基于研華工控機(jī)的水流量計(jì)檢定控制系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

1　引　言
過(guò)去的水流量計(jì)檢定系統(tǒng)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(jù)水流量?jī)x表檢定的工藝要求，結(jié)合原有檢定系統(tǒng)的工作狀況，依據(jù)石油化工部自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)了水流量計(jì)檢定控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)和變頻器為核心，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的自動(dòng)控制，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)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(jié)省了檢定費(fèi)用，保證生產(chǎn)正常運(yùn)行。
2　系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)核心采用上、下位機(jī)集散控制的方式，上位機(jī)采用研華高品質(zhì)IPC工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)并配以21″大屏幕監(jiān)視器，主要承擔(dān)系統(tǒng)管理任務(wù)，例如各種數(shù)據(jù)和信號(hào)的檢測(cè)、存儲(chǔ)、分析、計(jì)算處理；各種工藝圖形、畫(huà)面、曲線的顯示調(diào)閱；查看監(jiān)測(cè)各種事件、故障報(bào)警、記錄、證書(shū)查閱打印等。下位機(jī)采用日本OMRON公司生產(chǎn)的可編程工業(yè)控制器，系統(tǒng)的一切控制任務(wù)的實(shí)現(xiàn)、動(dòng)作的執(zhí)行、控制模式的輸出，都由下位機(jī)PLC來(lái)執(zhí)行，作為控制中心，它以極高的頻率不斷與上位機(jī)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)及信息交換來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。
整個(gè)檢定系統(tǒng)分為系統(tǒng)控制部分和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)執(zhí)行部分，兩部分之間通過(guò)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(gè)部分，如圖1所示。（1）整個(gè)系統(tǒng)的中心控制臺(tái)（系統(tǒng)控制柜）
它包括一臺(tái)研華IPC－586工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)，一臺(tái)21″大屏幕監(jiān)視器，一臺(tái)DPK－8400票據(jù)打印機(jī)，一套OMRON200H可編程序控制器PLC，11臺(tái)配電器，6臺(tái)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(tái)報(bào)警器，一臺(tái)信號(hào)轉(zhuǎn)換處理器，一套四路隔離繼電器，一個(gè)頻率調(diào)節(jié)電位器及30個(gè)按鈕和指示燈。

（2）被檢表電源和輸出信號(hào)接線以及無(wú)訊表數(shù)據(jù)發(fā)送操作柜
該柜設(shè)在檢定現(xiàn)場(chǎng)，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(kāi)關(guān)、可插拔控制按鈕及接線電纜。
（3）電磁閥柜
柜內(nèi)裝有8臺(tái)電磁閥和4個(gè)繼電器，其中4臺(tái)電磁閥分別控制現(xiàn)場(chǎng)4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(tái)電磁閥既能由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制又能通過(guò)控制柜上的按鈕實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，每個(gè)按鈕都粘有標(biāo)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管線上氣動(dòng)放水閥的開(kāi)關(guān)。4個(gè)繼電器給上位機(jī)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(xiàn)電機(jī)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(dāng)變頻　　器自動(dòng)工作時(shí)，由上位機(jī)自動(dòng)選擇要啟動(dòng)的電機(jī)，由下位機(jī)根據(jù)檢定時(shí)設(shè)定的流量點(diǎn)給變頻器頻率控制信號(hào)；當(dāng)需手動(dòng)啟動(dòng)變頻器時(shí)，在現(xiàn)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(diào)節(jié)變頻器柜上的頻率調(diào)節(jié)電位器實(shí)現(xiàn)，而且手動(dòng)頻率調(diào)節(jié)可通過(guò)系統(tǒng)控制柜上的轉(zhuǎn)換鈕實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和控制室的異地操作。同時(shí)變頻柜內(nèi)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?jī)?nèi)的五臺(tái)電機(jī)供電及在其操作面板上實(shí)現(xiàn)手動(dòng)變頻、工頻啟動(dòng)；操作面板上裝有“手動(dòng)／自動(dòng)”轉(zhuǎn)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(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)執(zhí)行部分
現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)執(zhí)行部分由標(biāo)準(zhǔn)表、被檢表、變頻器、標(biāo)準(zhǔn)罐、換向器、水泵組組成。
（1）標(biāo)準(zhǔn)表
在水流量檢定系統(tǒng)中共有DG300、DG200、DG100三種口徑標(biāo)準(zhǔn)表各一塊，標(biāo)準(zhǔn)表的AC220V和DC5V的工作電源由系統(tǒng)控制柜供給。標(biāo)準(zhǔn)表工作時(shí)發(fā)出的脈沖信號(hào)經(jīng)工控機(jī)中的PCL－836采集卡采進(jìn)上位機(jī)，通過(guò)計(jì)算公式換算出流量作為標(biāo)準(zhǔn)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(hào)輸出種類較多，供電電源有：DC5V、DC12V、DC15V、DC24V、DC100V、AC110V、AC220V；信號(hào)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(hào)的輸入由下位機(jī)選擇。被檢表輸出信號(hào)進(jìn)入上位機(jī)前以信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成1～5V和0～5V的電平信號(hào)，經(jīng)工控機(jī)中PCL－818采集卡轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)及流量的穩(wěn)定都是上位機(jī)通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其工作狀態(tài)的好壞極其關(guān)鍵，所以，上位機(jī)對(duì)變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從組態(tài)畫(huà)面中可以直接看到變頻器的工作情況。當(dāng)變頻器由于某種原因出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警提醒操作者對(duì)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(biāo)準(zhǔn)罐、換向器
系統(tǒng)中有四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)罐內(nèi)的液位。其中1m3和0．2m3的罐為1號(hào)罐組，10m3和2m3的罐為2號(hào)罐組，兩組罐上各裝有一臺(tái)換向器，換向器系統(tǒng)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(hào)直接送給上位機(jī)作為檢定計(jì)時(shí)的開(kāi)始和結(jié)束。
（5）水泵組
泵間共有五臺(tái)泵，分別由160kW、90kW、75kW、30kW和7．5kW電機(jī)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(jù)被檢表的量程由上位機(jī)選擇、下位機(jī)執(zhí)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(xiàn)場(chǎng)和控制室中實(shí)現(xiàn)。另外在泵間還裝有一臺(tái)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(nèi)抽成真空，使水充滿泵體。
3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
為了加強(qiáng)系統(tǒng)使用的靈活性及保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)供電，這時(shí)操作面板、現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)／手動(dòng)”轉(zhuǎn)換器打到自動(dòng)工作方式，然后打開(kāi)計(jì)算機(jī)進(jìn)入水流量檢定系統(tǒng)，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(shù)設(shè)置畫(huà)面中設(shè)置參數(shù)：根據(jù)被檢表口徑選擇檢定線；根據(jù)精度等級(jí)或是否有信號(hào)輸出來(lái)選擇是標(biāo)準(zhǔn)表法還是標(biāo)準(zhǔn)罐法或是無(wú)訊表法檢定；根據(jù)被檢表的量程來(lái)設(shè)置流量點(diǎn)，流量點(diǎn)的設(shè)置可以自動(dòng)設(shè)置也可以人為設(shè)置；根據(jù)被檢表的工作條件選擇其供電電源和信號(hào)接收種類。在以上參數(shù)和其它需要設(shè)定項(xiàng)設(shè)定好后，用鼠標(biāo)單擊“開(kāi)始檢定”。系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)被檢表的最大量程選泵，下位機(jī)執(zhí)行起動(dòng)命令后根據(jù)所設(shè)流量點(diǎn)的不同自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的工作頻率，使泵工作在當(dāng)前流量點(diǎn)。同時(shí)，也可根據(jù)需要在參數(shù)設(shè)置畫(huà)面中的“頻率調(diào)節(jié)方式”選項(xiàng)后選擇“手動(dòng)”，那么就可在操作面板上通過(guò)頻率調(diào)節(jié)電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，手動(dòng)工作方式時(shí)上位機(jī)既起控制作用又起監(jiān)視作用。
3．2　手動(dòng)控制方式
選擇該種工作方式時(shí)，應(yīng)先將控制室操作面板和泵房?jī)?nèi)電器控制柜上的“自動(dòng)／手動(dòng)”轉(zhuǎn)換器打到手動(dòng)工作狀態(tài)，參數(shù)設(shè)置同上。根據(jù)被檢表量程人為判斷起動(dòng)哪一臺(tái)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(diào)節(jié)操作面板或電器控制柜上的電位器旋鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)?，F(xiàn)場(chǎng)和控制室手動(dòng)對(duì)流量調(diào)節(jié)的異地操作通過(guò)操作面板上“控制室頻率調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)”旋鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件流程圖見(jiàn)圖2

4　結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)較好地?cái)U(kuò)展了功能，擴(kuò)大了系統(tǒng)應(yīng)用范圍， 投入運(yùn)行以來(lái)由于配置靈活、機(jī)動(dòng)性好、工作穩(wěn)定，取得了令人滿意的效果。