基于組態(tài)王和ADAM模塊的天然氣脫硫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

中石化上海研究院南化分院 靖 靜

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基于組態(tài)王和ADAM模塊的天然氣脫硫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

中石化上海研究院南化分院 靖 靜

【摘要】本裝置以研華的ADAM5000數(shù)據(jù)采集模塊為下位機(jī)和以組態(tài)王為上位機(jī)，設(shè)計(jì)了天然氣脫硫試驗(yàn)裝置在線監(jiān)控系統(tǒng)。詳細(xì)對(duì)該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原理及其選型配置，數(shù)據(jù)監(jiān)控和采集軟件的組態(tài)功能進(jìn)行了闡述。通過(guò)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)完全達(dá)到試驗(yàn)裝置的自動(dòng)化要求。

【關(guān)鍵詞】ADAM；組態(tài)王；DCS

1　引言

研華ADAM5000系列數(shù)據(jù)采集控制器和組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)監(jiān)控軟件在工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在化工行業(yè)也是如此，本文具體闡述了在天然氣脫硫試驗(yàn)DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2　試驗(yàn)裝置概述

天然氣脫硫試驗(yàn)裝置由吸收塔、再生塔、天然氣分離器、凈化氣分離器、貧液冷卻器、閃蒸槽、再生氣冷卻器、再生氣分離器、貧富液換熱器、煮沸器、蒸汽緩沖罐、冷凝水計(jì)量罐、貧液泵、補(bǔ)液泵、溶液貯槽等組成。本裝置共有12個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)、7個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)、3個(gè)壓力控制點(diǎn)、7個(gè)液位測(cè)量點(diǎn)、2個(gè)液位控制點(diǎn)、4個(gè)流量測(cè)量點(diǎn)、1個(gè)流量控制點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量選用雙金屬溫度計(jì)，雙金屬溫度計(jì)是一種測(cè)量中低溫度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表，可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)過(guò)程中的-80℃-+500℃范圍內(nèi)液體蒸汽和氣體介質(zhì)溫度。遠(yuǎn)傳溫度測(cè)量選用隔爆型鎧裝熱電阻，鎧裝熱電阻是一種直徑小、易彎曲、抗震性能好的測(cè)溫元件，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，適于使用在惡劣環(huán)境中。就地壓力測(cè)量選用不銹鋼壓力表，遠(yuǎn)傳壓力選用壓力變送器，壓力控制選用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，高壓的情況下，選用角形高壓調(diào)節(jié)閥。液位測(cè)量選用磁翻柱液位計(jì)，磁翻柱液位計(jì)適用范圍廣，適合任何介質(zhì)的液位、界面的測(cè)量。被測(cè)介質(zhì)與指示結(jié)構(gòu)完全隔離，密封性能好，防泄露、適應(yīng)高壓、高溫、腐蝕條件下的液位測(cè)量，可靠性高，集現(xiàn)場(chǎng)指示、遠(yuǎn)傳變送、報(bào)警控制開關(guān)于一體。液位控制選用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。流量測(cè)量選用質(zhì)量流量計(jì)，帶遠(yuǎn)傳功能。

3　系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)總圖布置和生產(chǎn)控制的要求，設(shè)有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站。各種處理器、I/O接口模件柜等放置在該控制站內(nèi)。控制站任務(wù)是在標(biāo)準(zhǔn)畫面和用戶組態(tài)畫面上，匯集和顯示有關(guān)的運(yùn)行信息，供運(yùn)行人員據(jù)此對(duì)機(jī)組的運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)視和控制。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

智能模塊配置：8槽分布式采集機(jī)架ADAM5000E一塊，3通道熱電阻輸入模塊ADAM5013四塊，8通道模擬量輸入模塊ADAM5017兩塊，4通道模擬量輸出模塊ADAM5024兩塊，隔離 RS-232到 RS-422/485 轉(zhuǎn)換器ADAM4520一塊。

該系統(tǒng)的DCS模擬量輸入（AI）輸出（AO）模塊如表1所示。

表1　DCS模擬量輸入輸出表

ADAM5000E：ADAM5000E系統(tǒng)是通過(guò)多通道I/O模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能的控制系統(tǒng)，體積緊湊，符合現(xiàn)場(chǎng)總線的趨勢(shì)。每個(gè)系統(tǒng)由兩部分組成：基座和I/O模塊，每個(gè)基座可以安裝8個(gè)I/O模塊。基座是系統(tǒng)的核心，每個(gè)基座包括1個(gè) CPU模塊、1個(gè)電源模塊、1個(gè)8槽底板和3個(gè)通訊端口。ADAM5013、ADAM5017、ADAM5024模塊均安裝在插槽上。

ADAM5013：ADAM 5013是16位、3通道 RTD輸入模塊。所有通道都可編程，可直接接受 PT100的2線、3線或 4線信號(hào)。本設(shè)計(jì)中用來(lái)接收現(xiàn)場(chǎng)熱電阻信號(hào)，顯示各測(cè)量點(diǎn)溫度。

ADAM5017：ADAM 5017是16位、8通道模擬差分輸入模塊。所有通道都可編程，可接受標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)。本設(shè)計(jì)中用來(lái)接收現(xiàn)場(chǎng)壓力變送器和磁翻板液位計(jì)傳來(lái)的4～20mA電流輸出信號(hào)。

ADAM5024：ADAM 5024是16位、8通道模擬差分輸出模塊。接受來(lái)自在 RS-485網(wǎng)絡(luò)上的ADAM-5000系統(tǒng)或主機(jī)的數(shù)據(jù)輸入。本設(shè)計(jì)中用來(lái)輸出4～20mA電流信號(hào)，控制現(xiàn)場(chǎng)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。

ADAM4520：ADAM4520是RS-232信號(hào)到RS-485信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。自動(dòng)內(nèi)部RS-485總線監(jiān)督；自動(dòng)數(shù)據(jù)流控制；3000Vdc隔離保護(hù)；通訊距離達(dá)1.2Km。

各個(gè)溫度信號(hào)通過(guò)ADAM5013實(shí)時(shí)傳遞到組態(tài)王并顯示，各個(gè)壓力、液位、流量信號(hào)通過(guò)ADAM5017實(shí)時(shí)傳遞到組態(tài)王并顯示。在組態(tài)王中設(shè)定一個(gè)期望數(shù)值，結(jié)合ADAM5017送到組態(tài)王中的反饋數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的PID參數(shù)設(shè)定，經(jīng)過(guò)ADAM5024輸出，可以使失真的數(shù)據(jù)得到修正，達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。

4　系統(tǒng)軟件配置

軟件選用亞控科技的組態(tài)開發(fā)系統(tǒng)監(jiān)控軟件組態(tài)王6.55，運(yùn)行于Windows2000/XP操作系統(tǒng)。

組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通常把系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。

在設(shè)計(jì)中尤其考慮三方面問(wèn)題：畫面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫。通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動(dòng)畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線等，可便利的生成各種報(bào)表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。本設(shè)計(jì)中與ADAM5000系列模塊相連接，在驅(qū)動(dòng)中選取研華模塊。

系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

4.1軟件概述

整個(gè)DCS系統(tǒng)基于Windows 2000/NT/XP開發(fā)，操作軟件以菜單式展開，軟件畫面包括以下部份：

1）工藝模擬流程圖，及各測(cè)量參數(shù)；2）各控制回路軟調(diào)節(jié)器；

3）各歷史數(shù)據(jù)記錄與歷史曲線回放；

4）故障發(fā)生一覽及記錄，診斷；

5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與打印；

主畫面工藝模擬流程圖以工藝帶控制點(diǎn)流程圖為基礎(chǔ)，完全反映所有測(cè)量控制要求，流程圖工藝管線顏色按照相關(guān)專業(yè)要求設(shè)置。操作以鼠標(biāo)為主輔以鍵盤，整個(gè)操作過(guò)程簡(jiǎn)潔明了，符合工藝操作習(xí)慣，數(shù)據(jù)采樣周期不大于0.1秒，畫面刷新周期不大1秒，命令響應(yīng)時(shí)間不大于0.5秒。

4.2控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)

本裝置調(diào)節(jié)回路以工藝流程圖為基礎(chǔ)，結(jié)合自控要求包含以下兩類調(diào)節(jié)回路：

1） 壓力調(diào)節(jié)回路。本回路以擴(kuò)散硅壓力變送器與氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥連鎖：當(dāng)ADAM5017收到的壓力信號(hào)超過(guò)高限報(bào)警壓力時(shí)，通過(guò)ADAM5024發(fā)出信號(hào)將氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)小，當(dāng)ADAM5017收到的壓力信號(hào)低于低限報(bào)警壓力時(shí)，通過(guò)ADAM5024發(fā)出信號(hào)將氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開大。

2） 液位調(diào)節(jié)回路。本回路通過(guò)磁翻柱液位計(jì)自帶的變送器與氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥連鎖：當(dāng)ADAM5017收到的液位信號(hào)超過(guò)高限報(bào)警壓力時(shí)，通過(guò)ADAM5024發(fā)出信號(hào)將氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)小，當(dāng)ADAM5017收到的液位信號(hào)低于低限報(bào)警壓力時(shí)，通過(guò)ADAM5024發(fā)出信號(hào)將氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開大。

每一個(gè)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)都能彈出相應(yīng)的軟調(diào)節(jié)器，并根據(jù)權(quán)限的不同允許對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行修正。調(diào)節(jié)器具有手動(dòng)、自動(dòng)無(wú)擾切換，能夠進(jìn)行PID參數(shù)設(shè)置和調(diào)節(jié)，如圖3所示。

圖3　壓力控制調(diào)節(jié)窗口界面

通過(guò)在事件命令語(yǔ)言中編制程序，實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)切換控制，以PV02壓力控制點(diǎn)為例：

通過(guò)如下程序?qū)崿F(xiàn)PID自動(dòng)控制：

1）當(dāng)\本站點(diǎn)PV02壓力手自動(dòng)切換==1存在時(shí)，

｛\本站點(diǎn)PV02控制輸出=4.0+0.16*\本站點(diǎn)PV02開度+0.16*Pid（\本站點(diǎn)PV02壓力P，\本站點(diǎn)PV02壓力I，\本站點(diǎn)PV02壓力D，\本站點(diǎn)PV02設(shè)定壓力，\本站點(diǎn)壓力PI02，\本站點(diǎn)PI02壓力前值，\本站點(diǎn)PI02壓力后值）；｝

2）通過(guò)如下程序?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)控制：

當(dāng)\本站點(diǎn)PV02壓力手自動(dòng)切換==0存在時(shí)，

｛\本站點(diǎn)PV02控制輸出=4.0+0.16*\本站點(diǎn)PV02開度；｝

其中用到的PID函數(shù)在自定義函數(shù)語(yǔ)言中進(jìn)行編制，

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

4.3測(cè)量值歷史曲線和報(bào)表統(tǒng)計(jì)

對(duì)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)記錄，歷史存檔數(shù)據(jù)與采樣數(shù)據(jù)按存儲(chǔ)容量情況可以壓縮或按時(shí)間比例縮小。歷史曲線采用插入通用控件中的歷史趨勢(shì)曲線，并進(jìn)行設(shè)置。在組態(tài)王工具箱內(nèi)選擇“報(bào)表窗口”工具繪制報(bào)表，可以進(jìn)入報(bào)表統(tǒng)計(jì)界面查看報(bào)表并打印報(bào)表，也可以導(dǎo)出報(bào)表存儲(chǔ)在電腦中。

4.4測(cè)量值指示及報(bào)警

所有測(cè)量信號(hào)，正常范圍內(nèi)以常態(tài)指示，報(bào)警限按工藝給定值初始設(shè)置，報(bào)警限的設(shè)定管理人員可以進(jìn)行修改。

在數(shù)據(jù)改變命令語(yǔ)言中設(shè)置報(bào)警，需要輸入函數(shù)如下：

//新報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，蜂鳴器報(bào)警

if（\本站點(diǎn)$新報(bào)警==1）

PlaySound（ "c:天然氣脫硫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)hook1.wav”， 3）；if（\本站點(diǎn)$新報(bào)警==0）

PlaySound（ "c:天然氣脫硫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)hook1.wav”， 0）；

在報(bào)警時(shí)，報(bào)警窗口能準(zhǔn)確記錄每一次數(shù)據(jù)越限報(bào)警等信息，報(bào)警位號(hào)數(shù)據(jù)閃爍并伴有報(bào)警音響提示，管理人員可以在主界面或報(bào)警界面中將報(bào)警音響關(guān)閉，并根據(jù)報(bào)警提示查找報(bào)警參數(shù)位號(hào)和報(bào)警原因，及時(shí)進(jìn)行處理。

5　系統(tǒng)通訊

上位機(jī)和ADAM5000的通信連接線有RS232和RS485兩種。在ADAM5000控制器端采用RS485，而在上位機(jī)采用RS232，二者用RS485/232信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊ADAM4520相連，同時(shí)，ADAM5000編程接口COM1和計(jì)算機(jī)RS232串口之間連接。采用485總線通訊方式，通訊距離可達(dá)1200米。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)完成參數(shù)的設(shè)定、遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)、定時(shí)上傳下位機(jī)采集到的各運(yùn)行數(shù)據(jù)等功能。

6　結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)多次調(diào)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證效果，基本達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。連接硬件電路后，運(yùn)行控制程序，可以看到程序按照設(shè)計(jì)思路正確運(yùn)轉(zhuǎn)。在組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)中，從下位機(jī)檢測(cè)的數(shù)據(jù)可以在主界面中和實(shí)時(shí)報(bào)表中顯示，在實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線中，數(shù)據(jù)變換的曲線非常靈敏，歷史曲線的走勢(shì)也同樣清晰，報(bào)警窗口也能準(zhǔn)確記錄每一次數(shù)據(jù)越限報(bào)警等信息，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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作者簡(jiǎn)介：

靖靜（1981—），女，江蘇南京人，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：儀表自動(dòng)化。