壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊曉欣，孟永彪

（新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊曉欣，孟永彪

（新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

介紹了基于組態(tài)軟件MCGS的壓縮天然氣（Compressed NaturalGas，CNG）鋼瓶水壓試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法，上位機(jī)采用組態(tài)軟件MCGS建立人機(jī)界面，下位機(jī)采用西門子S7-300型PLC進(jìn)行現(xiàn)場控制，系統(tǒng)監(jiān)控界面友好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗(yàn)的自動(dòng)化操作，檢驗(yàn)效率提高。

壓縮天然氣鋼瓶；水壓試驗(yàn)；MCGS；PLC；監(jiān)控

天然氣作為一種清潔高效的能源，得到越來越廣泛的應(yīng)用。承裝壓縮天然氣的鋼瓶，是一種可重復(fù)性充裝的移動(dòng)式高壓壓力容器，容易發(fā)生內(nèi)部腐蝕、彈塑性疲勞破壞、密封失效等危害現(xiàn)象。為了保障用戶對(duì)壓縮天然氣鋼瓶的安全使用，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要對(duì)壓縮天然氣鋼瓶進(jìn)行定期檢驗(yàn)。在檢驗(yàn)各道工序中，水壓試驗(yàn)是最直接和最有效的手段。

隨著待檢壓縮天然氣鋼瓶數(shù)量的與日俱增，以往在水壓試驗(yàn)的過程中，需要人工記錄數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方式，已經(jīng)不再滿足要求。針對(duì)這一問題，提出了一種基于組態(tài)軟件MCGS的壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和人機(jī)交互平臺(tái)等功能于一體的監(jiān)控系統(tǒng)，具有較高的可靠性和較好的實(shí)時(shí)性，能夠有效地提高測試效果。

1 監(jiān)控系統(tǒng)分析

壓縮天然氣鋼瓶在進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，如果在加壓狀態(tài)下，發(fā)生壓力表回降，即發(fā)生泄壓現(xiàn)象，表明鋼瓶發(fā)生了泄漏、材料大面積屈服等現(xiàn)象，從而檢查出有缺陷的鋼瓶，防止鋼瓶在運(yùn)行中發(fā)生事故。對(duì)壓縮天然氣鋼瓶進(jìn)行的水壓試驗(yàn)的同時(shí)，進(jìn)行容積殘余變形率（殘余變形值/全變形值）的計(jì)算[1]。容積殘余變形率超過全變形的6%時(shí)，應(yīng)測定瓶體的最小壁厚，若最小壁厚小于設(shè)計(jì)壁厚，或容積殘余變形超過全變形的10%時(shí)，鋼瓶應(yīng)報(bào)廢。

結(jié)合壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗(yàn)過程的控制要求，系統(tǒng)需要滿足的功能有：

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力泵、電磁閥等控制對(duì)象的開關(guān)控制。

（2）實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗(yàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)。

（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗(yàn)的動(dòng)畫模擬和監(jiān)控。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)主要由工控機(jī)、PLC和現(xiàn)場儀器儀表組成。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示

圖1 壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

其中上位機(jī)采用的是配合組態(tài)軟件MCGS的西門子面板式工控機(jī)PC670，對(duì)壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)控。其設(shè)計(jì)堅(jiān)固，功能強(qiáng)大，主板上集成了PROFIBUS-DP/MPI接口，集成的以太網(wǎng)接口，方便連接生產(chǎn)操作級(jí)和管理級(jí)的應(yīng)用，或連接Internet。

下位機(jī)采用西門子S7-300型PLC。S7-300型PLC是一種通用型PLC，能適合自動(dòng)化工程中的各種應(yīng)用場合，尤其是在生產(chǎn)制造工程中的應(yīng)用。其具有模塊式的結(jié)構(gòu)，循環(huán)周期短，無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)分布式的控制、處理速度高以及用戶易于掌握等特點(diǎn)[2]。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用MCGS組態(tài)軟件，來進(jìn)行上位機(jī)的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。MCGS是一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，集動(dòng)畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、工程報(bào)表、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強(qiáng)大功能于一身，并支持國內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備，其由組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩部分組成[3]。

在MCGS組態(tài)環(huán)境中，完成動(dòng)畫設(shè)計(jì)、設(shè)備連接、編寫控制流程、編制工程打印報(bào)表等全部組態(tài)工作；在運(yùn)行環(huán)境中，完成對(duì)工程的控制工作。兩部分相互獨(dú)立，又緊密相關(guān)。這個(gè)軟件為我們提供了解決實(shí)際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺(tái)。

根據(jù)系統(tǒng)要求，采用組態(tài)軟件MCGS設(shè)計(jì)了監(jiān)控主畫面、趨勢畫面、數(shù)據(jù)庫窗口和報(bào)警窗口等。

（1）監(jiān)控主畫面。用來實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示水壓試驗(yàn)過程，如圖2所示。

圖2 壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗(yàn)監(jiān)控主畫面

（2）趨勢畫面。實(shí)時(shí)曲線可以動(dòng)態(tài)顯示參數(shù)的變化曲線，如壓力-時(shí)間曲線，可以顯示水壓試驗(yàn)壓力隨時(shí)間的變化情況，壓力-進(jìn)水量曲線，可以顯示水壓試驗(yàn)壓力與進(jìn)水量之間的關(guān)系。而歷史曲線可以完成歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)的查看工作。

（3）數(shù)據(jù)庫窗口。在該窗口中繪制符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的報(bào)表，雙擊數(shù)據(jù)庫表格打開存盤數(shù)據(jù)瀏覽和構(gòu)件屬性設(shè)置對(duì)話框。在該對(duì)話框中，完成存盤數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置、變量名、數(shù)學(xué)單位等設(shè)置。檢驗(yàn)報(bào)表包括檢驗(yàn)日期、試驗(yàn)批次、試驗(yàn)壓力、試驗(yàn)種類、保壓時(shí)間、試件容積、殘余變形值、全變形值和氣瓶的殘余變形率等。

在鋼瓶進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，每次進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境，都會(huì)產(chǎn)生新的數(shù)據(jù),MCGS組態(tài)會(huì)自動(dòng)生成Access數(shù)據(jù)庫。操作人員利用MCGS的報(bào)表功能，既可以制作實(shí)時(shí)報(bào)表，也可以制作歷史報(bào)表。這些功能為存取數(shù)據(jù)記錄帶來很大的便利，另外也利于檢驗(yàn)資料的保存，為檢驗(yàn)方面的研究提供寶貴依據(jù)。

（4）報(bào)警窗口?？梢苑磻?yīng)變量的不正常變化，如受試瓶在水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生泄漏，就會(huì)發(fā)生報(bào)警，將報(bào)警事件在報(bào)警窗口中顯示出來，并做歷史記錄。

3.2 數(shù)據(jù)采集與通訊

系統(tǒng)由上位機(jī)設(shè)定試驗(yàn)壓力、保壓時(shí)間、采樣頻率等控制參數(shù)，下位機(jī)采用西門子S7-300型PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力泵、電磁閥的動(dòng)作控制和試驗(yàn)過程中現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。PLC根據(jù)需要配置了通訊模塊、壓力數(shù)據(jù)采集模塊、水量數(shù)據(jù)采集模塊、壓力泵啟停模塊、電磁閥控制模塊等。這些模塊在試驗(yàn)中相互配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)裝置的有效控制。上位機(jī)采集下位機(jī)PLC中來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理，將控制命令傳給下位機(jī)，以此來監(jiān)控壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗(yàn)過程。

MCGS通過上位機(jī)中的MPI網(wǎng)卡（如CP5611）和PLC上的通訊單元（通訊模塊）建立通訊連接，從而達(dá)到操作PLC設(shè)備的目的。MPI卡可以根據(jù)上位機(jī)與下位機(jī)之間，使用西門子標(biāo)準(zhǔn)PC/MPI電纜通訊。MCGS軟件可以通過MPI適配器，讀寫西門子S7-300型PLC設(shè)備的各種寄存器的數(shù)據(jù)。MCGS與外部設(shè)備的連接，是在設(shè)備窗口中實(shí)現(xiàn)的，在MCGS中，PLC設(shè)備是作為子設(shè)備掛在串口父設(shè)備下的，通訊協(xié)議采用西門子MPI協(xié)議，通訊方式為一主一從的通訊方式，驅(qū)動(dòng)構(gòu)件為主，PLC設(shè)備為從。MCGS與外部設(shè)備的通訊示意圖如圖3所示。

圖3 MCGS與外部設(shè)備的通訊示意圖

3.3 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC通過程序控制實(shí)際設(shè)備。PLC采用STEP7進(jìn)行編程[4]。STEP7是一種用于西門子S7-300/400可編程控制器組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。

其基本功能有：設(shè)置和管理項(xiàng)目；為硬件和通信組態(tài)并分配參數(shù)；管理符號(hào)；創(chuàng)建程序。

為了減少編程的困難，PLC程序設(shè)計(jì)采用了模塊化的編程思想，即把程序分成若干個(gè)程序塊，這些塊相當(dāng)于主程序的子程序。其中壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗(yàn)的壓力控制程序流程圖如圖4所示。其中PW是鋼瓶的公稱工作壓力，PT是鋼瓶水壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力，是鋼瓶水壓試驗(yàn)保壓時(shí)間。

圖4 壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗(yàn)壓力控制程序流程圖

4 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)基于組態(tài)軟件MCGS的壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗(yàn)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)、人機(jī)界面、實(shí)時(shí)流程動(dòng)畫顯示、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)顯示、報(bào)告輸出等功能，避免了在水壓試驗(yàn)現(xiàn)場的大量的人工操作，降低了檢測工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和檢測的危險(xiǎn)性，提高了檢測效率，自動(dòng)化水平大大提高?，F(xiàn)場運(yùn)行后表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有推廣價(jià)值。

[1]GB/T9251-1997，氣瓶水壓試驗(yàn)方法[S].

[2]龔仲華.S7-200/300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]姜 海，田春艷.MCGS組態(tài)軟件在PLC工作狀態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2008，（2）：56-59.

[4]曹麗婷，田景文，黃桂林.PLC和組態(tài)軟件在污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2008，36（7）：202-204.

Design and Realization of Monitoring System of Com pressed Natural Gas Cylinder Hydraulic Pressure Test

YANG Xiao-xin,MENG Yong-biao
(College of Chemistry and Chemical Engineering of Xinjiang University,Urumqi830046,China)

This paper introduces the design and implementation of CNG cylinder hydraulic pressure test monitoring system based on the configuration software MCGS.The host computer of the system uses the configuration software MCGS to establish human-computer interface.The lower com puter uses Siemens S7-300 type PLC to control the field.The human-computer interface is friendly and the system operation is stable and reliable.The system realized the automatic operation of CNG cylinder hydraulic pressure test.And then the inspection effici ency is improved.

CNG cylinder;hydraulic pressure test;MCGS;PLC;monitoring

TP227

B

1672-545X（2011）09-0080-03

2011-06-12

楊曉欣（1985-），女，河北藁城人，在讀碩士研究生，研究方向：化工設(shè)備制造檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)