基于MCGS的洗油空穴反應(yīng)實驗裝置計算機控制系統(tǒng)設(shè)計

李 彪 孟永彪

(新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，烏魯木齊 830046)

洗油空穴反應(yīng)成套裝置是在逐步消化吸收俄羅斯“空穴反應(yīng)”技術(shù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新而成的，以煤焦油-洗油為原料制取甲基環(huán)戊烷、萘及苊等輕質(zhì)芳香烴類高附加值化學(xué)品[1]，該實驗裝置已應(yīng)用在新疆大學(xué)石油天然氣精細化工教育部和自治區(qū)重點實驗室[2]。結(jié)合工藝條件，首先完成關(guān)鍵部件(空穴反應(yīng)器)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造，再逐步配套研制其他機械裝置。經(jīng)過反復(fù)實驗、優(yōu)化和改進后，實驗效果超出俄方原系統(tǒng)功用和效率，但整個實驗裝置扔存在不足，控制系統(tǒng)是以手工控制為主。為此，筆者設(shè)計了一套基于MCGS的自動控制方案，通過對洗油空穴反應(yīng)實驗裝置進行遠程監(jiān)控，實時反映信息，對實驗反應(yīng)過程進行在線控制，有效提高了整個實驗裝置的效率，也改善了煤焦油-洗油的綜合利用質(zhì)量。

首先需要制定控制系統(tǒng)設(shè)計方案，確定最優(yōu)的可行方案，然后在此基礎(chǔ)上才能確定系統(tǒng)所需的各種硬件設(shè)施和軟件組成。計算機控制系統(tǒng)設(shè)計必須要滿足以下基本原則：

a. 計算機控制系統(tǒng)能夠方便、直觀和有效地完成數(shù)據(jù)的采集和處理；

b. 系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)處理結(jié)果實時顯示于組態(tài)演示界面，方便在線監(jiān)控，還要能存儲在數(shù)據(jù)庫，以便隨時調(diào)用實時和歷史數(shù)據(jù)進行后續(xù)研究；

c. 確保系統(tǒng)具有很好的安全性、穩(wěn)定性和可靠性；

d. 在確保系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量減少經(jīng)濟成本，提高經(jīng)濟效益；

e. 系統(tǒng)還要滿足相關(guān)的操作規(guī)程和維修方面的設(shè)計準(zhǔn)則。

筆者基于MCGS對洗油空穴反應(yīng)實驗裝置遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行硬件和軟件設(shè)計。該自動控制系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，上位機采用MCGS通用版組態(tài)軟件，對反應(yīng)現(xiàn)場進行實時監(jiān)控；下位機則以AI-808調(diào)節(jié)器為核心[3]，應(yīng)用溫度、壓力和流量傳感器進行數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，變送器采集和傳遞信號，并與上位機通過RS-232/485通信方式進行信息交互，構(gòu)成整個過程計算機自動控制系統(tǒng)。

2 硬件和軟件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

該自動控制系統(tǒng)采用一臺 PC 機作為上位機，通過AI-808調(diào)節(jié)器將上位機與各傳感器、變送器、泵及電動調(diào)節(jié)閥等機構(gòu)聯(lián)系起來(圖1)，實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的輸入、輸出通信，完成數(shù)據(jù)自動采集和處理，實現(xiàn)對反應(yīng)過程的自動控制。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

由上位機的監(jiān)控軟件和AI-808調(diào)節(jié)器配合來完成各種信號的監(jiān)測和控制。上位機采用組態(tài)軟件MCGS通用版監(jiān)控軟件，配合下位機AI-808調(diào)節(jié)器的控制工作。下位機AI-808調(diào)節(jié)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、顯示和輸出，并與上位機進行通信，將采集的數(shù)據(jù)傳送給上位機；上位機接收下位機AI-808調(diào)節(jié)器傳來的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行顯示(實時/歷史曲線顯示)，達到對反應(yīng)現(xiàn)場進行遠程監(jiān)控的要求。

2.2 軟件設(shè)計

上位機軟件主要由操作系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。計算機技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展成熟，在眾多操作系統(tǒng)軟件中，筆者選擇Windows 7操作系統(tǒng)。MCGS 組態(tài)軟件是一套基于 Windows平臺、用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的全中文組態(tài)軟件系統(tǒng)，方便實用，它包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分。MCGS組態(tài)軟件擁有網(wǎng)絡(luò)版、通用版和嵌入版3個版本。在本自動控制系統(tǒng)設(shè)計中，筆者選擇全中文工控組態(tài)軟件MCGS通用版作為軟件開發(fā)平臺(圖2)。

圖2 MCGS組態(tài)軟件通用版結(jié)構(gòu)框圖

該自動控制系統(tǒng)應(yīng)用MCGS通用版的組態(tài)環(huán)境設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)主界面，包括實時數(shù)據(jù)顯示、實時曲線顯示、通信狀態(tài)設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄及報表等內(nèi)容，并可以通過設(shè)置PID 參數(shù)對溫度、壓力及流量等參數(shù)進行PID控制[4]。對整個工藝流程進行動畫顯示，可以直觀地看出各參數(shù)的變化趨勢；為了形象地表示各參數(shù)實時值，采用曲線來顯示參數(shù)的變化；可以在線顯示故障報警畫面、查詢歷史報警，還可以設(shè)置報警的極限值；可以進行實時曲線監(jiān)測和歷史曲線查詢；可生成系統(tǒng)歷史/實時報表(包括日報表和月報表)，可對歷史/實時數(shù)據(jù)庫進行方便、有效的管理。

3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

該自動控制系統(tǒng)采用了AI-808型全通用人工智能調(diào)節(jié)儀表，AI-808型儀表為PID控制型，輸出4～20mA的電流信號。AI-808調(diào)節(jié)器通過RS-485串口通信方式與上位計算機進行通信，計算機采用PC機運行工控組態(tài)軟件，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)及用戶給定值等要求對數(shù)據(jù)進行及時顯示、計算、處理、保存和管理，根據(jù)相應(yīng)的控制算法計算出各被控對象的輸出量，并通過RS-485總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸I-808調(diào)節(jié)器。在AI-808調(diào)節(jié)器中經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出4～20mA電流信號給電動調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構(gòu)對被控對象進行調(diào)節(jié)，達到目標(biāo)要求，從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸程序流程如圖3所示。洗油空穴反應(yīng)實驗裝置控制系統(tǒng)人機界面如圖4所示。

圖3 主程序流程

圖4 人機界面

4 結(jié)束語

MCGS通用版組態(tài)軟件具有不錯的人機界面，可以進行流程動畫顯示和各參數(shù)變化在線監(jiān)控，能夠?qū)?shù)據(jù)處理結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)庫，同時還可將數(shù)據(jù)處理結(jié)果以報表形式生成；而AI-808調(diào)節(jié)器控制功能簡單，操作性強，實時性好。基于以上優(yōu)勢，筆者設(shè)計了基于MCGS和AI-808調(diào)節(jié)器的洗油空穴反應(yīng)實驗裝置實時數(shù)據(jù)采集和處理控制系統(tǒng)，在傳感器和變送器接受外界信號的同時，對信號進行采集、轉(zhuǎn)換、顯示和輸出，實時地反映參數(shù)變化和各被控對象的特性。此自動控制系統(tǒng)的設(shè)計打破了原有的手工控制模式，在整個實驗裝置控制、操作和管理方面變得更加方便、有效。通過對洗油空穴反應(yīng)實驗裝置控制系統(tǒng)進行設(shè)計，使筆者對洗油空穴反應(yīng)實驗裝置在遠程監(jiān)控及其應(yīng)用方面有了更深認(rèn)識，同時積累了相關(guān)經(jīng)驗，為后續(xù)進一步的研究工作提供了很好的理論和實踐基礎(chǔ)。

[1] 辛少琳. 洗油空穴反應(yīng)制取芳香烴化學(xué)品研究[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)，2013.

[2] 馬鳳云，辛少琳.增加洗油中萘及其衍生物含量的裝置及其制備方法[P].中國：CN 102876360，2013-01-16.

[3] 梁莉，葛斌.基于AI調(diào)節(jié)器的過程計算機控制系統(tǒng)[J].微計算機信息，2006，22(17)：292～294.

[4] 丁濤，王芳. 基于MCGS的AI智能調(diào)節(jié)儀液位控制研究及實現(xiàn)[J].輕工機械，2011，29(2)：68～75.