基于用MCGS 實(shí)現(xiàn)雙儲(chǔ)液罐液位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

黃茹

（昌吉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆昌吉，831100）

在化工等企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，儲(chǔ)液罐應(yīng)用非常廣泛，液位控制技術(shù)是生產(chǎn)中最重要的參數(shù)之一，儲(chǔ)液罐液位有效地監(jiān)控和處理對(duì)安全生產(chǎn)有著至關(guān)重要的意義。傳統(tǒng)的儲(chǔ)液罐控制系統(tǒng)常采用繼電器系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜易出故障，沒有人機(jī)窗口無法遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化水平低。本文設(shè)計(jì)主要采用MCGS 和IPC 實(shí)現(xiàn)雙儲(chǔ)液罐液位監(jiān)控系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)從設(shè)計(jì)方案、軟硬件選型、電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)調(diào)試、軟硬件聯(lián)調(diào)幾個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)化工企業(yè)的生產(chǎn)要求，本文設(shè)計(jì)案例的控制要求有以下幾個(gè)方面：

設(shè)計(jì)中有兩個(gè)儲(chǔ)液罐，假設(shè)一個(gè)儲(chǔ)液罐A 液位要求控制在1～12m，另一個(gè)儲(chǔ)液罐B 液位控制要求在1～9m；儲(chǔ)液罐B 的液位要設(shè)置極低水位保護(hù)任務(wù)，當(dāng)B 罐液位低于0.3 米是，應(yīng)該關(guān)閉罐B 出水閥，打開罐B 進(jìn)水閥和始端水泵；液位可以實(shí)時(shí)顯示，在人機(jī)界面上監(jiān)控人員能看到液位數(shù)值并能夠遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)目標(biāo)液位值；設(shè)計(jì)越限報(bào)警功能，當(dāng)液位超過了規(guī)定的控制范圍時(shí)能夠報(bào)警，可采用報(bào)警燈或電鈴報(bào)警，并且在HMI 界面上以報(bào)警窗口形式顯示實(shí)時(shí)報(bào)警信息，并且進(jìn)一步添加歷史報(bào)警功能；報(bào)表生成功能，通過液位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以生成實(shí)時(shí)報(bào)表和歷史報(bào)表，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)報(bào)表簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)報(bào)表工作繁雜和時(shí)效性低的缺點(diǎn)；制作實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線，便于分析生產(chǎn)情況和預(yù)測(cè)今后的生產(chǎn)趨勢(shì)。圖1 為雙儲(chǔ)液罐方案設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)方框圖。

圖1 雙儲(chǔ)液罐閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

根據(jù)案例中任務(wù)進(jìn)行分析，首先對(duì)兩個(gè)儲(chǔ)液罐水位用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述控制方法：

Y1=1(Ha＜1m);Y1=0(Ha＞12m);Y1=不變(1m≤Ha≤12m)

Y2=1（Hb＜1m）;Y2=1（Hb＞9m）;Y2=不變（1m≤Ha≤9m）

其中Y1是水泵控制信號(hào)，Y1=1 時(shí)水泵打開，Y1=0 時(shí)水泵關(guān)閉；Y2是罐B 進(jìn)水閥控制信號(hào)，Y2=1 時(shí)該進(jìn)水閥打開，Y2=0 時(shí)該進(jìn)水閥關(guān)閉。本系統(tǒng)采用位式控制算法。

2 軟硬件選型

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)輸入命令的方式，采用擴(kuò)散硅壓力變送器利用壓阻方式進(jìn)行測(cè)量，這種變送器的工作原理是當(dāng)其受到壓力時(shí)，由半導(dǎo)體工藝制成的電阻，其阻值會(huì)發(fā)生改變，其中四個(gè)電阻以橋式連接，電橋加直流電源后，會(huì)在橋的另一端產(chǎn)生直流電壓信號(hào)，通過信號(hào)變換電路對(duì)輸出的電壓信號(hào)處理后，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成1～5V 直流電壓或4～20mA 直流電流信號(hào)。本系統(tǒng)采用DBYG 型擴(kuò)散硅壓力變送器，針對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求對(duì)該壓力變送器量程進(jìn)行如下計(jì)算：

罐A 正常液位為0～12m，適當(dāng)放大測(cè)量范圍取4/3 倍，則為0～16m，轉(zhuǎn)換為壓力為：

罐B 正常液位為0～9m，適當(dāng)放大測(cè)量范圍取4/3 倍，則為0～12m，轉(zhuǎn)換為壓力為：

本系統(tǒng)水泵、進(jìn)水閥和出水閥的選型主要有工藝設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要去選取，工程師根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)控制電路，本系統(tǒng)水泵選擇型號(hào)為50SG-10-15 型；進(jìn)水閥和出水閥采用ZCW 型液用電磁閥；計(jì)算機(jī)可以選擇研華ARK-3400 嵌入式IPC；對(duì)I/O 接口設(shè)備采用西門子S7-200PLC作為接口設(shè)備。

3 電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用西門子PLC，該系列中CPU224XP 具有模擬量輸入輸出通道，該P(yáng)LC 一共有14 個(gè)DI 端、10 個(gè)DO端，2個(gè)AI端，1個(gè)AO端。根據(jù)本系統(tǒng)雙儲(chǔ)液罐方案要求，需要有2 個(gè)AI 和3 個(gè)DO，對(duì)其設(shè)計(jì)要求進(jìn)行系統(tǒng)I/O 分配，雙儲(chǔ)液罐液位監(jiān)控系統(tǒng)I/O 分配表如表1 所示。

表1 雙儲(chǔ)液罐液位監(jiān)控系統(tǒng)I/O分配表

4 程序設(shè)計(jì)與調(diào)試

■4.1 建立工程

進(jìn)入MCGS 組態(tài)環(huán)境后新建工程,工程存儲(chǔ)為“雙儲(chǔ)液罐水位監(jiān)控系統(tǒng)”，工程不得保存在桌面上。

■4.2 變量定義

根據(jù)設(shè)計(jì)要求在MCGS 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中添加變量，變量分配表如表2 所示。

表2 雙儲(chǔ)液罐液位監(jiān)控系統(tǒng)變量分配表

添加變量時(shí)注意在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)里添加變量時(shí)變量類型一定不能定義錯(cuò)，否則影響后續(xù)動(dòng)畫連接。

■4.3 畫面編輯和動(dòng)畫連接

根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)畫面進(jìn)行編輯，如圖2 所示。

圖2 雙儲(chǔ)液罐液位監(jiān)控畫面

利用MCGS 組態(tài)功能對(duì)設(shè)計(jì)畫面和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行動(dòng)畫連接，連接時(shí)難點(diǎn)是液位升降動(dòng)畫效果制作，如圖3 所示。

圖3 罐A 液位升降動(dòng)畫效果設(shè)置

對(duì)該模塊進(jìn)行動(dòng)畫連接時(shí)一定要注意變化百分比的含義以及變化方向的意義，設(shè)置參數(shù)時(shí)以罐A 最大液位為最大表達(dá)式的值。該組動(dòng)畫連接設(shè)置時(shí)由于是儲(chǔ)液罐，底部為變化初始位，變化方向?yàn)橄蚬奚矸较?，雖然液位會(huì)上升或下降，但變化方向一定選擇向上箭頭。

■4.4 液位對(duì)象模擬

本設(shè)計(jì)可以通過腳本程序加入模擬語句對(duì)儲(chǔ)液罐液位特性進(jìn)行模擬，進(jìn)入MCGS 工作臺(tái)中找到運(yùn)行策略窗口，選中循環(huán)策略后按步驟寫入腳本程序，可參考如下程序：

該程序按儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)順序，由水泵-儲(chǔ)液罐A-儲(chǔ)液罐B 順序，設(shè)計(jì)程序是水泵打開，Ha每200ms 上升0.2m；罐B 進(jìn)水閥打開時(shí)，Ha每200ms 下降0.06m、Hb每200ms 上升0.08m；罐B 出水閥打開時(shí)，Hb每200ms 下降0.02m。以上模擬量參數(shù)可以調(diào)整，但原則是出水量不能大于進(jìn)水量。

■4.5 實(shí)時(shí)和歷史報(bào)警窗口

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)當(dāng)發(fā)生參數(shù)越限時(shí)要及時(shí)報(bào)警，最簡(jiǎn)單的方法是采用報(bào)警燈，也可以設(shè)置實(shí)時(shí)報(bào)警窗口。采用實(shí)時(shí)報(bào)警時(shí)一定要注意對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中液位變量進(jìn)行報(bào)警屬性設(shè)置，其中上下限報(bào)警可采用人機(jī)界面實(shí)時(shí)輸入的方式，使報(bào)警設(shè)置更靈活，便于監(jiān)控室人員根據(jù)需要及時(shí)調(diào)整。實(shí)時(shí)報(bào)警設(shè)置報(bào)警窗口屬性設(shè)置如圖4 所示。

圖4 實(shí)時(shí)報(bào)警窗口屬性設(shè)置

實(shí)時(shí)報(bào)警窗口要對(duì)變量Ha和Hb進(jìn)行報(bào)警屬性設(shè)置，將“允許進(jìn)行報(bào)警處理”勾選激活，并設(shè)置好上限報(bào)警和下限報(bào)警值。同時(shí)要把兩組液位放在一個(gè)液位組中，設(shè)置為“組對(duì)象”。

對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行歷史報(bào)警時(shí)，需要新增用戶策略，在新增“歷史報(bào)警”策略中用策略工具箱方式設(shè)置“報(bào)警信息瀏覽”，并在MCGS主控串口中新增菜單實(shí)現(xiàn)菜單操作歷史報(bào)警功能。

■4.6 制作實(shí)時(shí)和歷史報(bào)表

數(shù)據(jù)報(bào)表制作對(duì)儲(chǔ)液罐液位監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)有非常重要的意義，可以對(duì)生產(chǎn)過程中監(jiān)控對(duì)象儲(chǔ)液罐的液位狀態(tài)進(jìn)行綜合記錄。實(shí)時(shí)報(bào)表的設(shè)置可采用自由表格，對(duì)參數(shù)進(jìn)行連接，歷史報(bào)表需要對(duì)“存盤數(shù)據(jù)瀏覽”構(gòu)件進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置時(shí)歷史報(bào)表的連接設(shè)置要注意從基本屬性、數(shù)據(jù)來源、顯示屬性、時(shí)間條件幾個(gè)步驟逐步設(shè)置，為方便人機(jī)界面靈活調(diào)用，應(yīng)在主畫面和報(bào)表畫面中設(shè)置切換按鈕，實(shí)現(xiàn)效果如圖5 所示。

圖5 液位監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)表顯示

實(shí)時(shí)報(bào)表用自由表格構(gòu)件創(chuàng)建，依據(jù)設(shè)計(jì)要求為五行兩列，雙擊進(jìn)入編輯模式后，第一列為對(duì)應(yīng)變量名稱，第二列根據(jù)設(shè)置變量類型數(shù)值型變量設(shè)置為1|0，代表顯示一位小數(shù)，開關(guān)型變量設(shè)置為0|0，代表顯示整數(shù)。

歷史報(bào)表是通過提取歷史數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)記錄，并按一定格式顯示，可以采用策略構(gòu)件的存盤數(shù)據(jù)瀏覽構(gòu)件，或利用設(shè)備構(gòu)件的歷史表格構(gòu)件，或利用動(dòng)畫構(gòu)件的存盤數(shù)據(jù)瀏覽等多種方法，本設(shè)計(jì)方案以“歷史表格”構(gòu)件方法為例。

制作報(bào)警窗口前也必須設(shè)置變量存盤屬性，將兩個(gè)液位變量和液位組變量存盤屬性設(shè)為定時(shí)存盤，存盤周期為1s，在數(shù)據(jù)報(bào)表組態(tài)窗口中選取“歷史表格”構(gòu)件。制作表格是在編輯狀態(tài)把需要編輯的部分選擇“合并表元”，并對(duì)該區(qū)域進(jìn)行“基本屬性”，“顯示屬性”，“時(shí)間條件”，“數(shù)據(jù)來源”等設(shè)置。

■4.7 制作實(shí)時(shí)和歷史曲線

在實(shí)際生產(chǎn)中，除了對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)表有設(shè)計(jì)要求，還應(yīng)該設(shè)置好曲線顯示，曲線顯示有助于對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且后期生產(chǎn)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)，本設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)曲線設(shè)置在設(shè)置時(shí)需要注意變量連接和范圍設(shè)定，也可以采用新建窗口方式實(shí)現(xiàn)；歷史曲線在設(shè)置時(shí)一定注意設(shè)置好存盤數(shù)據(jù)，在高級(jí)屬性設(shè)置中對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)要自動(dòng)刷新通過對(duì)歷史曲線的設(shè)置可以便于生產(chǎn)中分析液位變化規(guī)律，總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。圖6 為曲線顯示效果示意圖。

圖6 液位監(jiān)控系統(tǒng)曲線顯示

實(shí)時(shí)曲線制作時(shí)需要注意根據(jù)液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在“標(biāo)注屬性”中設(shè)置好最大值，最大值就是雙儲(chǔ)液罐中最大的一個(gè)罐的液位最大值，為區(qū)分兩個(gè)儲(chǔ)液罐液位在曲線上的顯示，可以在“畫筆屬性”中用紅藍(lán)兩種顏色連接Ha和Hb兩個(gè)變量表達(dá)式。

歷史曲線目的是在之后查看液位數(shù)據(jù)狀態(tài)、分析變化規(guī)律并總結(jié)，與之前設(shè)置歷史報(bào)表一樣，也一定要對(duì)變量進(jìn)行存盤屬性的設(shè)置?！扒€標(biāo)識(shí)”頁中在設(shè)計(jì)時(shí)要區(qū)分兩組液位，曲線內(nèi)容和顏色要一一對(duì)應(yīng)。歷史曲線里八個(gè)操作按鈕可以前進(jìn)后退等多種方式監(jiān)控儲(chǔ)液罐液位變化。

■4.8 使用PLC 作I/O 接口控制程序

使用PLC 時(shí)，不僅將其作為接口設(shè)備也作為現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，所以控制程序可以在PLC 中編寫，MCGS 只作為運(yùn)行監(jiān)控和修改設(shè)定值。需要對(duì)PLC 控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)其符號(hào)表和I/O 分配，液位信號(hào)Ha和Hb分別經(jīng)AIW0 和AIW2 進(jìn)入PLC，PLC 收到的數(shù)字量為6400～32000，在程序中名為Ha_D 和Hb_D。經(jīng)程序處理后，數(shù)據(jù)被還原為液位Ha和Hb。Ha和Hb送到MCGS 中提供顯示、報(bào)警、報(bào)表、曲線顯示等功能。液位的上下限值可以在MCGS 中賦值并送給PLC。

5 使用PLC 做接口進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調(diào)

在MCGS 中對(duì)PLC 進(jìn)行連接時(shí)需要注意完成PLC 與外設(shè)信息交換，需要確定輸入信號(hào)通過PLC 哪個(gè)通道輸入，輸出信號(hào)通過PLC 哪個(gè)通道輸出。在MCGS 的設(shè)備窗口中進(jìn)行設(shè)備組態(tài)，需要將PLC 設(shè)備添加到選定設(shè)備中，并將“通用串口父設(shè)備”添加到選定設(shè)備中。MCGS 和PLC 進(jìn)行連接時(shí)一定要注意對(duì)應(yīng)關(guān)系，做好信號(hào)傳遞，表3 為MCGS與PLC 溝通信號(hào)表。

表3 MCGS與PLC溝通信號(hào)表

6 結(jié)語

本方案基于MCGS 對(duì)雙儲(chǔ)液罐液位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件組態(tài)設(shè)計(jì)，結(jié)合IPC 和PLC 進(jìn)行連接，軟硬件聯(lián)調(diào)效果好，該設(shè)計(jì)方案人機(jī)界面良好，操作簡(jiǎn)單，對(duì)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)有較高的可操作性和實(shí)用性，改進(jìn)了儲(chǔ)液罐液位控制原來采用繼電器控制的弊端，在液位監(jiān)控方面自動(dòng)化智能技術(shù)有推動(dòng)作用。