M CGS在填料吸收實(shí)驗(yàn)裝置中的應(yīng)用

李 凱,吉艷卿,左文香

(1.河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校 電氣工程系,河北 滄州 061001;2.獻(xiàn)縣電力局,河北 獻(xiàn)縣 062250)

填料吸收實(shí)驗(yàn)裝置是化工教學(xué)中非常重要的設(shè)備,以往填料實(shí)驗(yàn)裝置常采用手動(dòng)控制閥門實(shí)現(xiàn),而且參數(shù)的調(diào)整極不方便,系統(tǒng)的控制精度較低,同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)中測(cè)試工作量大,數(shù)據(jù)處理多,采用常規(guī)的人工記錄方式往往需要較多的參與人員,同時(shí)性差、記錄數(shù)據(jù)也不準(zhǔn)確,直接影響了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。采用計(jì)算機(jī)技術(shù),以 MCGS組態(tài)軟件為運(yùn)行平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng),具有二次開發(fā)簡(jiǎn)便、開發(fā)周期短、通用性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和控制,從而克服了上述缺點(diǎn),提高了實(shí)驗(yàn)精度與工作效率。而且還可以在此基礎(chǔ)上應(yīng)用先進(jìn)控制理論、進(jìn)行生產(chǎn)的調(diào)度與優(yōu)化等更高層次的研究,使該裝置具有良好的可擴(kuò)展性[1]。

1 填料吸收工藝流程及實(shí)現(xiàn)功能

1.1 填料吸收工藝流程

填料吸收工藝流程見圖 1,由自來水源來的水送入填料塔塔頂,經(jīng)噴頭噴淋在填料頂層。由風(fēng)機(jī)送來的空氣和由二氧化碳鋼瓶來的二氧化碳混合后,一起進(jìn)入氣體混合罐,然后再進(jìn)入塔底,與水在塔內(nèi)進(jìn)行逆流接觸,進(jìn)行質(zhì)量和熱量的交換,由塔頂出來的尾氣放空。填料塔吸收實(shí)驗(yàn)是通過讀取各流量計(jì)、溫度計(jì)、壓差計(jì)讀數(shù),獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用氣相色譜儀分析出塔頂、塔底氣相組成。

圖1 吸收流程圖

1.2 填料吸收裝置實(shí)現(xiàn)的功能

根據(jù)化工原理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn),填料吸收控制系統(tǒng)首先要保證在實(shí)驗(yàn)

中能夠方便、快速、準(zhǔn)確地獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),其次要能夠監(jiān)控整個(gè)實(shí)驗(yàn)工藝流程,該控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能如下:

1)采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù),提高系統(tǒng)的控制精度。

2)實(shí)時(shí)檢測(cè)氣體、液體的溫度和流量并進(jìn)行整理、存儲(chǔ),為工藝分析提供科學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視,通過人機(jī)界面以數(shù)字、棒圖、開關(guān)狀態(tài)等多種形式進(jìn)行顯示。

4)按照程序?qū)怏w、液體的溫度和流量進(jìn)行控制,操作靈活。

2 系統(tǒng)的硬件組成和工作過程

2.1 硬件組成

填料吸收控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、打印機(jī)、傳感 /變送器、無紙記錄儀、變頻器、風(fēng)機(jī)、水泵、電磁閥、多芯電纜組成,構(gòu)成上下位機(jī)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單集散控制系統(tǒng)[2],硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖 2。

1)上位機(jī)采用研華公司生產(chǎn)的研華工控機(jī)IPC-610H。具有高可靠性、良好的通用性和擴(kuò)展性、控制實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度和速度適當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)。

2)無紙記錄儀選用浙大中控公司的 R2000無紙記錄儀,可替代普通有紙記錄儀、流量積算儀等常規(guī)儀表。 R2000無紙記錄儀還將控制功能引入無紙記錄儀中,使之具有測(cè)量控制功能,成為一臺(tái)智能儀表。此外對(duì)于簡(jiǎn)單的測(cè)量應(yīng)用,它還具有可編程數(shù)學(xué)算式運(yùn)算功能(如實(shí)現(xiàn)流量的溫度、壓力補(bǔ)償計(jì)算)和可編程累計(jì)器功能(如實(shí)現(xiàn)流量累計(jì)),集數(shù)顯、處理、記錄、積算、報(bào)警等多種功能于一身,具有一般氣體、過熱蒸汽、飽和蒸汽、線性壓力補(bǔ)償和線性溫度補(bǔ)償?shù)榷喾N流量運(yùn)算模型,并能生成日流量和月流量的累積列表,采用全中文的顯示畫面,清晰明了。它還具有 12路的報(bào)警輸出和6路配電輸出。具有 4個(gè)組態(tài)操作按鍵和一個(gè)旋鈕,操作十分簡(jiǎn)單[3]。

3)變頻器采用施耐德 ATV11HU09M2A變頻器,具有安裝和接線簡(jiǎn)單、投入運(yùn)行可靠、外形緊湊的特點(diǎn)。能夠提高系統(tǒng)的效率,節(jié)約能源,滿足對(duì)系統(tǒng)準(zhǔn)確、快速的控制要求。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 工作過程

1)數(shù)據(jù)采集。需要采集的數(shù)據(jù)有:液體流量、液體溫度、氣體流量、氣體溫度等模擬量信號(hào)和氣體閥門狀態(tài)等開關(guān)量信號(hào)。無紙記錄儀直接與液體、氣體溫度傳感器和流量變送器相連,來自這些檢測(cè)裝置的各種測(cè)量信號(hào)在無紙記錄儀內(nèi)部經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后,得到的數(shù)據(jù)在寫入無紙記錄儀內(nèi)存后,以波形曲線、數(shù)字、棒圖等方式顯示在液晶畫面上,也可由 RS-485總線發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)、用戶給定值等要求,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、計(jì)算和保存等處理。

2)控制過程。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求,能夠?qū)崿F(xiàn)下位機(jī)就地控制和上位機(jī)遠(yuǎn)程控制。R2000無紙記錄儀具有 PID控制功能,通過對(duì)無紙記錄儀的組態(tài),能夠很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)液體、氣體流量的開環(huán)或閉環(huán)控制。就地開環(huán)控制方式時(shí),可以由無紙記錄儀操作界面直接輸入控制值,通過模擬量輸出通道發(fā)送到變頻器,調(diào)節(jié)變頻器的轉(zhuǎn)速,從而實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。就地閉環(huán)控制方式時(shí),可以由無紙記錄儀操作界面輸入設(shè)定值,它與流量變送器檢測(cè)的流量信號(hào)相比較,得到誤差信號(hào),再經(jīng) PID運(yùn)算輸出控制信號(hào),調(diào)節(jié)變頻器的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)流量的閉環(huán)控制。上位機(jī)通過 RS-485總線將控制指令或數(shù)據(jù)發(fā)送給無紙記錄儀,無紙記錄儀接受上位機(jī)下達(dá)的指令或數(shù)據(jù),完成對(duì)溫度、流量的控制以及氣體閥門的開、關(guān)控制任務(wù),實(shí)現(xiàn)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

MCGS(Monitoring and Control Generated System)是一套基于Windows操作系統(tǒng),可用來快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。它能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、流程控制、動(dòng)畫顯示、報(bào)警和安全機(jī)制、趨勢(shì)曲線、報(bào)表輸出等功能。MCGS組態(tài)軟件的用戶應(yīng)用系統(tǒng)由用戶窗口、主控窗口、設(shè)備窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)行策略部分構(gòu)成,具有良好的可維護(hù)性和可擴(kuò)充性。針對(duì)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)著重介紹用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和設(shè)備窗口的組態(tài)[4]。

3.1 用戶窗口組態(tài)

用戶窗口主要用于設(shè)置工程中的人機(jī)交互界面,用戶窗口中的監(jiān)控畫面由靜態(tài)和動(dòng)態(tài)畫面兩部分組成。動(dòng)態(tài)畫面用逼真的動(dòng)畫效果來表示各變量數(shù)值的變化。本工程組態(tài)的用戶窗口有主控界面窗口、登陸窗口、儀表界面窗口、歷史數(shù)據(jù)瀏覽窗口、通訊窗口、參數(shù)設(shè)定窗口等。填料吸收實(shí)驗(yàn)裝置的主控界面窗口見圖 3。

3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是 MCGS的核心,工程各個(gè)部分均以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為公用區(qū)交換數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分協(xié)調(diào)動(dòng)作。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要,本工程定義了液體流量、液體溫度、氣體流量、氣體溫度等數(shù)值型數(shù)據(jù)對(duì)象,設(shè)置了水泵狀態(tài)、氣體入口閥狀態(tài)、氣體出口閥狀態(tài)等開關(guān)型數(shù)據(jù)對(duì)象,歷史數(shù)據(jù)瀏覽組組對(duì)象等。

為了能夠在實(shí)驗(yàn)中及時(shí)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并保存,就要為歷史數(shù)據(jù)瀏覽組組對(duì)象設(shè)置存盤屬性,歷史數(shù)據(jù)瀏覽組組對(duì)象成員包括了需要實(shí)時(shí)采集的各種數(shù)據(jù)對(duì)象和時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)象,MCGS把數(shù)據(jù)的存盤處理作為一種屬性或者一種操作方法,封裝在數(shù)據(jù)內(nèi)部,作為整體處理。運(yùn)行過程中,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)存盤工作,用戶的存盤要求在存盤屬性窗口頁中設(shè)置,歷史數(shù)據(jù)瀏覽組組對(duì)象存盤屬性設(shè)置見圖 4。設(shè)定定時(shí)間隔為0秒,則實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)不進(jìn)行自動(dòng)存盤處理,只能用其它方式處理數(shù)據(jù)的存盤,本例中通過腳本程序調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)!Save Data來控制數(shù)據(jù)對(duì)象值的存盤。運(yùn)行過程中,點(diǎn)擊儀表界面中“保存數(shù)據(jù)”按鈕,即可調(diào)用腳本程序,完成數(shù)據(jù)存盤工作。

3.3 設(shè)備窗口

設(shè)備窗口是連接和驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的工作環(huán)境。計(jì)算機(jī)串行口是計(jì)算機(jī)和其它設(shè)備通訊時(shí)最常用的一種通訊接口,一個(gè)串行口可以掛接多個(gè)通訊設(shè)備,為適應(yīng)計(jì)算機(jī)串行口的多種操作方式,MCGS組態(tài)軟件采用在串口通訊父設(shè)備下掛接多個(gè)通訊子設(shè)備的處理機(jī)制。本系統(tǒng)中,在設(shè)備窗口中添加串口通信父設(shè)備,在串口通信父設(shè)備下掛兩個(gè)無紙記錄儀子設(shè)備構(gòu)件,分別為兩個(gè)子設(shè)備構(gòu)件設(shè)置最小采集周期、設(shè)備地址、通信等待時(shí)間等參數(shù),要特別注意的是子設(shè)備的某些設(shè)置必須與父設(shè)備一致。在通道連接屬性中,將要采集的信號(hào)與系統(tǒng)變量連接起來。在運(yùn)行環(huán)境中,上位機(jī)還可以按照無紙記錄儀的設(shè)備名字對(duì)其進(jìn)行操作,命令格式為!Set Device(Dev Name,Dev Op,Cmd Str),其中,Dev Name為設(shè)備名,Dev Op為設(shè)備操作碼,Cmd Str為設(shè)備命令字符串,無紙記錄儀能夠接收上位機(jī)指令,完成對(duì)溫度、流量和閥門的控制任務(wù)[5]。

4 結(jié)束語

MCGS組態(tài)軟件以其優(yōu)異的特性在填料塔裝置中的成功應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)流程監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)瀏覽、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)顯示、存儲(chǔ)等功能,解決了測(cè)試工作量大、數(shù)據(jù)處理繁多的問題。下位機(jī)采用無紙記錄儀不僅能夠方便地與檢測(cè)裝置連接,將各種測(cè)量數(shù)據(jù)存盤、顯示并發(fā)送給上位機(jī),而且還能夠接收上位機(jī)下達(dá)的控制指令,實(shí)現(xiàn)溫度、流量的現(xiàn)場(chǎng)控制,符合集中管理、分散控制的集散控制思想。通過上位機(jī)能夠很方便地實(shí)現(xiàn)更高層次的實(shí)驗(yàn)研究,因而,該裝置具有較高的可靠性和靈活性,值得推廣應(yīng)用。

[1]LIU Chao-ying,LI Kai,SON G Zhe-ying,et al.Decoupling Control and Simulation for Variable Flow Heating Systems[C].International conference on Machine Learning and Cybernetice.Hong Kong:[s.n.],2007.419-424.

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