信號(hào)通過MPI協(xié)議接口進(jìn)計(jì)算機(jī)顯示，球罐頂部壓力信號(hào)通過研華模擬輸入卡進(jìn)計(jì)算機(jī)顯示。罐底可燃?xì)怏w報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)信號(hào)進(jìn)控制室的可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)二次表顯示報(bào)警。

二、系統(tǒng)構(gòu)成

    液化氣罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)量參數(shù)液位、壓力、溫度PLC采用西門子S7-300，監(jiān)控軟件采用WinCC(Windows Control Center)工業(yè)控制軟件。其系統(tǒng)構(gòu)成圖如下：

三、 系統(tǒng)工作原理及實(shí)現(xiàn)

    a) 伺服液位計(jì)的工作原理和測(cè)量方法

    Proservo  NMS530儲(chǔ)罐液位計(jì)的測(cè)量是基于浮力平衡的原理，微伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)體積較小的浮子，使其精確地測(cè)出液體液位。測(cè)量浮子通過測(cè)量鋼絲被懸掛在儀表外殼內(nèi)，而測(cè)量鋼絲纏繞在精密加工過的輪鼓上。由磁偶力矩驅(qū)動(dòng)輪鼓，輪鼓與電氣部分被儀表外殼完全隔離。外磁鐵被固定在線輪鼓內(nèi)，并與固定在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的內(nèi)磁鐵耦合在一起。當(dāng)內(nèi)磁鐵旋轉(zhuǎn)，通過磁偶力矩的作用，引起外磁鐵旋轉(zhuǎn)，從而使輪鼓整體轉(zhuǎn)動(dòng)。浮子作用于細(xì)鋼絲上的重力在外磁鐵上產(chǎn)生力矩，從而引起磁通量的變化。輪鼓組件間的磁通量變化通過內(nèi)磁鐵上的電磁傳感器進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鼓，使得磁通量變化引起的電壓與操作命令給出的參考電壓相等。當(dāng)浮子低于液體表面或接觸液面時(shí)，由于受浮力的作用，浮子的重量減小，其結(jié)果是磁偶力矩被改變，改變量由五對(duì)帶有溫度補(bǔ)償?shù)幕魻枡z測(cè)元件檢測(cè)出該信號(hào)－浮子位置指令－被送入電機(jī)控制電路。當(dāng)液位上升或下降，浮子的位置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過測(cè)量鋼絲輪鼓的旋轉(zhuǎn)可精確地計(jì)算出液位值。

    b) S7-300 PLC的配置性能

    德國(guó)西門子S7-300PLC可編程控制器作為下位機(jī)來實(shí)現(xiàn)所有信號(hào)的采集、運(yùn)算、調(diào)節(jié)。其特點(diǎn)：模塊化，無排風(fēng)結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)分布，運(yùn)行可靠。性價(jià)比高。總體配置如下：

    i. 中央處理模塊（CPU）： 選用CPU312，內(nèi)存RAM可擴(kuò)展到64K；
    ii. 數(shù)字量輸入模塊（DI）: 選用SM321共2塊處理32點(diǎn)發(fā)們回訊輸入信號(hào)；
    iii. 數(shù)字量輸入模塊（DO）: 選用SM322,1塊處理8點(diǎn)切斷球閥輸出信號(hào)；
    iv. 模擬量輸入模塊（AI）: 選用SM331,共2塊，處理16點(diǎn)輸入信號(hào)。

    模擬輸入具有兩線制變送器供電功能，所有I/O信號(hào)均有本安卡件供選擇，所有模塊均有完善的自診斷功能，傳感器斷線監(jiān)測(cè)功能，在線插拔功能，保證了系統(tǒng)安全、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的可用性和可維護(hù)性。

    c) 系統(tǒng)軟件

    控制系統(tǒng)在WIN NT4.0環(huán)境下運(yùn)行，組態(tài)軟件為STEP V 5.0及WinCC。WinCC是一個(gè)開放的SCADA軟件，它被用來在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中進(jìn)行圖形顯示和完成控制任務(wù)。WinCC提供了圖形顯示、信息處理、存檔和報(bào)表生成等功能模塊。WinCC的控制采用的是圖形界面，其主要有以下幾部分組成：

    1、 計(jì)算機(jī)：所有的工作站和服務(wù)器的屬性設(shè)置和工程分配。

    2、 標(biāo)簽管理：在WINCC中，用于和各種內(nèi)部設(shè)備及外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)信息的變量稱為標(biāo)簽變量式標(biāo)簽。存儲(chǔ)在PLC內(nèi)存單元中的標(biāo)簽稱外部標(biāo)簽。存儲(chǔ)在WINCC內(nèi)部的標(biāo)簽稱為內(nèi)部標(biāo)簽。所有的通道，邏輯連接、過程、內(nèi)外部標(biāo)簽和標(biāo)簽組的管理都在這里進(jìn)行。通過標(biāo)簽管理器，WINCC的各個(gè)功能塊才能聯(lián)系起來成為一個(gè)功能強(qiáng)大的整體。

    3、 數(shù)據(jù)類型：WINCC內(nèi)部預(yù)先放置了上些常用的基本數(shù)據(jù)類型，如位型、字符型、整型、浮點(diǎn)型和原始數(shù)據(jù)型。

    4、 編輯器：WINCC提供了許多編輯器來完成強(qiáng)大的功能，如圖形設(shè)計(jì)器，全面腳本編輯器、報(bào)警記錄、標(biāo)簽存檔編輯器、報(bào)表設(shè)計(jì)器、用戶管理站和文本圖書館。這些模塊都是WINCC系統(tǒng)基本組成部分。WINCC驅(qū)動(dòng)程序與下位機(jī)S7－300PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送數(shù)據(jù)指令，下位S7－300PLC則通過CP5611卡與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，傳播速率187.5Kbps，每一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都是一個(gè)COM對(duì)象，這種方式使通訊程序和軟件構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)高效率地運(yùn)行。

    S7－300PLC軟件STEP下啟動(dòng)SIMATIC管理器，（中央窗口）自動(dòng)生成一個(gè)項(xiàng)目。項(xiàng)目結(jié)構(gòu)用來以一定的順序保存和排列所有數(shù)據(jù)和程序。在項(xiàng)目中，包括SIMAIC站和CPU組態(tài)和硬件的參數(shù)數(shù)據(jù)。S7程序包括了所有的塊，塊中有控制機(jī)器所需的程序，STEP　7可以S7－300PLC的硬件配置如CPU類型，并輸入/輸出卡件類型數(shù)目等。在STEP7中可以用標(biāo)準(zhǔn)語言梯形邏輯（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）生成S7程序。SIMATIC管理器完所有的硬件和S7程序后，按照一定步驟，下載程序到S7－300PLC，并監(jiān)視其硬件。在STEP7中，CPU循環(huán)處理S7程序。CPU一行一行地送入并執(zhí)行程序命令，當(dāng)CPU返回到第一條程序時(shí)，它已完成一個(gè)循環(huán)，所需的時(shí)間即掃描循環(huán)時(shí)間。

    d) S7－300、PCL813與WINCC之間的信號(hào)通訊

    根據(jù)油氣專業(yè)工藝技術(shù)要求每個(gè)液化氣罐區(qū)的監(jiān)控系統(tǒng)必須能同時(shí)監(jiān)視液位、壓力、溫度。緊急情況下能夠切斷進(jìn)罐流程及閥的回訊顯示。S7－300PLC模擬量輸入模塊接收現(xiàn)場(chǎng)來的液位信號(hào)，數(shù)字量輸出模塊現(xiàn)場(chǎng)切斷閥輸出開/關(guān)信號(hào)，數(shù)字量輸入模塊現(xiàn)場(chǎng)來的液位音叉開關(guān)報(bào)警輸出和閥位回訊信號(hào)，所有采集來的信號(hào)經(jīng)進(jìn)CPU312轉(zhuǎn)換運(yùn)算處理，通過CP5611卡與STEP7軟件進(jìn)行通訊。在SIMATIC管理器中，定義了液位變量（浮點(diǎn)數(shù)變量），閥位回訊，液位高低限報(bào)警輸出，切斷閥輸出（二進(jìn)制變量）。壓力信號(hào)通過調(diào)理卡IPC32把來自現(xiàn)場(chǎng)4－20mA轉(zhuǎn)換成PCL813能接受的1－5V信號(hào)。利用VB的通信控件（MSComm）時(shí)間定時(shí)器控件（TIME）和PCL813卡的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)與PCL813之間的通訊。在SIMATIC管理器中建立WIMDOW　DDE變量（Pt101－Pt108），它們是浮點(diǎn)數(shù)64位變量。WINCC中的圖形編輯器，組態(tài)罐區(qū)流程圖總貌，并與建立的變量作相應(yīng)的動(dòng)態(tài)連接。程序調(diào)試完成，激活此項(xiàng)目，應(yīng)用程序正常運(yùn)行，流程圖總貌窗口出現(xiàn)。

四、應(yīng)用情況

    改造前原液化氣灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，工藝操作人員看不到實(shí)際液位，每隔一定時(shí)間必須到現(xiàn)場(chǎng)觀看玻璃板實(shí)際液位，給液化氣交接工作帶來麻煩，大大加強(qiáng)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，給安全生產(chǎn)帶來一定的隱患。改造后，工藝操作人員坐在值班室計(jì)算機(jī)前，可以看到每個(gè)液化氣罐的實(shí)際液位，在緊急情況下，通過手動(dòng)切斷現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)料閥，保證液化氣罐區(qū)的安全生產(chǎn)，大大方便液化氣罐的交接工作，大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。