摘 要：某海上平臺共有注水流量計(jì) 10 臺，流量計(jì)安裝于豎直管線上，距離地面 4 m 以上，人員巡檢時(shí)需要爬上二層平臺，存在跌落風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)由于中控授權(quán)不足，流量計(jì)數(shù)據(jù)無法全部傳至中控，使中控操作人員無法及時(shí)準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場注水情況。使用西門子 S7-200 PLC 及海泰克觸摸屏 PWS1711 實(shí)現(xiàn)了注水流量的瞬時(shí)及累積量的現(xiàn)場集中顯示，并通過 485 通信將流量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至中控顯示，只用 2 個(gè) AI 授權(quán)實(shí)現(xiàn)了原先需要 10 個(gè) AI 授權(quán)才能實(shí)現(xiàn)的功能，緩解了中控授權(quán)緊張的問題。改造實(shí)施后中控操作人員能夠及時(shí)準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場注水情況，為注好水、注夠水提供了有效保障，同時(shí)節(jié)省了現(xiàn)場人員的巡檢時(shí)間，提高了工作效率，降低了工作中的風(fēng)險(xiǎn)。
1 問題描述
某海上平臺共有注水流量計(jì) 10 臺，流量計(jì)安裝于豎直管線上，距離地面高度達(dá) 4 m 以上，流量計(jì)遠(yuǎn)傳信號電流(4～20 mA)通過 IP 電纜一對一傳送至中控 DCS 系統(tǒng)顯示。在現(xiàn)場實(shí)際使用過程中遇到 2 個(gè)問題。
問題 1：中控點(diǎn)位授權(quán)不足，無法實(shí)現(xiàn)全部流量信號接入中控顯示。中控?zé)o法及時(shí)精que掌握現(xiàn)場注水情況，故影響注水質(zhì)量，進(jìn)而影響平臺產(chǎn)量、效益。
問題 2：流量計(jì)安裝高度較高且分布比較分散，人員巡檢時(shí)需要爬到二層流量計(jì)平臺或高凳上查看流量數(shù)值，存在墜落風(fēng)險(xiǎn)，且耗時(shí)較長，效率不高。
2 改造方案
通過以上分析得知，此次改造需要滿足流量信號全部接入中控顯示和現(xiàn)場低高度集中顯示 2 項(xiàng)要求。
該海上平臺所有注水流量計(jì)均為菲舍波特電磁流量計(jì)，其瞬時(shí)量以 4～20 mA 電流信號輸出，無累積量輸出信號。將注水流量計(jì)輸出的電流信號接入PLC 的 AI 模塊，在 PLC 內(nèi)進(jìn)行程序運(yùn)算，計(jì)算出流量計(jì)的瞬時(shí)量與累積量，通過海泰克觸摸屏進(jìn)行流量數(shù)值的現(xiàn)場顯示，并進(jìn)行當(dāng)日當(dāng)前累計(jì)注入量的顯示，方便得知當(dāng)日注入水量的多少。每臺流量計(jì)的流量數(shù)據(jù)由 S7-200 PLC 通過 485 通信傳至中控，在中控進(jìn)行組態(tài)顯示瞬時(shí)量與累積量。該平臺使用的中控系統(tǒng)為 Emerson 公司 DELTAV 系統(tǒng)，有備用 485接口，滿足改造要求。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示。
3 改造實(shí)施
3.1 PLC程序編寫
注水流量計(jì)輸出為 4～20 mA 電流信號，通過 AI模塊 EM235 接入西門子 PLC S7-200 中，需要對該信號進(jìn)行相應(yīng)的量程轉(zhuǎn)換得到瞬時(shí)流量。由流量計(jì)輸出的電流信號與流量成線性關(guān)系可得知：
Q 瞬時(shí)量＝Q 量程(I-4)/16
式中：Q 瞬時(shí)量為流量計(jì)瞬時(shí)流量，Q 量程為流量計(jì)量程，I 為流量計(jì)輸出電流。
在 PLC 內(nèi) 4 mA 對應(yīng) PLC 內(nèi)機(jī)械數(shù)為 6 400，20 mA 對應(yīng)機(jī)械數(shù)為 32 000，所以：
Q 瞬時(shí)量＝Q 量程(PLC 內(nèi)機(jī)械數(shù)-6 400)/25 600
4～20 mA 信號電流轉(zhuǎn)換到工程量的程序編寫如圖 2 所示。
在通道未接線或流量計(jì)輸出略小于 4 mA 時(shí)上述減法運(yùn)算會出現(xiàn)溢出，為防止溢出需對小于 4 mA的信號進(jìn)行過濾。由于 PLC 讀入的數(shù)據(jù)是整數(shù)，為保證精度需要轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，即整數(shù)需要先轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)，雙整數(shù)再轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)。程序編寫如圖 3
所示。
上述程序是針對 1 臺流量計(jì)的編程過程，本次改造是將 10 臺流量計(jì)接入 PLC 內(nèi)，因此將上述程序做成子程序，每臺流量計(jì)的計(jì)算調(diào)用子程序即可。
累積流量就是將每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的流量累加起來的流量，為保證累積量的精度必須保證用于累加的瞬時(shí)量的準(zhǔn)確度，那就必須設(shè)定一個(gè)極短的時(shí)間間隔才能保證瞬時(shí)流量的準(zhǔn)確度。這樣就必須用定時(shí)中斷才能實(shí)現(xiàn)，并且在 PLC 程序內(nèi)只能運(yùn)行這一個(gè)中斷程序，不允許再產(chǎn)生其他中斷，以防止干擾定時(shí)中斷的時(shí)間間隔的準(zhǔn)確性。程序編寫時(shí)shou先在主程序里進(jìn)行中斷的使能，并設(shè)定為每 100 ms 進(jìn)行 1 次中斷，在中斷程序內(nèi)先求出每 100 ms 的 流 量 值 ，在 每100 ms 中斷時(shí)進(jìn)行 1 次流量的累加，程序編寫如圖 4所示。
累計(jì)量的計(jì)算進(jìn)行今日累計(jì)和昨日累計(jì)的運(yùn)算，通過今日累計(jì)的查看可以更方便地進(jìn)行注水量的調(diào)整，昨日累計(jì)的運(yùn)算省去了現(xiàn)場人員每日注水量的手 動計(jì)算，提高了工作效率。程序編寫時(shí)shou先讀取 PLC內(nèi)時(shí)間，在每天的 24 點(diǎn)把累計(jì)量保存到上一天，并把當(dāng)前累計(jì)量清零。
PLC 內(nèi)的流量數(shù)據(jù)通過 485 遠(yuǎn)傳至中控，需要對 S7-200 PLC 的 PORT 0 口進(jìn)行初始化，PLC 作為從 站 ，中 控 作 為 主 站 讀 取從站 的 數(shù) 據(jù) 。調(diào) 用MBUS_INIT 指令，PLC 地址為 1，波特率為 9 600， 無奇偶校驗(yàn)，讀取 VB602 開始的 300 個(gè)字地址數(shù)據(jù)，并添加 MBUS_SLAVE 指令，該指令被用于為 485 主設(shè)備發(fā)出的請求服務(wù)，并且必須在每次掃描時(shí)執(zhí)行，以便允許該指令檢查和回答 485 請求。
3.2 觸摸屏組態(tài)
本次改造利用電泵柜升級改造換下的海泰克觸摸屏 PWS1711 進(jìn)行流量計(jì)瞬時(shí)量和累積量的顯示，需要對觸摸屏進(jìn)行畫面組態(tài)，利用 ADP 組態(tài)軟件進(jìn) 行畫面的組態(tài)，并實(shí)現(xiàn)與 PLC 的通信。
由于本次使用的觸摸屏 PWS1711 型號較老，組態(tài)軟件只能使用 ADP3.2 版本。如圖 5 所示，在 ADP軟件中點(diǎn)擊新應(yīng)用，輸入新建應(yīng)用名稱，在人機(jī)界面種類中選 PWS1711 MONO，在 PLC 種類里選 S7-200，完成后在畫面菜單內(nèi)選擇新建畫面。
如圖 6 所示，在kongbai畫面中組態(tài)出需要顯示的文 字和數(shù)值。瞬時(shí)流量值的顯示為直接讀取 PLC 內(nèi)相應(yīng)存儲區(qū)的數(shù)值，選擇動態(tài)數(shù)值元件，變量讀取地址 為 PLC 內(nèi)對應(yīng)的地址。PWS1711 觸摸屏型號較老，只能讀取 PLC 內(nèi)的整數(shù)，無法直接讀取小數(shù)部分，小數(shù)部分的顯示是在組態(tài)中選擇小數(shù)位數(shù)，例如選擇一位小數(shù)就是 PLC 內(nèi)數(shù)值的#后一位作為小數(shù)部分顯示出來。整數(shù)位數(shù)和小數(shù)位數(shù)是顯示數(shù)值的格式。
為了便于量程的修改，設(shè)置了量程設(shè)置按鈕和畫面，量程按鈕設(shè)置點(diǎn)擊時(shí)打開量程設(shè)置畫面，該畫面中的量程設(shè)置選用輸入顯示元件，可以直接通過觸摸屏將量程寫入到 PLC 內(nèi)對應(yīng)的地址。組態(tài)完成后進(jìn)行編譯，編譯成功后進(jìn)行組態(tài)下載，將編輯好的組態(tài)下載到觸摸屏中。
本次改造使用的接線箱為以前施工余料，由于接線箱較小，PLC 與觸摸屏無法安裝到一個(gè)接線箱內(nèi)，只能分別安裝到 2 個(gè)接線箱內(nèi)。顯示接線箱安裝高度為 1.4 m 處，方便人員巡檢查看。安裝完成后，按 照現(xiàn)場參數(shù)對顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，保持顯示數(shù)據(jù)與流量計(jì)顯示數(shù)據(jù)一致，達(dá)到了流量計(jì)現(xiàn)場低位集中顯示的目的。
3.3 中控組態(tài)
注水流量集顯系統(tǒng) PLC 內(nèi)的數(shù)據(jù)通過 485 通信傳至中控，接入備用 485 端口。shou先將備用端口使能，高級屬性中設(shè)置為 RTU 通信模式，主站通信屬性設(shè)置為 485 半雙工通信模式，波特率 9 600，無奇偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位 8 位，停止位 1 位。在 P02 口下新建一個(gè)串口設(shè)備，設(shè)備地址為 1，見圖 7。
在新建的串口設(shè)備下新建 2 個(gè) Dataset，1 個(gè)傳輸瞬時(shí)流量，1 個(gè)傳輸累計(jì)流量。Dataset 的 DeltaV 屬性中數(shù)據(jù)類型為 16 位帶符號數(shù)。Dataset 的 PLC 屬性中 PLC 數(shù)據(jù)類型為 holding register，瞬時(shí)流量的地址偏移為 0，讀取數(shù)據(jù) 40 個(gè)，累計(jì)流量的地址偏移為100，讀取數(shù)據(jù)也是 40 個(gè)，見圖 8。
在對應(yīng)控制器下新建 1 個(gè) Control Module，命名為 FLOW-CDISPSC。在新建的 Control Module 內(nèi)拖 入 1 個(gè) Input parameter、1 個(gè) Out input parameter 和 1 個(gè) DIV 模塊，選擇外部參數(shù)鏈接到對應(yīng)的數(shù)據(jù)上，由于傳輸?shù)氖?16 位的帶符號整數(shù)，要想顯示 1 位小數(shù)，shou先在 PLC 內(nèi)放大 10 倍，再把讀到的數(shù)值進(jìn)行除 10 運(yùn)算，顯示 1 位小數(shù)。所以調(diào)用 DIV 模塊，讀到的數(shù)據(jù)放到 IN_1，IN_2 內(nèi)直接寫入 10，對讀到的數(shù)進(jìn)行除 10 運(yùn)算。依次類推做好剩下的數(shù)據(jù)處理。做完后進(jìn)行保存，分配到對應(yīng)控制器，并進(jìn)行下裝，見圖 9。
在需要顯示的畫面上右擊選擇 Quick Edie 進(jìn)行畫面修改，使用 Datalink 鏈接到對應(yīng)的數(shù)據(jù)上，并將需要顯示的數(shù)據(jù)放置到合適的位置，依次做好其他的數(shù)據(jù)，進(jìn)行保存，運(yùn)行。與現(xiàn)場數(shù)值進(jìn)行核對可知，兩者的顯示數(shù)值一致，達(dá)到了注水流量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至中控的目的。
4 效果及結(jié)論
本次改造完成后，全部流量計(jì)數(shù)據(jù)傳入中控顯示，中控能夠及時(shí)精que地掌握現(xiàn)場注水情況，為控制注水、注夠水提供了有效保障�，F(xiàn)場人員對流量計(jì)數(shù) 據(jù)的巡檢時(shí)間由原先的 20 min 縮短到 5 min，效率提升明顯，且有效降低了工作風(fēng)險(xiǎn)，證明注水流量集顯系統(tǒng)搭建非常成功。
此次改造利用電泵柜升級改造替換下的 PLC 及觸摸屏進(jìn)行注水流量集中顯示，充分實(shí)現(xiàn)了舊物利用，只用了 1 根 1P 電纜和 2 個(gè) AI 授權(quán)就實(shí)現(xiàn)了原 先需要 10 根 1P 電纜和 10 個(gè)授權(quán)才能實(shí)現(xiàn)的功能，節(jié)省了中控點(diǎn)位授權(quán)和用，同時(shí)也拓展了平臺人員設(shè)備管理的思路，為其他設(shè)備的優(yōu)化改造奠定了基 礎(chǔ)。
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