系统硬件设计自动发油控制的硬件构成(一)

3 系统硬件设计

3.1管理监控系统的硬件构成

管理系统主要完成发油过程的监控及配方管理、报表显示、查询、打印等功能。工控机性能可靠，抗干扰能力强，在工控领域被广泛应用。工控机可以根据控制要求，进行板卡的选型设计，从而更好的满足设计要求，因此，在对控制要求高的系统中，选用工控机较为合理，但是，工控机的价格比较昂贵，投资成本比较高。随着电子技术的不断发展，计算机技术的日益成熟，通用PC机的性能完全满足使用要求，所以在设计选型时，监控PC机和管理PC机都选用品牌机。品牌机价格适中，操作方便，内存大，人机界面友好，带有标准的RS-232通信口、打印机接口，易于和外设相连。

3.2自动发油控制的硬件构成

自动发油控制的主要任务是接收上位机指令并对现场设备和仪表进行控制，是控制系统的核心。我们选用性能可靠、抗干扰能力强的可编程控制器。可编程控制器又称PLC（Programmable Logic Controller）是专为在工业环境下应用而设计。PLC问世以来很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，PLC已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛应用。

3.2.1 PLC特点

（1）可靠性高、抗干扰能力强PLC不仅CPU模块可以设计冗余，而且系统中的模块也可以是冗余的，这样就极大地增加了应用系统的可靠性，除此之外，PLC从硬件上采用隔离、滤波措施有效地抑制和消除了干扰。此外，对有些模块还设置了联锁保护、自诊断电路等。当故障条件出现，立刻存储当前状态信息，软硬件配合封闭存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作。从而PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高，一般PLC平均故障间隔时间可达几十万小时。

（2）编程简单、使用方便考虑到企业一般电气技术人员和技术工人的读图习惯和应用微机的水平，目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式。这是一种面向生产、面向用户的编程方式，比较容易被操作人员所接受并掌握。配套的简易编程器的操作和使用也很简单。

（3）设计、安装容易，维护工作量少PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可以在实验室进行模拟调试，用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可通过PLC上的发光二极管指示得知。模拟调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场，进行联机调试，既安全，又快速方便。大大缩短了应用设计和调试周期。PLC故障率极低，维修工作量很小。

(4)功能完善、通用性强PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D、D/A转换，数值运算和数据处理等功能。因此，它既可对开关量进行控制，也可对模拟量进行控制；PLC还具有通信联网功能，可与相同或不同类型的PLC联网，并可与上位机通信构成分布式的控制系统。

总之，PLC系统的基本特点是：可靠、方便、通用、低廉。

3.2.2 PLC的基本组成

PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机，因此它的组成部分与一般的微机装置类似。整体式PLC逻辑框图如图3-1所示。它主要由中央处理单元CPU、输入/输出部件、存储器、通信接口、I/O扩展口等部分组成。其中CPU是PLC的核心，它通过输入装置读入外设的状态，由用户程序去处理，并根据处理结果通过输出装置去控制外设。输入/输出亦称I/O部件，是连接现场设备与CPU之间的接口电路。存储器主要存储系统程序、用户程序及工作数据。通信接口用于与编程器和上位机连接。I/O扩展口是连接I/O扩展单元与PLC本机的接口电路，主要用来扩展I/O点数。

图3-1 整体式PLC逻辑框图

Fig.3-1 Logic diagram of integral PLC

3.2.3 PLC的工作原理

PLC运行时，内部要进行一系列操作，大致可以分为四大类：以故障诊断、通信处理为主的公共操作，联系工业现场的数据输入和输出操作，执行用户程序的操作，以及服务于外部设备的操作。

PLC的工作过程与其它计算机系统一样，CPU采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一个动作接着一个动作顺序地进行。这种分时操作进程称为CPU对程序的扫描。PLC在一个扫描周期的开始，首先将物理输入点上的状态复制到输入过程映像寄存器中；CPU根据映像寄存器中的输入状态从头至尾执行应用程序指令并将程序执行的结果存入输出映像寄存器中；处理通讯请求和CPU自诊断测试相继执行；在每个扫描周期的结尾,CPU把存储在映像寄存器中的数据写到物理输出点上，然后开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复扫描循环[4]。

3.2.4自动发油控制的S7-200PLC配置

在本课题中，根据自动发油控制系统的特点和要求，我们选择西门子公司的S7-200CPU226作为下位机。S7-200PLC配置有以下几点：

（2）输入滤波器可以为本机开关量输入点选择输入滤波器，并可定义延迟时间（0.2-12.8ms）。这个延迟时间有助于滤除输入噪声，以免引入输入状态不可预测的变化。输入滤波器是CPU配置数据的一部分，可下装而且存储在CPU存储器中，可以通过STEP7下的System Block选项来选择输入滤波器选项。

（3）脉冲捕捉，每个本机开关量都具有脉冲捕捉功能。它可以让PLC捕捉到持续时间很短的高电平脉冲或低电平脉冲。在正常扫描下，CPU不是总能读取到这样的开关量输入。当一个输入端子设置为脉冲捕捉时，输入端的状态变化被锁存并一直保持到下一个扫描循环刷新周期。用这样的方法，一个持续时间很短的脉冲信号被捕捉到，并保持到CPU读到该输入信号为止，以确保不丢失脉冲。

（4）设置输出状态，在PLC的循环扫描执行过程中，随机或突然的不明原因的停机是不可避免的，此时要求PLC停机后的输出状态要能够保证被控设备处于安全状态。为此，S7-200PLC为输出点提供了两种保持性能：一种是预置开关量输出点在CPU变为STOP方式后为已知值；另一种是设置开关量输出保持CPU变为STOP方式之前的状态。

（5）高速I/OS7-200为控制高速事件提供了高速I/O。S7-200CPU具有高速计数器功能,这些计数器可以记录20kHz的事件，并不影响CPU的性能[5]。

CPU226提供了6个高速计数器，每个 高速计数器有12种模式。不同高速计数器的不同模式占用PLC的特定的I/O口。本控制系统中采用高速计时器来计算流量计的高速脉冲数，用于计算发油质量和流量。表3-1I/O分配及说明

Table3-1 Input or output configuration and illustrationI1.0 I2.0 静电接地检测仪 静电接地夹夹紧检测 I1.2 I2.2 溢油检测仪 油面溢出检测 I1.4 I2.4 传感器 鹤管复位检测 I1.6 I2.6 开关 启动（停止）发油

表3-1I/O分配及说明

Table3-1 Input or output configuration and illustration （续）I0.0 I0.1 流量计 流量采集 Q1.1 Q2.1 指示灯 静电报警 Q1.3 Q2.3 指示灯 气体检测报警 Q1.5 Q2.5 指示灯 发油运行指示 Q1.7 Q2.7 电液阀 电液阀常闭 Q0.3 Q0.4 指示灯 模块电源错误指示

Q0.5 Q0.6 指示灯 超差报警指示 3.2.5 S7-200与PC机通信

1）PC机与PLC联网通信条件

从原则上讲，只要为PC机配备该种PLC网专用的通信卡以及通信软件，按要求对通信卡进行初始化，并编制用户程序即可。带异步通信适配器的PC机与PLC只有满足如下条件才能联网通信：

(2)双方初始化设置，如波特率、数据位数、停止位数、奇偶校验方式等。

(3)用户必须熟悉互连的PLC及PLC网络采用的通信协议。严格按照通信协议为PC机编写通信程序。PLC一方不需要用户编写通信程序。

2）PC与PLC通信的结构形式

用户把带异步通信适配器的PC机与PLC互连时通常采用下图所示的两种结构形式。一种为点对点结构，PC机的COM口与PLC的编程器接口即PG口（其他异步通信口）之间实现点对点链接。另一种为多点结构，PC机与数台PLC共同连在同一条串行总线上，多点结构采用主从式存取控制方式，通常以PC机为主站，数台PLC为从站，通过周期轮询进行通信管理。这种多点结构又称主从式结构。本系统由一台PC机作监控主站，三台PLC作从站，采用PPI通信协议。PC机与PLC之间通过RS485总线连接，由于PC机的串口是RS232,S7-200PLC的串口是RS485,所以二者之间要通过PC/PPI通信电缆进行连接。

图3-2PC-PLC多点通信结构

Fig.3-2PC-PL Cmultiple-point communication structure

组态王软件支持S7-200PLC的PPI通讯协议，在系统搭建时，只要通过参数设置就可以实现通讯。系统的通信结构如图3-2所示。

3）PC/PPI电缆 进行通信时，若数据从RS232向RS485传输，则电缆是发送状态，反之是接收状态。接收状态与发送状态的相互转换需要一定时间，称为电缆的转换时间。转换时间与所设置的波特率有关，他们之间的关系见表3-2。通常情况下，电缆处于接收状态。当检测到RS232发送数据时，电缆立即从接收状态转换成发送状态。若电缆处于发送状态的时间超过电缆转换时间时，电缆将自动切换为接收状态。

表3-2 开关设置与波特率的关系

Table 3-2 Relationship of the switch institution and baud rate000 38400 0.5 010 9600 2

011 4800 4 101 1200 14 3.3 电液阀选择和功能实现

3.3.1发油系统对控制阀的要求

在发油过程中，由于控制阀的突然开关，容易造成管道中的压力在一瞬间会突然升高，产生很高的压力峰值，这种现象称为“水击”或“水锤”现象。“水击”产生的压力峰值往往比正常工作压力高好几倍，且常伴有巨大的振动和噪声，使液压系统产生温升，有时会使一些液压元件或管件损坏，并使某些液压元件（控制阀、流量计等）产生误动作，导致设 备损坏[7]。因此，发油自动化控制系统控制的主要目标之一，就是尽可能的消除、减小发油开始和累计发油量达到设定时，控制阀的突然开关而产生的“水击”现象。除此之外还要求控制阀能达到以下要求:

（1）能较好地解决过冲问题，重复性误差小；

（2）能适应各种发油工艺，包括流速不稳定的单支和多支管路；

（3）防止喷溅式进油；

（4）启闭工作可靠、无泄漏，便于维护；

（5）低电压，低功耗，控制较简单。

3.3.2电液阀选择

从控制的角度上理解，气动阀，电动阀、电磁阀、多段电液阀等可遥控阀门都可以作为发油控制阀。但为了保证系统的可靠性，提高发油精度，从性价比综合考虑，我们选择了数字式多功能电液阀。

数字式多功能电液阀特别适用于石油化工行业，以实现对输送介质的流量、流速的自动控制。其主要的性能特点为:多段开闭，消除水击及静电；可控调节，实现恒流；无填料密封，密封可靠；利用介质压力，压力损失小；独立的开阀、关阀速度控制；控制回路简单，维修方便；可水平、垂直安装，适用范围广；电磁阀控制触点电压可选直流24V或交流220V/50Hz。

3.3.3多功能电液阀工作原理

数字式多功能电液阀由主阀、一个常开电磁阀、一个常闭电磁阀组成。常开电磁阀在控制回路逆流部位，常闭电磁阀在控制回路顺流部位，如图3-4所示。在两只电磁阀的激励下，高的逆流压力被堵塞，阀套中的介质流向低的顺流压力处，模片两端产生压差，主阀被打开。反之，在消除掉两只电磁阀的激励的情况下，允许高的逆流压力去关闭主阀门。在流动过程中常开电磁线圈通电同时常闭电磁线圈断电以后，压力截聚在阀套中，从而使得阀门锁定在打开位置，保持一个恒定的流量。当工作条件变化而引起流量变化时，控制器给相应的电磁线圈通电，就能重新调到设定的流量值。

图3-4 多功能数字电液阀结构图

Fig.3-4 Structure diagram of multifunction digital electro-hydraulic valve

3.4流量计的选择及功能实现

3.4.1流量计的选择

目前，石化行业广泛使用的流量计主要有两种。一是体积式流量计另一种是质量流量计。体积式流量计分为：容积式流量、差压式流量计、速度流量计。质量流量计分为：推导式质量流量计和直接式质量流量计。

LTC系列椭圆齿轮流量计是用于管道中液体流量进行连续测量的高精度容积流量。其优点是:测量精确度较高，可达到的相对误差为士0.1～士0.5％，从理论上讲，不受流体种类、粘度、密度以及前后直管段长度的影响；范围度较大，精确度0.5级时可达1：10,容易获得准确的累积量，适合作为物料计量仪表。本控制系统中我们选用LTC系列椭圆齿轮流量计。

3.4.2 LTC系列椭圆齿轮流量计的基本组成

LTC系列椭圆齿轮流量计结构如图3-5所示。本体部——流量计的计量部分,由转子和壳体及盖板组成。磁性密封联轴器——流量计本体与调速器的密封联接部分,有磁性密封联轴器和机械密封联轴器两种,常用磁性密封联轴器。调速器——流量计转子转数输出的减速齿轮机构。计数器——记录流经流量计的流体累积体积流量的读数器。发信器——将被测介质的流量信号转换为电脉冲信号的机构,输出的脉冲信号为电压脉冲信号或电流脉冲信号。

图3-5 LTC 系列椭圆齿轮流量计结构图

Fig. 3-5 Structrue diagram of LTC ellipse- flowmeter

3.4.3 LTC系列椭圆齿轮流量计工作原理

椭圆齿轮流量计是最典型的容积式流量计，其工作原理见图3-6。安装在壳体计量腔内的一对相互啮合椭圆齿轮,在被测介质的作用下,靠进出口压力差的作用相互交替驱动,各自绕自己的轴旋转,从而不停地将进口处的液体经月牙形腔体送到出口。椭圆齿轮转一圈流量计排出四倍月牙形腔体的液体,流经流量计的流量与椭圆齿轮的转数成正比,通过计数转换机构,直接在计量器上读出流经流量计的累积体积量。在计数机构中还可以安装脉冲发信器，齿轮的转速通过变速机构直接驱动机械计数器，通过电磁转换装置转换成相应的脉冲信号。当油品流过流量计时，流量计便发出一定的脉冲，控制器对脉冲进行通过运算处理，得到流量值。

图3-6 LTC 系列椭圆齿轮流量计工作原理图

Fig.3-6 Schematic diagram of ellipse flowmeter

3.5 系统硬件的连接

控制系统由S7-200PLC及EM231（A/D）模块、数字式多功能电液阀、流量计、温度变送器、静电接地仪、溢油保护等组成。系统结构见图4-1。

图 4-1 系统结构图

Fig.4-1 System struactal diagram