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    用PLC改造罐區鋼帶浮子液位計的變送器
    隨著計算機應用技術的日益普及,網絡及數據庫技術的發展和儲運自動化用檢測儀表、執行機構品種的日益增多,檢測和控制的可靠性的提高,使石油化工行業新建、擴建或升級改造儲運罐區的計算機網絡系統成為可能。在新建、擴建或升級改造罐區計算機網絡系統的工程資金中,一次儀表的購置資金約占總投資的大半。
    為了相關生產裝置的安全、平穩運行和油品交接中的計量和經濟核算,精確檢測儲罐參數,及時掌握儲罐庫存,是十分重要的。在生產參數中,儲罐液位參數的檢測是一項非常重要的工作。通過檢測儲罐液位,可以調控指揮生產,避免出現冒頂、抽空等事故,同時,儲罐液位參數還是準確計量庫存量的前提保證。
     
    1.罐區概況
    在國內,近20年來,罐區現場儲罐液位檢測一直是以鋼帶浮子液位計為主。這類儀表的共同點是由浮筒、鋼帶部分和變送器部分等組成,浮筒隨著儲罐液面上下浮動,變送器把浮筒所處的位置轉換成對應的電信號,再遠傳至終端設備。
    某大型石化廠的罐區計算機系統,是20世紀80年代末期投資建造的,罐區現場每個儲罐的液位和溫度檢測,采用羅斯蒙特公司所屬的維雷公司的浮子鋼帶液位計和配套使用的變送器。由于儀表安裝時間較長,浮子鋼帶液位計的變送器部分大都已損壞,結果,造成許多儲罐的液位和溫度信號無法接入操作站的計算機,同時,因儲運調度室和罐區操作站之間無法通訊,致使整個系統基本處于癱瘓狀。針對罐區原系統存在的問題,該公司把升級改造的重點首先放在儲罐的液位和溫度檢測部分。同時,該公司要求在此次罐區改造工程中,儲罐測量液率據次表,希望仍采用浮子鋼帶液位計。

    2.改造措施
    根據實際情況,對于測量現場儲罐液位的鋼帶浮子液位計,決定改造變送器部分。浮子鋼帶液位計變送器主要分為兩部分:1)將浮子鋼帶液位計輸出的和液位相對應的機械轉角位移量信號轉換成數碼信號的編碼機構部分;2)由MSC-51單片機組成的信號轉換和遠傳電路分,將編碼機構采樣的數碼值,轉換成電信號并輸出。
    在剖析損壞變送器的過程中,發現變送器的電路部分因感應雷擊和潮濕短路等原因損壞,已不能修復。變送器的核心部件編碼機構,因為是機械結構形式,基本完好,經過修理,可以使用。目前,應用zui多的編碼機構有格雷碼盤和BCD碼盤兩種,就是將液位的量值轉換成對應的格雷碼或BCD碼。其中格雷碼盤的編碼機構應用最早。維雷公司的浮子鋼帶液位計變送器的編碼機構采用的是格雷碼盤方式。
    格雷碼是一種絕對編碼方式,典型格雷碼是種具有反射特性和循環特性的單步自補碼,它的循環、單步特性消除了隨機取數時出現重大誤差的可能,它的反射、自補特性使得求反非常方便。格雷碼屬于可靠性編碼,是一種錯誤最小化的編碼方式,因為,雖然自然二進制碼可以直接由數/模轉換器轉換成模擬信號,但在某些情況,例如從十進制的3轉換為4時二進制碼的每一位都要變,可使數字電路產生很大的尖峰電流脈沖。而格雷碼則沒有這一缺點,它在相鄰位間轉換時,只有一位產生變化。大大地減少了由一個狀態到下一個狀態時邏輯的混淆。由于這種編碼相鄰的兩個碼組之間只有一位不同,因而在用于浮子鋼帶的轉角位移量/數字量的轉換中,當浮子鋼帶的轉角位移量發生微小變化(1mm)而可能引起數字量發生變化時,格雷碼僅改變一位,這樣與其他編碼同時改變兩位或多位的情況相比更為可靠,即可減少出錯的可能性。表1所列為幾種二進制碼量化電平對照表。
    在液位計的變送器中,編碼機構-格雷碼盤采用的是14位格雷碼來映射浮子鋼帶輸出的轉角位移量信號,液位變化1mm時,對應的14位格雷碼只變化一位。因此,該公司采用Belta公司SC-500PLC的16點直流輸入模塊,通過1根RVVP-18×1.2電纜和現場變送器內格雷碼盤連接,直接采集14位格雷碼信號至PLC。

    3.技術依據
    若讀入PLC的脈沖頻率不高,如每秒不到100次,使用PLC普通的I/O輸入點即可采集。PLC采集格雷碼盤的14位格雷碼信號,就相當于低頻率的脈沖輸入,PLC要求外部輸入信號的ON和OFF狀態反應時間只要大于或等于2ms就可以被PLC的輸入模塊可靠地采集。因為一般PLC的輸入延遲不到8ms,實際應用中,由于儲罐體積大小的影響,儲罐內介質的液位變化是十分緩慢,液位變化±1mm的反應時間都在幾秒鐘以上,就等同于采集14位格雷碼每變化一位的時間都大于PLC的輸入模塊采集的反應時間。
    采集數據傳輸的距離:PLC要求外部輸入信號的ON狀態時電壓大于4V/mA;OFF狀態時電壓小于4V/mA,就可以被PLC的16點直流輸入模塊可靠地采集。實際應用中,罐區最遠的儲罐距操作室約為700m,在PLC的16點直流輸入模塊端子上測量格雷碼信號輸入時,ON狀態時的電壓約為19V;OFF狀態時的電壓為0V,滿足了PLC的技術要求。同時,儲罐溫度信號也通過此電纜由PLC的A/D模塊采集。
    經PLC采集、運算后的液位、溫度數據由PLC的通訊端口采用RS-232/RS-485方式和上位機進行通訊,這樣,如希望構成控制計算機冗余的系統就比較容易。
    同時,改造成本(PLC+電纜)低于購買原型號的浮子鋼帶液位計變送器的價格。要增加改造1臺變送器,PLC只需增加1塊16點直流輸入模塊和1根電纜(1臺SC-500PLC最多可以帶24塊16點直流輸入模塊)。當改造多臺以上變送器時,成本低于購買原型號的電路板的價格?,F場的變送器不再存在感應雷擊和潮濕短路而損壞等隱患,由于PLC產品抗干擾能力強,具有較高的可靠性和穩定性,使數據采集的抗干擾和可靠性大大地提高了。但格雷碼不是權重碼,每一位碼沒有確定的大小,不能直接進行比較大小和算術運算,也不能直接轉換成液位信號,要經過一次碼變換,變成自然二進制碼,再由上位機讀取。解碼的方法是‘0’和采集來的14位格雷碼的zui高位(第14位)異或,結果保留到14位,再將異或的值和下一位(第13位)相異或,結果保留到13位,再將相異或的值和下一位(第12位)異或,結果保留到12位,依次類推,直到zui低位,依次異或轉換后的值(二進制數)就是格雷碼轉換后自然碼的值。
    經在現場使用效果看,改造、投用后的變送器運行安全穩定,數據采集可靠,同時,變送器維護簡單,故障率大大減少,減輕了儀表工的日常維護量,從浮子鋼帶液位計變送器改造后的使用效果和改造資金投資額度來看,此方法已被證明不失為一種可靠的、好的方法,豐富了PLC的應用領域,取得了良好的經濟和社會效益。
     

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