【摘 要】 介紹了利用PLC + IPC 實現原油自動計量的工作原理和過程,闡述了系統實現的硬件組成、軟件流程,最后著重介紹了PLC + IPC 在計量中應用的技術特點及其應用效果。此項目已在魯寧長輸管線的數處計量站應用成功,在測量精度、系統穩定性、工作效率、可靠性及可操作性等方面,取得了良好的標定效果。
關鍵詞: IPC , PLC , 原油計量
【Abstract】 In this paper , the operation principle and process of automatic measuring for base oil by
using PLC & IPC are int roduced. The hardware constitution and software flow chart of the system are
presented , and the technique characteristic and the application effect of the PLC & IPC in this system are
int roduced emphatically at last .
Keywords :PLC , IPC , measuring for base oil
1 引 言
在石油行業的原油管道輸送過程中,各企業之間需要進行原油交接,因此流量計使用比較廣泛。而計量精度則是一個關鍵參數,它關系到企業的經濟效益和信譽。近年來,隨著工業控制技術的飛速發展,可編程控制器(PLC) 廣泛進入工業控制領域,并增加了一些專用控制功能,例如PID 調節功能、伺服功能、高速計數(HSC) 功能等,又具有較高的可靠性,使得利用PLC實現原油自動計量就成為可能。為此,我們利用工業計算機( IPC) 和PLC 構成新型的集散式原油自動計量系統。此系統可通過以太網將數據遠傳至控制中心。
此項目已在魯寧長輸管線的數處計量站應用成功,在測量精度、系統穩定性、工作效率、可靠性及可操作性等方面,取得了良好的標定效果。
2 系統工作原理與硬件配置
2. 1 控制系統工作原理
系統結構如圖1 所示。運用管道輸油時,通過現場控制室PLC 打開/ 關閉相應的電動閥,進行流程切換,使相應的流量計投入運行。由流量計發信器將脈
沖傳遞到PLC ,PLC 利用高速計數模塊采集流量計發出的脈沖數,并將其轉換為標準狀態下的容積值。同時,PLC 將實時采集流體的壓力和溫度(分別由壓力變送器和溫度變送器提供) ,所有數據通過以太網送入上位IPC , IPC 結合流體實時壓力、溫度值調用原油計量表數據庫,將測得的累積量值轉換為標準狀態下(20℃,101 325 Pa) 的累積量值,并將數據存儲在IPC 的硬盤上。而且, IPC 可以驅動打印機打印出計量報告。
2. 2 控制系統的軟、硬件配置
控制系統主要由一次設備、二次設備以及控制體和軟件構成。一次設備主要包括壓力表、溫度計、流量計等;二次設備主要包括溫度變送器、壓力變送器、脈沖發信器、電動閥等;控制體主要包括PLC、IPC(配置網卡) 、打印機、集線器及應用軟件等,參見圖1 。
2. 2. 1 硬件部分
(1) IPC:為保證系統的高度可靠性,選用了目前國內應用較多的Dell GX260 型計算機。具體配置為:P Ⅲ1. 7 GHz CPU、256 MB 內存、40 GB 硬盤、SON Y21 英寸純平顯示器、64 MB 顯卡、聲卡及音箱(報警和提示用) 等。
(2) PLC:選用美國Rockwell 公司的A2B PLC 作為系統的控制核心,其特點是可靠性高、功能強、可擴展性好。具體配置如下:CPU 為17472L551B (內置以太網通信口) ;模擬量輸入(AI) 模塊選用17462NI4 ,它具有4 個高電平模擬輸入端,可輸入4 mA～20 mA 等標準信號,12 位A/ D 轉換精度,具有輸入超調監控功能和測量濾波抗干擾功能; 模擬量輸出(AO) 模塊選用17462NO4 I ,它有4 個模擬輸出端,無需外部電源,可輸出各種標準信號,包括0 mA～20 mA、4 mA～20mA、±10 V 等信號;開關量輸入(DI) 模塊選用17462I
×16 ,它具有單端隔離的16 路24 V DC 輸入,所有的輸入均配有濾波器,能夠保證最大0. 1 ms 的抗擾性,濾除線電源干擾;開關量輸出(DO) 模塊選用17462O×16 ,它具有8 路繼電器輸出,內部提供過載和短路保護,并具有通道故障自診斷功能;HSC 模塊選用17462HSCE ,可計數最大頻率為40 kHz 的脈沖,實現向上計數、向下計數或向上/ 向下計數。
(3) 網絡功能:根據設計中現場數據遠程實時監視的要求,在每臺IPC 中各配置了1 塊網卡, PLC 與IPC 之間、IPC 與IPC 之間采用抗干擾能力較強的五
類屏蔽雙絞線建立以太網。考慮到現場計量間距離調度室較遠,在線路中間加入了3COM 公司的8 通道高速集線器,以保證數據可靠傳輸。(4) 流量儀表:采用日本OVAL 公司的UF2 Ⅱ型轉子流量計,它具有精度高、流量范圍寬、重復性好等優點。流量計現場部分配有不歸零計數器和調整器,流量轉換和變送部分為OVAL 公司的PG30EP 型脈沖發信器。
(5) 溫度壓力儀表:溫度變送器及壓力變送器均能夠提供4 mA～20 mA 的標準信號。
(6) 電動閥:可通過直流24 V 的開關量輸出,控制電動閥的全開或全關,同時,電動閥提供無源的位置信號輸出和狀態信號輸出。
2. 2. 2 軟件部分
系統的軟件主要包括平臺軟件、PLC 編程軟件和IPC 組態軟件。
(1) 系統平臺軟件:采用Windows 2000 作為系統平臺,設置了系統密碼和操作員指令,屏蔽了軟件的某些功能,以限制系統的操作,防止非法用戶進入系統。
(2) PLC 編程軟件:采用A2B 公司的Rslogix 500 ,它是一個基于Windows 環境的編程軟件套件,專供A2B 500 系列PLC 使用,支持梯形圖(LD) 、指令語句表( IL) 、順序功能圖(SFC) 等多種語言模式,具有在線編程、診斷和在線仿真調試等功能,可支持以太網以及DF1 Full Duplex、DH485 、DF1 Half Duplex Marster/Slave 等通信協議或通信總線。
(3) IPC 組態軟件:選用澳大利亞西亞特公司著名的工控軟件Citect 5. 0 ,該軟件可運行于WindowsNT/ 2000 平臺,具有采樣速度快、實時性強、可靠性高等特點,組態方便,報警方式多樣,實時、歷史趨勢曲線制作簡單,能夠與其它應用軟件例如VB、VC、VF 、Excel 等實現無縫鏈接,靈活、方便地實現數據調用和報表打印。
3 控制系統的數據流向及軟件流程
3. 1 數據流向
【摘 要】 介紹了利用PLC + IPC 實現原油自動計量的工作原理和過程,闡述了系統實現的硬件組成、軟件流程,最后著重介紹了PLC + IPC 在計量中應用的技術特點及其應用效果。此項目已在魯寧長輸管線的數處計量站應用成功,在測量精度、系統穩定性、工作效率、可靠性及可操作性等方面,取得了良好的標定效果。
關鍵詞: IPC , PLC , 原油計量
【Abstract】 In this paper , the operation principle and process of automatic measuring for base oil by
using PLC & IPC are int roduced. The hardware constitution and software flow chart of the system are
presented , and the technique characteristic and the application effect of the PLC & IPC in this system are
int roduced emphatically at last .
Keywords :PLC , IPC , measuring for base oil
1 引 言
在石油行業的原油管道輸送過程中,各企業之間需要進行原油交接,因此流量計使用比較廣泛。而計量精度則是一個關鍵參數,它關系到企業的經濟效益和信譽。近年來,隨著工業控制技術的飛速發展,可編程控制器(PLC) 廣泛進入工業控制領域,并增加了一些專用控制功能,例如PID 調節功能、伺服功能、高速計數(HSC) 功能等,又具有較高的可靠性,使得利用PLC實現原油自動計量就成為可能。為此,我們利用工業計算機( IPC) 和PLC 構成新型的集散式原油自動計量系統。此系統可通過以太網將數據遠傳至控制中心。
此項目已在魯寧長輸管線的數處計量站應用成功,在測量精度、系統穩定性、工作效率、可靠性及可操作性等方面,取得了良好的標定效果。
2 系統工作原理與硬件配置
2. 1 控制系統工作原理
系統結構如圖1 所示。運用管道輸油時,通過現場控制室PLC 打開/ 關閉相應的電動閥,進行流程切換,使相應的流量計投入運行。由流量計發信器將脈
沖傳遞到PLC ,PLC 利用高速計數模塊采集流量計發出的脈沖數,并將其轉換為標準狀態下的容積值。同時,PLC 將實時采集流體的壓力和溫度(分別由壓力變送器和溫度變送器提供) ,所有數據通過以太網送入上位IPC , IPC 結合流體實時壓力、溫度值調用原油計量表數據庫,將測得的累積量值轉換為標準狀態下(20℃,101 325 Pa) 的累積量值,并將數據存儲在IPC 的硬盤上。而且, IPC 可以驅動打印機打印出計量報告。
2. 2 控制系統的軟、硬件配置
控制系統主要由一次設備、二次設備以及控制體和軟件構成。一次設備主要包括壓力表、溫度計、流量計等;二次設備主要包括溫度變送器、壓力變送器、脈沖發信器、電動閥等;控制體主要包括PLC、IPC(配置網卡) 、打印機、集線器及應用軟件等,參見圖1 。
2. 2. 1 硬件部分
(1) IPC:為保證系統的高度可靠性,選用了目前國內應用較多的Dell GX260 型計算機。具體配置為:P Ⅲ1. 7 GHz CPU、256 MB 內存、40 GB 硬盤、SON Y21 英寸純平顯示器、64 MB 顯卡、聲卡及音箱(報警和提示用) 等。
(2) PLC:選用美國Rockwell 公司的A2B PLC 作為系統的控制核心,其特點是可靠性高、功能強、可擴展性好。具體配置如下:CPU 為17472L551B (內置以太網通信口) ;模擬量輸入(AI) 模塊選用17462NI4 ,它具有4 個高電平模擬輸入端,可輸入4 mA～20 mA 等標準信號,12 位A/ D 轉換精度,具有輸入超調監控功能和測量濾波抗干擾功能; 模擬量輸出(AO) 模塊選用17462NO4 I ,它有4 個模擬輸出端,無需外部電源,可輸出各種標準信號,包括0 mA～20 mA、4 mA～20mA、±10 V 等信號;開關量輸入(DI) 模塊選用17462I
×16 ,它具有單端隔離的16 路24 V DC 輸入,所有的輸入均配有濾波器,能夠保證最大0. 1 ms 的抗擾性,濾除線電源干擾;開關量輸出(DO) 模塊選用17462O×16 ,它具有8 路繼電器輸出,內部提供過載和短路保護,并具有通道故障自診斷功能;HSC 模塊選用17462HSCE ,可計數最大頻率為40 kHz 的脈沖,實現向上計數、向下計數或向上/ 向下計數。
(3) 網絡功能:根據設計中現場數據遠程實時監視的要求,在每臺IPC 中各配置了1 塊網卡, PLC 與IPC 之間、IPC 與IPC 之間采用抗干擾能力較強的五
類屏蔽雙絞線建立以太網。考慮到現場計量間距離調度室較遠,在線路中間加入了3COM 公司的8 通道高速集線器,以保證數據可靠傳輸。(4) 流量儀表:采用日本OVAL 公司的UF2 Ⅱ型轉子流量計,它具有精度高、流量范圍寬、重復性好等優點。流量計現場部分配有不歸零計數器和調整器,流量轉換和變送部分為OVAL 公司的PG30EP 型脈沖發信器。
(5) 溫度壓力儀表:溫度變送器及壓力變送器均能夠提供4 mA～20 mA 的標準信號。
(6) 電動閥:可通過直流24 V 的開關量輸出,控制電動閥的全開或全關,同時,電動閥提供無源的位置信號輸出和狀態信號輸出。
2. 2. 2 軟件部分
系統的軟件主要包括平臺軟件、PLC 編程軟件和IPC 組態軟件。
(1) 系統平臺軟件:采用Windows 2000 作為系統平臺,設置了系統密碼和操作員指令,屏蔽了軟件的某些功能,以限制系統的操作,防止非法用戶進入系統。
(2) PLC 編程軟件:采用A2B 公司的Rslogix 500 ,它是一個基于Windows 環境的編程軟件套件,專供A2B 500 系列PLC 使用,支持梯形圖(LD) 、指令語句表( IL) 、順序功能圖(SFC) 等多種語言模式,具有在線編程、診斷和在線仿真調試等功能,可支持以太網以及DF1 Full Duplex、DH485 、DF1 Half Duplex Marster/Slave 等通信協議或通信總線。
(3) IPC 組態軟件:選用澳大利亞西亞特公司著名的工控軟件Citect 5. 0 ,該軟件可運行于WindowsNT/ 2000 平臺,具有采樣速度快、實時性強、可靠性高等特點,組態方便,報警方式多樣,實時、歷史趨勢曲線制作簡單,能夠與其它應用軟件例如VB、VC、VF 、Excel 等實現無縫鏈接,靈活、方便地實現數據調用和報表打印。
3 控制系統的數據流向及軟件流程
3. 1 數據流向
(1) PLC 通過模擬量輸入模塊讀取現場溫度和壓力數據(標準4 mA～20 mA 信號) ,按儀表量程的不同,經程序運算轉換為標準的工程量單位;通過高速計數模塊讀取流量計的脈沖信號,由主程序調用計量子程序,按照脈沖流量比計算出流量的瞬時值和累積值;通過控制開關量輸入/ 輸出模塊電動閥的開關,來自動切換流程。
(2) IPC 利用通信模塊從PLC 中讀取數據,將其
記錄到本機的歷史數據庫中,應用程序讀取并顯示現場數據及流量的瞬時值和累積值;同時, PLC 也通過通信模塊讀取和執行IPC 的操作指令。
(3) PLC 將采集和計算得到的被檢流量計各項參數傳輸到IPC , IPC 結合流體實時壓力、溫度值,調用原油計量表數據庫,將測得的累積量值轉換為標準狀態下的累積量值,由IPC 調用Excel 報表系統進行記錄,驅動打印機自動打印出計量報表。
3. 2 軟件流程
軟件流程如圖2 所示。
根據以上推導結果畫出邏輯圖如圖4 所示
綜上所述,在實現優先編碼器的功能擴展時(以T4148 為例) ,設計方法可歸納為:最高位片的使能輸入端作為總的使能輸入端,最低位片的使能輸出端作
為總的使能輸出端,相鄰兩片之間,高位片的使能輸出端接入低位片的使能輸入端,總的擴展端Y EX為各片的擴展端邏輯“與”,總的代碼輸出中,低3 位( Z2 , Z1 ,Z0 ) 為各片輸出Y 2 、Y 1 、Y 0邏輯“與”,高位輸出端必須利用擴展端Y EX來實現。當用4 片T4148 組成32線- 5 線優先編碼器時,可按表4 所示,列出擴展端與高位代碼輸出的真值表。
4 結束語
雖然本文討論的是優先編碼器的擴展設計方法,但是對于其它邏輯功能部件的擴展,也可依照同樣的思路進行。
(1) PLC 通過模擬量輸入模塊讀取現場溫度和壓力數據(標準4 mA～20 mA 信號) ,按儀表量程的不同,經程序運算轉換為標準的工程量單位;通過高速計數模塊讀取流量計的脈沖信號,由主程序調用計量子程序,按照脈沖流量比計算出流量的瞬時值和累積值;通過控制開關量輸入/ 輸出模塊電動閥的開關,來自動切換流程。
(2) IPC 利用通信模塊從PLC 中讀取數據,將其
記錄到本機的歷史數據庫中,應用程序讀取并顯示現場數據及流量的瞬時值和累積值;同時, PLC 也通過通信模塊讀取和執行IPC 的操作指令。
(3) PLC 將采集和計算得到的被檢流量計各項參數傳輸到IPC , IPC 結合流體實時壓力、溫度值,調用原油計量表數據庫,將測得的累積量值轉換為標準狀態下的累積量值,由IPC 調用Excel 報表系統進行記錄,驅動打印機自動打印出計量報表。
3. 2 軟件流程
軟件流程如圖2 所示。