隔爆型多通道批量控制器的關(guān)鍵技術(shù)研究①

徐華 陳睿 朱人杰

(連云港杰瑞自動(dòng)化有限公司 江蘇連云港 222006）

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的批量控制器主要采取單一的觸摸屏和鍵盤(pán)提供交互功能，與下游的控制單元如PLC等進(jìn)行參數(shù)交互，價(jià)格昂貴、設(shè)備分散且維護(hù)成本較高。目前也有自主研制的以一個(gè)單片機(jī)作為控制核心的批量控制器，存在人機(jī)界面不友好、控制功能單一、聯(lián)網(wǎng)功能不足等缺點(diǎn)。市場(chǎng)急需開(kāi)發(fā)一種性能優(yōu)越且價(jià)格較低的批量控制器來(lái)解決傳統(tǒng)批量控制器存在的問(wèn)題，此批量控制器需具備模塊化的拓展性與多通道多處理器協(xié)同能力，實(shí)現(xiàn)油氣儲(chǔ)運(yùn)定量裝卸控制的自動(dòng)化要求。

1 主要功能

批量控制器主要用于各類(lèi)油氣介質(zhì)裝卸的批量控制操作和自動(dòng)化監(jiān)控，應(yīng)用在LNG槽車(chē)加注系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)、加氣站、LNG水上加注站、大口徑LNG智能裝卸臂及浮式LNG裝卸系統(tǒng)的自動(dòng)化控制場(chǎng)合。批量控制器負(fù)責(zé)接收流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度反饋 、電動(dòng)閥開(kāi)度反饋信號(hào)、切斷閥反饋信號(hào)等閥門(mén)反饋，讀取溫度變送器、壓力變送器、流量計(jì)信號(hào)等儀表信息，監(jiān)控靜電接地信號(hào)、溢油報(bào)警信號(hào)、中控緊急停止信號(hào)、本地緊急停止信號(hào)等報(bào)警信號(hào)，批量控制器主板將各種信號(hào)匯總，通過(guò)內(nèi)部邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)等設(shè)備的精確邏輯控制，實(shí)現(xiàn)安全流速控制、裝卸定量、報(bào)警停車(chē)等功能。

2 系統(tǒng)組成

批控器采用多處理器協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)各種功能，即采用一個(gè)處理器作為主控制器，實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)功能、顯示功能、存儲(chǔ)功能、通信功能等；用另外的處理器完成各種實(shí)時(shí)采集、輸出功能。該種設(shè)計(jì)適用于處理量大，功能要求復(fù)雜的裝車(chē)場(chǎng)合。

圖1 采集控制電路硬件組成圖

圖2 濾波前后信號(hào)采集對(duì)比圖

圖3 增加干擾源及濾波后信號(hào)采集對(duì)比圖

主控制板通過(guò)人機(jī)界面、操作鍵盤(pán)及讀卡器結(jié)合的方式獲取操作人員的控制命令和控制參數(shù)，并以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式發(fā)送給采集通道控制板；根據(jù)采集通道控制板發(fā)來(lái)的報(bào)警信號(hào)、溫度信號(hào)、流量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)做出正確合理的處理，如有需求還需要把一些信息傳輸給控制室中的上位機(jī)，使之能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控。

采集控制板通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸總線接收到控制命令及控制參數(shù)后，執(zhí)行相應(yīng)操作并把運(yùn)行過(guò)程的一些參數(shù)報(bào)告給主控制板；實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，如檢測(cè)靜電溢出報(bào)警信號(hào)，鶴位報(bào)警信號(hào)、閥門(mén)開(kāi)關(guān)到位信號(hào)等等，若有故障則及時(shí)處理并把信息報(bào)告給主控制板；根據(jù)各種狀態(tài)信息和相應(yīng)的配置信息合理控制切斷閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)精確控制。數(shù)據(jù)采集卡之間不需要相互通信，即相互之間獨(dú)立工作，互不影響。

3 主控制板設(shè)計(jì)

主控制板主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息匯總、存儲(chǔ)、通訊、控制等功能，同時(shí)控制顯示屏完成人機(jī)交互操作。主控制板通過(guò)獲取操作人員所要設(shè)置的信息，并把有用的信息傳輸給數(shù)據(jù)采集控制板，接收下層通道的各種狀態(tài)信息、顯示和保存，供操作人員查看。除此之外，還應(yīng)具備通訊傳輸功能，以便具備上傳數(shù)據(jù)至第三方上位機(jī)，方便網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及遠(yuǎn)程調(diào)控功能。RFID射頻模塊電路獲取人員IC卡內(nèi)的裝卸車(chē)信息，傳送給主控制芯片，通過(guò)裝車(chē)控制算法程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝卸車(chē)工藝控制。

4 板卡設(shè)計(jì)

板卡需具備以下功能（如圖1）以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息匯總、存儲(chǔ)、通訊、控制等功能，同時(shí)控制顯示屏完成人機(jī)交互操作。板卡大體分為三類(lèi)：中央處理單元兼數(shù)字量輸入、輸出單元，模擬量輸入、輸出單元，數(shù)據(jù)通信單元。

中央處理單元:中央處理單元作為系統(tǒng)的核心，中央處理單元( CPU)是批量控制器的核心部件，它的主要作用是控制整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。它解釋并執(zhí)行控制程序，并通過(guò)循環(huán)執(zhí)行控制程序完成所有信號(hào)處理、邏輯控制、數(shù)據(jù)通信等功能。它的功能主要通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：

（1）接收、存儲(chǔ)用戶通過(guò)程序組態(tài)軟件編寫(xiě)的程序；

（2）以循環(huán)掃描方式接收來(lái)自輸入單元的輸入變量、狀態(tài)數(shù)據(jù)，并存進(jìn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)（輸入映像寄存器）；

（3）利用校驗(yàn)技術(shù)監(jiān)視存儲(chǔ)和通信狀態(tài)、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)、電源狀態(tài)和用戶編程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤；

（4）執(zhí)行控制程序，完成各種數(shù)據(jù)處理、傳輸和存儲(chǔ)，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，刷新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)部控制信號(hào)，以完成程序邏輯設(shè)定的各種操作。

5 試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)論

為了測(cè)試本研究的應(yīng)用性，以信號(hào)較為復(fù)雜的模擬信號(hào)作為實(shí)例對(duì)比，著重對(duì)模擬量采集卡進(jìn)行了信號(hào)對(duì)比測(cè)試，考慮到數(shù)字量信號(hào)的測(cè)試較為簡(jiǎn)單（基本為0-1-0測(cè)試），這里就不在贅述。本次對(duì)比采用成熟應(yīng)用的西門(mén)子200smart PLC作為對(duì)比對(duì)象，使用信號(hào)發(fā)生器模擬4～20mA模擬量信號(hào)，信號(hào)模擬從4mA增加至12mA，保持之后增加至20mA滿幅位置保持的過(guò)程，對(duì)比PLC和本研發(fā)采集卡的實(shí)驗(yàn)效果，見(jiàn)圖2，為了增強(qiáng)對(duì)比圖的直觀性，將采集卡的試驗(yàn)數(shù)據(jù)人為減去1mA，呈現(xiàn)在圖表中。圖2(a)是未添加濾波電路的情況下，采集卡的曲線明顯有不規(guī)則震蕩，平穩(wěn)性相比PLC較差；在圖2(b)中，添加了巴氏濾波電路后，平穩(wěn)性和成熟PLC幾乎一樣，由此可以看出本研究的采集卡樣機(jī)的可用性比較高。

為了測(cè)試采集電路的穩(wěn)定性特點(diǎn)，將采樣環(huán)境換到變壓器、電機(jī)較多的電磁干擾范圍內(nèi)，觀察考驗(yàn)極端環(huán)境下，兩種產(chǎn)品的采樣情況。從圖3中看出，在一般電磁干擾情況下，PLC的采樣曲線出現(xiàn)了請(qǐng)問(wèn)的震蕩波，見(jiàn)圖3(a)，當(dāng)干擾源逐步加大后，震蕩波越發(fā)不平穩(wěn)，從圖3(b)中能夠觀察到本研究的采集卡穩(wěn)定性明顯強(qiáng)于200 PLC，這一特性在極端惡劣的防爆行業(yè)尤為關(guān)鍵。

綜合上述試驗(yàn)情況，可以直觀的看到本研發(fā)的板卡和控制電路相對(duì)國(guó)際成熟的產(chǎn)品也具備一定的實(shí)用性和競(jìng)爭(zhēng)力，尤其應(yīng)用在防爆型的批量控制儀中，在各種不確定因素較多的環(huán)境下，也具備相應(yīng)的產(chǎn)品素質(zhì)，提升了國(guó)產(chǎn)化的水平。