基于研華工控機的水流量計檢定控制系統原理及設計

1　引　言
過(guò)去的水流量計檢定系統主要采用手動(dòng)和半手動(dòng)方式進(jìn)行控制，其缺點(diǎn)是檢定精度低、流量波動(dòng)大、可檢定表口徑范圍小、自動(dòng)化程度不高、檢表效率低。本文根據水流量?jì)x表檢定的工藝要求，結合原有檢定系統的工作狀況，依據石油化工部自動(dòng)控制系統設計規范，設計了水流量計檢定控制系統。該控制系統以計算機和變頻器為核心，實(shí)現了真正意義上的自動(dòng)控制，減輕了工人的勞動(dòng)強度，提高了勞動(dòng)效率，可完成全系列水表檢定任務(wù)，大大節省了檢定費用，保證生產(chǎn)正常運行。
2　系統組成
本系統核心采用上、下位機集散控制的方式，上位機采用研華高品質(zhì)IPC工業(yè)級計算機并配以21″大屏幕監視器，主要承擔系統管理任務(wù)，例如各種數據和信號的檢測、存儲、分析、計算處理；各種工藝圖形、畫(huà)面、曲線(xiàn)的顯示調閱；查看監測各種事件、故障報警、記錄、證書(shū)查閱打印等。下位機采用日本OMRON公司生產(chǎn)的可編程工業(yè)控制器，系統的一切控制任務(wù)的實(shí)現、動(dòng)作的執行、控制模式的輸出，都由下位機PLC來(lái)執行，作為控制中心，它以極高的頻率不斷與上位機進(jìn)行各種數據及信息交換來(lái)實(shí)現系統控制。
整個(gè)檢定系統分為系統控制部分和現場(chǎng)檢測執行部分，兩部分之間通過(guò)電纜聯(lián)接。
2．1　系統控制部分
系統控制部分又分為五個(gè)部分，如圖1所示。（1）整個(gè)系統的中心控制臺（系統控制柜）
它包括一臺研華IPC－586工業(yè)級計算機，一臺21″大屏幕監視器，一臺DPK－8400票據打印機，一套OMRON200H可編程序控制器PLC，11臺配電器，6臺開(kāi)關(guān)電源，10個(gè)空氣開(kāi)關(guān)，3個(gè)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(gè)頻率調節電位器及30個(gè)按鈕和指示燈。

（2）被檢表電源和輸出信號接線(xiàn)以及無(wú)訊表數據發(fā)送操作柜
該柜設在檢定現場(chǎng)，其上裝有薄膜操作面板、數碼顯示管、就緒按鈕和指示燈、急停按鈕、電源開(kāi)關(guān)、可插拔控制按鈕及接線(xiàn)電纜。
（3）電磁閥柜
柜內裝有8臺電磁閥和4個(gè)繼電器，其中4臺電磁閥分別控制現場(chǎng)4個(gè)標準罐上的底閥的開(kāi)關(guān)，2個(gè)電磁閥控制兩個(gè)換向器的換向。這6臺電磁閥既能由計算機實(shí)現自動(dòng)控制又能通過(guò)控制柜上的按鈕實(shí)現手動(dòng)控制，每個(gè)按鈕都粘有標牌以免誤操作。另外兩個(gè)電磁閥一個(gè)備用，一個(gè)控制DG200管線(xiàn)上氣動(dòng)放水閥的開(kāi)關(guān)。4個(gè)繼電器給上位機提供4個(gè)底閥的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)、交流接觸器等一些電器元件組成，它的主要功能是用來(lái)實(shí)現電機的變頻啟動(dòng)和停止。變頻器啟動(dòng)和停止又分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式：當變頻　　器自動(dòng)工作時(shí)，由上位機自動(dòng)選擇要啟動(dòng)的電機，由下位機根據檢定時(shí)設定的流量點(diǎn)給變頻器頻率控制信號；當需手動(dòng)啟動(dòng)變頻器時(shí)，在現場(chǎng)“手動(dòng)／自動(dòng)”控制按鈕撥到手動(dòng)工作方式時(shí)，可通過(guò)調節變頻器柜上的頻率調節電位器實(shí)現，而且手動(dòng)頻率調節可通過(guò)系統控制柜上的轉換鈕實(shí)現現場(chǎng)和控制室的異地操作。同時(shí)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?jì)鹊奈迮_電機供電及在其操作面板上實(shí)現手動(dòng)變頻、工頻啟動(dòng)；操作面板上裝有“手動(dòng)／自動(dòng)”轉換開(kāi)關(guān)，起、停泵按鈕15個(gè)，狀態(tài)指示燈26個(gè)。
2．2　現場(chǎng)檢測執行部分
現場(chǎng)檢測執行部分由標準表、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的工作電源由系統控制柜供給。標準表工作時(shí)發(fā)出的脈沖信號經(jīng)工控機中的PCL－836采集卡采進(jìn)上位機，通過(guò)計算公式換算出流量作為標準值來(lái)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(lèi)較多，供電電源有：DC5V、DC12V、DC15V、DC24V、DC100V、AC110V、AC220V；信號輸出有二線(xiàn)制4～20mA、四線(xiàn)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(jìn)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(jīng)工控機中PCL－818采集卡轉換成流量在監視器上顯示。
（3）變頻器
變頻器是水流量檢定系統中執行部分的核心，流量大小的調節及流量的穩定都是上位機通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現的，其工作狀態(tài)的好壞極其關(guān)鍵，所以，上位機對變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，從組態(tài)畫(huà)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故障時(shí)，控制系統會(huì )發(fā)出聲光報警提醒操作者對發(fā)生的故障進(jìn)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
系統中有四個(gè)標準罐，其容積分別為10m3、2m3、1m3、0．2m3，每個(gè)罐上都裝有高精度的差壓變送器用來(lái)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，換向器系統由電磁閥、氣缸、分水板、光電開(kāi)關(guān)、遮光板五部分組成。光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的信號直接送給上位機作為檢定計時(shí)的開(kāi)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(dòng)。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(shí)根據被檢表的量程由上位機選擇、下位機執行起動(dòng)不同的泵。泵的起動(dòng)又分為變頻起動(dòng)和工頻起動(dòng)兩種工作方式，兩種方式都可在現場(chǎng)和控制室中實(shí)現。另外在泵間還裝有一臺真空泵和水箱，其作用是起動(dòng)160kW和75kW泵之前，起動(dòng)真空泵將泵體和管道內抽成真空，使水充滿(mǎn)泵體。
3　系統軟件設計
為了加強系統使用的靈活性及保證系統的正常運行，系統設計成自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種工作方式。
3．1　自動(dòng)控制方式
首先，通過(guò)控制室操作面板上的鑰匙開(kāi)關(guān)給系統供電，這時(shí)操作面板、現場(chǎng)被檢表電源柜、變頻柜上的電源指示燈亮，表明系統供電正常。將操作面板和電氣控制柜上的“自動(dòng)／手動(dòng)”轉換器打到自動(dòng)工作方式，然后打開(kāi)計算機進(jìn)入水流量檢定系統，先點(diǎn)動(dòng)操作面板上的就緒按鈕，待就緒指示燈亮后在參數設置畫(huà)面中設置參數：根據被檢表口徑選擇檢定線(xiàn)；根據精度等級或是否有信號輸出來(lái)選擇是標準表法還是標準罐法或是無(wú)訊表法檢定；根據被檢表的量程來(lái)設置流量點(diǎn)，流量點(diǎn)的設置可以自動(dòng)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(lèi)。在以上參數和其它需要設定項設定好后，用鼠標單擊“開(kāi)始檢定”。系統根據所設被檢表的最大量程選泵，下位機執行起動(dòng)命令后根據所設流量點(diǎn)的不同自動(dòng)調節變頻器的工作頻率，使泵工作在當前流量點(diǎn)。同時(shí)，也可根據需要在參數設置畫(huà)面中的“頻率調節方式”選項后選擇“手動(dòng)”，那么就可在操作面板上通過(guò)頻率調節電位器來(lái)實(shí)現流量的調節，手動(dòng)工作方式時(shí)上位機既起控制作用又起監視作用。
3．2　手動(dòng)控制方式
選擇該種工作方式時(shí)，應先將控制室操作面板和泵房?jì)入娖骺刂乒裆系?ldquo;自動(dòng)／手動(dòng)”轉換器打到手動(dòng)工作狀態(tài)，參數設置同上。根據被檢表量程人為判斷起動(dòng)哪一臺泵：首先，在電器控制柜上將要起動(dòng)泵輸出旋鈕合上，點(diǎn)動(dòng)變頻柜上的變頻器起動(dòng)鈕，泵起動(dòng)后可通過(guò)調節操作面板或電器控制柜上的電位器旋鈕來(lái)實(shí)現流量的調節?，F場(chǎng)和控制室手動(dòng)對流量調節的異地操作通過(guò)操作面板上“控制室頻率調節現場(chǎng)”旋鈕來(lái)實(shí)現。軟件流程圖見(jiàn)圖2

4　結束語(yǔ)
本系統較好地擴展了功能，擴大了系統應用范圍， 投入運行以來(lái)由于配置靈活、機動(dòng)性好、工作穩定，取得了令人滿(mǎn)意的效果。