用PLC改造罐区钢带浮子液位计的变送器

摘要：结合作者的实际应用经验，介绍了用一种用PLC改造浮子钢带液位计变送器的方法，并从技术角度和经济效益上分析了这种方法的可行性。介绍了格雷码编码的规则，给出了PLC将格雷码转二进制码的源程序。 关键词：罐区自动化；PLC；储罐液位；格雷码；自然码； Reform an area steel to take changing of a Liquid high degree to send the with PLC Summary: The actual application experience of the knot cooperator, introduced to act for the son liquid the rule for changing of send the method of the ing, from the technique with economic performance up analyzing the possibility of this kind of method, and introducing the Gray Code thunder the code coding with a kind of PLC, and give out to use the PLC Gray Code thunder the code turn the binary system code the procedure. Key phrase: Bottle area automation; PLC； bottle liquid; Gray Code; Nature code; 一、概述 随着计算机应用技术的日益普及、网络及数据库技术的发展和储运自动化用检测仪表、执行机构的品种的日益繁多、检测和控制的可靠性的提高，使石油化工行业新建、扩建或升级改造储运罐区的计算机网络系统成为现实可能。 在新建、扩建或升级改造罐区计算机网络系统的工程资金中，对于现场检测用一次仪表的购置的资金约占整个新建、扩建或升级改造罐区计算机网络系统工程资金总投资的大半。 为了相关生产装置的安全、平稳运作和油品交接中的计量和经济核算，精确检测储罐参数，及时掌握储罐库存，是十分重要的。 在罐区现场需要检测的生产参数中，储罐液位参数的检测是一项非常重要的工作。通过检测储罐液位，可以掌握生产动态，调控指挥生产，避免出现冒顶、抽空等事故，同时，储罐液位参数还是准确计量库存的前提保证。 二、罐区概况 在国内，近20年来，对于罐区现场储罐液位检测用一次表，一直是以钢带浮子液位计为主。这类仪表的共同点是它由浮筒、钢带部分和变送器部分等组成。浮筒随着储罐液面上下浮动，钢带浮子液位计的变送器把浮筒所处的位置转换成对应的电信号，再远传至终端设备。 北方某大型炼油厂的罐区计算机系统，此次改造前是80年代末期投资建造的，罐区现场每个储罐的液位和温度检测，采用的是罗斯蒙特（Roesmont）仪表集团所属的维雷（VAERC）公司的浮子钢带液位计和配套使用的变送器。由于仪表安装时间较长，浮子钢带液位计的变送器部分大都已损坏，结果，造成许多储罐的液位和温度信号无法接入操作站的计算机，同时，因储运调度室和罐区操作站之间无法通讯，致使整个系统基本处于瘫痪状态。针对罐区原系统存在的问题，我们把升级改造的重点首先放在储罐的液位和温度检测部分。同时，厂方要求在此次罐区改造工程中,储罐测量液位的一次表，希望仍采用浮子钢带液位计。 三、改造措施 根据实际情况，对于现场储罐测量液位的钢带浮子液位计，我们决定改造的变送器部分。但如果更换新的原型号的浮子钢带液位计变送器的话，价格在9800元左右，更换新型号的浮子钢带液位计变送器（光电式），价格在19000元左右。造成变送器的改造成本偏高。 浮子钢带液位计变送器主要分为两部分； （1）将浮子钢带液位计输出的和液位相对应的机械转角位移量信号转换成数码信号的编码机构部分，（2）将编码机构采样的数码值，转换成电信号并输出的，由MSC—51单片机组成的信号转换和远传电路部分。 在剖析损坏的变送器的过程中，发现变送器的电路部分因感应雷击和潮湿短路等原因损坏，已不能修复。如购买原型号的电路板，价格在6000多元。变送器的核心的部件编码机构，因为是机械结构形式，基本完好，经过修理，可以使用。 目前，应最多的编码机构有格雷码盘和BCD码盘两种，就是将液位的量值转换成对应的格雷码或BCD码。其中格雷码盘的编码机构应用最早。维雷（VAERC）公司的浮子钢带液位计变送器的编码机构采用的就是格雷码盘方式。 格雷码（英文：Gray Code, Grey Code,又称作葛莱码，二进制循环码）是1880年由法国工程师Jean-Maurice-Emlle Baudot发明的一种编码，是一种绝对编码方式，典型格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式，因为，虽然自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但在某些情况，例如从十进制的3转换为4时二进制码的每一位都要变，能使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点，它在相邻位间转换时，只有一位产生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。由于这种编码相邻的两个码组之间只有一位不同，因而在用于浮子钢带的转角位移量－数字量的转换中，当浮子钢带的转角位移量发生微小变化（1mm）而可能引起数字量发生变化时，格雷码仅改变一位，这样与其它编码同时改变两位或多位的情况相比更为可靠，即可减少出错的可能性。表（1）为几种二进制码量化电平对照表。 在液位计的变送器中，编码机构—格雷码盘采用的是14位格雷码来映射浮子钢带输出的转角位移量信号，液位变化1mm时，对应的14位格雷码只变化一位。因此，我们采用AELTA公司SC—500 PLC 的16点直流输入模块，通过一根RVVP—18×.12电缆和现场变送器内格雷码盘连接，直接采集14位格雷码信号至PLC。 四、技术依据 在技术上； 若读入PLC的脉冲频率不高，如每秒不到100次，使用 PLC普通的I/O输入点既可采集。PLC采集现场编码机构—格雷码盘的14位格雷码信号，就相当于低频率的脉冲输入， PLC要求外部输入信号的ON和OFF状态的反应时间只要大于或等于2ms就可以被PLC 的输入模块可靠的采集，因为一般PLC的输入延迟不到8ms，实际应用中，由于罐区储罐体积大小的因素影响，储罐内介质的液位变化是十分缓慢，液位变化±1mm的反应时间都在几秒钟以上，就等同于采集14位格雷码每变化一位的时间都大于PLC的输入模块采集的反应时间。 在采集数据传输的距离上；PLC要求外部输入信号的ON状态时的电压大于8v/2mA，OFF状态时的电压小于4v/1mA，就可以被PLC的16点直流输入模块可靠的采集，实际应用中，罐区储罐距操作室的距离最远的一个储罐为700多米，在PLC的16点直流输入模块端子上测量格雷码信号输入时，ON状态时的电压为19v左右，OFF状态时的电压为0v，满足了PLC的技术要求。同时，储罐温度信号也通过此电缆由PLC的A/D模块采集。 经PLC采集、运算后的液位、温度数据由PLC的通讯端口采用RS232/RS485方式和上位机进行通讯，这样，如希望构成控制计算机冗余的系统就比较容易。 同时，改造成本（PLC+电缆）低于购买原型号的浮子钢带液位计变送器的价格，要增加改造一个变送器，PLC只需增加一个16点直流输入模块和一根电缆，一个SC—500的 PLC最多可以带24个16点直流输入模块。当改造多台以上变送器时，成本低于购买原型号的电路板的价格。现场的变送器不再存在感应雷击和潮湿短路而损坏等的隐患，由于PLC产品高的抗干扰、高的可靠、稳定性等优点，使数据采集的抗干扰和可靠性大大的提高了。 但格雷码不是权重码，每一位码没有确定的大小，不能直接进行比较大小和算术运算，也不能直接转换成液位信号，要经过一次码变换，变成自然二进制码,再由上位机读取。解码的方法是用‘0’和采集来的14位格雷码的最高位（第14位）异或，结果保留到14位，再将异或的值和下一位（第13位）相异或，结果保留到13位，再将相异或的值和下一位（第12位）异或，结果保留到12位，依次异或，直到最低位，依次异或转换后的值（二进制数）就是格雷码转换后自然码的值。PLC源程序如图（1）、图（2）、图（3）。T.01为采样现场格雷码时间的定时器，就是定时（1.6秒）采集PLC输入模块10001单元的值，BROT为移位指令，移位后的最高位保留在40300单元，和‘0’所在的40301单元相异或，格雷码转换后的结果为十进制数，保留在40035单元。 五、结束语 经在现场使用效果看，改造、投用后的变送器运行安全稳定、数据采集可靠,同时，变送器维护简单，故障率大大减少，减轻了仪表工的日常维护量。从浮子钢带子液位计变送器改造后的使用效果和改造资金投资额度来看，此方法已被证明不失为一种可靠的、好的方法，丰富了PLC的应用领域，取得了良好的经济和社会效益。 参考文献：AELTA SC—500可编程序控制器 指令手册 [美] H 塔伯．D 希林．数字集成电子学．北京：科学出版社．1983．