水流量標準裝置控制系統
發布時間：2017-09-01
水流量標準裝置是計量部門和流量計制造企業進行量值傳遞、溯源與檢定測試工作的標準設備之一。水流量標準裝置的控制系統是水流量標準裝置系統的重要組成部分。控制系統的準確性、穩定性和可靠性直接影響整個系統運行的準確性、穩定性和可靠性, 因此, 系統設計既要滿足系統功能需求, 又要界面清晰且操作簡便。
一、控制系統分析
1.水流量標準裝置系統的組成
亨利公司水流量標準裝置系統綜合采用靜態容積法及標準表法兩種流量標準裝置組成。依據JJG164-2000《液體流量標準裝置》檢定規程和JJG643- 2003《標準表法流量標準裝置》檢定規程的要求, 根據裝置設計原理, 可確定裝置共有13條管線, 分別對應DN15~DN1000的口徑。系統共有50個數字量輸出控制點、20個數字量輸入控制點、16個模擬量輸出控制點、20個模擬量輸入控制點及26個高速脈沖計數輸入點。
2.水流量標準裝置控制系統的組成
水流量標準裝置控制系統主要由控制部分和檢測部分組成。其中控制部分要求控制切斷閥、調節閥、水泵啟動、換向器等的切換等, 且多為開關量控制。檢測部分為主要部分, 要求較高, 檢測各流量儀表的流量數值。兩個組成部分要求同步計時, 主要為達到儀表傳遞的高速脈沖和計時時間的同步, 以及高速計數脈沖數的測量。
3.控制系統配置
由于控制部分主要是開關量, 并且要求簡易與精確, 所以采用可編程控制器(PLC) 控制。PLC對開關量有很好的控制性, 可以同時控制模擬量和采集高速計數脈沖, 并可以達到高精度的要求。隨著PLC控制技術的發展, PLC已成為組成控制系統的主流核心部件。現階段的PLC已經充分簡化了在編程及通訊方面的工作, 在設定好每個設備后, 各模塊直接建立連接。在組態和編程方面, 已經達到良好的應用模塊化, 大大減少了編程人員的編程和組態時間。PLC的組態軟件已經非常成熟, 可以很容易地建立系統模塊間連接, 同時可以以組態圖的形式表現出來, 更加直觀、易于操作控制及檢測。
二、水流量標定裝置PLC系統構成
1.系統構成
系統構成如圖1所示。水流量標定裝置由13條不同口徑的管線構成, 由于管線比較多, 所以根據口徑和水流量標定裝置功能分為4個區域, 進行分別控制。裝置控制系統采用西門子公司的PLC, 由組態軟件WINCC進行上位機控制, 核心配置為1套S7- 300和4套S7- 200。4套S7- 200分別控制裝置的4個區域, 通過Profibus- DP現場總線連接到S7- 300和4臺上位機上。組成系統的各個區域單獨控制, 并由S7- 300負責與WINCC進行數據交換, 減少相互干擾, 保證了控制系統運行的準確性、穩定性和可靠性。
2.分區控制
S7- 200負責高速脈沖信號的采集和數字量信號的控制, 主要是各自區域內的控制點, 通過S7- 200采集高速脈沖信號, 并且頻率最高可達20kHz, 這樣滿足了各區域內脈沖點的各自計數要求。S7- 200的時基準確度優于0.5ms, 滿足了該系統對計時準確的要求, 并使脈沖提取準確度進一步提高, 使控制準確度提高到1/1000。由于4個S7- 200負責各自的區域, 而不是由1個CPU控制4個區域, 這樣就可以同時開啟多個區進行控制、標定。
3.主控模塊
S7- 300負責系統的數據處理、計算、公共部分控制, 及與上位機的WINCC通訊的重要任務。S7- 200的數據提取出后, 送到S7- 300內, 進行各種需要的計算, 計算后把值送到上位機進行上位機處理。上位機的組態軟件WINCC直接和S7- 300連接, 而不是直接和S7- 200連接, 控制信號必須通過S7- 300傳到S7- 200上。這樣數據就達到了統一, 并且減少了干擾。組態軟件WINCC對經PLC處理后的數據進行組態編程, 建立系統控制模擬圖, 以畫面形式直接控制。
4.系統組成優點
選擇該系統組成結構的主要原因是S7- 200本身的準確度比S7- 300高, 直接反應速度要比S7- 300快; 分成4個區后, 各個區相對獨立, 不會產生直接干擾。此外, 采集的數據由各區各自負責, 減少了主CPU的負擔, 并可以同時對各個區進行控制。另一原因是, 該系統由Profibus- DP總線組網, DP網的基礎速率為1.5M, 還可以達到12M的最高速率。這樣使控制系統性能大幅度提高, 保證了控制的快速反應性, 提高了數據采集的準確度和可靠性。
三、工作流程
工作流程如圖2所示。用水泵將水池中的水送到穩壓容器, 在整個試驗過程中, 水塔處于溢流狀態; 保證系統的水源壓力不變, 打開截止閥, 水通過試驗管路、調節閥和噴嘴, 流入換向器。換向器用于改變水流的流向, 使水流流入工作量器或旁通管中。換向器換入時, 啟動計時器, 以保證同步測量流入工作量器的水量和流入時間。
流量計試驗時, 啟動換向器使水流流入旁通管, 關閉工作量器的放水閥, 操作流量調節閥將試驗管路流量調節到所試驗的流量; 待流量穩定后, 啟動換向器將水流由旁通管換入工作量器。換向器工作的同時, 啟動計時器, 開始記錄流量計的輸出信號。當達到設定水量或時間時, 換向器換向, 使水流由工作量器換向旁通管。記錄工作量器中水的體積、計時器顯示的時間t和流量計指示的流量值。工作量器中水的體積除以計時器顯示的時間t, 得到的流量值與流量計指示的流量值比較, 根據比較值進行調校。
四、人機界面
在界面操作中, 首先選擇該區域內要標定的管道。打開閥門調整界面, 開啟水泵, 打開管道切斷閥, 對流量計調零, 打開調節閥, 讓流量達到穩定。進入靜態容積閥或標準表法界面, 設定要達到的脈沖值, 開始測量啟動,到達設定脈沖值自動停止。采集數據在PLC中進行運算, 得出的結果送到上位機。
以工藝流程模擬圖為基本監視手段, 動態顯示系統內的每個模擬量和數字量, 系統將最大限度地為運行人員提供系統實時信息。系統設置人機界面分為流程控制界面(如圖3所示)、檢定操作界面、數據庫設定界面。
流程控制界面包括泵、管道、調節閥、換向器等。在此界面可以直接操作各個控制單元, 點擊控制單元可以彈出菜單, 控制開啟或關閉。通過流程控制界面可以實現系統的控制需要。其中, 開關量設備以圖示的顏色變化表示狀態的變化, 模擬量采用數值條和扇形圖表示操作及開度大小。
1.檢定操作界面
檢定操作界面包括標準表法檢定操作界面。
標準表法檢定操作界面又包括預工作界面、檢定界面, 所有檢定數據都會在此顯示。在標準表法中, 首先選擇預工作界面, 在這個界面輸入各種設定值, 同時預先工作, 檢查設定值是否正確及所要求的系統狀態是否滿足檢定要求。在檢定界面中開始進行正式測量, 測量后數據顯示在屏幕上, 同時可以進行報表打印、數據存檔。數據存檔后生成固定文件, 存放于操作站固定文件夾中, 便于保存及查閱。
靜態容積法檢定操作界面連接了設定值, 并在測量啟動中加入了換向器的控制, 使換向與計時同步開始,實現系統標準功能要求。
2.數據庫設定界面
數據庫設定界面(如圖6所示)包括標準容器的標高數據庫、標準表數據的最小二乘法修正庫。在此界面輸入系統數據庫要求的數據, 直接應用于檢定過程中的計算和取值。
六、測試結果的評價與意義
測試結果滿足JJG164- 2000和JJG643- 2003檢定規程的要求, 時間準確度達到1ms以及高速計數脈沖的計數要求, 可以使系統在規定的范圍內穩定、準確地工作。
由于PLC簡化了對數字量以及模擬量的控制, 使其的主要工作為數據采集以及對采集數據的后期數據處理, 這樣大大簡化了對控制量的程序設計, 使主程序更加簡單,控制準確。PLC本身為工業級產品, 在穩定性及操作環境方面可以達到很高的要求, 使該裝置的運行更加穩定。
摘自：中國計量測控網
