基于MCGS的洗油空穴反应实验装置计算机控制系统设计

李 彪 孟永彪

(新疆大学化学化工学院，乌鲁木齐 830046)

洗油空穴反应成套装置是在逐步消化吸收俄罗斯“空穴反应”技术的基础上创新而成的，以煤焦油-洗油为原料制取甲基环戊烷、萘及苊等轻质芳香烃类高附加值化学品[1]，该实验装置已应用在新疆大学石油天然气精细化工教育部和自治区重点实验室[2]。结合工艺条件，首先完成关键部件(空穴反应器)的结构设计和制造，再逐步配套研制其他机械装置。经过反复实验、优化和改进后，实验效果超出俄方原系统功用和效率，但整个实验装置扔存在不足，控制系统是以手工控制为主。为此，笔者设计了一套基于MCGS的自动控制方案，通过对洗油空穴反应实验装置进行远程监控，实时反映信息，对实验反应过程进行在线控制，有效提高了整个实验装置的效率，也改善了煤焦油-洗油的综合利用质量。

首先需要制定控制系统设计方案，确定最优的可行方案，然后在此基础上才能确定系统所需的各种硬件设施和软件组成。计算机控制系统设计必须要满足以下基本原则：

a. 计算机控制系统能够方便、直观和有效地完成数据的采集和处理；

b. 系统能够将数据处理结果实时显示于组态演示界面，方便在线监控，还要能存储在数据库，以便随时调用实时和历史数据进行后续研究；

c. 确保系统具有很好的安全性、稳定性和可靠性；

d. 在确保系统性能的基础上应尽量减少经济成本，提高经济效益；

e. 系统还要满足相关的操作规程和维修方面的设计准则。

笔者基于MCGS对洗油空穴反应实验装置远程监控系统进行硬件和软件设计。该自动控制系统采用主从式结构，上位机采用MCGS通用版组态软件，对反应现场进行实时监控；下位机则以AI-808调节器为核心[3]，应用温度、压力和流量传感器进行数据采集和转换，变送器采集和传递信号，并与上位机通过RS-232/485通信方式进行信息交互，构成整个过程计算机自动控制系统。

2 硬件和软件设计

2.1 硬件设计

该自动控制系统采用一台 PC 机作为上位机，通过AI-808调节器将上位机与各传感器、变送器、泵及电动调节阀等机构联系起来(图1)，实现过程数据的输入、输出通信，完成数据自动采集和处理，实现对反应过程的自动控制。

图1 系统硬件结构框图

由上位机的监控软件和AI-808调节器配合来完成各种信号的监测和控制。上位机采用组态软件MCGS通用版监控软件，配合下位机AI-808调节器的控制工作。下位机AI-808调节器主要负责数据的采集、显示和输出，并与上位机进行通信，将采集的数据传送给上位机；上位机接收下位机AI-808调节器传来的数据，对数据进行显示(实时/历史曲线显示)，达到对反应现场进行远程监控的要求。

2.2 软件设计

上位机软件主要由操作系统软件和应用软件组成。计算机技术现已发展成熟，在众多操作系统软件中，笔者选择Windows 7操作系统。MCGS 组态软件是一套基于 Windows平台、用于快速构造和生成上位机监控系统的全中文组态软件系统，方便实用，它包括组态环境和运行环境两个部分。MCGS组态软件拥有网络版、通用版和嵌入版3个版本。在本自动控制系统设计中，笔者选择全中文工控组态软件MCGS通用版作为软件开发平台(图2)。

图2 MCGS组态软件通用版结构框图

该自动控制系统应用MCGS通用版的组态环境设计监控系统主界面，包括实时数据显示、实时曲线显示、通信状态设置、数据记录及报表等内容，并可以通过设置PID 参数对温度、压力及流量等参数进行PID控制[4]。对整个工艺流程进行动画显示，可以直观地看出各参数的变化趋势；为了形象地表示各参数实时值，采用曲线来显示参数的变化；可以在线显示故障报警画面、查询历史报警，还可以设置报警的极限值；可以进行实时曲线监测和历史曲线查询；可生成系统历史/实时报表(包括日报表和月报表)，可对历史/实时数据库进行方便、有效的管理。

3 控制系统的实现

该自动控制系统采用了AI-808型全通用人工智能调节仪表，AI-808型仪表为PID控制型，输出4～20mA的电流信号。AI-808调节器通过RS-485串口通信方式与上位计算机进行通信，计算机采用PC机运行工控组态软件，根据采集的数据及用户给定值等要求对数据进行及时显示、计算、处理、保存和管理，根据相应的控制算法计算出各被控对象的输出量，并通过RS-485总线将数据传输到AI-808调节器。在AI-808调节器中经D/A转换后输出4～20mA电流信号给电动调节阀等执行机构对被控对象进行调节，达到目标要求，从而实现控制系统的实时监控。数据采集、数据传输程序流程如图3所示。洗油空穴反应实验装置控制系统人机界面如图4所示。

图3 主程序流程

图4 人机界面

4 结束语

MCGS通用版组态软件具有不错的人机界面，可以进行流程动画显示和各参数变化在线监控，能够将数据处理结果存储在数据库，同时还可将数据处理结果以报表形式生成；而AI-808调节器控制功能简单，操作性强，实时性好。基于以上优势，笔者设计了基于MCGS和AI-808调节器的洗油空穴反应实验装置实时数据采集和处理控制系统，在传感器和变送器接受外界信号的同时，对信号进行采集、转换、显示和输出，实时地反映参数变化和各被控对象的特性。此自动控制系统的设计打破了原有的手工控制模式，在整个实验装置控制、操作和管理方面变得更加方便、有效。通过对洗油空穴反应实验装置控制系统进行设计，使笔者对洗油空穴反应实验装置在远程监控及其应用方面有了更深认识，同时积累了相关经验，为后续进一步的研究工作提供了很好的理论和实践基础。

[1] 辛少琳. 洗油空穴反应制取芳香烃化学品研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2013.

[2] 马凤云，辛少琳.增加洗油中萘及其衍生物含量的装置及其制备方法[P].中国：CN 102876360，2013-01-16.

[3] 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.

[4] 丁涛，王芳. 基于MCGS的AI智能调节仪液位控制研究及实现[J].轻工机械，2011，29(2)：68～75.