液体流量较准系统的构建——科技论文

一、液体流量较准系统工作原理与硬件构建

    液体流量校准系统主要由供水系统、流量控制装置和流量检定装置组成。供水系统由水箱、水槽和泵组成。流量控制装置由标准表B、变频器、泵和电动调节阀组成。流量检定装置由标准表A、被校表和标准容器组成。本次试验在管道20mm的条件下进行的。流量标定装置系统结构图如图1.1所示。液体流量校准系统的工作原理图如图1.2所示。

    流量控制系统主要用来完成管道内流量的控制。包括供水系统管道流量控制和校准系统管道流量控制。供水系统采用变频器实现水泵电机的变频调速，涡轮流量计检测当前管道内的流量，流量信号经变送器输出标准电信号(4-20mA)通过A/D转换模块送入PLC，经PLC进行流量反馈值与设定值的PID运算，运算结果送入变频器频率控制端控制变频器的输出频率，从而改变电机转速，达到控制流量的目的。流量反馈值同时经PLC送入计算机，经组态软件进行显示。由PLC接收控制信号，并实现对电机的起停及切换控制。水泵在变频器的控制下通过开关阀送入到校准管道内，经电动调节阀调节流量流回水池。同时，变频器的报警信号也全部送入PLC，以便利用PLC与计算机进行通讯并实现监控。

基于过程控制试验装置系统，结合标准准表法和容积法原理的校准系统，即是以实际流量流过被校验仪表，再用别的校准装置(校准流量计或流量校准装置)测出流过被校验仪表的实际流量，与被校验仪表的流量值作比较。先打开手动阀，通过变频器控制泵转速以抽取蓄水池中的水，管道中的水经涡轮流量计检测到的信号反馈给计算机，并于设定值进行比较，使管道中的流量稳定。水流经过稳定后进入标定管道，标定管道中安装有标准表、电动调节阀和被测表，电动阀自动调节器开度，经过电动阀后，根据标定方法的不同水流流向不同的两个方向。当球阀1关闭球阀2打开时，水流经过标准容器后在流进蓄水池，此时采用的是标准表法和容积法检测。当球阀2关闭球阀1打开时，水流通过标准表后直接流向蓄水池，此时采用的是标准表法检测。            

二、设备选型

控制系统一般由以下几部分组成：过程控制对象；测量变送器和敏感元件；控制器；执行器；记录显示装置、信号滤波器等。硬件电路主要包括以下几部分：

① 被控对象

管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性，有效地提高了实验装置的使用年限。储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。

② 控制器

控制器采用西门子S7-200PLC。计算机用来运行组态软件编写的控制器S7-200PLC，通过对串口的访问实现管道流量的实时控制。为了实现对模拟量的控制，扩展一片EM235、一片EM232模拟量模块。计算机在整个试验中是一个人员操作和控制维护平台，可以通过组态监测系统的运行，可以将实时数据保存到硬盘中，也可以链接打印机将数据打印出来加以分析。

③ 检测模块

     用涡轮流量计LWGY-20检测管道中水的流量。可在环境温度-20℃～50℃；被测介质温度-20℃～120℃; 相对温度5%～95%;大气压力86Kpa～106Kpa条件下使用。测量范围：0.8-8,宽量程为0.4-8。精度：1.0%，脉冲输出，传输距离可达1000m。

④ 执行器

      供水系统执行器采用变频器。为保证水流的稳定，本装置采用日本三菱FR-S520S-0.4K-CH(R)变频器，通过根据输入信号的设定改变变频器的频率，根据变频器和转速的关系从而可以控制管道中的流量。变频器控制信号输入为 4～20mADC或 0～5VDC，～220V 变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

    校准装置执行器采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。控制信号为 4～20mADC 或1～5V DC，输出 4～20mA DC 的阀位信号。

为节约水源，采用循环方式，水箱出来的水流到处水池里，本装置采用磁力驱动泵，型号为 16CQ-8P，流量为 32升/分，扬程为 8 米，功率为 180W。

在控制系统中，用计算机中S7-200PLC实现控制算法，选用较为通用的西门子CPU224,配以EM235、EM232模块实现模拟量接口。供水系统管道进水流量通过传感器仪表测量后经标度转化，将获取的信号转化为1～5V的流量信号，由EM235模块采集，传送给计算机，计算机调用相应的算法后，将控制信号再次经过标度变换成4～20mA信号，由EM235模块传送给执行器—变频器，用变频器为执行机构，改变频率，达到控制管道流量的目的，电动阀由EM232模块控制。所需的硬件包括：计算机，模拟量EM235模块，模拟量EM232模块，变频器FR-S520S-0.4K-CH(R)，电动调节阀QSVP-16K，涡轮流量计LWGY-20等。计算机流量校准系统控制电路图如图2.1所示。

         图2.1 流量校准系统接线图

管道流量控制在液体流量校准系统中广泛应用，它的作用是保持管道内流量的稳定，这是之后校准的关键所在，这部分主要是用PLC实现对水流的恒定供水，根据控制要求，管道内流量检测需要两个模拟量输入点；上、下限流量报警信号需要两个数字量输出点；PLC控制需要一个模拟量输出点；变频器需要一个模拟量输出点。正常生产时，由PLC控制变频器的运行。控制接线图如图2.2所示。在图2.2中左边的模块就是CPU224，右边到扩展板模拟量输入输出模块EM235和EM232，EM235上面接的是供水系统装置流量信号和校准管道流量信号的模拟输入量，下面的是变频器控制信号的输出量。EM232接电动阀的输出控制

   图2.2  控制PLC外部接线

表2.1中是控制系统的I/O信号的名称及地址，流量的检测分别是AIW0和AIW2；控制变频器频率的信号的地址号是AQW0；低流量报警的地址号是Q0.2；高流量报警的地址号是Q0.3；当流量小于8m3/h时，PLC发出信号给执行器，电动阀开始启动，简称变频器打开，它的地址号为Q0.0；变频器的正式运行的地址号为Q0.1。 

表2-1 PLC I/O信号名称及地址分配表

三、基于数字PID的系统控制仿真研究

    将该系统在MATLAB与Simulink集成环境中进行仿真调试，其中供水装置管道内流量的控制采用闭环PID控制，校准装置中管道内的流量调节器采用开环控制。基于经验凑试法建立系统的控制模型图，如图3.1所示。当Kp =1.2，Ti=1.97，不变，整个系统达到最佳效果。仿真图形如3.2所示。

四、基于组态技术的系统实现与实验研究

首先建立系统中供水系统中管道流量的检测。管道内流量是由流量传感器检测，变送器的输出信号为4~20mA；PLC的输出信号也为4~20mA。模拟量输入/输出模块是将0~20mA信号和0~32000的数字量互相转换。4~20mA对应的A/D/转换数值应为6400~32000。根据流量计范围，得出流量对应的计算公式为：

          表4-1 输入信号与A/D转换数值表

如表4-1所示，输入信号与A/D转换数值表，测量的物理范围为0.4m3/h-8m3/h,对应的输入信号是4~20mA，A/D转换后的数据是6400~32000，控制范围1m3/h-6m3/h 。A/D转换后数据为8421-25261，，报警点是0.8m3/h和/8m3/h，对应的A/D转换后数据为7747/28629。程序图如图4.1、4.2、4.3所示。

读取流量输入信号赋值给VW220，测量流量信号:

LD      SM0.0

MOVM  AIW0，VW220

当流量低于0.8m3/h或超过7m3/h并持续30s时，分别发出报警信号输出Q0.2和Q0.3并全开或全关变频器。先将流量检测值VW220与0.8m3/h和7m3/h对应A/D转换后的数值+7747和+28679比较，如果小于或等于0.8m3/h就输给M1.1，如果大于或等于7m3/h就输给M1.0。延迟30s后，如果还小于或等于0.8m3/h或大于或等于7m3/h，就相应的报警和控制变频器。大于或等于7m3/h时，AQW0置为6400（4mA）,变频器关闭。小于或等于0.8m3/h时,AQW0置为32000（20mA）,变频器全开。最后再经输出模块将数据类型转换模拟量输出给变频器执行，直到流量不在报警范围。

流量在上报警限7m3/h以内为变频器启动，设定流量调节范围（0.8m3/h-7m3/h），对应的A/D转换后的数值为（8421-25261）。在流量调节范围内，变频器正常运行受PLC的PID算法控制；0.8m3/h-7m3/h时, AQW0置为6400（4mA）,变频器关闭；0.8m3/h-1m3/h时,AQW0置为32000（20mA）,变频器全开。最后再经输出模块将数据类型转换模拟量输出给变频器执行。流量调节范围为0.8m3/h-7m3/h，当VW220在+8421和+25261之间时，就将VW220的值输给VW222，再由PID算法调节。供水装置的调节器输出如图4.4；调节阀调节器输出如图4.5

反馈过程变量值为AIW2内的值；设定值为为5(4m3/h/8m3/h)的值，手动/自动控制方式选择I0.1；手动控制输出值为4，输出值放在AQW0中经输出模块输出4mA~20mA直流电流去控制变频器。恒流供水系统出来的流速就是校准管道内的流速，所以设定值为为5(4m3/h/8m3/h)的值，手动/自动控制方式选择I0.1；手动控制输出值为4，输出值放在AQW2中经输出模块输出4mA~20mA直流电流去控制调节阀。

五、实验研究

首先与PLC进行设备组态，建立S7-200相关的实时数据库，创立用户的组态窗口，创建系统的图形对象，运行组态策略，通过用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接,设置相应的动画属性，实现了图形的动画效果。系统实物组态模型如图5.1所示。

系统设置了两条通道，变频器通道是主支路，完成系统的测量和控制，在该支路中，涡轮流量计检测的信号送入PLC中进行相应的运算后，控制变频器的频率，从而控制管道的流量。交流变频器支路完成备用功能，同时可以进行系统干扰的测试。在该系统中，可在图中箭头两处安装液位传感器和压力表，进而可以完成控制水箱液位的测量。

建立好组态模拟图后，在STEP-7环境中运行PLC控制程序，然后启动MCGS,进入组态界面，在此环境中调试流量控制系统。组态运行中曲线显示部分包括实时曲线和历史曲线2个部分，实时曲线构件是用曲线显示1个或多个数据对象数值的动画图形,像笔绘记录仪一样实时记录数据对象值的变化情况。历史曲线构件实现了历史数据的曲线浏览功能。运行时,历史曲线构件能够根据需要画出相应历史数据的趋势效果图，主要用于事后查看数据和状态变化趋势和总结规律。在系统中，流量系统为主控制器。设置流量系统的设定值为在4m3/h附近。在PID控制中组态运行的实时曲线如图5.2所示。

     图中可以看出，红线是给定值，蓝线是实时曲线。设定值在4m3/h附近，在PID的控制中，改变数据时，系统能够达到稳态无误差。

参考文献

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本文来源：http://www.zzqklm.com/w/jg/11989.html  《品牌》