李 凱,吉艷卿,左文香

(1.河北工程技術(shù)高等專科學校 電氣工程系,河北 滄州 061001;2.獻縣電力局,河北 獻縣 062250)

填料吸收實驗裝置是化工教學中非常重要的設(shè)備,以往填料實驗裝置常采用手動控制閥門實現(xiàn),而且參數(shù)的調(diào)整極不方便,系統(tǒng)的控制精度較低,同時由于實驗中測試工作量大,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,同時性差、記錄數(shù)據(jù)也不準確,直接影響了實驗數(shù)據(jù)的可靠性。采用計算機技術(shù),以 MCGS組態(tài)軟件為運行平臺的監(jiān)控系統(tǒng),具有二次開發(fā)簡便、開發(fā)周期短、通用性強、可靠性高等優(yōu)點?？蓪ΜF(xiàn)場信號和工藝參數(shù)進行實時采集和控制,從而克服了上述缺點,提高了實驗精度與工作效率。而且還可以在此基礎(chǔ)上應用先進控制理論、進行生產(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展性[1]。

1 填料吸收工藝流程及實現(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。由風機送來的空氣和由二氧化碳鋼瓶來的二氧化碳混合后,一起進入氣體混合罐,然后再進入塔底,與水在塔內(nèi)進行逆流接觸,進行質(zhì)量和熱量的交換,由塔頂出來的尾氣放空。填料塔吸收實驗是通過讀取各流量計、溫度計、壓差計讀數(shù),獲取實驗數(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 填料吸收裝置實現(xiàn)的功能

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

中能夠方便、快速、準確地獲取實驗數(shù)據(jù),其次要能夠監(jiān)控整個實驗工藝流程,該控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能如下:

1)采用先進的計算機技術(shù),提高系統(tǒng)的控制精度。

2)實時檢測氣體、液體的溫度和流量并進行整理、存儲,為工藝分析提供科學的實驗數(shù)據(jù)。

3)對系統(tǒng)運行進行實時監(jiān)視,通過人機界面以數(shù)字、棒圖、開關(guān)狀態(tài)等多種形式進行顯示。

4)按照程序?qū)怏w、液體的溫度和流量進行控制,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、打印機、傳感 /變送器、無紙記錄儀、變頻器、風機、水泵、電磁閥、多芯電纜組成,構(gòu)成上下位機結(jié)構(gòu)的簡單集散控制系統(tǒng)[2],硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖 2。

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

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,使之具有測量控制功能,成為一臺智能儀表。此外對于簡單的測量應用,它還具有可編程數(shù)學算式運算功能(如實現(xiàn)流量的溫度、壓力補償計算)和可編程累計器功能(如實現(xiàn)流量累計),集數(shù)顯、處理、記錄、積算、報警等多種功能于一身,具有一般氣體、過熱蒸汽、飽和蒸汽、線性壓力補償和線性溫度補償?shù)榷喾N流量運算模型,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路的報警輸出和6路配電輸出。具有 4個組態(tài)操作按鍵和一個旋鈕,操作十分簡單[3]。

3)變頻器采用施耐德 ATV11HU09M2A變頻器,具有安裝和接線簡單、投入運行可靠、外形緊湊的特點。能夠提高系統(tǒng)的效率,節(jié)約能源,滿足對系統(tǒng)準確、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和氣體閥門狀態(tài)等開關(guān)量信號。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,來自這些檢測裝置的各種測量信號在無紙記錄儀內(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。上位機根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)、用戶給定值等要求,對數(shù)據(jù)進行顯示、計算和保存等處理。

2)控制過程。根據(jù)不同的實驗要求,能夠?qū)崿F(xiàn)下位機就地控制和上位機遠程控制。R2000無紙記錄儀具有 PID控制功能,通過對無紙記錄儀的組態(tài),能夠很方便地實現(xiàn)對液體、氣體流量的開環(huán)或閉環(huán)控制。就地開環(huán)控制方式時,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,從而實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。就地閉環(huán)控制方式時,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的流量信號相比較,得到誤差信號,再經(jīng) PID運算輸出控制信號,調(diào)節(jié)變頻器的轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)流量的閉環(huán)控制。上位機通過 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下達的指令或數(shù)據(jù),完成對溫度、流量的控制以及氣體閥門的開、關(guān)控制任務,實現(xiàn)上位機遠程控制功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

MCGS(Monitoring and Control Generated System)是一套基于Windows操作系統(tǒng),可用來快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。它能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、流程控制、動畫顯示、報警和安全機制、趨勢曲線、報表輸出等功能。MCGS組態(tài)軟件的用戶應用系統(tǒng)由用戶窗口、主控窗口、設(shè)備窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略部分構(gòu)成,具有良好的可維護性和可擴充性。針對本系統(tǒng)的設(shè)計著重介紹用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和設(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)置工程中的人機交互界面,用戶窗口中的監(jiān)控畫面由靜態(tài)和動態(tài)畫面兩部分組成。動態(tài)畫面用逼真的動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。填料吸收實驗裝置的主控界面窗口見圖 3。

3.2 實時數(shù)據(jù)庫

實時數(shù)據(jù)庫是 MCGS的核心,工程各個部分均以實時數(shù)據(jù)庫為公用區(qū)交換數(shù)據(jù),實現(xiàn)各個部分協(xié)調(diào)動作。按照系統(tǒng)設(shè)計的實際需要,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)對象,歷史數(shù)據(jù)瀏覽組組對象等。

為了能夠在實驗中及時獲取實驗數(shù)據(jù)并保存,就要為歷史數(shù)據(jù)瀏覽組組對象設(shè)置存盤屬性,歷史數(shù)據(jù)瀏覽組組對象成員包括了需要實時采集的各種數(shù)據(jù)對象和時間數(shù)據(jù)對象,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。運行過程中,實時數(shù)據(jù)庫自動完成數(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)瀏覽組組對象存盤屬性設(shè)置見圖 4。設(shè)定定時間隔為0秒,則實時數(shù)據(jù)庫不進行自動存盤處理,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)對象值的存盤。運行過程中,點擊儀表界面中“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)動外部設(shè)備的工作環(huán)境。計算機串行口是計算機和其它設(shè)備通訊時最常用的一種通訊接口,一個串行口可以掛接多個通訊設(shè)備,為適應計算機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)備下掛接多個通訊子設(shè)備的處理機制。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)備下掛兩個無紙記錄儀子設(shè)備構(gòu)件,分別為兩個子設(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,將要采集的信號與系統(tǒng)變量連接起來。在運行環(huán)境中,上位機還可以按照無紙記錄儀的設(shè)備名字對其進行操作,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指令,完成對溫度、流量和閥門的控制任務[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用,實現(xiàn)了實驗流程監(jiān)控、實時數(shù)據(jù)瀏覽、實時和歷史數(shù)據(jù)趨勢顯示、存儲等功能,解決了測試工作量大、數(shù)據(jù)處理繁多的問題。下位機采用無紙記錄儀不僅能夠方便地與檢測裝置連接,將各種測量數(shù)據(jù)存盤、顯示并發(fā)送給上位機,而且還能夠接收上位機下達的控制指令,實現(xiàn)溫度、流量的現(xiàn)場控制,符合集中管理、分散控制的集散控制思想。通過上位機能夠很方便地實現(xiàn)更高層次的實驗研究,因而,該裝置具有較高的可靠性和靈活性,值得推廣應用。

[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.

[2]李凱,趙哲,劉朝英.變流量供熱控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) [J].河北工業(yè)科技,2008,25(1):27-31.

[3]彭桂力,劉知貴.R2000無紙記錄儀的關(guān)鍵技術(shù)和應用 [J].中國儀器儀表,2006,(4):75-77.

[4]梁莉,葛斌.基于AI調(diào)節(jié)器的過程計算機控制系統(tǒng) [J].微計算機信息,2006,22(17):292-294.