基于MCGS的洗油空穴反應實驗裝置計算機控制系統設計

李 彪 孟永彪

(新疆大學化學化工學院，烏魯木齊 830046)

洗油空穴反應成套裝置是在逐步消化吸收俄羅斯“空穴反應”技術的基礎上創新而成的，以煤焦油-洗油為原料制取甲基環戊烷、萘及苊等輕質芳香烴類高附加值化學品[1]，該實驗裝置已應用在新疆大學石油天然氣精細化工教育部和自治區重點實驗室[2]。結合工藝條件，首先完成關鍵部件(空穴反應器)的結構設計和制造，再逐步配套研制其他機械裝置。經過反復實驗、優化和改進后，實驗效果超出俄方原系統功用和效率，但整個實驗裝置扔存在不足，控制系統是以手工控制為主。為此，筆者設計了一套基于MCGS的自動控制方案，通過對洗油空穴反應實驗裝置進行遠程監控，實時反映信息，對實驗反應過程進行在線控制，有效提高了整個實驗裝置的效率，也改善了煤焦油-洗油的綜合利用質量。

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

a. 計算機控制系統能夠方便、直觀和有效地完成數據的采集和處理；

b. 系統能夠將數據處理結果實時顯示于組態演示界面，方便在線監控，還要能存儲在數據庫，以便隨時調用實時和歷史數據進行后續研究；

c. 確保系統具有很好的安全性、穩定性和可靠性；

d. 在確保系統性能的基礎上應盡量減少經濟成本，提高經濟效益；

e. 系統還要滿足相關的操作規程和維修方面的設計準則。

筆者基于MCGS對洗油空穴反應實驗裝置遠程監控系統進行硬件和軟件設計。該自動控制系統采用主從式結構，上位機采用MCGS通用版組態軟件，對反應現場進行實時監控；下位機則以AI-808調節器為核心[3]，應用溫度、壓力和流量傳感器進行數據采集和轉換，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，構成整個過程計算機自動控制系統。

2 硬件和軟件設計

2.1 硬件設計

該自動控制系統采用一臺 PC 機作為上位機，通過AI-808調節器將上位機與各傳感器、變送器、泵及電動調節閥等機構聯系起來(圖1)，實現過程數據的輸入、輸出通信，完成數據自動采集和處理，實現對反應過程的自動控制。

圖1 系統硬件結構框圖

由上位機的監控軟件和AI-808調節器配合來完成各種信號的監測和控制。上位機采用組態軟件MCGS通用版監控軟件，配合下位機AI-808調節器的控制工作。下位機AI-808調節器主要負責數據的采集、顯示和輸出，并與上位機進行通信，將采集的數據傳送給上位機；上位機接收下位機AI-808調節器傳來的數據，對數據進行顯示(實時/歷史曲線顯示)，達到對反應現場進行遠程監控的要求。

2.2 軟件設計

上位機軟件主要由操作系統軟件和應用軟件組成。計算機技術現已發展成熟，在眾多操作系統軟件中，筆者選擇Windows 7操作系統。MCGS 組態軟件是一套基于 Windows平臺、用于快速構造和生成上位機監控系統的全中文組態軟件系統，方便實用，它包括組態環境和運行環境兩個部分。MCGS組態軟件擁有網絡版、通用版和嵌入版3個版本。在本自動控制系統設計中，筆者選擇全中文工控組態軟件MCGS通用版作為軟件開發平臺(圖2)。

圖2 MCGS組態軟件通用版結構框圖

該自動控制系統應用MCGS通用版的組態環境設計監控系統主界面，包括實時數據顯示、實時曲線顯示、通信狀態設置、數據記錄及報表等內容，并可以通過設置PID 參數對溫度、壓力及流量等參數進行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的變化趨勢；為了形象地表示各參數實時值，采用曲線來顯示參數的變化；可以在線顯示故障報警畫面、查詢歷史報警，還可以設置報警的極限值；可以進行實時曲線監測和歷史曲線查詢；可生成系統歷史/實時報表(包括日報表和月報表)，可對歷史/實時數據庫進行方便、有效的管理。

3 控制系統的實現

該自動控制系統采用了AI-808型全通用人工智能調節儀表，AI-808型儀表為PID控制型，輸出4～20mA的電流信號。AI-808調節器通過RS-485串口通信方式與上位計算機進行通信，計算機采用PC機運行工控組態軟件，根據采集的數據及用戶給定值等要求對數據進行及時顯示、計算、處理、保存和管理，根據相應的控制算法計算出各被控對象的輸出量，并通過RS-485總線將數據傳輸到AI-808調節器。在AI-808調節器中經D/A轉換后輸出4～20mA電流信號給電動調節閥等執行機構對被控對象進行調節，達到目標要求，從而實現控制系統的實時監控。數據采集、數據傳輸程序流程如圖3所示。洗油空穴反應實驗裝置控制系統人機界面如圖4所示。

圖3 主程序流程

圖4 人機界面

4 結束語

MCGS通用版組態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變化在線監控，能夠將數據處理結果存儲在數據庫，同時還可將數據處理結果以報表形式生成；而AI-808調節器控制功能簡單，操作性強，實時性好。基于以上優勢，筆者設計了基于MCGS和AI-808調節器的洗油空穴反應實驗裝置實時數據采集和處理控制系統，在傳感器和變送器接受外界信號的同時，對信號進行采集、轉換、顯示和輸出，實時地反映參數變化和各被控對象的特性。此自動控制系統的設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實驗裝置控制系統進行設計，使筆者對洗油空穴反應實驗裝置在遠程監控及其應用方面有了更深認識，同時積累了相關經驗，為后續進一步的研究工作提供了很好的理論和實踐基礎。

[1] 辛少琳. 洗油空穴反應制取芳香烴化學品研究[D].烏魯木齊：新疆大學，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調節器的過程計算機控制系統[J].微計算機信息，2006，22(17)：292～294.

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