仿真儀表與DCS的完美應用

孫柱會（北京科力丹迪技術開發(fā)有限責任公司，北京 102206）

仿真儀表與DCS的完美應用

孫柱會
（北京科力丹迪技術開發(fā)有限責任公司，北京 102206）

為了提高工業(yè)廠礦工人及在校大學生的理論聯(lián)系實際的能力，采用現(xiàn)值儀表仿真、現(xiàn)場工藝流程軟件仿真，現(xiàn)場設備但比例縮小建模并搭配DCS控制系統(tǒng)的方式，使得仿真系統(tǒng)工程得到更好地推廣普及，簡要闡述了一些有關壓力、溫度、流量、液位和開度值等現(xiàn)場儀表仿真的知識和方法。

壓力；溫度；流量；液位；DCS

隨著我國工業(yè)化的不斷發(fā)展壯大，逐步由人工控制轉為計算機自動化控制，但是由于我國的教育基礎薄弱，現(xiàn)場許多工人對新型儀表和新型工藝都不太了解，必須加強技術方面的培訓工作，在理論知識普及的同時必須進行實驗室練兵。所以仿真系統(tǒng)工程被許多大中型企業(yè)逐步重視起來，本文就是闡述如何將真實儀表改裝成無流體測量的仿真儀表，然后通過DCS系統(tǒng)及計算機仿真軟件，實現(xiàn)現(xiàn)場模擬操作。

1　目的和意義

1.1目的

為了配合XXXX公司催化裂化仿真教學模型的整套系統(tǒng)工程，需要設計、開發(fā)、制作及安裝一系列自動化儀器儀表。

這次開發(fā)的系列儀表可以實現(xiàn)的顯示測量功能為：壓力、溫度、流量、溶位和開度值。

可以根據(jù)DCS系統(tǒng)對不同設備發(fā)布的傳遞指令，來完成相應的顯示工作，給石化系統(tǒng)的培訓學員一個直觀的顯示，還可以通過執(zhí)行機構的手動自動轉換來通過手動調節(jié)執(zhí)行機構的閥門來改變閥門開度，并傳送一個電流環(huán)信號給DCS，DCS系統(tǒng)直接通過計算發(fā)出指令，來改變旁邊的壓力、溫度、流量儀表的在實時顯示數(shù)值，使得學員對現(xiàn)場實際工況有一個理性的認識。

1.2意義

本次立項不僅是本次合同的一次性開發(fā)利用，可以給我們以后做類似工程奠定基礎，積累經(jīng)驗和技術素材，下次做類似工程可以減少支出成本。

從更深遠的意義來說，隨著我國工業(yè)化的不斷發(fā)展壯大，逐步由人工控制轉為計算機自動化控制，如果不從紙上練兵和實驗室練兵開始，新工人或老工人新崗位如果不熟悉操作的順序原理及標準值，就會誤操作，造成設備損壞和停車，更嚴重的可能造成重大人生傷亡事故。

2　項目內(nèi)容及技術可行性分析

仿真儀表開發(fā)項目包括溫度、流量、壓力、溶位的四類顯示儀表的設計和控制調節(jié)開度儀表設計。

2.1功能匯總

1）4—20mA模擬量輸入。

2）4—20mA模擬量輸出。

3）根據(jù)4—20mA的輸入量，用四位數(shù)碼管顯示流量、溫度、壓力、溶位、開度5種顯示類型。

4）自動、手動切換功能。

5）自動、手動狀態(tài)的開關量輸出。

2.2儀表分類

2.2.1數(shù)顯閥門開度

通過LED數(shù)顯加上虛擬執(zhí)行機構通過手動、自動切換開關實現(xiàn)設計。

在自動狀態(tài)，由DCS輸出信號，對于儀表電路板來說輸入信號是4-20mA的電流，數(shù)碼管顯示000.0～100.0，表示閥門開度的百分比。

在手動狀態(tài)，轉動手輪，使得高精密電位器聯(lián)動，產(chǎn)生相應電阻值變化，通過計算直接在LED進行數(shù)字顯示：000.0到100.0，同時通過數(shù)模轉換輸出信號給DCS來傳遞開度值信息，由系統(tǒng)按照程序設定好的工況當量值再發(fā)出指令來改變其他儀表的顯示值，如溫度、壓力、流量等。

手動、自動狀態(tài)有狀態(tài)指示，以數(shù)字量輸出到DCS。

2.2.2數(shù)顯儀表

通過四位LED 數(shù)碼管可以顯示溫度、流量、壓力、開度值。具體顯示什么參數(shù)，由跳線選擇。其顯示能力為0.00到999.9。

2.2.3溶位計

通過LED 燈柱和四位LED 數(shù)碼管顯示。為了使得LED燈柱和四位LED 數(shù)碼管同步顯示，需要采取編程的方法來實現(xiàn)，而且其顯示也是以百分比的形式，所以電路采用了開度閥的電路板移植到這里，配合采購來的燈柱電路板，來實現(xiàn)溶位的實時顯示。

這些電子電路和真實的儀表電路板比較有相同類似的地方，但是因為是無實物顯示，有地方計算要復雜，有些地方又可以簡化，所以，不能用真實儀表來代替。我們采用單片機來完成顯示儀表，不需要編程，只是根據(jù)量程改變相應的電子元件，來實現(xiàn)不同數(shù)值的顯示。

而執(zhí)行機構因為要根據(jù)手輪轉動的度數(shù)，來帶動高精密電位器轉動，通過電阻值的連續(xù)變化來跟蹤判斷開度值，而且還要考慮到機械振動和周圍電子設備的干擾，必須采用編程的方法，我們是用采用32位嵌入式CPU處理器框架來完成這一設計理念的。編程采用C語言，從軟件到硬件都是目前非常成型的，所以技術上不存在難題。

3　實施方案

3.1普通數(shù)顯儀表

這類為溫度、流量、壓力的顯示儀表，在這一大類中，由于輸入信號均為4-20mA電流環(huán)，但要顯示數(shù)據(jù)的類型以及滿量程不同，所以要分別設計信號的處理電路，處理好的信號根據(jù)需要，送到不同顯示精度的數(shù)碼表頭上，這個表頭可以在市場上采購。系統(tǒng)采用單片機架構，無須軟件支持。顯示范圍：0.000到999.9。

3.2現(xiàn)場液位計動態(tài)變化效果設計

采用半導體發(fā)光元件構成的光柱式顯示儀，配合發(fā)光二極管式數(shù)字顯示儀，設計的專用溶位計模擬現(xiàn)場溶位計動態(tài)變化效果，顯示LED為100點，顯示范圍0到100，顯示單位為百分比。此種設計具有直觀形象、耗電省、壽命長等優(yōu)點。采用32位嵌入式CPU處理器框架，需要軟件支持配合使用。

3.3現(xiàn)場手動調整閥門開度顯示設計

現(xiàn)場手動調整閥門的開度直接涉及學員的操作力度感覺和過程變化的時間特性感覺?？刹捎孟冗M的電子測控技術，不僅可以將現(xiàn)場手動閥門的開度實時傳遞到控制室，而且可以通過發(fā)光數(shù)碼管實時顯示閥門開度。采用32位嵌入式CPU處理器框架，需要軟件支持配合使用；具體實施中，對各個閥門的開度儀表采用撥動開關設計，實現(xiàn)自動和手動信號選擇；當為手動時，通過旋轉手輪，帶動和閥桿連成一體的高精密旋鈕電位器旋轉1-6圈，根據(jù)旋轉不同角度得到的電阻值的不同，實時跟蹤測量電位器的電阻值傳遞到主板，通過計算顯示相應的開度值xxx.x%，并轉換成4-20mA的電信號，經(jīng)過技術處理保證不受到震動的影響，將穩(wěn)定的信號傳遞到DCS，由DCS根據(jù)程序設定好的閥值，向該閥門所控制的管道或設備發(fā)出一個相應的4-20mA的電信號到現(xiàn)場實際管線位置，來顯示需要的壓力x.xxxMPa（G）、溫度xxx.x℃、溶位高度或流量xxx.xt/h、xxx.xhm3（標）/h以讀表為準。

當設定為自動調節(jié)時，由DCS發(fā)出一個與設定開度值相當?shù)?-20mA的電信號到開度閥門，LED數(shù)碼管顯示設定的數(shù)值xxx.x%，同時DCS向相關壓力、溫度、溶位、流量控制儀表發(fā)出顯示所用的4-20mA的電信號實現(xiàn)相關節(jié)點顯示相應的數(shù)值。

3.4電源模塊

因為所有信號均為Ⅱ類信號：4-20mA的模擬量輸入信號；24VDC小于50mA的阻性負載開關量輸出信號。采用屏蔽雙絞電纜和多股屏蔽計算機電纜來連接各個節(jié)點和DCS的網(wǎng)絡節(jié)點控制器。所有電纜布置在橋架中保證美觀、安全、實用。電源模塊準備采用標準工業(yè)電源模塊，然后根據(jù)項目點數(shù)計算出合適的負載功率，原則上每個點按照耗電量5W來計算?？紤]到抗干擾問題，準備采用隔離變壓器，規(guī)格220V、250W來設計一款滿足應用的電源箱給各個儀表供電?？紤]的信號衰減，不準備設集中板，而是把信號線和電源線分開兩根線傳送，來保證信號源的純凈。從橋架出線后用纏繞管包裹，沿著配管前行到各個顯示儀表處，用防水卡子固定。

4　預期經(jīng)濟效益和社會效益

本次儀表研發(fā)、制作費用大概在18萬左右，目前一個32位處理器硬件和軟件的研發(fā)就要報到10萬，而這次涉及的是多個儀表種類?？梢曰ハ嘟梃b，改動的部分不多，總的來說投入較少。而且我們主要看中的是長遠的社會效益。因為我們仿真一個項目，如果每年培訓100人次，那按照設計壽命10年計算就是1 000人?？梢詭椭S多石化行業(yè)解決新員工培訓的問題，因為如果不經(jīng)過培訓直接上崗，如果產(chǎn)生誤操作，將會給國家和企業(yè)造成很大經(jīng)濟損失，甚至造成重大人身傷亡事故，如果造成泄漏，還會對周邊人民的生存環(huán)境造成破壞，影響將更大，所以說我們所做的工作是造福人類的大事，是不能以金錢來衡量的。

5　結束語

本設計方案簡單、經(jīng)濟、易行、社會效益較高、為工況企業(yè)和學校實操培訓解了燃眉之急。

[1] 瞿英，陳軍霞，任飛飛.基于CDIO的《數(shù)據(jù)庫原理及應用》課程群能力培養(yǎng)目標體系構建[J].河北工業(yè)科技，2012，（2）：108-111.

Perfect Application of Simulation Instrumentation and DCS

Sun Zhu-hui

In order to enhance the industrial factories and mines workers and college students in the theory and practice of skills. Using the present value of the instrument simulation，on-site process simulation software，field equipment but scaled down with the modeling and fashion DCS control system，making the simulation system works better in China to promote universal，briefly，describes some of the pressure，temperature，knowledge and methods of flow，level and opening value and other field instruments simulation.

pressure；temperature；flow；Level；DCS

TP273.5

B

1003-6490（2016）03-0105-02

2016-03-09

孫柱會（1968—），北京人，助理工程師，主要從事機電自動化設備的研發(fā)和制造銷售，以及化工仿真工程，環(huán)境保護如水處理工程等。