李 彪 孟永彪

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

洗油空穴反應(yīng)成套裝置是在逐步消化吸收俄羅斯“空穴反應(yīng)”技術(shù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新而成的，以煤焦油-洗油為原料制取甲基環(huán)戊烷、萘及苊等輕質(zhì)芳香烴類高附加值化學(xué)品[1]，該實(shí)驗(yàn)裝置已應(yīng)用在新疆大學(xué)石油天然氣精細(xì)化工教育部和自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[2]。結(jié)合工藝條件，首先完成關(guān)鍵部件(空穴反應(yīng)器)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造，再逐步配套研制其他機(jī)械裝置。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化和改進(jìn)后，實(shí)驗(yàn)效果超出俄方原系統(tǒng)功用和效率，但整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置扔存在不足，控制系統(tǒng)是以手工控制為主。為此，筆者設(shè)計(jì)了一套基于MCGS的自動(dòng)控制方案，通過(guò)對(duì)洗油空穴反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)反映信息，對(duì)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行在線控制，有效提高了整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的效率，也改善了煤焦油-洗油的綜合利用質(zhì)量。

首先需要制定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，確定最優(yōu)的可行方案，然后在此基礎(chǔ)上才能確定系統(tǒng)所需的各種硬件設(shè)施和軟件組成。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須要滿足以下基本原則：

a. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠方便、直觀和有效地完成數(shù)據(jù)的采集和處理；

b. 系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)處理結(jié)果實(shí)時(shí)顯示于組態(tài)演示界面，方便在線監(jiān)控，還要能存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)，以便隨時(shí)調(diào)用實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)研究；

c. 確保系統(tǒng)具有很好的安全性、穩(wěn)定性和可靠性；

d. 在確保系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量減少經(jīng)濟(jì)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益；

e. 系統(tǒng)還要滿足相關(guān)的操作規(guī)程和維修方面的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

筆者基于MCGS對(duì)洗油空穴反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)。該自動(dòng)控制系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，上位機(jī)采用MCGS通用版組態(tài)軟件，對(duì)反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；下位機(jī)則以AI-808調(diào)節(jié)器為核心[3]，應(yīng)用溫度、壓力和流量傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，變送器采集和傳遞信號(hào)，并與上位機(jī)通過(guò)RS-232/485通信方式進(jìn)行信息交互，構(gòu)成整個(gè)過(guò)程計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2 硬件和軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

該自動(dòng)控制系統(tǒng)采用一臺(tái) PC 機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)AI-808調(diào)節(jié)器將上位機(jī)與各傳感器、變送器、泵及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等機(jī)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)(圖1)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程數(shù)據(jù)的輸入、輸出通信，完成數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)過(guò)程的自動(dòng)控制。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

由上位機(jī)的監(jiān)控軟件和AI-808調(diào)節(jié)器配合來(lái)完成各種信號(hào)的監(jiān)測(cè)和控制。上位機(jī)采用組態(tài)軟件MCGS通用版監(jiān)控軟件，配合下位機(jī)AI-808調(diào)節(jié)器的控制工作。下位機(jī)AI-808調(diào)節(jié)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、顯示和輸出，并與上位機(jī)進(jìn)行通信，將采集的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)；上位機(jī)接收下位機(jī)AI-808調(diào)節(jié)器傳來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示(實(shí)時(shí)/歷史曲線顯示)，達(dá)到對(duì)反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要由操作系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。計(jì)算機(jī)技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展成熟，在眾多操作系統(tǒng)軟件中，筆者選擇Windows 7操作系統(tǒng)。MCGS 組態(tài)軟件是一套基于 Windows平臺(tái)、用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的全中文組態(tài)軟件系統(tǒng)，方便實(shí)用，它包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分。MCGS組態(tài)軟件擁有網(wǎng)絡(luò)版、通用版和嵌入版3個(gè)版本。在本自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，筆者選擇全中文工控組態(tài)軟件MCGS通用版作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)(圖2)。

圖2 MCGS組態(tài)軟件通用版結(jié)構(gòu)框圖

該自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用MCGS通用版的組態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)主界面，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)曲線顯示、通信狀態(tài)設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄及報(bào)表等內(nèi)容，并可以通過(guò)設(shè)置PID 參數(shù)對(duì)溫度、壓力及流量等參數(shù)進(jìn)行PID控制[4]。對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行動(dòng)畫顯示，可以直觀地看出各參數(shù)的變化趨勢(shì)；為了形象地表示各參數(shù)實(shí)時(shí)值，采用曲線來(lái)顯示參數(shù)的變化；可以在線顯示故障報(bào)警畫面、查詢歷史報(bào)警，還可以設(shè)置報(bào)警的極限值；可以進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線監(jiān)測(cè)和歷史曲線查詢；可生成系統(tǒng)歷史/實(shí)時(shí)報(bào)表(包括日?qǐng)?bào)表和月報(bào)表)，可對(duì)歷史/實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行方便、有效的管理。

3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

該自動(dòng)控制系統(tǒng)采用了AI-808型全通用人工智能調(diào)節(jié)儀表，AI-808型儀表為PID控制型，輸出4～20mA的電流信號(hào)。AI-808調(diào)節(jié)器通過(guò)RS-485串口通信方式與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，計(jì)算機(jī)采用PC機(jī)運(yùn)行工控組態(tài)軟件，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)及用戶給定值等要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)顯示、計(jì)算、處理、保存和管理，根據(jù)相應(yīng)的控制算法計(jì)算出各被控對(duì)象的輸出量，并通過(guò)RS-485總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸I-808調(diào)節(jié)器。在AI-808調(diào)節(jié)器中經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出4～20mA電流信號(hào)給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到目標(biāo)要求，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸程序流程如圖3所示。洗油空穴反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)人機(jī)界面如圖4所示。

圖3 主程序流程

圖4 人機(jī)界面

4 結(jié)束語(yǔ)

MCGS通用版組態(tài)軟件具有不錯(cuò)的人機(jī)界面，可以進(jìn)行流程動(dòng)畫顯示和各參數(shù)變化在線監(jiān)控，能夠?qū)?shù)據(jù)處理結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)還可將數(shù)據(jù)處理結(jié)果以報(bào)表形式生成；而AI-808調(diào)節(jié)器控制功能簡(jiǎn)單，操作性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，筆者設(shè)計(jì)了基于MCGS和AI-808調(diào)節(jié)器的洗油空穴反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理控制系統(tǒng)，在傳感器和變送器接受外界信號(hào)的同時(shí)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、顯示和輸出，實(shí)時(shí)地反映參數(shù)變化和各被控對(duì)象的特性。此自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打破了原有的手工控制模式，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置控制、操作和管理方面變得更加方便、有效。通過(guò)對(duì)洗油空穴反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使筆者對(duì)洗油空穴反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置在遠(yuǎn)程監(jiān)控及其應(yīng)用方面有了更深認(rèn)識(shí)，同時(shí)積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)進(jìn)一步的研究工作提供了很好的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

[1] 辛少琳. 洗油空穴反應(yīng)制取芳香烴化學(xué)品研究[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)，2013.

[2] 馬鳳云，辛少琳.增加洗油中萘及其衍生物含量的裝置及其制備方法[P].中國(guó)：CN 102876360，2013-01-16.

[3] 梁莉，葛斌.基于AI調(diào)節(jié)器的過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(17)：292～294.

[4] 丁濤，王芳. 基于MCGS的AI智能調(diào)節(jié)儀液位控制研究及實(shí)現(xiàn)[J].輕工機(jī)械，2011，29(2)：68～75.