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前言

    总厂液化气罐区原有监测仪表为大连自动化仪表五厂的钢带液位计，这种表传动部件较多，容易发生故障，检测进度低，早在三年前就已经处于全面瘫痪状态，废弃不用，工艺操作工只能一趟趟跑现场观察玻璃板指示，玻璃板液位计由于安装在现场，风吹日晒雨林，工作环境差，寿命比较短暂，且液面不宜看清，给工艺人员操作带来极大不便，也存在安全方面的隐患，加上2002年我厂气聚装置的投产，需液化气罐区付原料，所以液化气罐区仪表改造刻不容缓。

一、 系统概述

    液化气灌区原安装的钢带液位计及监控系统已不符合储运专业工艺技术和安全的要求，因此进行仪表自控改造。液化气球罐设远传液位计采用E+H伺服液位计，信号远传至控制室计算机显示，就地液位计采用磁浮子，同时采用隔爆型液体音叉限位开关对球罐进行高低液位硬报警，报警信号远传至控制室的PLC系统进行连锁控制。每个罐底部设有启动紧急切断球阀，与球罐的高低液位报警联动，由控制室的PLC系统进行控制，实现自动紧急切断，同时阀门的回讯进PLC系统,并在计算机内显示。球罐底部设手动紧急切断阀，罐口排污阀和常用操作阀的状态回讯，信号通过MPI协议接口进计算机显示，球罐顶部压力信号通过研华模拟输入卡进计算机显示。罐底可燃气体报警监测系统，检测信号进控制室的可燃气体报警系统二次表显示报警。

二、系统构成

    液化气罐区监控系统中，现场仪表测量参数液位、压力、温度PLC采用西门子S7-300，监控软件采用WinCC(Windows Control Center)工业控制软件。其系统构成图如下：

三、 系统工作原理及实现

    a) 伺服液位计的工作原理和测量方法

    Proservo  NMS530储罐液位计的测量是基于浮力平衡的原理，微伺服电机驱动体积较小的浮子，使其精确地测出液体液位。测量浮子通过测量钢丝被悬挂在仪表外壳内，而测量钢丝缠绕在精密加工过的轮鼓上。由磁偶力矩驱动轮鼓，轮鼓与电气部分被仪表外壳完全隔离。外磁铁被固定在线轮鼓内，并与固定在驱动电机上的内磁铁耦合在一起。当内磁铁旋转，通过磁偶力矩的作用，引起外磁铁旋转，从而使轮鼓整体转动。浮子作用于细钢丝上的重力在外磁铁上产生力矩，从而引起磁通量的变化。轮鼓组件间的磁通量变化通过内磁铁上的电磁传感器进行控制。驱动电机驱动轮鼓，使得磁通量变化引起的电压与操作命令给出的参考电压相等。当浮子低于液体表面或接触液面时，由于受浮力的作用，浮子的重量减小，其结果是磁偶力矩被改变，改变量由五对带有温度补偿的霍尔检测元件检测出该信号－浮子位置指令－被送入电机控制电路。当液位上升或下降，浮子的位置由驱动电机进行调节，通过测量钢丝轮鼓的旋转可精确地计算出液位值。

    b) S7-300 PLC的配置性能

    德国西门子S7-300PLC可编程控制器作为下位机来实现所有信号的采集、运算、调节。其特点：模块化，无排风结构，易于实现分布，运行可靠。性价比高。总体配置如下：

    i. 中央处理模块（CPU）： 选用CPU312，内存RAM可扩展到64K；
    ii. 数字量输入模块（DI）: 选用SM321共2块处理32点发们回讯输入信号；
    iii. 数字量输入模块（DO）: 选用SM322,1块处理8点切断球阀输出信号；
    iv. 模拟量输入模块（AI）: 选用SM331,共2块，处理16点输入信号。

    模拟输入具有两线制变送器供电功能，所有I/O信号均有本安卡件供选择，所有模块均有完善的自诊断功能，传感器断线监测功能，在线插拔功能，保证了系统安全、长时间运行，提高了系统的可用性和可维护性。

    c) 系统软件

    控制系统在WIN NT4.0环境下运行，组态软件为STEP V 5.0及WinCC。WinCC是一个开放的SCADA软件，它被用来在生产和过程自动化中进行图形显示和完成控制任务。WinCC提供了图形显示、信息处理、存档和报表生成等功能模块。WinCC的控制采用的是图形界面，其主要有以下几部分组成：

    1、 计算机：所有的工作站和服务器的属性设置和工程分配。

    2、 标签管理：在WINCC中，用于和各种内部设备及外部设备交换数据信息的变量称为标签变量式标签。存储在PLC内存单元中的标签称外部标签。存储在WINCC内部的标签称为内部标签。所有的通道，逻辑连接、过程、内外部标签和标签组的管理都在这里进行。通过标签管理器，WINCC的各个功能块才能联系起来成为一个功能强大的整体。

    3、 数据类型：WINCC内部预先放置了上些常用的基本数据类型，如位型、字符型、整型、浮点型和原始数据型。

    4、 编辑器：WINCC提供了许多编辑器来完成强大的功能，如图形设计器，全面脚本编辑器、报警记录、标签存档编辑器、报表设计器、用户管理站和文本图书馆。这些模块都是WINCC系统基本组成部分。WINCC驱动程序与下位机S7－300PLC进行数据通讯，包括数据采集和发送数据指令，下位S7－300PLC则通过CP5611卡与上位计算机进行数据交换，传播速率187.5Kbps，每一个驱动程序都是一个COM对象，这种方式使通讯程序和软件构成一个完整的系统，保证了系统高效率地运行。

    S7－300PLC软件STEP下启动SIMATIC管理器，（中央窗口）自动生成一个项目。项目结构用来以一定的顺序保存和排列所有数据和程序。在项目中，包括SIMAIC站和CPU组态和硬件的参数数据。S7程序包括了所有的块，块中有控制机器所需的程序，STEP　7可以S7－300PLC的硬件配置如CPU类型，并输入/输出卡件类型数目等。在STEP7中可以用标准语言梯形逻辑（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD）生成S7程序。SIMATIC管理器完所有的硬件和S7程序后，按照一定步骤，下载程序到S7－300PLC，并监视其硬件。在STEP7中，CPU循环处理S7程序。CPU一行一行地送入并执行程序命令，当CPU返回到第一条程序时，它已完成一个循环，所需的时间即扫描循环时间。

    d) S7－300、PCL813与WINCC之间的信号通讯

    根据油气专业工艺技术要求每个液化气罐区的监控系统必须能同时监视液位、压力、温度。紧急情况下能够切断进罐流程及阀的回讯显示。S7－300PLC模拟量输入模块接收现场来的液位信号，数字量输出模块现场切断阀输出开/关信号，数字量输入模块现场来的液位音叉开关报警输出和阀位回讯信号，所有采集来的信号经进CPU312转换运算处理，通过CP5611卡与STEP7软件进行通讯。在SIMATIC管理器中，定义了液位变量（浮点数变量），阀位回讯，液位高低限报警输出，切断阀输出（二进制变量）。压力信号通过调理卡IPC32把来自现场4－20mA转换成PCL813能接受的1－5V信号。利用VB的通信控件（MSComm）时间定时器控件（TIME）和PCL813卡的驱动程序实现与PCL813之间的通讯。在SIMATIC管理器中建立WIMDOW　DDE变量（Pt101－Pt108），它们是浮点数64位变量。WINCC中的图形编辑器，组态罐区流程图总貌，并与建立的变量作相应的动态连接。程序调试完成，激活此项目，应用程序正常运行，流程图总貌窗口出现。

四、应用情况

    改造前原液化气灌区监控系统，工艺操作人员看不到实际液位，每隔一定时间必须到现场观看玻璃板实际液位，给液化气交接工作带来麻烦，大大加强工人的劳动强度，给安全生产带来一定的隐患。改造后，工艺操作人员坐在值班室计算机前，可以看到每个液化气罐的实际液位，在紧急情况下，通过手动切断现场进料阀，保证液化气罐区的安全生产，大大方便液化气罐的交接工作，大大降低工人的劳动强度。