仿真儀表與DCS的完美應(yīng)用

孫柱會(huì)（北京科力丹迪技術(shù)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，北京 102206）

仿真儀表與DCS的完美應(yīng)用

孫柱會(huì)
（北京科力丹迪技術(shù)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，北京 102206）

為了提高工業(yè)廠礦工人及在校大學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際的能力，采用現(xiàn)值儀表仿真、現(xiàn)場(chǎng)工藝流程軟件仿真，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備但比例縮小建模并搭配DCS控制系統(tǒng)的方式，使得仿真系統(tǒng)工程得到更好地推廣普及，簡(jiǎn)要闡述了一些有關(guān)壓力、溫度、流量、液位和開(kāi)度值等現(xiàn)場(chǎng)儀表仿真的知識(shí)和方法。

壓力；溫度；流量；液位；DCS

隨著我國(guó)工業(yè)化的不斷發(fā)展壯大，逐步由人工控制轉(zhuǎn)為計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制，但是由于我國(guó)的教育基礎(chǔ)薄弱，現(xiàn)場(chǎng)許多工人對(duì)新型儀表和新型工藝都不太了解，必須加強(qiáng)技術(shù)方面的培訓(xùn)工作，在理論知識(shí)普及的同時(shí)必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室練兵。所以仿真系統(tǒng)工程被許多大中型企業(yè)逐步重視起來(lái)，本文就是闡述如何將真實(shí)儀表改裝成無(wú)流體測(cè)量的仿真儀表，然后通過(guò)DCS系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)仿真軟件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)模擬操作。

1　目的和意義

1.1目的

為了配合XXXX公司催化裂化仿真教學(xué)模型的整套系統(tǒng)工程，需要設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制作及安裝一系列自動(dòng)化儀器儀表。

這次開(kāi)發(fā)的系列儀表可以實(shí)現(xiàn)的顯示測(cè)量功能為：壓力、溫度、流量、溶位和開(kāi)度值。

可以根據(jù)DCS系統(tǒng)對(duì)不同設(shè)備發(fā)布的傳遞指令，來(lái)完成相應(yīng)的顯示工作，給石化系統(tǒng)的培訓(xùn)學(xué)員一個(gè)直觀的顯示，還可以通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換來(lái)通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥門(mén)來(lái)改變閥門(mén)開(kāi)度，并傳送一個(gè)電流環(huán)信號(hào)給DCS，DCS系統(tǒng)直接通過(guò)計(jì)算發(fā)出指令，來(lái)改變旁邊的壓力、溫度、流量?jī)x表的在實(shí)時(shí)顯示數(shù)值，使得學(xué)員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況有一個(gè)理性的認(rèn)識(shí)。

1.2意義

本次立項(xiàng)不僅是本次合同的一次性開(kāi)發(fā)利用，可以給我們以后做類似工程奠定基礎(chǔ)，積累經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)素材，下次做類似工程可以減少支出成本。

從更深遠(yuǎn)的意義來(lái)說(shuō)，隨著我國(guó)工業(yè)化的不斷發(fā)展壯大，逐步由人工控制轉(zhuǎn)為計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制，如果不從紙上練兵和實(shí)驗(yàn)室練兵開(kāi)始，新工人或老工人新崗位如果不熟悉操作的順序原理及標(biāo)準(zhǔn)值，就會(huì)誤操作，造成設(shè)備損壞和停車，更嚴(yán)重的可能造成重大人生傷亡事故。

2　項(xiàng)目?jī)?nèi)容及技術(shù)可行性分析

仿真儀表開(kāi)發(fā)項(xiàng)目包括溫度、流量、壓力、溶位的四類顯示儀表的設(shè)計(jì)和控制調(diào)節(jié)開(kāi)度儀表設(shè)計(jì)。

2.1功能匯總

1）4—20mA模擬量輸入。

2）4—20mA模擬量輸出。

3）根據(jù)4—20mA的輸入量，用四位數(shù)碼管顯示流量、溫度、壓力、溶位、開(kāi)度5種顯示類型。

4）自動(dòng)、手動(dòng)切換功能。

5）自動(dòng)、手動(dòng)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量輸出。

2.2儀表分類

2.2.1數(shù)顯閥門(mén)開(kāi)度

通過(guò)LED數(shù)顯加上虛擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)手動(dòng)、自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

在自動(dòng)狀態(tài)，由DCS輸出信號(hào)，對(duì)于儀表電路板來(lái)說(shuō)輸入信號(hào)是4-20mA的電流，數(shù)碼管顯示000.0～100.0，表示閥門(mén)開(kāi)度的百分比。

在手動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使得高精密電位器聯(lián)動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)電阻值變化，通過(guò)計(jì)算直接在LED進(jìn)行數(shù)字顯示：000.0到100.0，同時(shí)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)給DCS來(lái)傳遞開(kāi)度值信息，由系統(tǒng)按照程序設(shè)定好的工況當(dāng)量值再發(fā)出指令來(lái)改變其他儀表的顯示值，如溫度、壓力、流量等。

手動(dòng)、自動(dòng)狀態(tài)有狀態(tài)指示，以數(shù)字量輸出到DCS。

2.2.2數(shù)顯儀表

通過(guò)四位LED 數(shù)碼管可以顯示溫度、流量、壓力、開(kāi)度值。具體顯示什么參數(shù)，由跳線選擇。其顯示能力為0.00到999.9。

2.2.3溶位計(jì)

通過(guò)LED 燈柱和四位LED 數(shù)碼管顯示。為了使得LED燈柱和四位LED 數(shù)碼管同步顯示，需要采取編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且其顯示也是以百分比的形式，所以電路采用了開(kāi)度閥的電路板移植到這里，配合采購(gòu)來(lái)的燈柱電路板，來(lái)實(shí)現(xiàn)溶位的實(shí)時(shí)顯示。

這些電子電路和真實(shí)的儀表電路板比較有相同類似的地方，但是因?yàn)槭菬o(wú)實(shí)物顯示，有地方計(jì)算要復(fù)雜，有些地方又可以簡(jiǎn)化，所以，不能用真實(shí)儀表來(lái)代替。我們采用單片機(jī)來(lái)完成顯示儀表，不需要編程，只是根據(jù)量程改變相應(yīng)的電子元件，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同數(shù)值的顯示。

而執(zhí)行機(jī)構(gòu)因?yàn)橐鶕?jù)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)的度數(shù)，來(lái)帶動(dòng)高精密電位器轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)電阻值的連續(xù)變化來(lái)跟蹤判斷開(kāi)度值，而且還要考慮到機(jī)械振動(dòng)和周圍電子設(shè)備的干擾，必須采用編程的方法，我們是用采用32位嵌入式CPU處理器框架來(lái)完成這一設(shè)計(jì)理念的。編程采用C語(yǔ)言，從軟件到硬件都是目前非常成型的，所以技術(shù)上不存在難題。

3　實(shí)施方案

3.1普通數(shù)顯儀表

這類為溫度、流量、壓力的顯示儀表，在這一大類中，由于輸入信號(hào)均為4-20mA電流環(huán)，但要顯示數(shù)據(jù)的類型以及滿量程不同，所以要分別設(shè)計(jì)信號(hào)的處理電路，處理好的信號(hào)根據(jù)需要，送到不同顯示精度的數(shù)碼表頭上，這個(gè)表頭可以在市場(chǎng)上采購(gòu)。系統(tǒng)采用單片機(jī)架構(gòu)，無(wú)須軟件支持。顯示范圍：0.000到999.9。

3.2現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)動(dòng)態(tài)變化效果設(shè)計(jì)

采用半導(dǎo)體發(fā)光元件構(gòu)成的光柱式顯示儀，配合發(fā)光二極管式數(shù)字顯示儀，設(shè)計(jì)的專用溶位計(jì)模擬現(xiàn)場(chǎng)溶位計(jì)動(dòng)態(tài)變化效果，顯示LED為100點(diǎn)，顯示范圍0到100，顯示單位為百分比。此種設(shè)計(jì)具有直觀形象、耗電省、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。采用32位嵌入式CPU處理器框架，需要軟件支持配合使用。

3.3現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度顯示設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)調(diào)整閥門(mén)的開(kāi)度直接涉及學(xué)員的操作力度感覺(jué)和過(guò)程變化的時(shí)間特性感覺(jué)。可采用先進(jìn)的電子測(cè)控技術(shù)，不僅可以將現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度實(shí)時(shí)傳遞到控制室，而且可以通過(guò)發(fā)光數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示閥門(mén)開(kāi)度。采用32位嵌入式CPU處理器框架，需要軟件支持配合使用；具體實(shí)施中，對(duì)各個(gè)閥門(mén)的開(kāi)度儀表采用撥動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)信號(hào)選擇；當(dāng)為手動(dòng)時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)手輪，帶動(dòng)和閥桿連成一體的高精密旋鈕電位器旋轉(zhuǎn)1-6圈，根據(jù)旋轉(zhuǎn)不同角度得到的電阻值的不同，實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量電位器的電阻值傳遞到主板，通過(guò)計(jì)算顯示相應(yīng)的開(kāi)度值xxx.x%，并轉(zhuǎn)換成4-20mA的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)技術(shù)處理保證不受到震動(dòng)的影響，將穩(wěn)定的信號(hào)傳遞到DCS，由DCS根據(jù)程序設(shè)定好的閥值，向該閥門(mén)所控制的管道或設(shè)備發(fā)出一個(gè)相應(yīng)的4-20mA的電信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際管線位置，來(lái)顯示需要的壓力x.xxxMPa（G）、溫度xxx.x℃、溶位高度或流量xxx.xt/h、xxx.xhm3（標(biāo)）/h以讀表為準(zhǔn)。

當(dāng)設(shè)定為自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，由DCS發(fā)出一個(gè)與設(shè)定開(kāi)度值相當(dāng)?shù)?-20mA的電信號(hào)到開(kāi)度閥門(mén)，LED數(shù)碼管顯示設(shè)定的數(shù)值xxx.x%，同時(shí)DCS向相關(guān)壓力、溫度、溶位、流量控制儀表發(fā)出顯示所用的4-20mA的電信號(hào)實(shí)現(xiàn)相關(guān)節(jié)點(diǎn)顯示相應(yīng)的數(shù)值。

3.4電源模塊

因?yàn)樗行盘?hào)均為Ⅱ類信號(hào)：4-20mA的模擬量輸入信號(hào)；24VDC小于50mA的阻性負(fù)載開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)。采用屏蔽雙絞電纜和多股屏蔽計(jì)算機(jī)電纜來(lái)連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)和DCS的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制器。所有電纜布置在橋架中保證美觀、安全、實(shí)用。電源模塊準(zhǔn)備采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電源模塊，然后根據(jù)項(xiàng)目點(diǎn)數(shù)計(jì)算出合適的負(fù)載功率，原則上每個(gè)點(diǎn)按照耗電量5W來(lái)計(jì)算。考慮到抗干擾問(wèn)題，準(zhǔn)備采用隔離變壓器，規(guī)格220V、250W來(lái)設(shè)計(jì)一款滿足應(yīng)用的電源箱給各個(gè)儀表供電。考慮的信號(hào)衰減，不準(zhǔn)備設(shè)集中板，而是把信號(hào)線和電源線分開(kāi)兩根線傳送，來(lái)保證信號(hào)源的純凈。從橋架出線后用纏繞管包裹，沿著配管前行到各個(gè)顯示儀表處，用防水卡子固定。

4　預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

本次儀表研發(fā)、制作費(fèi)用大概在18萬(wàn)左右，目前一個(gè)32位處理器硬件和軟件的研發(fā)就要報(bào)到10萬(wàn)，而這次涉及的是多個(gè)儀表種類。可以互相借鑒，改動(dòng)的部分不多，總的來(lái)說(shuō)投入較少。而且我們主要看中的是長(zhǎng)遠(yuǎn)的社會(huì)效益。因?yàn)槲覀兎抡嬉粋€(gè)項(xiàng)目，如果每年培訓(xùn)100人次，那按照設(shè)計(jì)壽命10年計(jì)算就是1 000人。可以幫助許多石化行業(yè)解決新員工培訓(xùn)的問(wèn)題，因?yàn)槿绻唤?jīng)過(guò)培訓(xùn)直接上崗，如果產(chǎn)生誤操作，將會(huì)給國(guó)家和企業(yè)造成很大經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成重大人身傷亡事故，如果造成泄漏，還會(huì)對(duì)周邊人民的生存環(huán)境造成破壞，影響將更大，所以說(shuō)我們所做的工作是造福人類的大事，是不能以金錢(qián)來(lái)衡量的。

5　結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、易行、社會(huì)效益較高、為工況企業(yè)和學(xué)校實(shí)操培訓(xùn)解了燃眉之急。

[1] 瞿英，陳軍霞，任飛飛.基于CDIO的《數(shù)據(jù)庫(kù)原理及應(yīng)用》課程群能力培養(yǎng)目標(biāo)體系構(gòu)建[J].河北工業(yè)科技，2012，（2）：108-111.

Perfect Application of Simulation Instrumentation and DCS

Sun Zhu-hui

In order to enhance the industrial factories and mines workers and college students in the theory and practice of skills. Using the present value of the instrument simulation，on-site process simulation software，field equipment but scaled down with the modeling and fashion DCS control system，making the simulation system works better in China to promote universal，briefly，describes some of the pressure，temperature，knowledge and methods of flow，level and opening value and other field instruments simulation.

pressure；temperature；flow；Level；DCS

TP273.5

B

1003-6490（2016）03-0105-02

2016-03-09

孫柱會(huì)（1968—），北京人，助理工程師，主要從事機(jī)電自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)和制造銷售，以及化工仿真工程，環(huán)境保護(hù)如水處理工程等。