隔爆型多通道批量控制器的关键技术研究①

徐华 陈睿 朱人杰

(连云港杰瑞自动化有限公司 江苏连云港 222006）

目前国内生产的批量控制器主要采取单一的触摸屏和键盘提供交互功能，与下游的控制单元如PLC等进行参数交互，价格昂贵、设备分散且维护成本较高。目前也有自主研制的以一个单片机作为控制核心的批量控制器，存在人机界面不友好、控制功能单一、联网功能不足等缺点。市场急需开发一种性能优越且价格较低的批量控制器来解决传统批量控制器存在的问题，此批量控制器需具备模块化的拓展性与多通道多处理器协同能力，实现油气储运定量装卸控制的自动化要求。

1 主要功能

批量控制器主要用于各类油气介质装卸的批量控制操作和自动化监控，应用在LNG槽车加注系统、卸料系统、加气站、LNG水上加注站、大口径LNG智能装卸臂及浮式LNG装卸系统的自动化控制场合。批量控制器负责接收流量调节阀开度反馈 、电动阀开度反馈信号、切断阀反馈信号等阀门反馈，读取温度变送器、压力变送器、流量计信号等仪表信息，监控静电接地信号、溢油报警信号、中控紧急停止信号、本地紧急停止信号等报警信号，批量控制器主板将各种信号汇总，通过内部逻辑运算实现对阀门等设备的精确逻辑控制，实现安全流速控制、装卸定量、报警停车等功能。

2 系统组成

批控器采用多处理器协同工作实现各种功能，即采用一个处理器作为主控制器，实现整体协调功能、显示功能、存储功能、通信功能等；用另外的处理器完成各种实时采集、输出功能。该种设计适用于处理量大，功能要求复杂的装车场合。

图1 采集控制电路硬件组成图

图2 滤波前后信号采集对比图

图3 增加干扰源及滤波后信号采集对比图

主控制板通过人机界面、操作键盘及读卡器结合的方式获取操作人员的控制命令和控制参数，并以点对点的方式发送给采集通道控制板；根据采集通道控制板发来的报警信号、温度信号、流量信号、状态信号做出正确合理的处理，如有需求还需要把一些信息传输给控制室中的上位机，使之能够远程监控。

采集控制板通过数据传输总线接收到控制命令及控制参数后，执行相应操作并把运行过程的一些参数报告给主控制板；实时检测运行状态，如检测静电溢出报警信号，鹤位报警信号、阀门开关到位信号等等，若有故障则及时处理并把信息报告给主控制板；根据各种状态信息和相应的配置信息合理控制切断阀、气动调节阀，实现精确控制。数据采集卡之间不需要相互通信，即相互之间独立工作，互不影响。

3 主控制板设计

主控制板主要是实现数据信息汇总、存储、通讯、控制等功能，同时控制显示屏完成人机交互操作。主控制板通过获取操作人员所要设置的信息，并把有用的信息传输给数据采集控制板，接收下层通道的各种状态信息、显示和保存，供操作人员查看。除此之外，还应具备通讯传输功能，以便具备上传数据至第三方上位机，方便网络监控及远程调控功能。RFID射频模块电路获取人员IC卡内的装卸车信息，传送给主控制芯片，通过装车控制算法程序，实现自动化装卸车工艺控制。

4 板卡设计

板卡需具备以下功能（如图1）以实现数据信息汇总、存储、通讯、控制等功能，同时控制显示屏完成人机交互操作。板卡大体分为三类：中央处理单元兼数字量输入、输出单元，模拟量输入、输出单元，数据通信单元。

中央处理单元:中央处理单元作为系统的核心，中央处理单元( CPU)是批量控制器的核心部件，它的主要作用是控制整个系统协调一致地运行。它解释并执行控制程序，并通过循环执行控制程序完成所有信号处理、逻辑控制、数据通信等功能。它的功能主要通过以下方式实现：

（1）接收、存储用户通过程序组态软件编写的程序；

（2）以循环扫描方式接收来自输入单元的输入变量、状态数据，并存进相应的数据存储区（输入映像寄存器）；

（3）利用校验技术监视存储和通信状态、内部电路的工作状态、电源状态和用户编程中的语法错误；

（4）执行控制程序，完成各种数据处理、传输和存储，并根据数据处理结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，产生相应的内部控制信号，以完成程序逻辑设定的各种操作。

5 试验测试及结论

为了测试本研究的应用性，以信号较为复杂的模拟信号作为实例对比，着重对模拟量采集卡进行了信号对比测试，考虑到数字量信号的测试较为简单（基本为0-1-0测试），这里就不在赘述。本次对比采用成熟应用的西门子200smart PLC作为对比对象，使用信号发生器模拟4～20mA模拟量信号，信号模拟从4mA增加至12mA，保持之后增加至20mA满幅位置保持的过程，对比PLC和本研发采集卡的实验效果，见图2，为了增强对比图的直观性，将采集卡的试验数据人为减去1mA，呈现在图表中。图2(a)是未添加滤波电路的情况下，采集卡的曲线明显有不规则震荡，平稳性相比PLC较差；在图2(b)中，添加了巴氏滤波电路后，平稳性和成熟PLC几乎一样，由此可以看出本研究的采集卡样机的可用性比较高。

为了测试采集电路的稳定性特点，将采样环境换到变压器、电机较多的电磁干扰范围内，观察考验极端环境下，两种产品的采样情况。从图3中看出，在一般电磁干扰情况下，PLC的采样曲线出现了请问的震荡波，见图3(a)，当干扰源逐步加大后，震荡波越发不平稳，从图3(b)中能够观察到本研究的采集卡稳定性明显强于200 PLC，这一特性在极端恶劣的防爆行业尤为关键。

综合上述试验情况，可以直观的看到本研发的板卡和控制电路相对国际成熟的产品也具备一定的实用性和竞争力，尤其应用在防爆型的批量控制仪中，在各种不确定因素较多的环境下，也具备相应的产品素质，提升了国产化的水平。