基于PLC的核子液位测控系统调研综述

贺三军　曹舟　周剑良　赵修良

摘 要 目前在实际工业应用中，料位测量仪器不仅要能应用于一般的工业现场且要求能适应复杂的工业环境。这些复杂的工业环境大都伴随着高温、高压、强腐蚀、强磁场、强烟雾等恶劣工况，因此对料位测量仪器的要求也越来越高。PLC是专门应用于工业控制的计算机。文章将PLC技术引入核子液位测控系统中，相对传统的二次仪表系统而言增加了其抗干扰性和稳定性且开发周期短，能实现对液位的连续测量，提供了在线显示、参数输入、数据存储以及报警功能。

关键词 液位测控；非线性回归；PLC；单道

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0038-02

当前，我国大多数企业的工业自动化程度较低，特别是某些恶劣的工业现场，一般的测量仪表无法应用，导致大都采用人工测量，不但无法实现自动化控制，而且人工测量潜在极大安全隐患，严重制约了工业生产线的安全、连续和稳定运行[1-2]。目前，核辐射液位计二次仪表系统大都单纯采用单片机作为二次仪表的核心，然而，单片机属于开发式底层开发，编程麻烦，开发周期长且不利于维护；抗干扰能力弱等不利于应用于工业现场的致命弱点[3-4]。

本文提出的基于PLC核子液位测控系统设计方案，应用S7-200取代了传统的计数电路和数字处理电路，减少了电路开发时间，同时作为工控机的S7-200具有在恶劣环境下依然能稳定运行的特性。该测控系统设计可以长时间连续稳定运行并且缩短了二次仪表的开发周期。可为安全生产提供重要保障，同时也能为我国工业的发展提供基础服务。

1 国内外研究现状分析

在国内，基于γ射线透射原理的核辐射液位计已应用于诸多领域。李力源等人完成了对多通道γ射线液位计的设计[6]，利用单片机组成实时采集系统，实现一台仪器同时监控多个γ射线液位测量点；王景敏等人对GD-1型数字γ液位计进行了研究与应用[7]，其二次仪表以单片机和串口扩展技术为基础，具有电路结构简单、信息流程清晰等特点，在化肥厂得到了成功的应用。E+H公司生产了FMG573Z+DG57Z液位测量系统，它基于γ射线透射原理，二次仪表采用单片机技术，已在蒸发器液位检测中获得了成功的应用[8]。

目前，国内外基于γ射线透射原理的核辐射液位计二次仪表一般都是单纯采用单片机技术。近年随着PLC技术的日臻成熟以及广泛的应用，是被证实了的具有高稳定性、强干扰性、开发周期短、扩展功能强、通信功能强大等特点的工业计算机[9]。

在国内，PLC技术早在上世纪八九十年代就已成为检测控制环节中一种技术选择[10-13]。凌六一等人引进PLC技术，设计了基于γ射线的煤矿主井提升箕斗卸载检测系统[14]，在该系统中，PLC用来检测和声光报警，有效避免箕斗重载下放情况的发生，保障了煤矿的安全生产；刘冲等人完成了核电站反应堆棒控棒位控制系统及其可靠性分析[15]，采用了可以实现冗余控制的美国Rockwell公司的ControlLogix数字化控制器1756-L63为核心控制器PLC平台及其配套的功能模块，实现了对反应堆功率数字化冗余控制系统的硬件和软件设计；胡明等人设计了海关集装箱X射线检查系统中屏蔽门PLC控制变频器拖动系统[16]，应用PLC技术对高能X射线实施了安全防护控制；李志宏等人利用PLC技术，完成了高炉焦炭中子测水技术应用[17]，达到了降低高炉焦比，减少能耗，稳定炉温、炉况的目的；吴斌基于PLC技术，设计了小型PLC在核电站核岛通风控制中的应用[18]，实现了对CPR1000核电机组核岛通风系统的可靠控制；李必成等人提出并实现了PLC在核电站蒸汽发生器冲洗系统中的应用[19]，着重描述PLC与交流伺服驱动模块及光电编码器模块如何组成一个高精度运动的完整控制方案，并且该水力冲洗系统多次用于国内核电站大修期间的现场服务，系统操作简单，运行可靠，泥渣冲洗效果显著；李丽霞利用PLC技术实现了分段液位控制[20]；卢剑等人开发的基于PLC与PC机监控管理软件的液位测控[21]，实现了对PLC进行远程监测和控制；陈俊等人把PLC技术应用在了数字式高精度液位计量仪的设计和应

用[22]中，实现了对透明器皿内液体的高精度显示。

在国外，PLC技术已从应用于传统工业自动化系统发展到某些智能领域处理系统中。D.W.Russell在设计的工厂信息系统中，将PLC应用于采集、预处理并实时的传送数据给计算机，不仅节约了成本，并且保证了系统的稳定性，收到了良好的效果[23]；在生物研究领域，Frederico等人为了研究微生物在不同浓度氧气环境中的生长和生产情况，在使用的带氧化功能的生物反应器中，PLC技术被用于自动控制氧气的浓度系统中，取得了成功应用的范例[24]；Atef A.Ata等人在机器人应用于颜色识别的研究中也成功引入了PLC技术[25]。

2 目前存在的问题

当前传统的核辐射液位计二次仪表系统大都还是采用单片机作为二次仪表的核心。虽然单片机灵活性好且成本相对较低，但分立元件产品种类繁多、电路复杂、功能单一、维修性差。另外，单片机属于开发式底层开发，编程麻烦，开发周期长且不利于维护；抗干扰能力弱不利于工业现场长期应用等弱点。

3 拟进行改进的方面

1）用PLC取代传统核子液位测量系统中单道之后的信号处理电路。

2）设计电路将探测器输出信号转换为符合PLC输入的脉冲信号（改进的单道脉冲幅度发生器）。

3）通过PLC计数，在excel实现拟合，通过TD400在PLC中能实现计数率向液位的非线性回归。

4）PC机上实现组态软件和PLC的连接，直观的显示液位变化情况。

5）根据PLC显示的液位信息，对液位进行控制。

4 结束语

本方案使用西门子公司的PLC（可编程逻辑控制器）S7-200代替传统的计数电路，对改进过的单道输出脉冲的计数，并通过编写拟合程序，实现计数率和液位的非线性回归。同时可以使用PLC计算得到的液位信息对液位进行控制，实现测量和控制的统一。同时该系统稳定性强、抗干扰能力强，适应于环境恶劣的工业现场应用。但因为其要求不点源能过大，故不适合应用在槽体尺寸较大的情况下。endprint

基金项目

国家军品配套项目（JPPT-115-5-882）

参考文献

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作者简介

贺三军（1985-），男，汉族，湖南衡南人，南华大学，助教，硕士，现主要从事核辐射探测技术研究。endprint