磁翻板液位計在甲醇原料罐液位自動控制裝置的研制與應用

 

1  概述

某套化工連續生產線以甲醇為主要原料，在生產廠區內設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，由原料供應商通過化工液體運輸槽車進行轉注[1]。生產線的工藝系統中還配備了一臺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地加入生產線后續反應裝置中，因此，在開車生產過程中，需要保證甲醇原料罐的液位始終高于某一設定值。在該化工連續生產線建成投產后，上述設備的啟停等操作均由人工手動完成。

 

近年來，隨著自動控制技術的發展，液位控制的自動化技術已經拓展到化工生產等多個領域，可顯著提高生產過程的安全性和穩定性[2-3]。本文利用西門子公司的PLC系統[4]，研制了甲醇原料罐液位的自動控制裝置，從而減輕了現場操作人員的工作量，提高了甲醇液位的穩定性，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，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、化工等工業領域的液位指示，該類型磁翻板液位計結構簡單，觀察直觀清晰，常用于高溫、高壓、腐蝕性介質等工作場合，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，浮子內的永久磁鋼通過磁耦合傳遞到磁翻柱指示器，驅動紅/白雙色翻柱翻轉180°。當液位上升時，翻柱由白色轉變為紅色，當液位下降時，翻柱由紅色轉變為白色，指示器的紅白交界處為容器內部液位的實際高度，從而實現液位清晰的指示。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中，當磁性浮子隨液位上下移動時，對應液位位置的簧片受浮子內磁場的作用而動作，使電阻鏈阻值發生變化，通過轉換模塊將變化的電阻信號轉換成二線制4～20mA標準直流信號輸出，由PLC系統接收處理后，從而實現顯示、控制、調節和報警等自動化控制目標。

 

PLC系統選取西門子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個數字量輸入和6個數字量輸出，可連接2個擴展模塊，具備1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力。還具有6kB字節程序和數據存儲空間；具有4個獨立的30kHz高速計數器，可編程并具有復位輸入，2個獨立的輸入端可同時作加減計數；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。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系統互相通訊的界面，監控設備的運行狀態，隨時處理設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  組態軟件編程

該裝置的軟件部分采用WinCC組態軟件進行編程。WinCC也是西門子公司的產品，它的開放性和穩定性比較突出，具有腳本編程功能，包含了C翻譯器和ANSI-C標準函數，是化工企業生產中比較常用的監控工具。

 

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

 

在本套化工連續生產線中，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換為4～20mA的直流電流模擬量信號輸入PLC，并再次轉換為數字信號。當該信號低于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速，達到輸送甲醇至甲醇原料罐的目的。控制裝置系統采用的西門子7.5kW變頻器，考慮到電網頻率、變頻器和電機工作頻率等多方面的因素，把50Hz設定為電機運行時的工作頻率。

 

該裝置使用了閉環控制方式，當液位低于50%時，變頻器通電、啟動電機；當液位高于90%時，變頻器迅速降低頻率，使離心泵減速，直至停泵。控制系統結構圖如圖3所示。該裝置還設有液位檢測與報警、變頻器故障檢測與報警等故障處理功能。例如，當液位低于45%或者高于95%時，PLC會以聲光形式持續報警，提示操作員工及時檢查設備狀態并處理故障。

4  結束語

新研制的甲醇原料罐液位自動控制裝置目前已投入運行，現場實施效果較好。可編程控制器與變頻器結合實現的液位自動控制裝置結構穩定、控制精度較高、運行可靠，杜絕了生產線設備因甲醇供應不足形成的事故隱患，降低了計量泵等運行設備的維護費用，提高了甲醇的反應效率，減少了工人的勞動強度，提高了安全系數。

 

現有控制裝置實現了對甲醇原料罐液位的控制、調節以及設備運行狀態的監控功能，今后將通過開發上位機數據管理系統，充分利用變頻器的變頻功能，實現離心泵與計量泵的綜合統籌控制功能，提高對全系統的管理能力，持續提高生產線的智能化程度。