基于PLC的核子液位測控系統調研綜述

賀三軍　曹舟　周劍良　趙修良

摘 要 目前在實際工業應用中，料位測量儀器不僅要能應用于一般的工業現場且要求能適應復雜的工業環境。這些復雜的工業環境大都伴隨著高溫、高壓、強腐蝕、強磁場、強煙霧等惡劣工況，因此對料位測量儀器的要求也越來越高。PLC是專門應用于工業控制的計算機。文章將PLC技術引入核子液位測控系統中，相對傳統的二次儀表系統而言增加了其抗干擾性和穩定性且開發周期短，能實現對液位的連續測量，提供了在線顯示、參數輸入、數據存儲以及報警功能。

關鍵詞 液位測控；非線性回歸；PLC；單道

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0038-02

當前，我國大多數企業的工業自動化程度較低，特別是某些惡劣的工業現場，一般的測量儀表無法應用，導致大都采用人工測量，不但無法實現自動化控制，而且人工測量潛在極大安全隱患，嚴重制約了工業生產線的安全、連續和穩定運行[1-2]。目前，核輻射液位計二次儀表系統大都單純采用單片機作為二次儀表的核心，然而，單片機屬于開發式底層開發，編程麻煩，開發周期長且不利于維護；抗干擾能力弱等不利于應用于工業現場的致命弱點[3-4]。

本文提出的基于PLC核子液位測控系統設計方案，應用S7-200取代了傳統的計數電路和數字處理電路，減少了電路開發時間，同時作為工控機的S7-200具有在惡劣環境下依然能穩定運行的特性。該測控系統設計可以長時間連續穩定運行并且縮短了二次儀表的開發周期。可為安全生產提供重要保障，同時也能為我國工業的發展提供基礎服務。

1 國內外研究現狀分析

在國內，基于γ射線透射原理的核輻射液位計已應用于諸多領域。李力源等人完成了對多通道γ射線液位計的設計[6]，利用單片機組成實時采集系統，實現一臺儀器同時監控多個γ射線液位測量點；王景敏等人對GD-1型數字γ液位計進行了研究與應用[7]，其二次儀表以單片機和串口擴展技術為基礎，具有電路結構簡單、信息流程清晰等特點，在化肥廠得到了成功的應用。E+H公司生產了FMG573Z+DG57Z液位測量系統，它基于γ射線透射原理，二次儀表采用單片機技術，已在蒸發器液位檢測中獲得了成功的應用[8]。

目前，國內外基于γ射線透射原理的核輻射液位計二次儀表一般都是單純采用單片機技術。近年隨著PLC技術的日臻成熟以及廣泛的應用，是被證實了的具有高穩定性、強干擾性、開發周期短、擴展功能強、通信功能強大等特點的工業計算機[9]。

在國內，PLC技術早在上世紀八九十年代就已成為檢測控制環節中一種技術選擇[10-13]。凌六一等人引進PLC技術，設計了基于γ射線的煤礦主井提升箕斗卸載檢測系統[14]，在該系統中，PLC用來檢測和聲光報警，有效避免箕斗重載下放情況的發生，保障了煤礦的安全生產；劉沖等人完成了核電站反應堆棒控棒位控制系統及其可靠性分析[15]，采用了可以實現冗余控制的美國Rockwell公司的ControlLogix數字化控制器1756-L63為核心控制器PLC平臺及其配套的功能模塊，實現了對反應堆功率數字化冗余控制系統的硬件和軟件設計；胡明等人設計了海關集裝箱X射線檢查系統中屏蔽門PLC控制變頻器拖動系統[16]，應用PLC技術對高能X射線實施了安全防護控制；李志宏等人利用PLC技術，完成了高爐焦炭中子測水技術應用[17]，達到了降低高爐焦比，減少能耗，穩定爐溫、爐況的目的；吳斌基于PLC技術，設計了小型PLC在核電站核島通風控制中的應用[18]，實現了對CPR1000核電機組核島通風系統的可靠控制；李必成等人提出并實現了PLC在核電站蒸汽發生器沖洗系統中的應用[19]，著重描述PLC與交流伺服驅動模塊及光電編碼器模塊如何組成一個高精度運動的完整控制方案，并且該水力沖洗系統多次用于國內核電站大修期間的現場服務，系統操作簡單，運行可靠，泥渣沖洗效果顯著；李麗霞利用PLC技術實現了分段液位控制[20]；盧劍等人開發的基于PLC與PC機監控管理軟件的液位測控[21]，實現了對PLC進行遠程監測和控制；陳俊等人把PLC技術應用在了數字式高精度液位計量儀的設計和應

用[22]中，實現了對透明器皿內液體的高精度顯示。

在國外，PLC技術已從應用于傳統工業自動化系統發展到某些智能領域處理系統中。D.W.Russell在設計的工廠信息系統中，將PLC應用于采集、預處理并實時的傳送數據給計算機，不僅節約了成本，并且保證了系統的穩定性，收到了良好的效果[23]；在生物研究領域，Frederico等人為了研究微生物在不同濃度氧氣環境中的生長和生產情況，在使用的帶氧化功能的生物反應器中，PLC技術被用于自動控制氧氣的濃度系統中，取得了成功應用的范例[24]；Atef A.Ata等人在機器人應用于顏色識別的研究中也成功引入了PLC技術[25]。

2 目前存在的問題

當前傳統的核輻射液位計二次儀表系統大都還是采用單片機作為二次儀表的核心。雖然單片機靈活性好且成本相對較低，但分立元件產品種類繁多、電路復雜、功能單一、維修性差。另外，單片機屬于開發式底層開發，編程麻煩，開發周期長且不利于維護；抗干擾能力弱不利于工業現場長期應用等弱點。

3 擬進行改進的方面

1）用PLC取代傳統核子液位測量系統中單道之后的信號處理電路。

2）設計電路將探測器輸出信號轉換為符合PLC輸入的脈沖信號（改進的單道脈沖幅度發生器）。

3）通過PLC計數，在excel實現擬合，通過TD400在PLC中能實現計數率向液位的非線性回歸。

4）PC機上實現組態軟件和PLC的連接，直觀的顯示液位變化情況。

5）根據PLC顯示的液位信息，對液位進行控制。

4 結束語

本方案使用西門子公司的PLC（可編程邏輯控制器）S7-200代替傳統的計數電路，對改進過的單道輸出脈沖的計數，并通過編寫擬合程序，實現計數率和液位的非線性回歸。同時可以使用PLC計算得到的液位信息對液位進行控制，實現測量和控制的統一。同時該系統穩定性強、抗干擾能力強，適應于環境惡劣的工業現場應用。但因為其要求不點源能過大，故不適合應用在槽體尺寸較大的情況下。endprint

基金項目

國家軍品配套項目（JPPT-115-5-882）

參考文獻

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作者簡介

賀三軍（1985-），男，漢族，湖南衡南人，南華大學，助教，碩士，現主要從事核輻射探測技術研究。endprint