基于工控機的水流量計檢定控制系統(tǒng)原理及設計

1　引　言

過去的水流量計檢定系統(tǒng)主要采用手動和半手動方式進行控制，其缺點是檢定精度低、流量波動大、可檢定表口徑范圍小、自動化程度不高、檢表效率低。本文根據水流量儀表檢定的工藝要求，結合原有檢定系統(tǒng)的工作狀況，依據石油化工部自動控制系統(tǒng)設計規(guī)范，設計了水流量計檢定控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以計算機和變頻器為核心，實現(xiàn)了真正意義上的自動控制，減輕了工人的勞動強度，提高了勞動效率，可完成全系列水表檢定任務，大大節(jié)省了檢定費用，保證生產正常運行。

2　系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)核心采用上、下位機集散控制的方式，上位機采用研華高品質IPC工業(yè)級計算機并配以21″大屏幕監(jiān)視器，主要承擔系統(tǒng)管理任務，例如各種數(shù)據和信號的檢測、存儲、分析、計算處理；各種工藝圖形、畫面、曲線的顯示調閱；查看監(jiān)測各種事件、故障報警、記錄、證書查閱打印等。下位機采用日本OMRON公司生產的可編程工業(yè)控制器，系統(tǒng)的一切控制任務的實現(xiàn)、動作的執(zhí)行、控制模式的輸出，都由下位機PLC來執(zhí)行，作為控制中心，它以*的頻率不斷與上位機進行各種數(shù)據及信息交換來實現(xiàn)系統(tǒng)控制。

整個檢定系統(tǒng)分為系統(tǒng)控制部分和現(xiàn)場檢測執(zhí)行部分，兩部分之間通過電纜聯(lián)接。

2．1　系統(tǒng)控制部分

系統(tǒng)控制部分又分為五個部分，如圖1所示。

(1)整個系統(tǒng)的中心控制臺(系統(tǒng)控制柜)它包括一臺研華IPC－586工業(yè)級計算機，一臺21″大屏幕監(jiān)視器，一臺DPK－8400*打印機，一套OMRON200H可編程序控制器PLC，11臺配電器，6臺開關電源，10個空氣開關，3個交流接觸器，一臺報警器，一臺信號轉換處理器，一套四路隔離繼電器，一個頻率調節(jié)電位器及30個按鈕和指示燈。
(2)被檢表電源和輸出信號接線以及無訊表數(shù)據發(fā)送操作柜

該柜設在檢定現(xiàn)場，其上裝有薄膜操作面板、數(shù)碼顯示管、就緒按鈕和指示燈、急停按鈕、電源開關、可插拔控制按鈕及接線電纜。

(3)電磁閥柜

柜內裝有8臺電磁閥和4個繼電器，其中4臺電磁閥分別控制現(xiàn)場4個標準罐上的底閥的開關，2個電磁閥控制兩個換向器的換向。這6臺電磁閥既能由計算機實現(xiàn)自動控制又能通過控制柜上的按鈕實現(xiàn)手動控制，每個按鈕都粘有標牌以免誤操作。另外兩個電磁閥一個備用，一個控制DG200管線上氣動放水閥的開關。4個繼電器給上位機提供4個底閥的開關狀態(tài)。

(4)變頻器柜

該柜由175kW變頻器、抗干擾電抗器和中間繼電器、空氣開關、交流接觸器等一些電器元件組成，它的主要功能是用來實現(xiàn)電機的變頻啟動和停止。變頻器啟動和停止又分為自動和手動兩種工作方式：當變頻　　器自動工作時，由上位機自動選擇要啟動的電機，由下位機根據檢定時設定的流量點給變頻器頻率控制信號；當需手動啟動變頻器時，在現(xiàn)場“手動／自動”控制按鈕撥到手動工作方式時，可通過調節(jié)變頻器柜上的頻率調節(jié)電位器實現(xiàn)，而且手動頻率調節(jié)可通過系統(tǒng)控制柜上的轉換鈕實現(xiàn)現(xiàn)場和控制室的異地操作。同時變頻柜內還裝有控制真空泵水箱的液位繼電器。

(5)電氣控制操作柜

該操作柜由四面配電柜組成，其主要功能是給泵房內的五臺電機供電及在其操作面板上實現(xiàn)手動變頻、工頻啟動；操作面板上裝有“手動／自動”轉換開關，起、停泵按鈕15個，狀態(tài)指示燈26個。

2．2　現(xiàn)場檢測執(zhí)行部分

現(xiàn)場檢測執(zhí)行部分由標準表、被檢表、變頻器、標準罐、換向器、水泵組組成。

(1)標準表

在水流量檢定系統(tǒng)中共有DG300、DG200、DG100三種口徑標準表各一塊，標準表的AC220V和DC5V的工作電源由系統(tǒng)控制柜供給。標準表工作時發(fā)出的脈沖信號經工控機中的PCL－836采集卡采進上位機，通過計算公式換算出流量作為標準值來檢定被檢表的精度。

(2)被檢表

被檢表的口徑從DG80～DG300共有六種，且被檢表的供電電源及信號輸出種類較多，供電電源有：DC5V、DC12V、DC15V、DC24V、DC100V、AC110V、AC220V；信號輸出有二線制4～20mA、四線制4～20mA、0～5V、0～10V、0～20mA，被檢表電源的供給和信號的輸入由下位機選擇。被檢表輸出信號進入上位機前以信號轉換器轉換成1～5V和0～5V的電平信號，經工控機中PCL－818采集卡轉換成流量在監(jiān)視器上顯示。

(3)變頻器

變頻器是水流量檢定系統(tǒng)中執(zhí)行部分的核心，流量大小的調節(jié)及流量的穩(wěn)定都是上位機通過變頻器來實現(xiàn)的，其工作狀態(tài)的好壞極其關鍵，所以，上位機對變頻器進行實時監(jiān)控，從組態(tài)畫面中可以直接看到變頻器的工作情況。當變頻器由于某種原因出現(xiàn)故障時，控制系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警提醒操作者對發(fā)生的故障進行處理，故障原因可以在變頻器液晶屏上查閱。

(4)標準罐、換向器

系統(tǒng)中有四個標準罐，其容積分別為10m3、2m3、1m3、0．2m3，每個罐上都裝有高精度的差壓變送器用來檢測罐內的液位。其中1m3和0．2m3的罐為1號罐組，10m3和2m3的罐為2號罐組，兩組罐上各裝有一臺換向器，換向器系統(tǒng)由電磁閥、氣缸、分水板、光電開關、遮光板五部分組成。光電開關產生的信號直接送給上位機作為檢定計時的開始和結束。

(5)水泵組

泵間共有五臺泵，分別由160kW、90kW、75kW、30kW和7．5kW電機帶動。泵的流量分別為0～1600m3／h、0～400m3／h、0～240m3／h、0～120m3／h、0～40m3／h。檢表時根據被檢表的量程由上位機選擇、下位機執(zhí)行起動不同的泵。泵的起動又分為變頻起動和工頻起動兩種工作方式，兩種方式都可在現(xiàn)場和控制室中實現(xiàn)。另外在泵間還裝有一臺真空泵和水箱，其作用是起動160kW和75kW泵之前，起動真空泵將泵體和管道內抽成真空，使水充滿泵體。

3　系統(tǒng)軟件設計

為了加強系統(tǒng)使用的靈活性及保證系統(tǒng)的正常運行，系統(tǒng)設計成自動控制和手動控制兩種工作方式。

3．1　自動控制方式

首先，通過控制室操作面板上的鑰匙開關給系統(tǒng)供電，這時操作面板、現(xiàn)場被檢表電源柜、變頻柜上的電源指示燈亮，表明系統(tǒng)供電正常。將操作面板和電氣控制柜上的“自動／手動”轉換器打到自動工作方式，然后打開計算機進入水流量檢定系統(tǒng)，先點動操作面板上的就緒按鈕，待就緒指示燈亮后在參數(shù)設置畫面中設置參數(shù)：根據被檢表口徑選擇檢定線；根據精度等級或是否有信號輸出來選擇是標準表法還是標準罐法或是無訊表法檢定；根據被檢表的量程來設置流量點，流量點的設置可以自動設置也可以人為設置；根據被檢表的工作條件選擇其供電電源和信號接收種類。在以上參數(shù)和其它需要設定項設定好后，用鼠標單擊“開始檢定”。系統(tǒng)根據所設被檢表的zui大量程選泵，下位機執(zhí)行起動命令后根據所設流量點的不同自動調節(jié)變頻器的工作頻率，使泵工作在當前流量點。同時，也可根據需要在參數(shù)設置畫面中的“頻率調節(jié)方式”選項后選擇“手動”，那么就可在操作面板上通過頻率調節(jié)電位器來實現(xiàn)流量的調節(jié)，手動工作方式時上位機既起控制作用又起監(jiān)視作用。

3．2　手動控制方式

選擇該種工作方式時，應先將控制室操作面板和泵房內電器控制柜上的“自動／手動”轉換器打到手動工作狀態(tài)，參數(shù)設置同上。根據被檢表量程人為判斷起動哪一臺泵：首先，在電器控制柜上將要起動泵輸出旋鈕合上，點動變頻柜上的變頻器起動鈕，泵起動后可通過調節(jié)操作面板或電器控制柜上的電位器旋鈕來實現(xiàn)流量的調節(jié)。現(xiàn)場和控制室手動對流量調節(jié)的異地操作通過操作面板上“控制室頻率調節(jié)現(xiàn)場”旋鈕來實現(xiàn)。軟件流程圖見圖2
4　結束語

本系統(tǒng)較好地擴展了功能，擴大了系統(tǒng)應用范圍， 投入運行以來由于配置靈活、機動性好、工作穩(wěn)定，取得了令人滿意的效果。