結(jié)合作者的實際應(yīng)用經(jīng)驗，介紹了用一種用PLC改造浮子鋼帶液位計變送器的方法，并從技術(shù)角度和經(jīng)濟(jì)效益上分析了這種方法的可行性。介紹了格雷碼編碼的規(guī)則，給出了PLC將格雷碼轉(zhuǎn)二進(jìn)制碼的源程序。

一、概述

隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的日益普及、網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展和儲運(yùn)自動化用檢測儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的品種的日益繁多、檢測和控制的可靠性的提高，使石油化工行業(yè)新建、擴(kuò)建或升級改造儲運(yùn)罐區(qū)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)成為現(xiàn)實可能。

在新建、擴(kuò)建或升級改造罐區(qū)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工程資金中，對于現(xiàn)場檢測用一次儀表的購置的資金約占整個新建、擴(kuò)建或升級改造罐區(qū)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程資金總投資的大半。

為了相關(guān)生產(chǎn)裝置的安全、平穩(wěn)運(yùn)作和油品交接中的計量和經(jīng)濟(jì)核算，精確檢測儲罐參數(shù)，及時掌握儲罐庫存，是十分重要的。 在罐區(qū)現(xiàn)場需要檢測的生產(chǎn)參數(shù)中，儲罐液位參數(shù)的檢測是一項非常重要的工作。通過檢測儲罐液位，可以掌握生產(chǎn)動態(tài)，調(diào)控指揮生產(chǎn)，避免出現(xiàn)冒頂、抽空等事故，同時，儲罐液位參數(shù)還是準(zhǔn)確計量庫存的前提保證。

二、罐區(qū)概況

在國內(nèi)，近20年來，對于罐區(qū)現(xiàn)場儲罐液位檢測用一次表，一直是以鋼帶浮子液位計為主。這類儀表的共同點是它由浮筒、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，鋼帶浮子液位計的變送器把浮筒所處的位置轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電信號，再遠(yuǎn)傳至終端設(shè)備。

北方某大型煉油廠的罐區(qū)計算機(jī)系統(tǒng)，此次改造前是80年代末期投資建造的，罐區(qū)現(xiàn)場每個儲罐的液位和溫度檢測，采用的是羅斯蒙特(Roesmont)儀表集團(tuán)所屬的維雷(VAERC)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(jié)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(jī)，同時，因儲運(yùn)調(diào)度室和罐區(qū)操作站之間無法通訊，致使整個系統(tǒng)基本處于癱瘓狀態(tài)。針對罐區(qū)原系統(tǒng)存在的問題，我們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，廠方要求在此次罐區(qū)改造工程中,儲罐測量液位的一次表，希望仍采用浮子鋼帶液位計。

三、改造措施

根據(jù)實際情況，對于現(xiàn)場儲罐測量液位的鋼帶浮子液位計，我們決定改造的變送器部分。但如果更換新的原型號的浮子鋼帶液位計變送器的話，價格在9800元左右，更換新型號的浮子鋼帶液位計變送器(光電式)，價格在19000元左右。造成變送器的改造成本偏高。

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(yīng)的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)碼信號的編碼機(jī)構(gòu)部分，(2)將編碼機(jī)構(gòu)采樣的數(shù)碼值，轉(zhuǎn)換成電信號并輸出的，由MSC—51單片機(jī)組成的信號轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)傳電路部分。

在剖析損壞的變送器的過程中，發(fā)現(xiàn)變送器的電路部分因感應(yīng)雷擊和潮濕短路等原因損壞，已不能修復(fù)。如購買原型號的電路板，價格在6000多元。變送器的核心的部件編碼機(jī)構(gòu)，因為是機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，基本完好，經(jīng)過修理，可以使用。 目前，應(yīng)最多的編碼機(jī)構(gòu)有格雷碼盤和BCD碼盤兩種，就是將液位的量值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的格雷碼或BCD碼。其中格雷碼盤的編碼機(jī)構(gòu)應(yīng)用最早。維雷(VAERC)公司的浮子鋼帶液位計變送器的編碼機(jī)構(gòu)采用的就是格雷碼盤方式。

格雷碼(英文：Gray CODe, Grey Code,又稱作葛萊碼，二進(jìn)制循環(huán)碼)是1880年由法國工程師Jean-Maurice-Emlle Baudot發(fā)明的一種編碼，是一種絕對編碼方式，典型格雷碼是一種具有反射特性和循環(huán)特性的單步自補(bǔ)碼，它的循環(huán)、單步特性消除了隨機(jī)取數(shù)時出現(xiàn)重大誤差的可能，它的反射、自補(bǔ)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(jìn)制碼可以直接由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，但在某些情況，例如從十進(jìn)制的3轉(zhuǎn)換為4時二進(jìn)制碼的每一位都要變，能使數(shù)字電路產(chǎn)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(zhuǎn)換時，只有一位產(chǎn)生變化。它大大地減少了由一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)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(zhuǎn)角位移量-數(shù)字量的轉(zhuǎn)換中，當(dāng)浮子鋼帶的轉(zhuǎn)角位移量發(fā)生微小變化(1mm)而可能引起數(shù)字量發(fā)生變化時，格雷碼僅改變一位，這樣與其它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)為幾種二進(jìn)制碼量化電平對照表。

在液位計的變送器中，編碼機(jī)構(gòu)—格雷碼盤采用的是14位格雷碼來映射浮子鋼帶輸出的轉(zhuǎn)角位移量信號，液位變化1mm時，對應(yīng)的14位格雷碼只變化一位。因此，我們采用AELTA公司SC—500 PLC 的16點直流輸入模塊，通過一根RVVP—18×.12電纜和現(xiàn)場變送器內(nèi)格雷碼盤連接，直接采集14位格雷碼信號至PLC。

四、技術(shù)依據(jù)

在技術(shù)上; 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輸入點既可采集。PLC采集現(xiàn)場編碼機(jī)構(gòu)—格雷碼盤的14位格雷碼信號，就相當(dāng)于低頻率的脈沖輸入， PLC要求外部輸入信號的ON和OFF狀態(tài)的反應(yīng)時間只要大于或等于2ms就可以被PLC 的輸入模塊可靠的采集，因為一般PLC的輸入延遲不到8ms，實際應(yīng)用中，由于罐區(qū)儲罐體積大小的因素影響，儲罐內(nèi)介質(zhì)的液位變化是十分緩慢，液位變化±1mm的反應(yīng)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(yīng)時間。

在采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x上;PLC要求外部輸入信號的ON狀態(tài)時的電壓大于8v/2mA，OFF狀態(tài)時的電壓小于4v/1mA，就可以被PLC的16點直流輸入模塊可靠的采集，實際應(yīng)用中，罐區(qū)儲罐距操作室的距離最遠(yuǎn)的一個儲罐為700多米，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(tài)時的電壓為 19v左右，OFF狀態(tài)時的電壓為0v，滿足了PLC的技術(shù)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(jīng)PLC采集、運(yùn)算后的液位、溫度數(shù)據(jù)由PLC的通訊端口采用RS232/RS485方式和上位機(jī)進(jìn)行通訊，這樣，如希望構(gòu)成控制計算機(jī)冗余的系統(tǒng)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，要增加改造一個變送器，PLC只需增加一個16點直流輸入模塊和一根電纜，一個SC—500的 PLC最多可以帶24個16點直流輸入模塊。當(dāng)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(xiàn)場的變送器不再存在感應(yīng)雷擊和潮濕短路而損壞等的隱患，由于PLC產(chǎn)品高的抗干擾、高的可靠、穩(wěn)定性等優(yōu)點，使數(shù)據(jù)采集的抗干擾和可靠性大大的提高了。

但格雷碼不是權(quán)重碼，每一位碼沒有確定的大小，不能直接進(jìn)行比較大小和算術(shù)運(yùn)算，也不能直接轉(zhuǎn)換成液位信號，要經(jīng)過一次碼變換，變成自然二進(jìn)制碼,再由上位機(jī)讀取。解碼的方法是用 ‘0’和采集來的14位格雷碼的最高位(第14位)異或，結(jié)果保留到14位，再將異或的值和下一位(第13位)相異或，結(jié)果保留到13位，再將相異或的值和下一位(第12位)異或，結(jié)果保留到12位，依次異或，直到最低位，依次異或轉(zhuǎn)換后的值(二進(jìn)制數(shù))就是格雷碼轉(zhuǎn)換后自然碼的值。PLC源程序如圖(1)、圖(2)、圖(3)。T.01為采樣現(xiàn)場格雷碼時間的定時器，就是定時(1.6秒)采集PLC輸入模塊10001單元的值，BROT為移位指令，移位后的最高位保留在40300單元，和‘0’所在的40301單元相異或，格雷碼轉(zhuǎn)換后的結(jié)果為十進(jìn)制數(shù)，保留在40035單元。

五、結(jié)束語

經(jīng)在現(xiàn)場使用效果看，改造、投用后的變送器運(yùn)行安全穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集可靠,同時，變送器維護(hù)簡單，故障率大大減少，減輕了儀表工的日常維護(hù)量。從浮子鋼帶子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(yīng)用領(lǐng)域，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。