1  概述

某套化工連續(xù)生產(chǎn)線以甲醇為主要原料，在生產(chǎn)廠區(qū)內(nèi)設(shè)置有若干個單體容積為60m3的甲醇儲罐，作為甲醇的存放容器，由原料供應(yīng)商通過化工液體運輸槽車進行轉(zhuǎn)注[1]。生產(chǎn)線的工藝系統(tǒng)中還配備了一臺4m3的甲醇原料罐，60m3甲醇儲罐中的甲醇通過葉片式離心泵間歇性地加入甲醇原料罐，而甲醇原料罐中的甲醇通過容積式計量泵連續(xù)地加入生產(chǎn)線后續(xù)反應(yīng)裝置中，因此，在開車生產(chǎn)過程中，需要保證甲醇原料罐的液位始終高于某一設(shè)定值。在該化工連續(xù)生產(chǎn)線建成投產(chǎn)后，上述設(shè)備的啟停等操作均由人工手動完成。

 

近年來，隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，液位控制的自動化技術(shù)已經(jīng)拓展到化工生產(chǎn)等多個領(lǐng)域，可顯著提高生產(chǎn)過程的安全性和穩(wěn)定性[2-3]。本文利用西門子公司的PLC系統(tǒng)[4]，研制了甲醇原料罐液位的自動控制裝置，從而減輕了現(xiàn)場操作人員的工作量，提高了甲醇液位的穩(wěn)定性，具有一定的參考價值和推廣前景。

 

2  硬件搭建

在原有的手動操作工況下，現(xiàn)場員工定期去甲醇原料罐巡視，通過目視觀察原料罐磁翻板液位計的示數(shù)，決定是否啟動甲醇儲罐的離心泵加注甲醇，工藝流程如圖1所示。

在此次改造過程中，首先替換了原有的目視化磁翻板液位計，選用帶有遠傳功能的磁翻板液位傳感器[5]。磁翻板液位計（液位傳感器）適用于石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域的液位指示，該類型磁翻板液位計結(jié)構(gòu)簡單，觀察直觀清晰，常用于高溫、高壓、腐蝕性介質(zhì)等工作場合，密封性較好，不易堵塞滲漏，安裝方便，維修簡單。其基本原理是浮力原理和磁性耦合作用，當(dāng)甲醇原料罐中的液位升降時，液位計本體管中的磁性浮子也隨之升降，浮子內(nèi)的永久磁鋼通過磁耦合傳遞到磁翻柱指示器，驅(qū)動紅/白雙色翻柱翻轉(zhuǎn)180°。當(dāng)液位上升時，翻柱由白色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色，當(dāng)液位下降時，翻柱由紅色轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨?，指示器的紅白交界處為容器內(nèi)部液位的實際高度，從而實現(xiàn)液位清晰的指示。目前市場上銷售的磁翻板液位計紅/白雙色翻柱寬度為10mm，即液位指示的目視誤差為±10mm。

 

磁翻板液位傳感器需具備遠傳功能，通過將電阻鏈固定在磁翻板附近，使其處于磁翻板液位計同一磁耦系統(tǒng)中，當(dāng)磁性浮子隨液位上下移動時，對應(yīng)液位位置的簧片受浮子內(nèi)磁場的作用而動作，使電阻鏈阻值發(fā)生變化，通過轉(zhuǎn)換模塊將變化的電阻信號轉(zhuǎn)換成二線制4～20mA標(biāo)準(zhǔn)直流信號輸出，由PLC系統(tǒng)接收處理后，從而實現(xiàn)顯示、控制、調(diào)節(jié)和報警等自動化控制目標(biāo)。

 

PLC系統(tǒng)選取西門子S7-200系列，作為一種小型可編程序控制器，具有較高的性價比。該PLC集成24V負(fù)載電源，可直接連接到傳感器和變送器；CPU型號為222，具有8個數(shù)字量輸入和6個數(shù)字量輸出，可連接2個擴展模塊，具備1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。還具有6kB字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間；具有4個獨立的30kHz高速計數(shù)器，可編程并具有復(fù)位輸入，2個獨立的輸入端可同時作加減計數(shù)；2路獨立的20kHz高速脈沖輸出。模擬量擴展模塊選用EM235型號，實現(xiàn)了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能，其中，模擬量輸入模塊使用前進行了輸入校準(zhǔn)。zui后，該液位自動控制裝置還選用觸摸屏作為操作人員與PLC系統(tǒng)互相通訊的界面，監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)，隨時處理設(shè)備運行時的反饋信息。該裝置的實物連接示意圖如圖2所示。

 

3  組態(tài)軟件編程

該裝置的軟件部分采用WinCC組態(tài)軟件進行編程。WinCC也是西門子公司的產(chǎn)品，它的開放性和穩(wěn)定性比較突出，具有腳本編程功能，包含了C翻譯器和ANSI-C標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，是化工企業(yè)生產(chǎn)中比較常用的監(jiān)控工具。

 

該軟件具有較好的兼容性，通過PPI主從通信協(xié)議與PLC完成通信。它的基本組成有管理器、瀏覽器以及運行系統(tǒng)。管理器用于建立和管理新項目，對已經(jīng)存在的項目執(zhí)行相關(guān)的操作。瀏覽器的作用是建立監(jiān)控界面、定義及分配變量、編輯運行語言等。運行系統(tǒng)的作用是讓操作人員監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)。

 

在本套化工連續(xù)生產(chǎn)線中，甲醇液位自動控制的原理是：甲醇原料罐的液位傳感器通過變送器將液位信號轉(zhuǎn)換為4～20mA的直流電流模擬量信號輸入PLC，并再次轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。當(dāng)該信號低于50%時，由輸出一個控制信號送往變頻器，控制變頻器輸出功率，從而控制補加甲醇的離心泵電機轉(zhuǎn)速，達到輸送甲醇至甲醇原料罐的目的?？刂蒲b置系統(tǒng)采用的西門子7.5kW變頻器，考慮到電網(wǎng)頻率、變頻器和電機工作頻率等多方面的因素，把50Hz設(shè)定為電機運行時的工作頻率。

 

該裝置使用了閉環(huán)控制方式，當(dāng)液位低于50%時，變頻器通電、啟動電機；當(dāng)液位高于90%時，變頻器迅速降低頻率，使離心泵減速，直至停泵?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該裝置還設(shè)有液位檢測與報警、變頻器故障檢測與報警等故障處理功能。例如，當(dāng)液位低于45%或者高于95%時，PLC會以聲光形式持續(xù)報警，提示操作員工及時檢查設(shè)備狀態(tài)并處理故障。

4  結(jié)束語

新研制的甲醇原料罐液位自動控制裝置目前已投入運行，現(xiàn)場實施效果較好?？删幊炭刂破髋c變頻器結(jié)合實現(xiàn)的液位自動控制裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、控制精度較高、運行可靠，杜絕了生產(chǎn)線設(shè)備因甲醇供應(yīng)不足形成的事故隱患，降低了計量泵等運行設(shè)備的維護費用，提高了甲醇的反應(yīng)效率，減少了工人的勞動強度，提高了安全系數(shù)。

 

現(xiàn)有控制裝置實現(xiàn)了對甲醇原料罐液位的控制、調(diào)節(jié)以及設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控功能，今后將通過開發(fā)上位機數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，充分利用變頻器的變頻功能，實現(xiàn)離心泵與計量泵的綜合統(tǒng)籌控制功能，提高對全系統(tǒng)的管理能力，持續(xù)提高生產(chǎn)線的智能化程度。