M CGS在填料吸收实验装置中的应用

李 凯,吉艳卿,左文香

(1.河北工程技术高等专科学校 电气工程系,河北 沧州 061001;2.献县电力局,河北 献县 062250)

填料吸收实验装置是化工教学中非常重要的设备,以往填料实验装置常采用手动控制阀门实现,而且参数的调整极不方便,系统的控制精度较低,同时由于实验中测试工作量大,数据处理多,采用常规的人工记录方式往往需要较多的参与人员,同时性差、记录数据也不准确,直接影响了实验数据的可靠性。采用计算机技术,以 MCGS组态软件为运行平台的监控系统,具有二次开发简便、开发周期短、通用性强、可靠性高等优点。可对现场信号和工艺参数进行实时采集和控制,从而克服了上述缺点,提高了实验精度与工作效率。而且还可以在此基础上应用先进控制理论、进行生产的调度与优化等更高层次的研究,使该装置具有良好的可扩展性[1]。

1 填料吸收工艺流程及实现功能

1.1 填料吸收工艺流程

填料吸收工艺流程见图 1,由自来水源来的水送入填料塔塔顶,经喷头喷淋在填料顶层。由风机送来的空气和由二氧化碳钢瓶来的二氧化碳混合后,一起进入气体混合罐,然后再进入塔底,与水在塔内进行逆流接触,进行质量和热量的交换,由塔顶出来的尾气放空。填料塔吸收实验是通过读取各流量计、温度计、压差计读数,获取实验数据,利用气相色谱仪分析出塔顶、塔底气相组成。

图1 吸收流程图

1.2 填料吸收装置实现的功能

根据化工原理实验的特点,填料吸收控制系统首先要保证在实验

中能够方便、快速、准确地获取实验数据,其次要能够监控整个实验工艺流程,该控制系统要实现的功能如下:

1)采用先进的计算机技术,提高系统的控制精度。

2)实时检测气体、液体的温度和流量并进行整理、存储,为工艺分析提供科学的实验数据。

3)对系统运行进行实时监视,通过人机界面以数字、棒图、开关状态等多种形式进行显示。

4)按照程序对气体、液体的温度和流量进行控制,操作灵活。

2 系统的硬件组成和工作过程

2.1 硬件组成

填料吸收控制系统主要由工控机、打印机、传感 /变送器、无纸记录仪、变频器、风机、水泵、电磁阀、多芯电缆组成,构成上下位机结构的简单集散控制系统[2],硬件结构框图见图 2。

1)上位机采用研华公司生产的研华工控机IPC-610H。具有高可靠性、良好的通用性和扩展性、控制实时性强、精度和速度适当等特点。

2)无纸记录仪选用浙大中控公司的 R2000无纸记录仪,可替代普通有纸记录仪、流量积算仪等常规仪表。 R2000无纸记录仪还将控制功能引入无纸记录仪中,使之具有测量控制功能,成为一台智能仪表。此外对于简单的测量应用,它还具有可编程数学算式运算功能(如实现流量的温度、压力补偿计算)和可编程累计器功能(如实现流量累计),集数显、处理、记录、积算、报警等多种功能于一身,具有一般气体、过热蒸汽、饱和蒸汽、线性压力补偿和线性温度补偿等多种流量运算模型,并能生成日流量和月流量的累积列表,采用全中文的显示画面,清晰明了。它还具有 12路的报警输出和6路配电输出。具有 4个组态操作按键和一个旋钮,操作十分简单[3]。

3)变频器采用施耐德 ATV11HU09M2A变频器,具有安装和接线简单、投入运行可靠、外形紧凑的特点。能够提高系统的效率,节约能源,满足对系统准确、快速的控制要求。

图2 系统硬件结构图

2.2 工作过程

1)数据采集。需要采集的数据有:液体流量、液体温度、气体流量、气体温度等模拟量信号和气体阀门状态等开关量信号。无纸记录仪直接与液体、气体温度传感器和流量变送器相连,来自这些检测装置的各种测量信号在无纸记录仪内部经 A/D转换后,得到的数据在写入无纸记录仪内存后,以波形曲线、数字、棒图等方式显示在液晶画面上,也可由 RS-485总线发送给上位机。上位机根据采样得到的数据、用户给定值等要求,对数据进行显示、计算和保存等处理。

2)控制过程。根据不同的实验要求,能够实现下位机就地控制和上位机远程控制。R2000无纸记录仪具有 PID控制功能,通过对无纸记录仪的组态,能够很方便地实现对液体、气体流量的开环或闭环控制。就地开环控制方式时,可以由无纸记录仪操作界面直接输入控制值,通过模拟量输出通道发送到变频器,调节变频器的转速,从而实现流量调节。就地闭环控制方式时,可以由无纸记录仪操作界面输入设定值,它与流量变送器检测的流量信号相比较,得到误差信号,再经 PID运算输出控制信号,调节变频器的转速,实现流量的闭环控制。上位机通过 RS-485总线将控制指令或数据发送给无纸记录仪,无纸记录仪接受上位机下达的指令或数据,完成对温度、流量的控制以及气体阀门的开、关控制任务,实现上位机远程控制功能。

3 系统软件设计

MCGS(Monitoring and Control Generated System)是一套基于Windows操作系统,可用来快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。它能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、流程控制、动画显示、报警和安全机制、趋势曲线、报表输出等功能。MCGS组态软件的用户应用系统由用户窗口、主控窗口、设备窗口、实时数据库和运行策略部分构成,具有良好的可维护性和可扩充性。针对本系统的设计着重介绍用户窗口、实时数据库和设备窗口的组态[4]。

3.1 用户窗口组态

用户窗口主要用于设置工程中的人机交互界面,用户窗口中的监控画面由静态和动态画面两部分组成。动态画面用逼真的动画效果来表示各变量数值的变化。本工程组态的用户窗口有主控界面窗口、登陆窗口、仪表界面窗口、历史数据浏览窗口、通讯窗口、参数设定窗口等。填料吸收实验装置的主控界面窗口见图 3。

3.2 实时数据库

实时数据库是 MCGS的核心,工程各个部分均以实时数据库为公用区交换数据,实现各个部分协调动作。按照系统设计的实际需要,本工程定义了液体流量、液体温度、气体流量、气体温度等数值型数据对象,设置了水泵状态、气体入口阀状态、气体出口阀状态等开关型数据对象,历史数据浏览组组对象等。

为了能够在实验中及时获取实验数据并保存,就要为历史数据浏览组组对象设置存盘属性,历史数据浏览组组对象成员包括了需要实时采集的各种数据对象和时间数据对象,MCGS把数据的存盘处理作为一种属性或者一种操作方法,封装在数据内部,作为整体处理。运行过程中,实时数据库自动完成数据存盘工作,用户的存盘要求在存盘属性窗口页中设置,历史数据浏览组组对象存盘属性设置见图 4。设定定时间隔为0秒,则实时数据库不进行自动存盘处理,只能用其它方式处理数据的存盘,本例中通过脚本程序调用系统函数!Save Data来控制数据对象值的存盘。运行过程中,点击仪表界面中“保存数据”按钮,即可调用脚本程序,完成数据存盘工作。

3.3 设备窗口

设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。计算机串行口是计算机和其它设备通讯时最常用的一种通讯接口,一个串行口可以挂接多个通讯设备,为适应计算机串行口的多种操作方式,MCGS组态软件采用在串口通讯父设备下挂接多个通讯子设备的处理机制。本系统中,在设备窗口中添加串口通信父设备,在串口通信父设备下挂两个无纸记录仪子设备构件,分别为两个子设备构件设置最小采集周期、设备地址、通信等待时间等参数,要特别注意的是子设备的某些设置必须与父设备一致。在通道连接属性中,将要采集的信号与系统变量连接起来。在运行环境中,上位机还可以按照无纸记录仪的设备名字对其进行操作,命令格式为!Set Device(Dev Name,Dev Op,Cmd Str),其中,Dev Name为设备名,Dev Op为设备操作码,Cmd Str为设备命令字符串,无纸记录仪能够接收上位机指令,完成对温度、流量和阀门的控制任务[5]。

4 结束语

MCGS组态软件以其优异的特性在填料塔装置中的成功应用,实现了实验流程监控、实时数据浏览、实时和历史数据趋势显示、存储等功能,解决了测试工作量大、数据处理繁多的问题。下位机采用无纸记录仪不仅能够方便地与检测装置连接,将各种测量数据存盘、显示并发送给上位机,而且还能够接收上位机下达的控制指令,实现温度、流量的现场控制,符合集中管理、分散控制的集散控制思想。通过上位机能够很方便地实现更高层次的实验研究,因而,该装置具有较高的可靠性和灵活性,值得推广应用。

[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]李凯,赵哲,刘朝英.变流量供热控制系统的设计与实现 [J].河北工业科技,2008,25(1):27-31.

[3]彭桂力,刘知贵.R2000无纸记录仪的关键技术和应用 [J].中国仪器仪表,2006,(4):75-77.

[4]梁莉,葛斌.基于AI调节器的过程计算机控制系统 [J].微计算机信息,2006,22(17):292-294.