基于组态王和ADAM模块的天然气脱硫控制系统的设计

中石化上海研究院南化分院 靖 静



基于组态王和ADAM模块的天然气脱硫控制系统的设计

中石化上海研究院南化分院 靖 静

【摘要】本装置以研华的ADAM5000数据采集模块为下位机和以组态王为上位机，设计了天然气脱硫试验装置在线监控系统。详细对该系统的硬件设计原理及其选型配置，数据监控和采集软件的组态功能进行了阐述。通过实际现场调试结果表明，该控制系统完全达到试验装置的自动化要求。

【关键词】ADAM；组态王；DCS

1　引言

研华ADAM5000系列数据采集控制器和组态王开发系统监控软件在工业控制领域有着广泛的应用，在化工行业也是如此，本文具体阐述了在天然气脱硫试验DCS系统中的应用。

2　试验装置概述

天然气脱硫试验装置由吸收塔、再生塔、天然气分离器、净化气分离器、贫液冷却器、闪蒸槽、再生气冷却器、再生气分离器、贫富液换热器、煮沸器、蒸汽缓冲罐、冷凝水计量罐、贫液泵、补液泵、溶液贮槽等组成。本装置共有12个温度测量点、7个压力测量点、3个压力控制点、7个液位测量点、2个液位控制点、4个流量测量点、1个流量控制点。

现场温度测量选用双金属温度计，双金属温度计是一种测量中低温度的现场检测仪表，可以直接测量各种生产过程中的-80℃-+500℃范围内液体蒸汽和气体介质温度。远传温度测量选用隔爆型铠装热电阻，铠装热电阻是一种直径小、易弯曲、抗震性能好的测温元件，具有良好的机械强度，适于使用在恶劣环境中。就地压力测量选用不锈钢压力表，远传压力选用压力变送器，压力控制选用气动调节阀，高压的情况下，选用角形高压调节阀。液位测量选用磁翻柱液位计，磁翻柱液位计适用范围广，适合任何介质的液位、界面的测量。被测介质与指示结构完全隔离，密封性能好，防泄露、适应高压、高温、腐蚀条件下的液位测量，可靠性高，集现场指示、远传变送、报警控制开关于一体。液位控制选用气动调节阀。流量测量选用质量流量计，带远传功能。

3　系统硬件配置

根据总图布置和生产控制的要求，设有一个现场控制站。各种处理器、I/O接口模件柜等放置在该控制站内。控制站任务是在标准画面和用户组态画面上，汇集和显示有关的运行信息，供运行人员据此对机组的运行工况进行监视和控制。

图1　系统硬件结构图

智能模块配置：8槽分布式采集机架ADAM5000E一块，3通道热电阻输入模块ADAM5013四块，8通道模拟量输入模块ADAM5017两块，4通道模拟量输出模块ADAM5024两块，隔离 RS-232到 RS-422/485 转换器ADAM4520一块。

该系统的DCS模拟量输入（AI）输出（AO）模块如表1所示。

表1　DCS模拟量输入输出表

ADAM5000E：ADAM5000E系统是通过多通道I/O模块实现监控功能的控制系统，体积紧凑，符合现场总线的趋势。每个系统由两部分组成：基座和I/O模块，每个基座可以安装8个I/O模块。基座是系统的核心，每个基座包括1个 CPU模块、1个电源模块、1个8槽底板和3个通讯端口。ADAM5013、ADAM5017、ADAM5024模块均安装在插槽上。

ADAM5013：ADAM 5013是16位、3通道 RTD输入模块。所有通道都可编程，可直接接受 PT100的2线、3线或 4线信号。本设计中用来接收现场热电阻信号，显示各测量点温度。

ADAM5017：ADAM 5017是16位、8通道模拟差分输入模块。所有通道都可编程，可接受标准工业信号。本设计中用来接收现场压力变送器和磁翻板液位计传来的4～20mA电流输出信号。

ADAM5024：ADAM 5024是16位、8通道模拟差分输出模块。接受来自在 RS-485网络上的ADAM-5000系统或主机的数据输入。本设计中用来输出4～20mA电流信号，控制现场气动调节阀动作。

ADAM4520：ADAM4520是RS-232信号到RS-485信号的转换器。自动内部RS-485总线监督；自动数据流控制；3000Vdc隔离保护；通讯距离达1.2Km。

各个温度信号通过ADAM5013实时传递到组态王并显示，各个压力、液位、流量信号通过ADAM5017实时传递到组态王并显示。在组态王中设定一个期望数值，结合ADAM5017送到组态王中的反馈数据，根据不同的PID参数设定，经过ADAM5024输出，可以使失真的数据得到修正，达到精准控制的目的。

4　系统软件配置

软件选用亚控科技的组态开发系统监控软件组态王6.55，运行于Windows2000/XP操作系统。

组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常把系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。

在设计中尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。本设计中与ADAM5000系列模块相连接，在驱动中选取研华模块。

系统软件功能结构如图2所示。

图2　控制系统功能结构图

4.1软件概述

整个DCS系统基于Windows 2000/NT/XP开发，操作软件以菜单式展开，软件画面包括以下部份：

1）工艺模拟流程图，及各测量参数；2）各控制回路软调节器；

3）各历史数据记录与历史曲线回放；

4）故障发生一览及记录，诊断；

5）数据统计与打印；

主画面工艺模拟流程图以工艺带控制点流程图为基础，完全反映所有测量控制要求，流程图工艺管线颜色按照相关专业要求设置。操作以鼠标为主辅以键盘，整个操作过程简洁明了，符合工艺操作习惯，数据采样周期不大于0.1秒，画面刷新周期不大1秒，命令响应时间不大于0.5秒。

4.2控制系统调节

本装置调节回路以工艺流程图为基础，结合自控要求包含以下两类调节回路：

1） 压力调节回路。本回路以扩散硅压力变送器与气动调节阀连锁：当ADAM5017收到的压力信号超过高限报警压力时，通过ADAM5024发出信号将气动调节阀关小，当ADAM5017收到的压力信号低于低限报警压力时，通过ADAM5024发出信号将气动调节阀开大。

2） 液位调节回路。本回路通过磁翻柱液位计自带的变送器与气动调节阀连锁：当ADAM5017收到的液位信号超过高限报警压力时，通过ADAM5024发出信号将气动调节阀关小，当ADAM5017收到的液位信号低于低限报警压力时，通过ADAM5024发出信号将气动调节阀开大。

每一个控制调节系统都能弹出相应的软调节器，并根据权限的不同允许对调节系统的各个参数进行修正。调节器具有手动、自动无扰切换，能够进行PID参数设置和调节，如图3所示。

图3　压力控制调节窗口界面

通过在事件命令语言中编制程序，实现手自动切换控制，以PV02压力控制点为例：

通过如下程序实现PID自动控制：

1）当\本站点PV02压力手自动切换==1存在时，

｛\本站点PV02控制输出=4.0+0.16*\本站点PV02开度+0.16*Pid（\本站点PV02压力P，\本站点PV02压力I，\本站点PV02压力D，\本站点PV02设定压力，\本站点压力PI02，\本站点PI02压力前值，\本站点PI02压力后值）；｝

2）通过如下程序实现手动控制：

当\本站点PV02压力手自动切换==0存在时，

｛\本站点PV02控制输出=4.0+0.16*\本站点PV02开度；｝

其中用到的PID函数在自定义函数语言中进行编制，

Pid （float P， float I， float D， float PIDSet1， float PIDReturn， float DeltaPIDPre1， float DeltaPIDPre2）

4.3测量值历史曲线和报表统计

对测量点数据提供实时数据和历史数据记录，历史存档数据与采样数据按存储容量情况可以压缩或按时间比例缩小。历史曲线采用插入通用控件中的历史趋势曲线，并进行设置。在组态王工具箱内选择“报表窗口”工具绘制报表，可以进入报表统计界面查看报表并打印报表，也可以导出报表存储在电脑中。

4.4测量值指示及报警

所有测量信号，正常范围内以常态指示，报警限按工艺给定值初始设置，报警限的设定管理人员可以进行修改。

在数据改变命令语言中设置报警，需要输入函数如下：

//新报警产生时，蜂鸣器报警

if（\本站点$新报警==1）

PlaySound（ "c:天然气脱硫计算机控制系统hook1.wav”， 3）；if（\本站点$新报警==0）

PlaySound（ "c:天然气脱硫计算机控制系统hook1.wav”， 0）；

在报警时，报警窗口能准确记录每一次数据越限报警等信息，报警位号数据闪烁并伴有报警音响提示，管理人员可以在主界面或报警界面中将报警音响关闭，并根据报警提示查找报警参数位号和报警原因，及时进行处理。

5　系统通讯

上位机和ADAM5000的通信连接线有RS232和RS485两种。在ADAM5000控制器端采用RS485，而在上位机采用RS232，二者用RS485/232信号转换模块ADAM4520相连，同时，ADAM5000编程接口COM1和计算机RS232串口之间连接。采用485总线通讯方式，通讯距离可达1200米。可以实现对下位机完成参数的设定、远程开关机、定时上传下位机采集到的各运行数据等功能。

6　结束语

经过现场反复多次调试和实验验证效果，基本达到了预期的结果。连接硬件电路后，运行控制程序，可以看到程序按照设计思路正确运转。在组态王运行系统中，从下位机检测的数据可以在主界面中和实时报表中显示，在实时趋势曲线中，数据变换的曲线非常灵敏，历史曲线的走势也同样清晰，报警窗口也能准确记录每一次数据越限报警等信息，运行稳定可靠。

参考文献

［1］陆德民.石油化工自动控制设计手册［M］.化学工业出版社，2011，5.

［2］研华ADAM-5000 Series User’s Manual，2005.

［3］组态王6.55使用手册［M］.北京亚控科技发展有限公司，2011.

［4］史成全，李亚芬.基于ADAM模块的污水处理控制系统的设计［J］.工业控制计算机，2005，10.

［5］覃贵礼.基于组态王KingView6.55的智能温室控制系统监控软件设计［J］.电子世界，2013，4.

作者简介：

靖静（1981—），女，江苏南京人，大学本科，工程师，主要研究方向：仪表自动化。