基于用MCGS 實現雙儲液罐液位監控系統設計研究

黃茹

（昌吉職業技術學院，新疆昌吉，831100）

在化工等企業實際生產中，儲液罐應用非常廣泛，液位控制技術是生產中最重要的參數之一，儲液罐液位有效地監控和處理對安全生產有著至關重要的意義。傳統的儲液罐控制系統常采用繼電器系統控制，該系統結構復雜易出故障，沒有人機窗口無法遠程實時監測，自動化水平低。本文設計主要采用MCGS 和IPC 實現雙儲液罐液位監控系統，本設計從設計方案、軟硬件選型、電路設計、程序設計調試、軟硬件聯調幾個方面進行介紹。

1 方案設計

根據化工企業的生產要求，本文設計案例的控制要求有以下幾個方面：

設計中有兩個儲液罐，假設一個儲液罐A 液位要求控制在1～12m，另一個儲液罐B 液位控制要求在1～9m；儲液罐B 的液位要設置極低水位保護任務，當B 罐液位低于0.3 米是，應該關閉罐B 出水閥，打開罐B 進水閥和始端水泵；液位可以實時顯示，在人機界面上監控人員能看到液位數值并能夠遠程調節目標液位值；設計越限報警功能，當液位超過了規定的控制范圍時能夠報警，可采用報警燈或電鈴報警，并且在HMI 界面上以報警窗口形式顯示實時報警信息，并且進一步添加歷史報警功能；報表生成功能，通過液位監測數據可以生成實時報表和歷史報表，利用計算機技術實現報表簡化了傳統報表工作繁雜和時效性低的缺點；制作實時曲線和歷史曲線，便于分析生產情況和預測今后的生產趨勢。圖1 為雙儲液罐方案設計閉環系統方框圖。

圖1 雙儲液罐閉環控制系統方框圖

根據案例中任務進行分析，首先對兩個儲液罐水位用數學公式進行描述控制方法：

Y1=1(Ha＜1m);Y1=0(Ha＞12m);Y1=不變(1m≤Ha≤12m)

Y2=1（Hb＜1m）;Y2=1（Hb＞9m）;Y2=不變（1m≤Ha≤9m）

其中Y1是水泵控制信號，Y1=1 時水泵打開，Y1=0 時水泵關閉；Y2是罐B 進水閥控制信號，Y2=1 時該進水閥打開，Y2=0 時該進水閥關閉。本系統采用位式控制算法。

2 軟硬件選型

本系統設計采用計算機輸入命令的方式，采用擴散硅壓力變送器利用壓阻方式進行測量，這種變送器的工作原理是當其受到壓力時，由半導體工藝制成的電阻，其阻值會發生改變，其中四個電阻以橋式連接，電橋加直流電源后，會在橋的另一端產生直流電壓信號，通過信號變換電路對輸出的電壓信號處理后，將壓力信號轉換成1～5V 直流電壓或4～20mA 直流電流信號。本系統采用DBYG 型擴散硅壓力變送器，針對本系統設計要求對該壓力變送器量程進行如下計算：

罐A 正常液位為0～12m，適當放大測量范圍取4/3 倍，則為0～16m，轉換為壓力為：

罐B 正常液位為0～9m，適當放大測量范圍取4/3 倍，則為0～12m，轉換為壓力為：

本系統水泵、進水閥和出水閥的選型主要有工藝設計人員根據實際系統需要去選取，工程師根據參數設計控制電路，本系統水泵選擇型號為50SG-10-15 型；進水閥和出水閥采用ZCW 型液用電磁閥；計算機可以選擇研華ARK-3400 嵌入式IPC；對I/O 接口設備采用西門子S7-200PLC作為接口設備。

3 電路設計

本系統設計采用西門子PLC，該系列中CPU224XP 具有模擬量輸入輸出通道，該PLC 一共有14 個DI 端、10 個DO端，2個AI端，1個AO端。根據本系統雙儲液罐方案要求，需要有2 個AI 和3 個DO，對其設計要求進行系統I/O 分配，雙儲液罐液位監控系統I/O 分配表如表1 所示。

表1 雙儲液罐液位監控系統I/O分配表

4 程序設計與調試

■4.1 建立工程

進入MCGS 組態環境后新建工程,工程存儲為“雙儲液罐水位監控系統”，工程不得保存在桌面上。

■4.2 變量定義

根據設計要求在MCGS 實時數據庫中添加變量，變量分配表如表2 所示。

表2 雙儲液罐液位監控系統變量分配表

添加變量時注意在實時數據庫里添加變量時變量類型一定不能定義錯，否則影響后續動畫連接。

■4.3 畫面編輯和動畫連接

根據設計要求對畫面進行編輯，如圖2 所示。

圖2 雙儲液罐液位監控畫面

利用MCGS 組態功能對設計畫面和實時數據庫進行動畫連接，連接時難點是液位升降動畫效果制作，如圖3 所示。

圖3 罐A 液位升降動畫效果設置

對該模塊進行動畫連接時一定要注意變化百分比的含義以及變化方向的意義，設置參數時以罐A 最大液位為最大表達式的值。該組動畫連接設置時由于是儲液罐，底部為變化初始位，變化方向為向罐身方向，雖然液位會上升或下降，但變化方向一定選擇向上箭頭。

■4.4 液位對象模擬

本設計可以通過腳本程序加入模擬語句對儲液罐液位特性進行模擬，進入MCGS 工作臺中找到運行策略窗口，選中循環策略后按步驟寫入腳本程序，可參考如下程序：

該程序按儲液罐設計順序，由水泵-儲液罐A-儲液罐B 順序，設計程序是水泵打開，Ha每200ms 上升0.2m；罐B 進水閥打開時，Ha每200ms 下降0.06m、Hb每200ms 上升0.08m；罐B 出水閥打開時，Hb每200ms 下降0.02m。以上模擬量參數可以調整，但原則是出水量不能大于進水量。

■4.5 實時和歷史報警窗口

在實際運行時當發生參數越限時要及時報警，最簡單的方法是采用報警燈，也可以設置實時報警窗口。采用實時報警時一定要注意對實時數據庫中液位變量進行報警屬性設置，其中上下限報警可采用人機界面實時輸入的方式，使報警設置更靈活，便于監控室人員根據需要及時調整。實時報警設置報警窗口屬性設置如圖4 所示。

圖4 實時報警窗口屬性設置

實時報警窗口要對變量Ha和Hb進行報警屬性設置，將“允許進行報警處理”勾選激活，并設置好上限報警和下限報警值。同時要把兩組液位放在一個液位組中，設置為“組對象”。

對該系統進行歷史報警時，需要新增用戶策略，在新增“歷史報警”策略中用策略工具箱方式設置“報警信息瀏覽”，并在MCGS主控串口中新增菜單實現菜單操作歷史報警功能。

■4.6 制作實時和歷史報表

數據報表制作對儲液罐液位監控系統的實際生產有非常重要的意義，可以對生產過程中監控對象儲液罐的液位狀態進行綜合記錄。實時報表的設置可采用自由表格，對參數進行連接，歷史報表需要對“存盤數據瀏覽”構件進行設置，設置時歷史報表的連接設置要注意從基本屬性、數據來源、顯示屬性、時間條件幾個步驟逐步設置，為方便人機界面靈活調用，應在主畫面和報表畫面中設置切換按鈕，實現效果如圖5 所示。

圖5 液位監控系統報表顯示

實時報表用自由表格構件創建，依據設計要求為五行兩列，雙擊進入編輯模式后，第一列為對應變量名稱，第二列根據設置變量類型數值型變量設置為1|0，代表顯示一位小數，開關型變量設置為0|0，代表顯示整數。

歷史報表是通過提取歷史數據庫數據記錄，并按一定格式顯示，可以采用策略構件的存盤數據瀏覽構件，或利用設備構件的歷史表格構件，或利用動畫構件的存盤數據瀏覽等多種方法，本設計方案以“歷史表格”構件方法為例。

制作報警窗口前也必須設置變量存盤屬性，將兩個液位變量和液位組變量存盤屬性設為定時存盤，存盤周期為1s，在數據報表組態窗口中選取“歷史表格”構件。制作表格是在編輯狀態把需要編輯的部分選擇“合并表元”，并對該區域進行“基本屬性”，“顯示屬性”，“時間條件”，“數據來源”等設置。

■4.7 制作實時和歷史曲線

在實際生產中，除了對數據報表有設計要求，還應該設置好曲線顯示，曲線顯示有助于對生產過程進行評價，并且后期生產發展進行預測，本設計中實時曲線設置在設置時需要注意變量連接和范圍設定，也可以采用新建窗口方式實現；歷史曲線在設置時一定注意設置好存盤數據，在高級屬性設置中對運行數據要自動刷新通過對歷史曲線的設置可以便于生產中分析液位變化規律，總結生產經驗。圖6 為曲線顯示效果示意圖。

圖6 液位監控系統曲線顯示

實時曲線制作時需要注意根據液位系統設計要求，在“標注屬性”中設置好最大值，最大值就是雙儲液罐中最大的一個罐的液位最大值，為區分兩個儲液罐液位在曲線上的顯示，可以在“畫筆屬性”中用紅藍兩種顏色連接Ha和Hb兩個變量表達式。

歷史曲線目的是在之后查看液位數據狀態、分析變化規律并總結，與之前設置歷史報表一樣，也一定要對變量進行存盤屬性的設置。“曲線標識”頁中在設計時要區分兩組液位，曲線內容和顏色要一一對應。歷史曲線里八個操作按鈕可以前進后退等多種方式監控儲液罐液位變化。

■4.8 使用PLC 作I/O 接口控制程序

使用PLC 時，不僅將其作為接口設備也作為現場控制設備，所以控制程序可以在PLC 中編寫，MCGS 只作為運行監控和修改設定值。需要對PLC 控制程序進行設計，對其符號表和I/O 分配，液位信號Ha和Hb分別經AIW0 和AIW2 進入PLC，PLC 收到的數字量為6400～32000，在程序中名為Ha_D 和Hb_D。經程序處理后，數據被還原為液位Ha和Hb。Ha和Hb送到MCGS 中提供顯示、報警、報表、曲線顯示等功能。液位的上下限值可以在MCGS 中賦值并送給PLC。

5 使用PLC 做接口進行系統軟硬件聯調

在MCGS 中對PLC 進行連接時需要注意完成PLC 與外設信息交換，需要確定輸入信號通過PLC 哪個通道輸入，輸出信號通過PLC 哪個通道輸出。在MCGS 的設備窗口中進行設備組態，需要將PLC 設備添加到選定設備中，并將“通用串口父設備”添加到選定設備中。MCGS 和PLC 進行連接時一定要注意對應關系，做好信號傳遞，表3 為MCGS與PLC 溝通信號表。

表3 MCGS與PLC溝通信號表

6 結語

本方案基于MCGS 對雙儲液罐液位監控系統進行軟硬件組態設計，結合IPC 和PLC 進行連接，軟硬件聯調效果好，該設計方案人機界面良好，操作簡單，對企業實際生產有較高的可操作性和實用性，改進了儲液罐液位控制原來采用繼電器控制的弊端，在液位監控方面自動化智能技術有推動作用。