液體流量較準(zhǔn)系統(tǒng)的構(gòu)建——科技論文

一、液體流量較準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理與硬件構(gòu)建

    液體流量校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由供水系統(tǒng)、流量控制裝置和流量檢定裝置組成。供水系統(tǒng)由水箱、水槽和泵組成。流量控制裝置由標(biāo)準(zhǔn)表B、變頻器、泵和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。流量檢定裝置由標(biāo)準(zhǔn)表A、被校表和標(biāo)準(zhǔn)容器組成。本次試驗(yàn)在管道20mm的條件下進(jìn)行的。流量標(biāo)定裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示。液體流量校準(zhǔn)系統(tǒng)的工作原理圖如圖1.2所示。

    流量控制系統(tǒng)主要用來完成管道內(nèi)流量的控制。包括供水系統(tǒng)管道流量控制和校準(zhǔn)系統(tǒng)管道流量控制。供水系統(tǒng)采用變頻器實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的變頻調(diào)速，渦輪流量計(jì)檢測(cè)當(dāng)前管道內(nèi)的流量，流量信號(hào)經(jīng)變送器輸出標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)(4-20mA)通過A/D轉(zhuǎn)換模塊送入PLC，經(jīng)PLC進(jìn)行流量反饋值與設(shè)定值的PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)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(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制流量的目的。流量反饋值同時(shí)經(jīng)PLC送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)組態(tài)軟件進(jìn)行顯示。由PLC接收控制信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的起停及切換控制。水泵在變頻器的控制下通過開關(guān)閥送入到校準(zhǔn)管道內(nèi)，經(jīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量流回水池。同時(shí)，變頻器的報(bào)警信號(hào)也全部送入PLC，以便利用PLC與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊并實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

基于過程控制試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)表法和容積法原理的校準(zhǔn)系統(tǒng)，即是以實(shí)際流量流過被校驗(yàn)儀表，再用別的校準(zhǔn)裝置(校準(zhǔn)流量計(jì)或流量校準(zhǔn)裝置)測(cè)出流過被校驗(yàn)儀表的實(shí)際流量，與被校驗(yàn)儀表的流量值作比較。先打開手動(dòng)閥，通過變頻器控制泵轉(zhuǎn)速以抽取蓄水池中的水，管道中的水經(jīng)渦輪流量計(jì)檢測(cè)到的信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)，并于設(shè)定值進(jìn)行比較，使管道中的流量穩(wěn)定。水流經(jīng)過穩(wěn)定后進(jìn)入標(biāo)定管道，標(biāo)定管道中安裝有標(biāo)準(zhǔn)表、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和被測(cè)表，電動(dòng)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)器開度，經(jīng)過電動(dòng)閥后，根據(jù)標(biāo)定方法的不同水流流向不同的兩個(gè)方向。當(dāng)球閥1關(guān)閉球閥2打開時(shí)，水流經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)容器后在流進(jìn)蓄水池，此時(shí)采用的是標(biāo)準(zhǔn)表法和容積法檢測(cè)。當(dāng)球閥2關(guān)閉球閥1打開時(shí)，水流通過標(biāo)準(zhǔn)表后直接流向蓄水池，此時(shí)采用的是標(biāo)準(zhǔn)表法檢測(cè)。            

二、設(shè)備選型

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

① 被控對(duì)象

管道及閥門：整個(gè)系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動(dòng)閥門均采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性，有效地提高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。儲(chǔ)水箱底部有一個(gè)出水閥，當(dāng)水箱需要更換水時(shí)，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(jì)算機(jī)用來運(yùn)行組態(tài)軟件編寫的控制器S7-200PLC，通過對(duì)串口的訪問實(shí)現(xiàn)管道流量的實(shí)時(shí)控制。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的控制，擴(kuò)展一片EM235、一片EM232模擬量模塊。計(jì)算機(jī)在整個(gè)試驗(yàn)中是一個(gè)人員操作和控制維護(hù)平臺(tái)，可以通過組態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行，可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存到硬盤中，也可以鏈接打印機(jī)將數(shù)據(jù)打印出來加以分析。

③ 檢測(cè)模塊

     用渦輪流量計(jì)LWGY-20檢測(cè)管道中水的流量?？稍诃h(huán)境溫度-20℃～50℃；被測(cè)介質(zhì)溫度-20℃～120℃; 相對(duì)溫度5%～95%;大氣壓力86Kpa～106Kpa條件下使用。測(cè)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(dá)1000m。

④ 執(zhí)行器

      供水系統(tǒng)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(jù)輸入信號(hào)的設(shè)定改變變頻器的頻率，根據(jù)變頻器和轉(zhuǎn)速的關(guān)系從而可以控制管道中的流量。變頻器控制信號(hào)輸入為 4～20mADC或 0～5VDC，～220V 變頻輸出用來驅(qū)動(dòng)三相磁力驅(qū)動(dòng)泵。

    校準(zhǔn)裝置執(zhí)行器采用智能型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSVP-16K?？刂菩盘?hào)為 4～20mADC 或1～5V DC，輸出 4～20mA DC 的閥位信號(hào)。

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(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為 16CQ-8P，流量為 32升/分，揚(yáng)程為 8 米，功率為 180W。

在控制系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)中S7-200PLC實(shí)現(xiàn)控制算法，選用較為通用的西門子CPU224,配以EM235、EM232模塊實(shí)現(xiàn)模擬量接口。供水系統(tǒng)管道進(jìn)水流量通過傳感器儀表測(cè)量后經(jīng)標(biāo)度轉(zhuǎn)化，將獲取的信號(hào)轉(zhuǎn)化為1～5V的流量信號(hào)，由EM235模塊采集，傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)調(diào)用相應(yīng)的算法后，將控制信號(hào)再次經(jīng)過標(biāo)度變換成4～20mA信號(hào)，由EM235模塊傳送給執(zhí)行器—變頻器，用變頻器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變頻率，達(dá)到控制管道流量的目的，電動(dòng)閥由EM232模塊控制。所需的硬件包括：計(jì)算機(jī)，模擬量EM235模塊，模擬量EM232模塊，變頻器FR-S520S-0.4K-CH(R)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥QSVP-16K，渦輪流量計(jì)LWGY-20等。計(jì)算機(jī)流量校準(zhǔn)系統(tǒng)控制電路圖如圖2.1所示。

         圖2.1 流量校準(zhǔn)系統(tǒng)接線圖

管道流量控制在液體流量校準(zhǔn)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，它的作用是保持管道內(nèi)流量的穩(wěn)定，這是之后校準(zhǔn)的關(guān)鍵所在，這部分主要是用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)水流的恒定供水，根據(jù)控制要求，管道內(nèi)流量檢測(cè)需要兩個(gè)模擬量輸入點(diǎn)；上、下限流量報(bào)警信號(hào)需要兩個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)；PLC控制需要一個(gè)模擬量輸出點(diǎn)；變頻器需要一個(gè)模擬量輸出點(diǎn)。正常生產(chǎn)時(shí)，由PLC控制變頻器的運(yùn)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(kuò)展板模擬量輸入輸出模塊EM235和EM232，EM235上面接的是供水系統(tǒng)裝置流量信號(hào)和校準(zhǔn)管道流量信號(hào)的模擬輸入量，下面的是變頻器控制信號(hào)的輸出量。EM232接電動(dòng)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(tǒng)的I/O信號(hào)的名稱及地址，流量的檢測(cè)分別是AIW0和AIW2；控制變頻器頻率的信號(hào)的地址號(hào)是AQW0；低流量報(bào)警的地址號(hào)是Q0.2；高流量報(bào)警的地址號(hào)是Q0.3；當(dāng)流量小于8m3/h時(shí)，PLC發(fā)出信號(hào)給執(zhí)行器，電動(dòng)閥開始啟動(dòng)，簡(jiǎn)稱變頻器打開，它的地址號(hào)為Q0.0；變頻器的正式運(yùn)行的地址號(hào)為Q0.1。 

表2-1 PLC I/O信號(hào)名稱及地址分配表

三、基于數(shù)字PID的系統(tǒng)控制仿真研究

    將該系統(tǒng)在MATLAB與Simulink集成環(huán)境中進(jìn)行仿真調(diào)試，其中供水裝置管道內(nèi)流量的控制采用閉環(huán)PID控制，校準(zhǔn)裝置中管道內(nèi)的流量調(diào)節(jié)器采用開環(huán)控制?；诮?jīng)驗(yàn)湊試法建立系統(tǒng)的控制模型圖，如圖3.1所示。當(dāng)Kp =1.2，Ti=1.97，不變，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最佳效果。仿真圖形如3.2所示。

四、基于組態(tài)技術(shù)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)研究

首先建立系統(tǒng)中供水系統(tǒng)中管道流量的檢測(cè)。管道內(nèi)流量是由流量傳感器檢測(cè)，變送器的輸出信號(hào)為4~20mA；PLC的輸出信號(hào)也為4~20mA。模擬量輸入/輸出模塊是將0~20mA信號(hào)和0~32000的數(shù)字量互相轉(zhuǎn)換。4~20mA對(duì)應(yīng)的A/D/轉(zhuǎn)換數(shù)值應(yīng)為6400~32000。根據(jù)流量計(jì)范圍，得出流量對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為：

          表4-1 輸入信號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值表

如表4-1所示，輸入信號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值表，測(cè)量的物理范圍為0.4m3/h-8m3/h,對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)是4~20mA，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是6400~32000，控制范圍1m3/h-6m3/h 。A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)為8421-25261，，報(bào)警點(diǎn)是0.8m3/h和/8m3/h，對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)為7747/28629。程序圖如圖4.1、4.2、4.3所示。

讀取流量輸入信號(hào)賦值給VW220，測(cè)量流量信號(hào):

LD      SM0.0

MOVM  AIW0，VW220

當(dāng)流量低于0.8m3/h或超過7m3/h并持續(xù)30s時(shí)，分別發(fā)出報(bào)警信號(hào)輸出Q0.2和Q0.3并全開或全關(guān)變頻器。先將流量檢測(cè)值VW220與0.8m3/h和7m3/h對(duì)應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)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(yīng)的報(bào)警和控制變頻器。大于或等于7m3/h時(shí)，AQW0置為6400（4mA）,變頻器關(guān)閉。小于或等于0.8m3/h時(shí),AQW0置為32000（20mA）,變頻器全開。最后再經(jīng)輸出模塊將數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模擬量輸出給變頻器執(zhí)行，直到流量不在報(bào)警范圍。

流量在上報(bào)警限7m3/h以內(nèi)為變頻器啟動(dòng)，設(shè)定流量調(diào)節(jié)范圍（0.8m3/h-7m3/h），對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值為（8421-25261）。在流量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，變頻器正常運(yùn)行受PLC的PID算法控制；0.8m3/h-7m3/h時(shí), AQW0置為6400（4mA）,變頻器關(guān)閉；0.8m3/h-1m3/h時(shí),AQW0置為32000（20mA）,變頻器全開。最后再經(jīng)輸出模塊將數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模擬量輸出給變頻器執(zhí)行。流量調(diào)節(jié)范圍為0.8m3/h-7m3/h，當(dāng)VW220在+8421和+25261之間時(shí)，就將VW220的值輸給VW222，再由PID算法調(diào)節(jié)。供水裝置的調(diào)節(jié)器輸出如圖4.4；調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)器輸出如圖4.5

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

五、實(shí)驗(yàn)研究

首先與PLC進(jìn)行設(shè)備組態(tài)，建立S7-200相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)立用戶的組態(tài)窗口，創(chuàng)建系統(tǒng)的圖形對(duì)象，運(yùn)行組態(tài)策略，通過用戶窗口中圖形對(duì)象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對(duì)象建立相關(guān)性連接,設(shè)置相應(yīng)的動(dòng)畫屬性，實(shí)現(xiàn)了圖形的動(dòng)畫效果。系統(tǒng)實(shí)物組態(tài)模型如圖5.1所示。

系統(tǒng)設(shè)置了兩條通道，變頻器通道是主支路，完成系統(tǒng)的測(cè)量和控制，在該支路中，渦輪流量計(jì)檢測(cè)的信號(hào)送入PLC中進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)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(shí)可以進(jìn)行系統(tǒng)干擾的測(cè)試。在該系統(tǒng)中，可在圖中箭頭兩處安裝液位傳感器和壓力表，進(jìn)而可以完成控制水箱液位的測(cè)量。

建立好組態(tài)模擬圖后，在STEP-7環(huán)境中運(yùn)行PLC控制程序，然后啟動(dòng)MCGS,進(jìn)入組態(tài)界面，在此環(huán)境中調(diào)試流量控制系統(tǒng)。組態(tài)運(yùn)行中曲線顯示部分包括實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線2個(gè)部分，實(shí)時(shí)曲線構(gòu)件是用曲線顯示1個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象數(shù)值的動(dòng)畫圖形,像筆繪記錄儀一樣實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)對(duì)象值的變化情況。歷史曲線構(gòu)件實(shí)現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的曲線瀏覽功能。運(yùn)行時(shí),歷史曲線構(gòu)件能夠根據(jù)需要畫出相應(yīng)歷史數(shù)據(jù)的趨勢(shì)效果圖，主要用于事后查看數(shù)據(jù)和狀態(tài)變化趨勢(shì)和總結(jié)規(guī)律。在系統(tǒng)中，流量系統(tǒng)為主控制器。設(shè)置流量系統(tǒng)的設(shè)定值為在4m3/h附近。在PID控制中組態(tài)運(yùn)行的實(shí)時(shí)曲線如圖5.2所示。

     圖中可以看出，紅線是給定值，藍(lán)線是實(shí)時(shí)曲線。設(shè)定值在4m3/h附近，在PID的控制中，改變數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)能夠達(dá)到穩(wěn)態(tài)無誤差。

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