水流量标准装置控制系统
发布时间：2017-09-01
水流量标准装置是计量部门和流量计制造企业进行量值传递、溯源与检定测试工作的标准设备之一。水流量标准装置的控制系统是水流量标准装置系统的重要组成部分。控制系统的准确性、稳定性和可靠性直接影响整个系统运行的准确性、稳定性和可靠性, 因此, 系统设计既要满足系统功能需求, 又要界面清晰且操作简便。
一、控制系统分析
1.水流量标准装置系统的组成
亨利公司水流量标准装置系统综合采用静态容积法及标准表法两种流量标准装置组成。依据JJG164-2000《液体流量标准装置》检定规程和JJG643- 2003《标准表法流量标准装置》检定规程的要求, 根据装置设计原理, 可确定装置共有13条管线, 分别对应DN15~DN1000的口径。系统共有50个数字量输出控制点、20个数字量输入控制点、16个模拟量输出控制点、20个模拟量输入控制点及26个高速脉冲计数输入点。
2.水流量标准装置控制系统的组成
水流量标准装置控制系统主要由控制部分和检测部分组成。其中控制部分要求控制切断阀、调节阀、水泵启动、换向器等的切换等, 且多为开关量控制。检测部分为主要部分, 要求较高, 检测各流量仪表的流量数值。两个组成部分要求同步计时, 主要为达到仪表传递的高速脉冲和计时时间的同步, 以及高速计数脉冲数的测量。
3.控制系统配置
由于控制部分主要是开关量, 并且要求简易与精确, 所以采用可编程控制器(PLC) 控制。PLC对开关量有很好的控制性, 可以同时控制模拟量和采集高速计数脉冲, 并可以达到高精度的要求。随着PLC控制技术的发展, PLC已成为组成控制系统的主流核心部件。现阶段的PLC已经充分简化了在编程及通讯方面的工作, 在设定好每个设备后, 各模块直接建立连接。在组态和编程方面, 已经达到良好的应用模块化, 大大减少了编程人员的编程和组态时间。PLC的组态软件已经非常成熟, 可以很容易地建立系统模块间连接, 同时可以以组态图的形式表现出来, 更加直观、易于操作控制及检测。
二、水流量标定装置PLC系统构成
1.系统构成
系统构成如图1所示。水流量标定装置由13条不同口径的管线构成, 由于管线比较多, 所以根据口径和水流量标定装置功能分为4个区域, 进行分别控制。装置控制系统采用西门子公司的PLC, 由组态软件WINCC进行上位机控制, 核心配置为1套S7- 300和4套S7- 200。4套S7- 200分别控制装置的4个区域, 通过Profibus- DP现场总线连接到S7- 300和4台上位机上。组成系统的各个区域单独控制, 并由S7- 300负责与WINCC进行数据交换, 减少相互干扰, 保证了控制系统运行的准确性、稳定性和可靠性。
2.分区控制
S7- 200负责高速脉冲信号的采集和数字量信号的控制, 主要是各自区域内的控制点, 通过S7- 200采集高速脉冲信号, 并且频率最高可达20kHz, 这样满足了各区域内脉冲点的各自计数要求。S7- 200的时基准确度优于0.5ms, 满足了该系统对计时准确的要求, 并使脉冲提取准确度进一步提高, 使控制准确度提高到1/1000。由于4个S7- 200负责各自的区域, 而不是由1个CPU控制4个区域, 这样就可以同时开启多个区进行控制、标定。
3.主控模块
S7- 300负责系统的数据处理、计算、公共部分控制, 及与上位机的WINCC通讯的重要任务。S7- 200的数据提取出后, 送到S7- 300内, 进行各种需要的计算, 计算后把值送到上位机进行上位机处理。上位机的组态软件WINCC直接和S7- 300连接, 而不是直接和S7- 200连接, 控制信号必须通过S7- 300传到S7- 200上。这样数据就达到了统一, 并且减少了干扰。组态软件WINCC对经PLC处理后的数据进行组态编程, 建立系统控制模拟图, 以画面形式直接控制。
4.系统组成优点
选择该系统组成结构的主要原因是S7- 200本身的准确度比S7- 300高, 直接反应速度要比S7- 300快; 分成4个区后, 各个区相对独立, 不会产生直接干扰。此外, 采集的数据由各区各自负责, 减少了主CPU的负担, 并可以同时对各个区进行控制。另一原因是, 该系统由Profibus- DP总线组网, DP网的基础速率为1.5M, 还可以达到12M的最高速率。这样使控制系统性能大幅度提高, 保证了控制的快速反应性, 提高了数据采集的准确度和可靠性。
三、工作流程
工作流程如图2所示。用水泵将水池中的水送到稳压容器, 在整个试验过程中, 水塔处于溢流状态; 保证系统的水源压力不变, 打开截止阀, 水通过试验管路、调节阀和喷嘴, 流入换向器。换向器用于改变水流的流向, 使水流流入工作量器或旁通管中。换向器换入时, 启动计时器, 以保证同步测量流入工作量器的水量和流入时间。
流量计试验时, 启动换向器使水流流入旁通管, 关闭工作量器的放水阀, 操作流量调节阀将试验管路流量调节到所试验的流量; 待流量稳定后, 启动换向器将水流由旁通管换入工作量器。换向器工作的同时, 启动计时器, 开始记录流量计的输出信号。当达到设定水量或时间时, 换向器换向, 使水流由工作量器换向旁通管。记录工作量器中水的体积、计时器显示的时间t和流量计指示的流量值。工作量器中水的体积除以计时器显示的时间t, 得到的流量值与流量计指示的流量值比较, 根据比较值进行调校。
四、人机界面
在界面操作中, 首先选择该区域内要标定的管道。打开阀门调整界面, 开启水泵, 打开管道切断阀, 对流量计调零, 打开调节阀, 让流量达到稳定。进入静态容积阀或标准表法界面, 设定要达到的脉冲值, 开始测量启动,到达设定脉冲值自动停止。采集数据在PLC中进行运算, 得出的结果送到上位机。
以工艺流程模拟图为基本监视手段, 动态显示系统内的每个模拟量和数字量, 系统将最大限度地为运行人员提供系统实时信息。系统设置人机界面分为流程控制界面(如图3所示)、检定操作界面、数据库设定界面。
流程控制界面包括泵、管道、调节阀、换向器等。在此界面可以直接操作各个控制单元, 点击控制单元可以弹出菜单, 控制开启或关闭。通过流程控制界面可以实现系统的控制需要。其中, 开关量设备以图示的颜色变化表示状态的变化, 模拟量采用数值条和扇形图表示操作及开度大小。
1.检定操作界面
检定操作界面包括标准表法检定操作界面。
标准表法检定操作界面又包括预工作界面、检定界面, 所有检定数据都会在此显示。在标准表法中, 首先选择预工作界面, 在这个界面输入各种设定值, 同时预先工作, 检查设定值是否正确及所要求的系统状态是否满足检定要求。在检定界面中开始进行正式测量, 测量后数据显示在屏幕上, 同时可以进行报表打印、数据存档。数据存档后生成固定文件, 存放于操作站固定文件夹中, 便于保存及查阅。
静态容积法检定操作界面连接了设定值, 并在测量启动中加入了换向器的控制, 使换向与计时同步开始,实现系统标准功能要求。
2.数据库设定界面
数据库设定界面(如图6所示)包括标准容器的标高数据库、标准表数据的最小二乘法修正库。在此界面输入系统数据库要求的数据, 直接应用于检定过程中的计算和取值。
六、测试结果的评价与意义
测试结果满足JJG164- 2000和JJG643- 2003检定规程的要求, 时间准确度达到1ms以及高速计数脉冲的计数要求, 可以使系统在规定的范围内稳定、准确地工作。
由于PLC简化了对数字量以及模拟量的控制, 使其的主要工作为数据采集以及对采集数据的后期数据处理, 这样大大简化了对控制量的程序设计, 使主程序更加简单,控制准确。PLC本身为工业级产品, 在稳定性及操作环境方面可以达到很高的要求, 使该装置的运行更加稳定。
摘自：中国计量测控网
