磁翻板液位计在甲醇原料罐液位自动控制装置的研制与应用

 

1  概述

某套化工连续生产线以甲醇为主要原料，在生产厂区内设置有若干个单体容积为60m3的甲醇储罐，作为甲醇的存放容器，由原料供应商通过化工液体运输槽车进行转注[1]。生产线的工艺系统中还配备了一台4m3的甲醇原料罐，60m3甲醇储罐中的甲醇通过叶片式离心泵间歇性地加入甲醇原料罐，而甲醇原料罐中的甲醇通过容积式计量泵连续地加入生产线后续反应装置中，因此，在开车生产过程中，需要保证甲醇原料罐的液位始终高于某一设定值。在该化工连续生产线建成投产后，上述设备的启停等操作均由人工手动完成。

 

近年来，随着自动控制技术的发展，液位控制的自动化技术已经拓展到化工生产等多个领域，可显著提高生产过程的安全性和稳定性[2-3]。本文利用西门子公司的PLC系统[4]，研制了甲醇原料罐液位的自动控制装置，从而减轻了现场操作人员的工作量，提高了甲醇液位的稳定性，具有一定的参考价值和推广前景。

 

2  硬件搭建

在原有的手动操作工况下，现场员工定期去甲醇原料罐巡视，通过目视观察原料罐磁翻板液位计的示数，决定是否启动甲醇储罐的离心泵加注甲醇，工艺流程如图1所示。

在此次改造过程中，首先替换了原有的目视化磁翻板液位计，选用带有远传功能的磁翻板液位传感器[5]。磁翻板液位计（液位传感器）适用于石油、化工等工业领域的液位指示，该类型磁翻板液位计结构简单，观察直观清晰，常用于高温、高压、腐蚀性介质等工作场合，密封性较好，不易堵塞渗漏，安装方便，维修简单。其基本原理是浮力原理和磁性耦合作用，当甲醇原料罐中的液位升降时，液位计本体管中的磁性浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器，驱动红/白双色翻柱翻转180°。当液位上升时，翻柱由白色转变为红色，当液位下降时，翻柱由红色转变为白色，指示器的红白交界处为容器内部液位的实际高度，从而实现液位清晰的指示。目前市场上销售的磁翻板液位计红/白双色翻柱宽度为10mm，即液位指示的目视误差为±10mm。

 

磁翻板液位传感器需具备远传功能，通过将电阻链固定在磁翻板附近，使其处于磁翻板液位计同一磁耦系统中，当磁性浮子随液位上下移动时，对应液位位置的簧片受浮子内磁场的作用而动作，使电阻链阻值发生变化，通过转换模块将变化的电阻信号转换成二线制4～20mA标准直流信号输出，由PLC系统接收处理后，从而实现显示、控制、调节和报警等自动化控制目标。

 

PLC系统选取西门子S7-200系列，作为一种小型可编程序控制器，具有较高的性价比。该PLC集成24V负载电源，可直接连接到传感器和变送器；CPU型号为222，具有8个数字量输入和6个数字量输出，可连接2个扩展模块，具备1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。还具有6kB字节程序和数据存储空间；具有4个独立的30kHz高速计数器，可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加减计数；2路独立的20kHz高速脉冲输出。模拟量扩展模块选用EM235型号，实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能，其中，模拟量输入模块使用前进行了输入校准。zui后，该液位自动控制装置还选用触摸屏作为操作人员与PLC系统互相通讯的界面，监控设备的运行状态，随时处理设备运行时的反馈信息。该装置的实物连接示意图如图2所示。

 

3  组态软件编程

该装置的软件部分采用WinCC组态软件进行编程。WinCC也是西门子公司的产品，它的开放性和稳定性比较突出，具有脚本编程功能，包含了C翻译器和ANSI-C标准函数，是化工企业生产中比较常用的监控工具。

 

该软件具有较好的兼容性，通过PPI主从通信协议与PLC完成通信。它的基本组成有管理器、浏览器以及运行系统。管理器用于建立和管理新项目，对已经存在的项目执行相关的操作。浏览器的作用是建立监控界面、定义及分配变量、编辑运行语言等。运行系统的作用是让操作人员监控设备状态。

 

在本套化工连续生产线中，甲醇液位自动控制的原理是：甲醇原料罐的液位传感器通过变送器将液位信号转换为4～20mA的直流电流模拟量信号输入PLC，并再次转换为数字信号。当该信号低于50%时，由输出一个控制信号送往变频器，控制变频器输出功率，从而控制补加甲醇的离心泵电机转速，达到输送甲醇至甲醇原料罐的目的。控制装置系统采用的西门子7.5kW变频器，考虑到电网频率、变频器和电机工作频率等多方面的因素，把50Hz设定为电机运行时的工作频率。

 

该装置使用了闭环控制方式，当液位低于50%时，变频器通电、启动电机；当液位高于90%时，变频器迅速降低频率，使离心泵减速，直至停泵。控制系统结构图如图3所示。该装置还设有液位检测与报警、变频器故障检测与报警等故障处理功能。例如，当液位低于45%或者高于95%时，PLC会以声光形式持续报警，提示操作员工及时检查设备状态并处理故障。

4  结束语

新研制的甲醇原料罐液位自动控制装置目前已投入运行，现场实施效果较好。可编程控制器与变频器结合实现的液位自动控制装置结构稳定、控制精度较高、运行可靠，杜绝了生产线设备因甲醇供应不足形成的事故隐患，降低了计量泵等运行设备的维护费用，提高了甲醇的反应效率，减少了工人的劳动强度，提高了安全系数。

 

现有控制装置实现了对甲醇原料罐液位的控制、调节以及设备运行状态的监控功能，今后将通过开发上位机数据管理系统，充分利用变频器的变频功能，实现离心泵与计量泵的综合统筹控制功能，提高对全系统的管理能力，持续提高生产线的智能化程度。