压缩天然气钢瓶水压试验监控系统设计与实现

杨晓欣，孟永彪

（新疆大学化学化工学院，新疆 乌鲁木齐 830046）

压缩天然气钢瓶水压试验监控系统设计与实现

杨晓欣，孟永彪

（新疆大学化学化工学院，新疆 乌鲁木齐 830046）

介绍了基于组态软件MCGS的压缩天然气（Compressed NaturalGas，CNG）钢瓶水压试验监控系统的设计及实现方法，上位机采用组态软件MCGS建立人机界面，下位机采用西门子S7-300型PLC进行现场控制，系统监控界面友好，运行稳定可靠，实现了压缩天然气钢瓶水压试验的自动化操作，检验效率提高。

压缩天然气钢瓶；水压试验；MCGS；PLC；监控

天然气作为一种清洁高效的能源，得到越来越广泛的应用。承装压缩天然气的钢瓶，是一种可重复性充装的移动式高压压力容器，容易发生内部腐蚀、弹塑性疲劳破坏、密封失效等危害现象。为了保障用户对压缩天然气钢瓶的安全使用，国家标准规定要对压缩天然气钢瓶进行定期检验。在检验各道工序中，水压试验是最直接和最有效的手段。

随着待检压缩天然气钢瓶数量的与日俱增，以往在水压试验的过程中，需要人工记录数据的传统方式，已经不再满足要求。针对这一问题，提出了一种基于组态软件MCGS的压缩天然气钢瓶水压试验监控系统。该系统是集数据采集、数据存储和人机交互平台等功能于一体的监控系统，具有较高的可靠性和较好的实时性，能够有效地提高测试效果。

1 监控系统分析

压缩天然气钢瓶在进行水压试验时，如果在加压状态下，发生压力表回降，即发生泄压现象，表明钢瓶发生了泄漏、材料大面积屈服等现象，从而检查出有缺陷的钢瓶，防止钢瓶在运行中发生事故。对压缩天然气钢瓶进行的水压试验的同时，进行容积残余变形率（残余变形值/全变形值）的计算[1]。容积残余变形率超过全变形的6%时，应测定瓶体的最小壁厚，若最小壁厚小于设计壁厚，或容积残余变形超过全变形的10%时，钢瓶应报废。

结合压缩天然气钢瓶水压试验过程的控制要求，系统需要满足的功能有：

（1）实现对压力泵、电磁阀等控制对象的开关控制。

（2）实现对压缩天然气钢瓶水压试验现场数据采集与存储。

（3）实现对压缩天然气钢瓶水压试验的动画模拟和监控。

2 监控系统硬件组成

系统主要由工控机、PLC和现场仪器仪表组成。系统的硬件结构图如图1所示

图1 压缩天然气钢瓶水压试验监控系统硬件结构图

其中上位机采用的是配合组态软件MCGS的西门子面板式工控机PC670，对压缩天然气钢瓶水压试验进行监控。其设计坚固，功能强大，主板上集成了PROFIBUS-DP/MPI接口，集成的以太网接口，方便连接生产操作级和管理级的应用，或连接Internet。

下位机采用西门子S7-300型PLC。S7-300型PLC是一种通用型PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。其具有模块式的结构，循环周期短，无排风扇结构，易于实现分布式的控制、处理速度高以及用户易于掌握等特点[2]。

3 监控系统软件设计

3.1 上位机监控界面设计

系统采用MCGS组态软件，来进行上位机的监控界面设计。MCGS是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备，其由组态环境和运行环境两部分组成[3]。

在MCGS组态环境中，完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作；在运行环境中，完成对工程的控制工作。两部分相互独立，又紧密相关。这个软件为我们提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台。

根据系统要求，采用组态软件MCGS设计了监控主画面、趋势画面、数据库窗口和报警窗口等。

（1）监控主画面。用来实时动态显示水压试验过程，如图2所示。

图2 压缩天然气钢瓶水压试验监控主画面

（2）趋势画面。实时曲线可以动态显示参数的变化曲线，如压力-时间曲线，可以显示水压试验压力随时间的变化情况，压力-进水量曲线，可以显示水压试验压力与进水量之间的关系。而历史曲线可以完成历史试验数据的查看工作。

（3）数据库窗口。在该窗口中绘制符合行业标准规范的报表，双击数据库表格打开存盘数据浏览和构件属性设置对话框。在该对话框中，完成存盘数据的存储位置、变量名、数学单位等设置。检验报表包括检验日期、试验批次、试验压力、试验种类、保压时间、试件容积、残余变形值、全变形值和气瓶的残余变形率等。

在钢瓶进行检验时，每次进入运行环境，都会产生新的数据,MCGS组态会自动生成Access数据库。操作人员利用MCGS的报表功能，既可以制作实时报表，也可以制作历史报表。这些功能为存取数据记录带来很大的便利，另外也利于检验资料的保存，为检验方面的研究提供宝贵依据。

（4）报警窗口。可以反应变量的不正常变化，如受试瓶在水压试验时发生泄漏，就会发生报警，将报警事件在报警窗口中显示出来，并做历史记录。

3.2 数据采集与通讯

系统由上位机设定试验压力、保压时间、采样频率等控制参数，下位机采用西门子S7-300型PLC实现对压力泵、电磁阀的动作控制和试验过程中现场数据的采集。PLC根据需要配置了通讯模块、压力数据采集模块、水量数据采集模块、压力泵启停模块、电磁阀控制模块等。这些模块在试验中相互配合，实现对试验装置的有效控制。上位机采集下位机PLC中来自现场的数据，经过处理，将控制命令传给下位机，以此来监控压缩天然气钢瓶水压试验过程。

MCGS通过上位机中的MPI网卡（如CP5611）和PLC上的通讯单元（通讯模块）建立通讯连接，从而达到操作PLC设备的目的。MPI卡可以根据上位机与下位机之间，使用西门子标准PC/MPI电缆通讯。MCGS软件可以通过MPI适配器，读写西门子S7-300型PLC设备的各种寄存器的数据。MCGS与外部设备的连接，是在设备窗口中实现的，在MCGS中，PLC设备是作为子设备挂在串口父设备下的，通讯协议采用西门子MPI协议，通讯方式为一主一从的通讯方式，驱动构件为主，PLC设备为从。MCGS与外部设备的通讯示意图如图3所示。

图3 MCGS与外部设备的通讯示意图

3.3 PLC程序设计

PLC通过程序控制实际设备。PLC采用STEP7进行编程[4]。STEP7是一种用于西门子S7-300/400可编程控制器组态和编程的标准软件包。

其基本功能有：设置和管理项目；为硬件和通信组态并分配参数；管理符号；创建程序。

为了减少编程的困难，PLC程序设计采用了模块化的编程思想，即把程序分成若干个程序块，这些块相当于主程序的子程序。其中压缩天然气钢瓶水压试验的压力控制程序流程图如图4所示。其中PW是钢瓶的公称工作压力，PT是钢瓶水压试验的试验压力，是钢瓶水压试验保压时间。

图4 压缩天然气钢瓶水压试验压力控制程序流程图

4 结束语

通过设计基于组态软件MCGS的压缩天然气钢瓶水压试验监控系统，实现了压缩天然气钢瓶水压试验的现场数据的采集存储、人机界面、实时流程动画显示、实时和历史数据显示、报告输出等功能，避免了在水压试验现场的大量的人工操作，降低了检测工人的劳动强度和检测的危险性，提高了检测效率，自动化水平大大提高。现场运行后表明，该系统稳定可靠，具有推广价值。

[1]GB/T9251-1997，气瓶水压试验方法[S].

[2]龚仲华.S7-200/300/400PLC应用技术[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[3]姜 海，田春艳.MCGS组态软件在PLC工作状态监控中的应用[J].装备制造技术，2008，（2）：56-59.

[4]曹丽婷，田景文，黄桂林.PLC和组态软件在污水处理远程监控系统中的应用[J].机床与液压，2008，36（7）：202-204.

Design and Realization of Monitoring System of Com pressed Natural Gas Cylinder Hydraulic Pressure Test

YANG Xiao-xin,MENG Yong-biao
(College of Chemistry and Chemical Engineering of Xinjiang University,Urumqi830046,China)

This paper introduces the design and implementation of CNG cylinder hydraulic pressure test monitoring system based on the configuration software MCGS.The host computer of the system uses the configuration software MCGS to establish human-computer interface.The lower com puter uses Siemens S7-300 type PLC to control the field.The human-computer interface is friendly and the system operation is stable and reliable.The system realized the automatic operation of CNG cylinder hydraulic pressure test.And then the inspection effici ency is improved.

CNG cylinder;hydraulic pressure test;MCGS;PLC;monitoring

TP227

B

1672-545X（2011）09-0080-03

2011-06-12

杨晓欣（1985-），女，河北藁城人，在读硕士研究生，研究方向：化工设备制造检验计算机辅助技术与网络平台建设