壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗監控系統設計與實現

楊曉欣，孟永彪

（新疆大學化學化工學院，新疆 烏魯木齊 830046）

壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗監控系統設計與實現

楊曉欣，孟永彪

（新疆大學化學化工學院，新疆 烏魯木齊 830046）

介紹了基于組態軟件MCGS的壓縮天然氣（Compressed NaturalGas，CNG）鋼瓶水壓試驗監控系統的設計及實現方法，上位機采用組態軟件MCGS建立人機界面，下位機采用西門子S7-300型PLC進行現場控制，系統監控界面友好，運行穩定可靠，實現了壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗的自動化操作，檢驗效率提高。

壓縮天然氣鋼瓶；水壓試驗；MCGS；PLC；監控

天然氣作為一種清潔高效的能源，得到越來越廣泛的應用。承裝壓縮天然氣的鋼瓶，是一種可重復性充裝的移動式高壓壓力容器，容易發生內部腐蝕、彈塑性疲勞破壞、密封失效等危害現象。為了保障用戶對壓縮天然氣鋼瓶的安全使用，國家標準規定要對壓縮天然氣鋼瓶進行定期檢驗。在檢驗各道工序中，水壓試驗是最直接和最有效的手段。

隨著待檢壓縮天然氣鋼瓶數量的與日俱增，以往在水壓試驗的過程中，需要人工記錄數據的傳統方式，已經不再滿足要求。針對這一問題，提出了一種基于組態軟件MCGS的壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗監控系統。該系統是集數據采集、數據存儲和人機交互平臺等功能于一體的監控系統，具有較高的可靠性和較好的實時性，能夠有效地提高測試效果。

1 監控系統分析

壓縮天然氣鋼瓶在進行水壓試驗時，如果在加壓狀態下，發生壓力表回降，即發生泄壓現象，表明鋼瓶發生了泄漏、材料大面積屈服等現象，從而檢查出有缺陷的鋼瓶，防止鋼瓶在運行中發生事故。對壓縮天然氣鋼瓶進行的水壓試驗的同時，進行容積殘余變形率（殘余變形值/全變形值）的計算[1]。容積殘余變形率超過全變形的6%時，應測定瓶體的最小壁厚，若最小壁厚小于設計壁厚，或容積殘余變形超過全變形的10%時，鋼瓶應報廢。

結合壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗過程的控制要求，系統需要滿足的功能有：

（1）實現對壓力泵、電磁閥等控制對象的開關控制。

（2）實現對壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗現場數據采集與存儲。

（3）實現對壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗的動畫模擬和監控。

2 監控系統硬件組成

系統主要由工控機、PLC和現場儀器儀表組成。系統的硬件結構圖如圖1所示

圖1 壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗監控系統硬件結構圖

其中上位機采用的是配合組態軟件MCGS的西門子面板式工控機PC670，對壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗進行監控。其設計堅固，功能強大，主板上集成了PROFIBUS-DP/MPI接口，集成的以太網接口，方便連接生產操作級和管理級的應用，或連接Internet。

下位機采用西門子S7-300型PLC。S7-300型PLC是一種通用型PLC，能適合自動化工程中的各種應用場合，尤其是在生產制造工程中的應用。其具有模塊式的結構，循環周期短，無排風扇結構，易于實現分布式的控制、處理速度高以及用戶易于掌握等特點[2]。

3 監控系統軟件設計

3.1 上位機監控界面設計

系統采用MCGS組態軟件，來進行上位機的監控界面設計。MCGS是一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，集動畫顯示、流程控制、數據采集、設備控制與輸出、網絡數據傳輸、工程報表、數據與曲線等諸多強大功能于一身，并支持國內外眾多數據采集與輸出設備，其由組態環境和運行環境兩部分組成[3]。

在MCGS組態環境中，完成動畫設計、設備連接、編寫控制流程、編制工程打印報表等全部組態工作；在運行環境中，完成對工程的控制工作。兩部分相互獨立，又緊密相關。這個軟件為我們提供了解決實際工程問題的完整方案和開發平臺。

根據系統要求，采用組態軟件MCGS設計了監控主畫面、趨勢畫面、數據庫窗口和報警窗口等。

（1）監控主畫面。用來實時動態顯示水壓試驗過程，如圖2所示。

圖2 壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗監控主畫面

（2）趨勢畫面。實時曲線可以動態顯示參數的變化曲線，如壓力-時間曲線，可以顯示水壓試驗壓力隨時間的變化情況，壓力-進水量曲線，可以顯示水壓試驗壓力與進水量之間的關系。而歷史曲線可以完成歷史試驗數據的查看工作。

（3）數據庫窗口。在該窗口中繪制符合行業標準規范的報表，雙擊數據庫表格打開存盤數據瀏覽和構件屬性設置對話框。在該對話框中，完成存盤數據的存儲位置、變量名、數學單位等設置。檢驗報表包括檢驗日期、試驗批次、試驗壓力、試驗種類、保壓時間、試件容積、殘余變形值、全變形值和氣瓶的殘余變形率等。

在鋼瓶進行檢驗時，每次進入運行環境，都會產生新的數據,MCGS組態會自動生成Access數據庫。操作人員利用MCGS的報表功能，既可以制作實時報表，也可以制作歷史報表。這些功能為存取數據記錄帶來很大的便利，另外也利于檢驗資料的保存，為檢驗方面的研究提供寶貴依據。

（4）報警窗口。可以反應變量的不正常變化，如受試瓶在水壓試驗時發生泄漏，就會發生報警，將報警事件在報警窗口中顯示出來，并做歷史記錄。

3.2 數據采集與通訊

系統由上位機設定試驗壓力、保壓時間、采樣頻率等控制參數，下位機采用西門子S7-300型PLC實現對壓力泵、電磁閥的動作控制和試驗過程中現場數據的采集。PLC根據需要配置了通訊模塊、壓力數據采集模塊、水量數據采集模塊、壓力泵啟停模塊、電磁閥控制模塊等。這些模塊在試驗中相互配合，實現對試驗裝置的有效控制。上位機采集下位機PLC中來自現場的數據，經過處理，將控制命令傳給下位機，以此來監控壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗過程。

MCGS通過上位機中的MPI網卡（如CP5611）和PLC上的通訊單元（通訊模塊）建立通訊連接，從而達到操作PLC設備的目的。MPI卡可以根據上位機與下位機之間，使用西門子標準PC/MPI電纜通訊。MCGS軟件可以通過MPI適配器，讀寫西門子S7-300型PLC設備的各種寄存器的數據。MCGS與外部設備的連接，是在設備窗口中實現的，在MCGS中，PLC設備是作為子設備掛在串口父設備下的，通訊協議采用西門子MPI協議，通訊方式為一主一從的通訊方式，驅動構件為主，PLC設備為從。MCGS與外部設備的通訊示意圖如圖3所示。

圖3 MCGS與外部設備的通訊示意圖

3.3 PLC程序設計

PLC通過程序控制實際設備。PLC采用STEP7進行編程[4]。STEP7是一種用于西門子S7-300/400可編程控制器組態和編程的標準軟件包。

其基本功能有：設置和管理項目；為硬件和通信組態并分配參數；管理符號；創建程序。

為了減少編程的困難，PLC程序設計采用了模塊化的編程思想，即把程序分成若干個程序塊，這些塊相當于主程序的子程序。其中壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗的壓力控制程序流程圖如圖4所示。其中PW是鋼瓶的公稱工作壓力，PT是鋼瓶水壓試驗的試驗壓力，是鋼瓶水壓試驗保壓時間。

圖4 壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗壓力控制程序流程圖

4 結束語

通過設計基于組態軟件MCGS的壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗監控系統，實現了壓縮天然氣鋼瓶水壓試驗的現場數據的采集存儲、人機界面、實時流程動畫顯示、實時和歷史數據顯示、報告輸出等功能，避免了在水壓試驗現場的大量的人工操作，降低了檢測工人的勞動強度和檢測的危險性，提高了檢測效率，自動化水平大大提高。現場運行后表明，該系統穩定可靠，具有推廣價值。

[1]GB/T9251-1997，氣瓶水壓試驗方法[S].

[2]龔仲華.S7-200/300/400PLC應用技術[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]姜 海，田春艷.MCGS組態軟件在PLC工作狀態監控中的應用[J].裝備制造技術，2008，（2）：56-59.

[4]曹麗婷，田景文，黃桂林.PLC和組態軟件在污水處理遠程監控系統中的應用[J].機床與液壓，2008，36（7）：202-204.

Design and Realization of Monitoring System of Com pressed Natural Gas Cylinder Hydraulic Pressure Test

YANG Xiao-xin,MENG Yong-biao
(College of Chemistry and Chemical Engineering of Xinjiang University,Urumqi830046,China)

This paper introduces the design and implementation of CNG cylinder hydraulic pressure test monitoring system based on the configuration software MCGS.The host computer of the system uses the configuration software MCGS to establish human-computer interface.The lower com puter uses Siemens S7-300 type PLC to control the field.The human-computer interface is friendly and the system operation is stable and reliable.The system realized the automatic operation of CNG cylinder hydraulic pressure test.And then the inspection effici ency is improved.

CNG cylinder;hydraulic pressure test;MCGS;PLC;monitoring

TP227

B

1672-545X（2011）09-0080-03

2011-06-12

楊曉欣（1985-），女，河北藁城人，在讀碩士研究生，研究方向：化工設備制造檢驗計算機輔助技術與網絡平臺建設