基于PLC 技術(shù)的自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)研究

曹 碩 許 巍 劉向銘

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300451）

目前，工業(yè)生產(chǎn)精度要求不斷提升，對生產(chǎn)工藝中各項參數(shù)，如液位、溫度、流量等提出了較高要求，相關(guān)技術(shù)人員力圖通過精細化控制工藝參數(shù)來提升工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量。在工業(yè)生產(chǎn)中，液位屬于關(guān)鍵性參數(shù)，能夠直接影響生產(chǎn)品質(zhì)及工藝安全性。為精準控制液位參數(shù)，需要應用自動化液位儀表。自動化液位儀表集成程度高，結(jié)構(gòu)相對復雜，雖然能夠良好地完成液位測量、控制與顯示等功能，但是不易檢修維護。為解決該問題，可借助可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術(shù)構(gòu)建自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)。

1 自動化液位儀表工作原理

現(xiàn)階段，常用的自動化液位儀表主要有吹氣式自動化液位儀表、電容式自動化液位儀表、超聲波自動化液位儀表、磁翻板自動化液位儀表以及浮球自動化液位儀表。其中，磁翻板自動化液位儀表和浮球自動化液位儀表的測量精度較低，超聲波自動化液位儀表和電容式自動化液位儀表的應用要求較高，而吹氣式自動化液位儀表無明顯缺點，應用范圍最廣泛，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的發(fā)展前景。

自動化液位儀表等重要裝置應用期間，在敞口容器位置設(shè)置吹氣管，以惰性氣體（如氮氣）、空氣作為氣源進入儀表結(jié)構(gòu)，經(jīng)PGT 過濾器處理后，借助減壓器進行減壓，使供氣壓力能夠處于恒定狀態(tài)，而該恒定壓力由被測量的液位高度確定。潔凈氣源通過流量計及管路進入被測液體，流量計可顯示吹氣流量，處于恒定流量狀態(tài)下的氣體由吹氣管下方排出，此時吹氣管下端會出現(xiàn)氣泡。氣泡排出時，吹氣管內(nèi)氣壓與液位靜壓一致，因此可根據(jù)該壓力值關(guān)系確定液位高度。從實踐應用角度來看，該自動化液位儀表在高黏度介質(zhì)、含固體介質(zhì)以及放射線介質(zhì)的液位測量中發(fā)揮著重要作用[1]。

2 自動化液位儀表應用期間常見的故障問題

第一，傳感器故障。傳感器作為自動化液位儀表的核心部件，一旦發(fā)生故障就會導致儀表顯示不準確，甚至無法顯示數(shù)據(jù)。第二，電源故障。液位儀表的運行需要電力支持，一旦電源出現(xiàn)故障會導致設(shè)備無法正常工作或者無法開機。第三，信號線故障。自動化液位儀表的信號線故障表現(xiàn)為系統(tǒng)通信不穩(wěn)定或者無法正常工作等。第四，機械設(shè)備故障。常見故障包括機械零部件損壞、堵塞等。

3 以PLC 技術(shù)為支撐的自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1 整體構(gòu)建思路

PLC 是當前實現(xiàn)自動化控制的核心技術(shù)手段，因此在設(shè)計與構(gòu)建自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)時，可將PLC 技術(shù)作為支撐。該系統(tǒng)總體可分為4 大層級結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、應用層以及用戶層[2]。

第一，數(shù)據(jù)層。該層級結(jié)構(gòu)主要包括報警器、若干自動化液位儀表及傳感器節(jié)點。為確保傳感器裝置能夠有效采集自動化液位儀表的運行數(shù)據(jù)，需將傳感器節(jié)點布置于自動化液位儀表周圍。當傳感器采集的數(shù)據(jù)顯示自動化液位儀表處于參數(shù)異常狀態(tài)時，便會觸發(fā)報警器。

第二，網(wǎng)絡(luò)層。該層級結(jié)構(gòu)的核心在于無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊，主要用于傳輸數(shù)據(jù)與信號。當數(shù)據(jù)層完成自動化液位儀表運行參數(shù)采集后，可通過網(wǎng)絡(luò)層的無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊將儀表信號數(shù)據(jù)進一步傳遞至應用層。

第三，應用層。該層級結(jié)構(gòu)屬于整個故障識別系統(tǒng)的核心，由報警器控制單元、自動化液位儀表故障識別報警控制模塊、主電源和應急電源、顯示單位、打印記錄等部分構(gòu)成。當自動化液位儀表運行數(shù)據(jù)及報警器信號傳遞至應用層后，會對其進行分析，判斷自動化液位儀表是否處于正常運行狀態(tài)。若經(jīng)判定后發(fā)現(xiàn)運行異常，則在報警器控制單元作用下會發(fā)出預警，提醒相關(guān)人員及時處理應對。若自動化液位儀表存在的故障問題較為嚴重，則可借助故障識別報警控制模塊進行初步調(diào)節(jié)。此外，應用層可基于顯示單元呈現(xiàn)儀表運行數(shù)據(jù)及報警信號，實時存儲記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。在故障識別期間，應用層采用PLC 技術(shù)及小波包算法，極大地提升了故障識別的精準性。

第四，用戶層。該層級結(jié)構(gòu)由臺式計算機、手機終端和Internet 構(gòu)成，其中Internet 用于保障數(shù)據(jù)的實時傳遞。自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)用戶可借助臺式計算機及手機終端登錄自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)，以便結(jié)合自身需求查看儀表數(shù)據(jù)和故障信息[3]。

3.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)構(gòu)建與設(shè)計期間，需從PLC 技術(shù)結(jié)構(gòu)與傳感器結(jié)構(gòu)兩個角度展開硬件設(shè)計。

3.2.1 PLC 技術(shù)結(jié)構(gòu)

自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)中的PLC 結(jié)構(gòu)主要包括存儲器、中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、輸入接口電路和輸出接口電路，整個PLC 技術(shù)結(jié)構(gòu)靈活度高，體積較小，在檢修維護方面具有較高優(yōu)勢。此外，PLC 技術(shù)的輸入與輸出接口能夠與工業(yè)生產(chǎn)體系良好對接，確保自動化液位儀表故障識別結(jié)果順利傳輸并完成控制調(diào)節(jié)[4]。

第一，存儲系統(tǒng)單元。儲存系統(tǒng)可以記錄自動化液位儀表故障識別中的各種故障信息。但是，當故障資料被上傳至存儲器時，大部分員工只具有讀取權(quán)限，無法修改或者編輯設(shè)備的故障資料。數(shù)據(jù)存儲裝置可以記錄設(shè)備在現(xiàn)場及執(zhí)行控制程序中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)資料，并通過系統(tǒng)提供的程序存儲功能存放用戶編輯的系統(tǒng)程序資料，用戶也可根據(jù)自動化液位儀表故障識別要求修改其中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

第二，中央處理單元。該模塊可監(jiān)測、指揮和控制整個自動化液位儀表故障的識別過程。

第三，輸入接口。輸入接口的功能是統(tǒng)計現(xiàn)場所有開關(guān)信號資料，并將信號反饋給PLC。例如：系統(tǒng)將繼電器觸點與接觸器、壓力參數(shù)等經(jīng)輸入接口上傳至PLC，通過提供模擬信號進一步消除環(huán)境因素對故障識別效果的影響；系統(tǒng)通過記錄自動化液位儀表的溫度、壓力及液位變化情況等，將上傳關(guān)鍵資料作為編程控制器的重要數(shù)據(jù)輸入接口。

第四，輸出接口。輸出接口裝置可提供PLC 裝置信號輸出的相關(guān)功能。

基于功能設(shè)定要求，本次研究中采用西門子公司生產(chǎn)的S7-200 系列PLC。作為一種先進的控制系統(tǒng)，西門子S7 系列具有運行標準化、速度快和體積小等特點。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信能力強，可滿足復雜條件下的系統(tǒng)軟件控制功能要求。

3.2.2 傳感器結(jié)構(gòu)

結(jié)合自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)整體構(gòu)思分析可知，基于PLC 技術(shù)構(gòu)建故障識別系統(tǒng)時，需應用傳感器結(jié)構(gòu)采集自動化液位儀表的運行數(shù)據(jù)。傳感器是系統(tǒng)的核心組件，可幫助用戶在復雜條件下記錄環(huán)境信息。先測量各種與環(huán)境相關(guān)的物理量，再將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可識別的電信號。在此期間，用戶提出的系統(tǒng)控制指令可經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換發(fā)送至控制器，控制器根據(jù)接收的執(zhí)行操作指令執(zhí)行系統(tǒng)控制功能[5]?；诩夹g(shù)框架，PLC 現(xiàn)場控制中心可以通過邏輯構(gòu)建程序更新系統(tǒng)控制信號。

系統(tǒng)的操作流程：執(zhí)行器通過采集信號輸出所需的操作指令執(zhí)行一系列系統(tǒng)控制操作，包括能量轉(zhuǎn)換和電動調(diào)節(jié)等。在執(zhí)行器執(zhí)行階段，該裝置必須根據(jù)系統(tǒng)邏輯連接到不同的輸出點，以便控制器能夠控制它們的狀態(tài)。執(zhí)行器屬于關(guān)鍵的輸入設(shè)備，利用不同功能的傳感器可以檢測不同狀態(tài)下的環(huán)境變化情況，包括現(xiàn)場溫度、濕度以及壓力變化情況，并將傳感器數(shù)據(jù)上傳至PLC 裝置。系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)資料如表1 所示。

表1 系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

3.3 軟件流程設(shè)計

為滿足自動化液位儀表故障識別的功能設(shè)定要求，應遵循以下技術(shù)處理流程。首先，對應兩個串口并依次打開。其次，在左側(cè)板塊操作中可先點擊打開或者關(guān)閉閥門，檢驗閥門操作過程是否發(fā)生反應。在確定無異常后可在反復開關(guān)中輸入2 s，若系統(tǒng)顯示閥門產(chǎn)生周期性通斷現(xiàn)象，則證明整個操作過程有效。再次，在右側(cè)板塊上設(shè)置數(shù)據(jù)采樣周期。為提升自動化液位儀表故障的識別效果，在PLC 系統(tǒng)中設(shè)定50 ms為一個數(shù)據(jù)采集頻次，每個周期的數(shù)據(jù)采集總量均為1 024 個，并將一個周期的數(shù)據(jù)列為一個“CSV 文件”。保存文件數(shù)據(jù)可確保在程序發(fā)生崩潰或者突然斷電的情況下避免數(shù)據(jù)失真問題。最后，點擊選擇文件的存儲路徑。在文件保存后，系統(tǒng)支持瀏覽文件名稱的功能，操作人員通過系統(tǒng)可以實時獲取與系統(tǒng)匹配的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

3.4 基礎(chǔ)軟件配置方案

根據(jù)功能設(shè)定要求，在基于PLC 技術(shù)的自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)中增設(shè)以下基礎(chǔ)單元。第一，編程器。在PLC 正式運行開始前無須使用編程器。本次系統(tǒng)中的編程器可為用戶提供程序限制及信號存儲管理等功能，在將資料傳入PLC 后，方便系統(tǒng)在任何復雜條件下實現(xiàn)故障的快速診斷與檢測。第二，程序存儲卡。為保證程序與關(guān)鍵參數(shù)安全，在PLC 設(shè)備上普遍外接帶電可擦可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）卡盒接口。通過該接口可以將卡盒的內(nèi)容寫入PLC，也可將PLC 內(nèi)的程序及重要參數(shù)傳到外接EEPROM 卡盒內(nèi)作為備份。目前，常見的程序存儲卡主要分為6ES 7291-8GC00-0XA0 和6ES 7291-8GD00-0XA0 兩種，其對應的程序容量分別為8 kB 與16 kB 兩種形式，在系統(tǒng)建設(shè)中可根據(jù)實際情況選擇。第三，寫入器。寫入器可實現(xiàn)EEPROM 程序與PLC 程序之間的互通。為滿足自動化液位儀表故障識別要求，通過寫入器可直接將隨機存儲器（Random Access Memory，RAM）程序經(jīng)寫入器記錄在程序中。第四，文本顯示器。文本顯示器的型號為TD200，該裝置不僅可以顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)備，而且可以調(diào)整控制單元的控制參數(shù)。另外，該裝置可顯示超過80 條的信息資料，每一條信息可記錄2 ～4 條變量狀態(tài)。

4 功能設(shè)計檢測

為檢驗所構(gòu)建的自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)的運行效果，借助MATLAB 軟件營造虛擬仿真實驗環(huán)境，對10 個儀表常見故障進行識別，并按照常見故障問題精準布置傳感器節(jié)點。自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)運行后，分析各個傳感器裝置的能耗情況，發(fā)現(xiàn)能耗水平較低，可保障傳感器裝置的穩(wěn)定運行，符合自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)低能耗的設(shè)計要求[6]?；陬l帶波形圖分析小波包算法程序的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)小波包算法對故障信號具有較強的分解重構(gòu)作用，無噪聲且可直觀表現(xiàn)多個頻帶的信號特征，能夠提升自動化液位儀表故障的識別精度。對某次故障識別結(jié)果進行分析，具體情況如表2 所示。結(jié)合表2 可知，該自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)運行效果較好，實際故障與識別結(jié)果匹配度較高，識別故障后及時發(fā)出預警，且故障識別用時較低，由此驗證了構(gòu)建的自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)具有良好的運行效果。

表2 自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)功能檢測結(jié)果

5 結(jié)語

針對自動化液位儀表設(shè)計并構(gòu)建故障識別系統(tǒng)是加快工業(yè)精細化發(fā)展進程的重要舉措。在故障識別系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)建前，需明確自動化液位儀表的運行原理，了解常見的故障問題，整體統(tǒng)籌自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)的構(gòu)建思路，結(jié)合實際需求對硬件與軟件進行設(shè)計，做好功能設(shè)計檢測工作，以此確保構(gòu)建的故障識別系統(tǒng)能夠切實發(fā)揮作用。