液體流量較準系統的構建——科技論文

一、液體流量較準系統工作原理與硬件構建

    液體流量校準系統主要由供水系統、流量控制裝置和流量檢定裝置組成。供水系統由水箱、水槽和泵組成。流量控制裝置由標準表B、變頻器、泵和電動調節(jié)閥組成。流量檢定裝置由標準表A、被校表和標準容器組成。本次試驗在管道20mm的條件下進行的。流量標定裝置系統結構圖如圖1.1所示。液體流量校準系統的工作原理圖如圖1.2所示。

    流量控制系統主要用來完成管道內流量的控制。包括供水系統管道流量控制和校準系統管道流量控制。供水系統采用變頻器實現水泵電機的變頻調速，渦輪流量計檢測當前管道內的流量，流量信號經變送器輸出標準電信號(4-20mA)通過A/D轉換模塊送入PLC，經PLC進行流量反饋值與設定值的PID運算，運算結果送入變頻器頻率控制端控制變頻器的輸出頻率，從而改變電機轉速，達到控制流量的目的。流量反饋值同時經PLC送入計算機，經組態(tài)軟件進行顯示。由PLC接收控制信號，并實現對電機的起停及切換控制。水泵在變頻器的控制下通過開關閥送入到校準管道內，經電動調節(jié)閥調節(jié)流量流回水池。同時，變頻器的報警信號也全部送入PLC，以便利用PLC與計算機進行通訊并實現監(jiān)控。

基于過程控制試驗裝置系統，結合標準準表法和容積法原理的校準系統，即是以實際流量流過被校驗儀表，再用別的校準裝置(校準流量計或流量校準裝置)測出流過被校驗儀表的實際流量，與被校驗儀表的流量值作比較。先打開手動閥，通過變頻器控制泵轉速以抽取蓄水池中的水，管道中的水經渦輪流量計檢測到的信號反饋給計算機，并于設定值進行比較，使管道中的流量穩(wěn)定。水流經過穩(wěn)定后進入標定管道，標定管道中安裝有標準表、電動調節(jié)閥和被測表，電動閥自動調節(jié)器開度，經過電動閥后，根據標定方法的不同水流流向不同的兩個方向。當球閥1關閉球閥2打開時，水流經過標準容器后在流進蓄水池，此時采用的是標準表法和容積法檢測。當球閥2關閉球閥1打開時，水流通過標準表后直接流向蓄水池，此時采用的是標準表法檢測。            

二、設備選型

控制系統一般由以下幾部分組成：過程控制對象；測量變送器和敏感元件；控制器；執(zhí)行器；記錄顯示裝置、信號濾波器等。硬件電路主要包括以下幾部分：

① 被控對象

管道及閥門：整個系統管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動閥門均采用優(yōu)質球閥，徹底避免了管道系統生銹的可能性，有效地提高了實驗裝置的使用年限。儲水箱底部有一個出水閥，當水箱需要更換水時，把球閥打開將水直接排出。

② 控制器

控制器采用西門子S7-200PLC。計算機用來運行組態(tài)軟件編寫的控制器S7-200PLC，通過對串口的訪問實現管道流量的實時控制。為了實現對模擬量的控制，擴展一片EM235、一片EM232模擬量模塊。計算機在整個試驗中是一個人員操作和控制維護平臺，可以通過組態(tài)監(jiān)測系統的運行，可以將實時數據保存到硬盤中，也可以鏈接打印機將數據打印出來加以分析。

③ 檢測模塊

     用渦輪流量計LWGY-20檢測管道中水的流量?？稍诃h(huán)境溫度-20℃～50℃；被測介質溫度-20℃～120℃; 相對溫度5%～95%;大氣壓力86Kpa～106Kpa條件下使用。測量范圍：0.8-8,寬量程為0.4-8。精度：1.0%，脈沖輸出，傳輸距離可達1000m。

④ 執(zhí)行器

      供水系統執(zhí)行器采用變頻器。為保證水流的穩(wěn)定，本裝置采用日本三菱FR-S520S-0.4K-CH(R)變頻器，通過根據輸入信號的設定改變變頻器的頻率，根據變頻器和轉速的關系從而可以控制管道中的流量。變頻器控制信號輸入為 4～20mADC或 0～5VDC，～220V 變頻輸出用來驅動三相磁力驅動泵。

    校準裝置執(zhí)行器采用智能型電動調節(jié)閥，用來進行控制回路流量的調節(jié)。電動調節(jié)閥型號為：QSVP-16K?？刂菩盘枮?nbsp;4～20mADC 或1～5V DC，輸出 4～20mA DC 的閥位信號。

為節(jié)約水源，采用循環(huán)方式，水箱出來的水流到處水池里，本裝置采用磁力驅動泵，型號為 16CQ-8P，流量為 32升/分，揚程為 8 米，功率為 180W。

在控制系統中，用計算機中S7-200PLC實現控制算法，選用較為通用的西門子CPU224,配以EM235、EM232模塊實現模擬量接口。供水系統管道進水流量通過傳感器儀表測量后經標度轉化，將獲取的信號轉化為1～5V的流量信號，由EM235模塊采集，傳送給計算機，計算機調用相應的算法后，將控制信號再次經過標度變換成4～20mA信號，由EM235模塊傳送給執(zhí)行器—變頻器，用變頻器為執(zhí)行機構，改變頻率，達到控制管道流量的目的，電動閥由EM232模塊控制。所需的硬件包括：計算機，模擬量EM235模塊，模擬量EM232模塊，變頻器FR-S520S-0.4K-CH(R)，電動調節(jié)閥QSVP-16K，渦輪流量計LWGY-20等。計算機流量校準系統控制電路圖如圖2.1所示。

         圖2.1 流量校準系統接線圖

管道流量控制在液體流量校準系統中廣泛應用，它的作用是保持管道內流量的穩(wěn)定，這是之后校準的關鍵所在，這部分主要是用PLC實現對水流的恒定供水，根據控制要求，管道內流量檢測需要兩個模擬量輸入點；上、下限流量報警信號需要兩個數字量輸出點；PLC控制需要一個模擬量輸出點；變頻器需要一個模擬量輸出點。正常生產時，由PLC控制變頻器的運行?？刂平泳€圖如圖2.2所示。在圖2.2中左邊的模塊就是CPU224，右邊到擴展板模擬量輸入輸出模塊EM235和EM232，EM235上面接的是供水系統裝置流量信號和校準管道流量信號的模擬輸入量，下面的是變頻器控制信號的輸出量。EM232接電動閥的輸出控制

   圖2.2  控制PLC外部接線

表2.1中是控制系統的I/O信號的名稱及地址，流量的檢測分別是AIW0和AIW2；控制變頻器頻率的信號的地址號是AQW0；低流量報警的地址號是Q0.2；高流量報警的地址號是Q0.3；當流量小于8m3/h時，PLC發(fā)出信號給執(zhí)行器，電動閥開始啟動，簡稱變頻器打開，它的地址號為Q0.0；變頻器的正式運行的地址號為Q0.1。 

表2-1 PLC I/O信號名稱及地址分配表

三、基于數字PID的系統控制仿真研究

    將該系統在MATLAB與Simulink集成環(huán)境中進行仿真調試，其中供水裝置管道內流量的控制采用閉環(huán)PID控制，校準裝置中管道內的流量調節(jié)器采用開環(huán)控制?；诮涷灉愒嚪ń⑾到y的控制模型圖，如圖3.1所示。當Kp =1.2，Ti=1.97，不變，整個系統達到最佳效果。仿真圖形如3.2所示。

四、基于組態(tài)技術的系統實現與實驗研究

首先建立系統中供水系統中管道流量的檢測。管道內流量是由流量傳感器檢測，變送器的輸出信號為4~20mA；PLC的輸出信號也為4~20mA。模擬量輸入/輸出模塊是將0~20mA信號和0~32000的數字量互相轉換。4~20mA對應的A/D/轉換數值應為6400~32000。根據流量計范圍，得出流量對應的計算公式為：

          表4-1 輸入信號與A/D轉換數值表

如表4-1所示，輸入信號與A/D轉換數值表，測量的物理范圍為0.4m3/h-8m3/h,對應的輸入信號是4~20mA，A/D轉換后的數據是6400~32000，控制范圍1m3/h-6m3/h 。A/D轉換后數據為8421-25261，，報警點是0.8m3/h和/8m3/h，對應的A/D轉換后數據為7747/28629。程序圖如圖4.1、4.2、4.3所示。

讀取流量輸入信號賦值給VW220，測量流量信號:

LD      SM0.0

MOVM  AIW0，VW220

當流量低于0.8m3/h或超過7m3/h并持續(xù)30s時，分別發(fā)出報警信號輸出Q0.2和Q0.3并全開或全關變頻器。先將流量檢測值VW220與0.8m3/h和7m3/h對應A/D轉換后的數值+7747和+28679比較，如果小于或等于0.8m3/h就輸給M1.1，如果大于或等于7m3/h就輸給M1.0。延遲30s后，如果還小于或等于0.8m3/h或大于或等于7m3/h，就相應的報警和控制變頻器。大于或等于7m3/h時，AQW0置為6400（4mA）,變頻器關閉。小于或等于0.8m3/h時,AQW0置為32000（20mA）,變頻器全開。最后再經輸出模塊將數據類型轉換模擬量輸出給變頻器執(zhí)行，直到流量不在報警范圍。

流量在上報警限7m3/h以內為變頻器啟動，設定流量調節(jié)范圍（0.8m3/h-7m3/h），對應的A/D轉換后的數值為（8421-25261）。在流量調節(jié)范圍內，變頻器正常運行受PLC的PID算法控制；0.8m3/h-7m3/h時, AQW0置為6400（4mA）,變頻器關閉；0.8m3/h-1m3/h時,AQW0置為32000（20mA）,變頻器全開。最后再經輸出模塊將數據類型轉換模擬量輸出給變頻器執(zhí)行。流量調節(jié)范圍為0.8m3/h-7m3/h，當VW220在+8421和+25261之間時，就將VW220的值輸給VW222，再由PID算法調節(jié)。供水裝置的調節(jié)器輸出如圖4.4；調節(jié)閥調節(jié)器輸出如圖4.5

反饋過程變量值為AIW2內的值；設定值為為5(4m3/h/8m3/h)的值，手動/自動控制方式選擇I0.1；手動控制輸出值為4，輸出值放在AQW0中經輸出模塊輸出4mA~20mA直流電流去控制變頻器。恒流供水系統出來的流速就是校準管道內的流速，所以設定值為為5(4m3/h/8m3/h)的值，手動/自動控制方式選擇I0.1；手動控制輸出值為4，輸出值放在AQW2中經輸出模塊輸出4mA~20mA直流電流去控制調節(jié)閥。

五、實驗研究

首先與PLC進行設備組態(tài)，建立S7-200相關的實時數據庫，創(chuàng)立用戶的組態(tài)窗口，創(chuàng)建系統的圖形對象，運行組態(tài)策略，通過用戶窗口中圖形對象與實時數據庫中的數據對象建立相關性連接,設置相應的動畫屬性，實現了圖形的動畫效果。系統實物組態(tài)模型如圖5.1所示。

系統設置了兩條通道，變頻器通道是主支路，完成系統的測量和控制，在該支路中，渦輪流量計檢測的信號送入PLC中進行相應的運算后，控制變頻器的頻率，從而控制管道的流量。交流變頻器支路完成備用功能，同時可以進行系統干擾的測試。在該系統中，可在圖中箭頭兩處安裝液位傳感器和壓力表，進而可以完成控制水箱液位的測量。

建立好組態(tài)模擬圖后，在STEP-7環(huán)境中運行PLC控制程序，然后啟動MCGS,進入組態(tài)界面，在此環(huán)境中調試流量控制系統。組態(tài)運行中曲線顯示部分包括實時曲線和歷史曲線2個部分，實時曲線構件是用曲線顯示1個或多個數據對象數值的動畫圖形,像筆繪記錄儀一樣實時記錄數據對象值的變化情況。歷史曲線構件實現了歷史數據的曲線瀏覽功能。運行時,歷史曲線構件能夠根據需要畫出相應歷史數據的趨勢效果圖，主要用于事后查看數據和狀態(tài)變化趨勢和總結規(guī)律。在系統中，流量系統為主控制器。設置流量系統的設定值為在4m3/h附近。在PID控制中組態(tài)運行的實時曲線如圖5.2所示。

     圖中可以看出，紅線是給定值，藍線是實時曲線。設定值在4m3/h附近，在PID的控制中，改變數據時，系統能夠達到穩(wěn)態(tài)無誤差。

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