（测试计量技术及仪器专业论文）标准表法容积式油流量计自动检定系统.pdf

摘要 本文以流量检测的基本理论为基础，将先进的计算机控制技术和组态技术相 结合，研制了应用于油流量计自动检定实时监控系统。根据检定系统的流量控制 要求，对流量控制方法进行了分析和比较，确定了变频调速流量控制方式；根据 检定系统精度的要求，采用了计算机补偿方法，并根据不确定度理论评价方法， 对本系统进行了不确定度评价；根据检定系统的安全、稳定性的要求，提出了一 些抗干扰和防火防爆措施。结合本课题的具体要求，采用a d a m 5 0 0 0 及i 0 模 块为下位机来实现对现场各个元器件的操作，同时上位机安装组态软件，实现对 整个系统的组态，最终实现对整个系统的实时监控功能。通过对系统的实际运行， 进一步验证了方案的可性行。 本课题将理论研究与实际开发有机地结合起来，从仪器的原理和选择、控制 系统的设计、调试到实现对监控系统的组态，最终完成了标准表法容积式油流量 计自动检定系统的研制。 关键词：流量控制变频调速检定系统流量计a d a m i nt h i s p a p e r , c o m b i n e dt h em v a n c e dc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y w i t ht h e c o n f i g u r a t i o nt e c h n i q u e t h er e a l - t i m es y s t e mo fi n s p e c t & c o n t r o li sr e s e a r c h e dt o a p p l yo no i l f l o w m e t e ra u t o - c a l i b r a t i o n , b a s e do nt h em a i nt h e o r yo ff l o w m e a s w e m e n t a c c o r d i n g t ot h ed e m a n do ff l o wc o n t r o li nt h es y s t e m ，f l o wc o n t r o l m e t h o do ff x e q u e n c yc o n v e r s i o na d j u s t i n gt h es p e e di sc o n f i r m e d ，a f t e ra n a l y z e da n d c o m p a r e dt h ef l o wc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o lm e t h o d u n c e r t a i n t yo ft h es y s t e mi s e v a l u a t e db yt h ed e m a n do f t h ep r e c i s i o ni nt h es y s t e ma n dt h ee v a l u a t i o nm e t h o do f u n c e r t a i n t y s o m em e a s u r e m e n t so ff i r e p r o o fa n da n t i - e x p l o s i o na l eb r o u g h tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do ft h es e c u r i t ya n dt h es t a b i l i t yi nt h es y s t e m t h i ss y s t e m a d o p t st h ea d a m 5 0 0 0 & i om o d u i ea st h es u b o r d i n a t ec o m p u t e rt oc o n t r o le l e c t r i c e q u i p m e n t st oa d a p tt h ed e m a n do ft h i st a s k a tt h es a m et i m et h ec o n f i g u r a b l e s o r w a l ei su s e dt or e a l i z et h ec o n f i g u r a t i o no ft h es y s t e m ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sp l a n i sv a l i d a t e df u r t h e rb yt h ea c t u a lw o r ko f t h es y s t e m a b u n d a n tt h e o r e t i c a lk n o w l e d g ei sw e l la p p l i e dt ot h ep r a c t i c a lp r o j e c ti nt h i sp a p e r f r o m s e l e c t i n gi n s m u n e n t s ，d e s i g n i n g c o n t r o l s y s t e m a n dd e b u g g i n gt ot h e c o n f i g u r a t i o no fc o n t r o ls y s t e m ，t h ea c t u a la u t o m a t i cf a c i l i t ys y s t e mi so b t a i n e df o r c a l i b r a t i n gt h ep o s i t i v ed i s p l a c e m e n to i lf l o w m e t e rb a s e do ns t a n d a r df l o w m e t e r m e t h o d k e yw o r d s ：f l o w c o n t r o l ，v a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e dg o v e r n i n g ，t h es y s t e mf o r c a l i b r a t i o n ，f l o w m e t e r , a d a m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：榛扎节 签字日期：；年，月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘翌有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名i 馨芰午 签字日期：石年，月，日 导师签名： 签字日期： 天津大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 1 1 流量计量及流量计检定 流量计量广泛存在于工农业生产、国防建设、科学研究、产品贸易输送及人 民日常生活等各个领域。在石油与天然气工业生产中，流量计量贯穿于石油与天 然气的开采、储运、集输、加工处理到贸易销售的全过程。在电力工业中，蒸汽 是一种熟载体及二次能源，对蒸汽、气体、液体等介质流量的测控具有重要意义， 流量测量已成为发电厂安全运行的重要环节。在钢铁工业中，炼钢过程中的循环 水和氧气的流量计量是保证产品质量的重要技术手段。在农业生产中，农田水利 灌溉网中水流量的计量是分配、调度的依据。在科学研究、出口贸易输送及人民 生活密切相关的公共设施，如对自来水、煤气、天然气及燃油的测控工程中，都 大量应用着流量计量仪表。 各种物质流量和数量的准确计量，更具有极大的实现意义。各种流量测量仪 表，尤其是作为经济核算依据和量值传递的高准确度的标准流量计，从研究到投 入使用之前，必须对其特性进行细致、系统的研究，而这些实验研究工作，都需 要在流量标准装置上进行，所以流量标准装置必须满足仪表实验特性的要求。影 响流量计特性的因素很多，除仪表本身的设计参数和结构外，流体的流动特性、 工作状态等都有密切关系。同时，由于现场流量计的使用条件变化大，建立完全 与现场条件一致的流量装置很困难。因此，必须选定其共性条件，建立标准装置， 再运用理论与实践相结合的方法解决使用条件下的问题。近年来，国际上成立了 标准化组织和法制计量组织，先后制定了不少国际标准虽然在流量标准装置的研 究和建立上已有了很大进展。但对大流量、特种介质的研究上还是遇到不少困难， 这些困难有的是技术上的，有的是经济上的。由于投资大，影响多，因此想要解 决问题还需要研究其他方法，如标准表法正越来越受到人们的重视，尤其是研究 高精确度的标准表法流量计检定装置是流量测试技术发展的一个很重要的问题。 1 2 标准表法容积式流量计检定系统的特点 针对石油的特点，绝大多数都采用容积式流量计计量。目前全国各油田单位 也几乎都是采用标准表法容积式流量计检定装置，这种方法对流量的测量、量值 第一章绪论 传递、扩大量限、节约投资和提高工效等方面都有特殊的意义。同时，世界各国 都非常重视这种方法。虽然方法都一样，但是实现方法的手段不一，主要在于流 量测量和流量控制技术的选择方面。对于检定系统中流量的精确测量，测量方法 的选择、标准流量计的选型、数据的处理等关系密切；对于检定系统中流量的精 确控制，流量的调节方式和控制方式的选择是设计检定系统应考虑的主要因素。 1 3 国内外研究现状 国际上，液烃动态计量容积式流量计检定系统主要包括三种：标准罐检定系 统；标准体积管检定系统；标准流量计检定系统。国内三等检定系统( 油田各采 油厂) 大都采用的是标准流量计检定系统，即采用被检表与标准表相比较的人工 读数法，检定过程中需要反复读数、记录数据、调节流量、计算误差。检定过程 中存在着人为的读数误差，增加了整个装置的总不确定度，同时，原油流量计由 于检定时间长，检定一台流量计在9 6 分钟以上。目前国内外普遍采用以“组态 王”为工控软件的自动检定系统，自动采集被检表、标准表信号，由计算机自动 完成数据处理、误差计算，大大降低了人为误差，提高了工作效率。 检定系统中，国内外流量控制方法主要有两种：改变流体通道的大小和控制 流体流速的大小。 第一种方案是电动机转速恒定，通过改变流体通道的大小来调节流速，包括 直接节流法，即利用改变装在输油管道上的调节控制阀的开度来控制输送流量； 改变旁路回流法，即利用改变装在旁流管道上的调节控制阀的开度来控制输送流 量。 随着计算机控制技术的普及，控制阀也出现了新品种，主要是电动调节阀， 它由电动执行器、阀体和控制部分组成。输出流量的大小与电动阀相对应，因此 可得电压或电流与流量之间的关系。控制流量首先需要计算出施加在电动阀上的 对应电压或电流值。从计算机出来的信号经过数摸转换作用在电动阀上，控制电 动阀的开启度，从而达到控制流量的目的。 第二种方案是将阀门完全打开，调节变频器的频率，改变电动机的转速，直 接控制进入输送管道的流体的流量。 在整个控制系统方面，当前一般是采取发现偏差，然后控制装置根据偏差方 向、大小进行控制，去除偏差。包括闭环控制和开环控制，对流量的控制一般采 取闭环控制。在控制算法方面，p i d 控制具有原理简单、直观易懂、易于工程实 现等一系列优点。 国内外在流量控制方面有大量的研究和实际应用实例，如河海大学提出的微 天津大学硕士学位论文绪论 机在电子式电动阀流量控制中的应用【1 】；广西工学院开发的汽车水泵计算机测试 系统的流量控制与检测系统 2 1 ，用于汽车发动机冷却水泵计算机测试系统的流量 控制和测量；内蒙古工业大学开发的风机水泵流量控制的交流变频调速系统， 采用交流变频调速器驱动异步电动机对风机水泵类负载流量的自动调节；辽宁 工程技术大学开发的变频调速恒压供水系统【4 】，将模糊控制技术应用于变频调速 恒压供水系统；天津大学开发的基于回归算法的离心泵流量控制系统【5 j ，用于将 离心泵的排出流量恒定在给定数值上。 流量检定系统中的流量测量采用先进的标准流量计，通过流量计计量、流量 信号的转换、脉冲信号远传、计算机及接口电路的自动采集、计算机处理等过程。 这是流量检定系统流量测量的主体部分。检定系统的流量控制方案各种各样，以 上各种控制方案可以借鉴，对控制要求的满足不尽相同，传统的控制算法难以达 到本系统中对流量的高精度要求。为达到满足流量检定系统的流量调节和控制的 设计要求，有必要对流量控制的方案，控制策略以及系统中的数据采集进行详细 的研究。 1 4 本论文的主要研究内容 标准表法容积式流量计自动检定系统检定过程中，首先是计算机发出启动命 令，启动电动机、变频器及离心泵；泵排出流量沿管路经检定表和标准表：检定 表和标准表的流量信号送往计算机采集和处理；另外根据工艺要求，处理后的数 据进一步按设定的p i d 规律控制变频器的频率输出，达到流量控制的目的。本课 题的主要研究内容有： ( 1 ) 检定系统的组成设计，包括硬件中主要器件的原理分析及器件选择，组 态王软件的原理和组态。 ( 2 ) 检定系统的控制方案选择及自动控制的实现。 ( 3 ) 检定系统的抗干扰及防火防爆设计。 ( 4 ) 检定系统的调试运行及不确定度分析。 第二章标准表法容积式油流量计自动检测 第二章标准表法容积式油流量计自动检定原理 2 1 流量测量 流量是在单位时同内流体通过一定截回积的量。这个量用流体的体积采表不 称为瞬时体积流量( q v ) ，简称体积流量；用流量的质量来表示称为瞬时质量流 量( q n l ) ，简称质量流量。它的表达式是 4 ，；坐：l i m 坐 ( 2 1 ) 鲂。i 26 r 臻百 。2 。 g 。：塑：l i m a m ：pq v ( 2 2 ) 2 百2 。妥百 2 2 式中，q 。、q v 一在时间间隔t 内通过的流体质量或体积；p 一流体密度。 从t l 到t 2 这一段时间内流体体积流量或质量流量的累积值称为累积流量，它们的 表达式为 矿= 知d t 聊= f 2 9 。d t ( 2 3 ) ( 2 4 ) 对在一定通道内流动的流体的流量进行测量统称为流量计量。流量测量的流 体是多样化的，测量对象有气体、液体、混合流体；流体的温度、压力、流量均 有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。因此，流量测量的任务就是根据 测量目的，被测流体的种类、流动状态、测量场所等测量条件，研究各种相应的 测量方法，并保证流量量值的正确传递。 2 2 流体流动的基本方程 在研究和设计流量计检定系统过程中，标准表法的理论基础就是流体流动的 连续性方程，而流量计的计量理论基础是流体流动的伯努利方程。 4 天津大学硕士学位论文标准表法容积式油流量计自动检定 2 2 1 连续i 生方程 在如图2 1 所示的稳定流体流动系统中，以进出口截面及管路管壁为划定体 积，进行总流量衡算。由于是稳定流动，有输入= 输出。 即从截面1 进输入系统的质量流量等于从 截面2 输出系统的质量流量，用等式表示即 为 1 a 1 , 0 1 = u 2 a 2 , 0 2 ( 2 5 ) 式中，“， 1 2 一流过截面4 ，a ：的流体流速； p ，p ：一流过截面a 。，a 2 的流体的密度。 2 2 2 伯努利方程 o 一 2 - 1 流体流动系统 流体流动的伯努利方程就是流体流动的能量方程。如图2 - 1 所示的流体流动 系统中，在稳定条件下，设在单位时间内有质量为m 的流体通过管截面1 进入 划定体积的管路系统，因是稳定流动，则必有质量为m 的流体从截面2 输出。 先对该系统进行总能量衡算得到能量衡算方程，因为 输入的总能量= 输出的总能量，所以有 嘲+ m g z ，+ ( 圭 m u l2 + p l v l + 毗= t 1 , l g l 2 + m g z 2 + ( 争：2 协叫司 式( 2 6 ) 即为总能量衡算方程的一种形式。当流体为理想流体且没有外功加入时， 并进一步换算和简化得到常用的表达式： ”茜+ 昭p l + h 。：+ 茜+ 偌p - a l + h ， c 2 - 7 ， z gp gz g p g 。 上式称为柏努利方程。由该式可知，对于没有外功加入的理想流体，各流动截面 的总压头相等。 2 3 流量测量方法 流量测量方法可分成四大类6 1 ：利用伯努利方程原理来测量流量的流量计是 以输出流体差压信号反映流量，称为差压式流量测量方法；( 2 ) 利用测量流速 n 第二章标准表法容积式油流量计自动检测 来得到流量的称为速度式流量测量方法；( 3 ) 利用一个一个标准小容积连续地 测量流量的方法称为容积式流量测量方法；( 4 ) 以测量流体质量流量为目的的 流量测量方法称为质量流量测量方法。 2 3 1 差压式流量测量方法及流量计 在流体力学中，伯努利方程说明了流体流线上各点之间的能量关系。若在流 体流过的管路中安装一个使流通截面缩小的节流件，则流体流过该节流件会在节 流件前后产生静压差4 p 。设节流件处的流体流通截面为彳，流体密度为p ，则 q ，= c a 万万 式中，c 为系数。 ( 2 8 ) 若节流件前后的面积爿和流体密度p 一定，则流体流量与节流件前后压差的 平方根成正比，这就是节流流量计的测量原理；若保持节流件前后压力差恒定， 则流量与节流件处的流通截面4 成正比，这就是面积式流量计的测量原理。 2 3 2 速度式流量测量方法及流量计 以测量流体流速来得到流体流量的流量计，称为速度式流量计。它的种类很 多，常见的有涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计和热式流量计等。 2 3 - 3 容积式流量测量方法及流量计 容积式流量计广泛应用于各种液体和气体的流量测量，尤其是在较高黏度的 液体测量中，可具有很高的测量精度。其工作原理是将流过管路的流量，以一具 有标准容积的“计量空间”连续不断地进行计量，根据该标准容积的容积值和连 续测量的累计次数，可以得到通过该流量计的累积流量。这类流量计主要有腰轮 流量计、齿轮流量计、刮板式流量计等。 2 3 4 质量式流量测量方法及流量计 以直接或单一测量读出流体质量为目的的流量计称为质量流量计，它可以分 为三大类：一是直接测量流体质量流量的直接式质量流量计，有热式、双孔板、 双涡轮等；二是分别测量流体流速和密度，由运算器得到质量流量值，称间接式 6 天津大学硕士学位论文标准表法容积式油流量计自动检定 质量流量计；三是利用流体密度和温度粕压力之间的关系，用补偿方式消除流体 密度变化的影响，进而得到质量流量值，称为补偿式质量流量计。 2 4 标准表；去鸯积式油流量计自动检定系统 从量值传递的角度看，油流量检定系统大体可以分成两类。一是不需要经过 更高一级的流量标准进行传递，而是通过基本量的测量来确定其量值，如容积法 或称重法流量检定系统等，这类装置称为初级标准。另一类需要更高一级的流量 标准对其进行传递，这类系统叫次级标准，标准表法就是一种流量次级检定系统。 2 4 1 检定系统的构成 标准表法流量计检定系统的基本结构如图2 - 2 所示册。该系统由流量源、流 体管路、标准流量计、被检流量计、流量调节阀、计算机控制系统以及其它辅助 设备等组成。 图2 - 2 标准表法流量计检定系统的基本结构 2 4 2 检定系统的工作原理 标准表法流量计检定系统是利用流体力学的连续性原理，将标准表( 标准流 量计) 和被检流量计串联，由标准表和相关参数测量仪表给出标准流量，与被检 流量计的输出流量比较，确定被检侧流量计的枝木指标。工作原理如图2 3 所示。 q 为被检油流量计指示的流量值，q o 为标准流量计指示的流量值，那么，被检 流量计的示值误差可表示为： j ：堡鱼1 0 0 蜴 第二章标准表法容积式油流量计自动检测 图2 。3 检定系统的工作原理图 2 5 检定系统控制方案的选择与实现 本系统自动检定过程就是流量的自动采集和处理以及按要求严格控制油流 量，流量信号的采集与处理由工控机及相关的接口电路完成，而流量的控制则由 工控机进行p i d 整定后的信号，通过变频器实现电动机的转速的控制，进而实现 输油泵的排量的控制。所以本系统的关键技术在于如何实现流量的自动控制。 2 5 1 离心泵的几种控制方案 离心泵是最常见的液体输送设备。离心泵流量控制的且的是要将泵的排出流 量恒定于设定的流量数值上来。 离心泵流量控制方案一般有以下三种。 改变泵出口阔门开度 通过改变泵出口阀f 了开度来控制泵出口流量的方案如图2 4 所示。在一定转 速下，离心泵的排出量与泵产生的压头有一定的对应关系，如图2 5 所示。 图2 - 4 改变泵出口阀门开度示意图 h q 3 q 2q l q 图2 5 泵的排量与压头的关系 在不同流量下，泵所能提供的压头是不同的，曲线a 称为泵的流量特征曲 线。泵提供的压头又必须与管路上的阻力相平衡才能进行操作，克服管路阻力所 需压头大小随流量的增加而增加，如曲线l 所示，曲线1 称为管路特征曲线。曲 线a 与1 的交点c 1 即为进行操作的工作点，此时泵所产生的压头正好克服管路 的阻力，c 1 点对应的流量q l 即为泵的实际出口流量。 当调节阀开度发生变化时，由于转速是恒定的，所以泵的特性没有变化，但 ，- 天津大学硕士学位论文标准表法容积式油流量计自动检定 管路上的阻力却发生了变化，即管路特性曲线不再是曲线1 ，随着调节阀开度的 减小，将变为曲线2 或曲线3 。工作点就由c 1 移向c 2 或c 3 。出口流量也由q 1 改变为q 2 或q 3 。以上就是通过改变泵出口阀开度以改变排出流量的原理。 控制泵的出口流量时，调节阀装在泵的出口管路上，而不应该装在泵的吸入 管路上。这是因为调节阀在正常工作时，需要有一定的压降，而离心泵的吸入高 度是有限的。如果泵的进口端压力过低，可能使液体汽化，使泵丧失排送能力， 这叫气缚，或者压到出口端又迅速冷凝，冲蚀严重，这叫气蚀。这两种情况都要 避免发生。 改变泵出口阀门开度的方案简单可行，是应用最为广泛的方案。但是，此方 案总的机械效率较低，特别是调节阀的开度较小时，阀上压降较大，对于大功率 的泵，损耗的功率就相当大，因而不够经济。 改变泵的转速 当泵的转速改变时，泵的流量特征曲 线也会改变，如图2 - 6 所示。曲线l 、2 、3 表示转速分别为n j 、n 2 、 3 时的流量特性， 且n l h e n 3 。在一定的管路特性曲线b 的 情况下，减小泵的转速，会使工作点由c l 移向c 2 或c 3 ，流量相应也由0 1 下降到q 2 或0 3 。当泵的转速小到刚好克服管路阻力的 临界转速时，其工作点流量为零，但泵的运 行将克服管路阻力，会产生大量的热量，长 q 3 q 2q 1 q 图2 - 6 转速与流量 时间运行将对泵的使用寿命不利，所以泵的转速不能低于最低管路中泵的转速。 当然泵也不允许运行在超出最高转速的 情况下运行。这种方案从能量消耗角度衡 量最为经济，机械效率较高，但当原动机 为电动机时，调速机构较复杂，一般配套 使用变频器来实现此种方案的控制。 改变泵的出口旁路阀门开度 如图示，将泵的部分排出量重新送回 到吸入管路，用改变旁路阀门开度的方法 来控制泵的实际排出量。调节阀装在旁路 上，由于压差大、流量小，所以调节阀的 图2 7 改变泵的出口旁路阀门开度 口径可以选得比装在出口管道上的小的多。但由于旁路阀消耗一部分高压液体能 量，使总的机械效率降低，经济性较差。 第二章标准表法容积式油流量计自动检测 2 5 2 本系统的流量控制方案选择 分析上述三种控制方案，并结合目前现有设备的实际情况，选择适合实际工 艺要求的流量控制方案。本系统选择通过变频器来改变泵的转速的方案。 2 5 3 控制系统技术理论分析 原油计量仪表自动检定系统中的控制系统是一个比较典型的串级控制系统。 如图2 8 所示： 图2 - 8 串级控制系统示意图 标准表作为主控变量的检测元件，在工作过程中引入一定的干扰，其干扰有 机械的、电子的。而变频器在工作过程中，也会带来外控信号挟带的干扰，需要 引入流量的串级控制系统。由于检定所需流量范围在泵的排量范围内，可以不加 副回路的控制，即为简单的调速控制方案。 2 5 4 控制算法的选择 p i d 的模拟表达式：| p 鸣卜砉p + 乃引 ( 2 - 9 ) 式中，p 一调节器的输出信号； e 一调节器的偏差输入信号； k 。、z 、乃一分别为调节器的比例系数，积分时间、微分时间。 离散化后积分项和微分项的近似表示为： p = 窆啦r = t 主e 净0卢0 ( 2 1 0 ) 壁奎竺堡主兰垡笙兰 堡堡耋鲨窒堡壅塑鎏墨笪皇塑笙塞 一一 。 d e e t e t 1 出 l 2 ) 离散的p i d 算式： ，：= ：置， e 。+ ：等；l ；e 。十j 等g 。一e 。一。) j 式中，出= z 采样周期； ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 只第n 次采样时调节器的输出； p 。一第n 次采样的偏差； ，广采样序号。 式( 2 1 2 ) 为位置式算式，其计算出的输出量与执行机构的位置相对应。 3 ) p i d 的输出增量的表达式： 必“正。一) + + 。一z e 。+ ) 1 = 砟p 0 ) 一e g 1 ) 】+ 世，0 。) + 量。f p g ) 一2 e 0 一1 ) + e 白一2 ) 】 4 k ) = c r ( t ) 其中： 髟。一比例增益 k ，一积分时间常数 k 。一微分时间常数 c 设定值 r ( f ) 一实际测量值 p 忙) 一控制器输入信号 4 ) 增量式系统框图如图2 - 9 所示 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 图2 - 9 增量式系统框图 增量式输出的优点： 计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，舞动作影响小， 必要时通过逻辑判断进行保护，不会严重影响系统状态。 第二章标准表法容积式油流量计自动检测 易于实现手动和自动的无扰动切换。 2 5 6p i 算法因子的改进 考虑到检定过程流量变化过渡 过程比较快，而且流量稳定程度要 求比较高，所以在本次控制过程中， 令岛= o ，即去掉微分控制。通过经 验凑试法整定p 、i 参数为3 、2 ，通 过运行效果不错。右图是h 控制过 程的流量响应曲线图。其中：一2 5 a e 2 5 0 , 符合国家检定规程 标准要求。由于p i 算法的输出量来 改变变频器的频率，而变化范围仅 q i l 一 l 一 图2 1 1p i 算法因子的改进 限于0 5 0 h z 之内，为了使泵的转速变化更加平稳，抑制大的增量所带来的大幅 震荡，使频率的变化限定在0 m 之间。所以对l i d 增量式算式控制输入信号进 行预处理。把输入信号的绝对偏差，修正为相对偏差。 2 5 7p i d 算法的程序实现 定义一个函数，作为本次控制器的核心部件。 f l o a tp i d ( f l o a tp , f l o a ti , f l o a tp i d s e t ，f l o a tp i d r e t u r n ，f l o a td e l t a p i d p r e l ) 函数体： l o n gp i d o u t ； l o n gd e l t a p i d ； d e l t a p i d = ( p i d s e t p i d r e t u r n ) p i d s e t ； p i d o u t = p + ( d e l t a p i d d e l t a p i d p r e l ) + l + d e l t a p i d ； d e l t a p i d p r e l = d e l t a p i d ； r e t u mp i d o u t ； 当在进行p i d 时，可以任意调用该函数进行调节变频器的输出频率。 频率= 频率+ p i d ( 3 ，2 ，设定值，实测值，偏差前值) 使频率的变化在小数位变化，格式：x 1 x 2 x 3 x 4 即率变化在x 3 ) ( 4 位置变 化，这样使p i d 的调节更加平稳，还能抑制大的波动干扰。 天津大学硕士学位论文标准表法容积式油流量计自动检定 2 5 8 检定系统的自动检测的实现 通过以上各步骤对流量的控制，再配套工控机及其接口模块，达到对检定系 统实现自动采集和自动控制的目的。具体过程：在自动采集瞬时流量方面，采用 a d a m 5 0 0 0 4 8 5 分布式数据采集及控制系统中的a d a m 5 0 8 0 4 c h 流量采集模 块，分别对标准表和被检表信号发生器传来的方波或矩形波进行处理。其转换模 式有两种，计数模式或频率( 脉冲) 模式，由于计数模式对方波或矩形波有滤波 作用，所以本次设计选择计数模式以降低外界干扰，提高准确度。在应用软件开 发方面，采用国内先进且可靠性很高的“组态王”工控开发软件进行开发，制作 系统各界面，定义函数及编写程序。应用软件由主界面和其它功能模块构成，其 功能由按键点击操作或数据改变事件模块程序执行来完成。这样使计算机具有自 动采集数据、自动计算并打印检测结果。在检定过程中的流量控制方面，执行选 择好的控制方案和算法，执行单回路控制。计算机发出开始检定命令后，启动输 油泵，工作流程上的标准表实时检测检定管线的流量，并将数据反馈给计算机， 计算机比较瞬时流量与设定流量的差别，通过调节装置调节泵速，以达到管线内 瞬时流量的稳定，实现变频调速控制流量的目的。当流量稳定后，标准表和被检 表信号发生器传来的方波或矩形波通过流量采集模块以计数模式进行处理，通讯 给计算机，计算机自动进行相应的数据处理，检测结束后，自动生成相应表格。 从而实现检定流量范围的全覆盖，经济、科学的完成流量仪表自动检定过程。 第三章检定系统的设计与实现 第三章检定系统的设计与实现 检定系统包括检定硬件系统( 即检定装置) 和软件系统构成。软件系统的核 心是工控组态王软件，实现流量数据的自动采集、运算、储存、控制、显示和打 印输出功能。检定装置由检定工艺装置和自动检定装置构成，自动检定装置主要 由工业控制计算机i p c 6 1 0p 4 、17 英寸纯平菲利莆1 0 7 b 显示器、研华智能数 据采集控制模块等组成。检定工艺装置主要由日本富士p 7 交频器、防爆三相异 步电动机、离心输油泵、阀门、管路及标准表和检定表等组成。检定装置硬件系 统结构如图3 - i 所示。 眵算霹孥登雾? ? 翼翎 匿鲤曼缨艘! 毛：乏，基 i， 图3 1 检定装置硬件系统结构图 3 1 研华i p c 一6 1 0 工控机 考虑到流量计检定系统环境因素和检定工艺的特殊性，设计该系统选择台湾 研华公司生产的工控机i p c 6 1 0 。i p c 6 1 0 工控机专门为各种工业现场定做，适合 于对数据采集、处理有极高要求的行业，能为各行业提供高性能、高可靠性的工 业级计算机平台。i p c 一6 1 0 是一款关键任务应用的1 9 ”上架式工业计算机机箱。 1 4 天津大学硕士学位论文检定系统的设计与实现 它能容纳槽p c i i s 的背板或者商用主板，并且支持的电源型号相当广泛。机箱 前面板上有带锁的门以防止非正常的操作。机箱内的气流由一个热插拔冷却风扇 来控制。p c 6 1 0 能抗冲击，振荡，并且能工作在粉尘的恶劣环境下。它完成和 智能模块a d a m 5 0 0 0 4 8 5 的通讯，实时完成流量仪表检测过程流量的实时控制 和数据处理。对检测结果数据的进行分析，实时的或历史的对被检表数据进行分 析、公布数据分析结果，提交给检定人员。检定人员依据数据分析结果，对被检 表的情况做出正确、合理、科学的判断或进行调修或报废。其作用，计算机自动 检定系统装置的实现，大大减轻检定人员的劳动强度，数据分析过程自动化、加 大了准确性。实现检定报表类文件的输出、存档管理。 3 2a d a m 模块 检定系统选用a d a m 5 0 0 0 4 8 5 模块及配套i ，o 模块( a d a m 5 0 2 4 、 a d a m 5 0 5 5 s 、a d a m 5 0 8 0 ) ，a d a m 5 0 0 0 4 8 5 是通过多通道模块实现监控 功能的控制系统，体积紧凑，符合现场总线的趋势。a d a m 5 0 0 0 4 8 5 模块及配套 i o 模块组成一体，成为一个完整的功能系统，系统由两部分组成：基座( 主单 元) 和i ，0 模块，每个基座可以安装4 个i ，0 模块。基座是系统的核心，每个基 座包括1 个c p u 模块、1 个电源模块、1 个4 槽底板和3 个通讯端口。配罾完i 0 模块的a d a m 5 0 0 0 ，4 8 5 系统能够完成现场设备与主机间的信号调理、数据转换、 校准、报警监测、内部诊断和通信等任务。内置看门狗定时器功能可自动复位系 统，减少维护量；对不同任务可以使用同一种模块，极大地简化了设计工作并降 低了维护成本；基于a s c i i 的命令响应协议可确保与任何计算机系统兼容，通 讯速率最高可达1 1 5 2k b p s 。 3 2 1a d a m 5 0 0 0 4 8 5 a d a m 5 0 0 0 4 8 5 原理方框图8 】如图3 - 2 所示。其核心部件是内置1 6 位8 0 1 8 8 微处理器，提供信号处理、模拟量信号输入输出、开关量信号输入输出、数据显 示、r s 一4 8 5 r s 2 3 2 通讯等。 第三章检定系统的设计与实现 图3 2a d a m 5 0 0 0 4 8 5 原理方框图 3 2 2a d a m s 0 2 4 模拟输出模块 流量检测系统中变频器的频率控制信号来自a d a m 5 0 2 4 模块的输出信号。 也就是这个模块用于接收a d a m 5 0 0 0 微处理器按照p i d 规律调节的数字信号， 经过a d a m 5 0 2 4 模块进行数摸转换，变成4 2 0 m a 的模拟信号去控制变频器。 a d a m 5 0 2 4 是一个4 通道模拟输出模块，它是通过a d a m 5 0 0 0 系统模块的 r s - 4 8 5 接口从上位机( 工控机) 中接收数字信号。数据的格式是工程单位，然 后通过受控于a d a m 5 0 0 0 的内部d a 转换器，在输出端输出模拟信号。模拟的 蝓出可以通过应用软件随电流或电压值来设置，模块有5 0 0 v d c 隔离保护。 a d a m 5 0 2 4 的接线图如图3 - 4 所示。 r n a o u ：l p 渣 v 。1 嘲抟 图3 - 4a d a m 5 0 2 4 接线图 a d a m 5 0 2 4 管脚功能说明如下： 1 0 1 3 ：模拟电流输出端子； v 0 v 3 ：模拟电压输出端子。 天津大学硕士学位论文 检定系统的设计与实现 3 2 3a d a m 5 0 5 5 s 数字量输入输出模块 流量计检定系统中用到变频器和机泵的启动，启动信号属于数字开关信号， 所以选择a d a m 系列的a d a m 5 0 5 5 s 模块，能满足该系统控制的要求。它提供 了8 路隔离数字输入和8 路隔离数字输出，为了适应恶劣的外部环境，每一个通 道都设计有隔离保护。每一个通道通过d i p 开关设置成独立的输入或输出，数字 输出是受控与a d a m 5 0 0 0 的晶体管的集电极端子，输出信号也可以控制固态继 电器，然后控制远程的泵、加热器和其它电源设备。a d a m 5 0 0 0 也可以使用该 模块的数字输入决定限制开关或安全开关的状态，或接收远程的数字信号。 a d a m 5 0 5 5 s 在本系统中应用接线图如图3 击所示。 图3 - 6a d a m 5 0 5 5 s 的接线图 主要管脚功能说明如下： d 0 0 d 0 7 - 数字输出端子的信号端； c o m 0 ：数字输出端子的公共端； d i i d 1 7 ：数字输入端子的信号端； c o m l 、c o m 2 ：数字输入端子的公共端； g n d ：接地。 3 2 4a d a m 5 0 8 0 计数计频模块 流量计检定系统中，标准流量计和被检流量计的输出信号脉冲信号，这个信 号正比于通过流量计的流量，所以只要正确的采集该脉冲信号，就可以准确的在 计算机中记录实际测试的流量值。而a d a m 5 0 8 0 能够正确的记录脉冲信号，所 第三章检定系统的设计与实现 以选择该器件就是达到采集流量脉冲信号的目的。考虑到6 路检测信号和1 路被 检信号，应选择2 块a d a m 5 0 8 0 才能满足正常的检定要求。a d a m 5 0 8 0 是一个 4 通道计数器频率模块。本系统流量信号为脉冲信号，数据输出选择计数器模式。 检定系统采用a d a m 5 0 8 0 的隔离方式接线图为如图3 - g 所示。 一奴一、 v 图3 8a d a m 5 0 8 0 隔离方式接线图 主要管脚功能说明如下： c o a + 、c o a - - , - - c 3 a + 、c 3 a - ：增计数( 本系统就是采用这种方式) c o b 枷) + 、c o b d c 3 b 卅) + 、c 3 b - d 。：减计数或双向计数； i s o l a = 匝：隔离输入； r r l ：t t l 输入。 3 2 5a d a m 5 0 0 0 4 8 5 及其系列模块的设置 把a d a m 5 0 2 4 、a d a m 5 0 5 5 s ( 2 块) 、a d a m 5 0 8 0 共四个模块按要求插入 a d a m 5 0 0 0 4 8 5 的插槽中，这样就形成了一个数据采集和处理的现场计算机系 统。在使用前必须对它进行相应的设置，才能满足特定工艺的需要。接口模块i o 读取数据直接在控制器本身内部计算，不需要经过通讯过程再由另一台计算机计 算，也大大提高了计算速度。 a d a m 5 0 0 0 4 8 5 出厂时在内部f l a s hr o m 上已经写入了它特有的操作系统 r o m d o s ，根据它提供的完整的c 语言库函数，用户可以用c 语言在组态软件 平台上方便地调用这些子程序，编写并编译成8 0 1 8 8 代码的监控程序，来执行 a d a m 5 0 0 0 ，4 8 5 所有的i o 功能。流量计检定系统中的误差处理、流量控制的 p i d 程序及其它应用程序可以下载到a d a m 5 0 0 0 4 8 5 的f l a s hr o m 中进行调 试。 a d a m 5 0 0 0 4 8 5 在出厂时都有设置默认值，一般地址号为1 ，采用“9 6 0 0 ， n ，8 ，1 ”的传输格式。它表示所使用的通信端口是以每秒9 6 0 0 位的速度作为 传输，不作校验位的检查，每个数据单元是8 位，而停止位是一个位。在实际应 用中要对这些参数进行修改，主要是对地址号和波特率的调整。a d a m 5 0 0 0 4 8 5 天津大学硕士学位论文检定系统的设计与实现 有配套的调试软件，只要按照说明将a d a m 5 0 0 0 4 8 5 模块的玳r r 和g n d 两个 管脚短接，就可通过计算机软件对模块的设置进行修改，将地址号和波特率改为 所需的值。 3 3r s 一2 3 2 通讯 a d a m 5 0 0 0 4 8 5 提供r s - 2 3 2 和r s - 4 8 5 两种通讯，由于本系统中的流量检 测和控制与操作台( 工控机) 的距离近，在不影响远传信号的失真和其它干扰的 情况下，把a d a m 5 0 0 0 ，4 8 5 模块极其配套的器件做成的控制柜摆放在主机的旁 边，这样近的距离，选择r s 2 3 2 通讯是合适的，达到了简单经济的设计目的。 a 1 ) a m 5 0 0 0 4 8 5 与工控机之间的通讯是串行r s 2 3 2 通讯，串行通讯端口在 本系统中起到极其重要的作用。r s - 2 3 2 通讯端口是每台计算机上的标准配置， 通常有c o m l 和c o m 2 两个端口，均以9 引脚的接头输出。最早的串行端口是 专用来和调制解调器连接的，因此它的各个引脚的定义也和调制解调器有关，每 个引脚有专门的电气定义。技术发展到了今天，很多其它设备也是通过r s 2 3 2 和计算机进行连接的，因此只要合理的应用各个引脚，计算机就可以方便的和各 个设备进行数据传输和连机控制了。 通常和计算机连接的设备，最简单的通讯接口就是r s 2 3 2 ，不仅操作筒单， 而且价格也便宜。在r s 2 3 2 的规范中，电压在+ 3 v - 一+ 1 5 v 之间为0 ，一般被用 为“o n ”。电压在一3 v 一1 5 v 之间为1 ，一般被用为“o f f ”。工控机( i p c 6 1 0 ) 与a d a m 5 0 0 0 4 8 5 的通讯中用到的r s - 2 3 2 管脚说明如表3 - i 所示。 表3 1i p c 6 10 与a d a m 5 0 0 0 通讯管脚连接 i p c 6 1 0a d a m 5 0 0 0 a 管脚简写意义 ( c o m l 端口) ( r s 一2 3 2 端口) p i n lc d 载波检查 不用不用 p i n 2r x d 接收字符使用使用 p i n 3 t x d 传送字符使用 使用 p i n 4d t r 数据端就绪使用使用 p i n 5g n d地线 使用 使用 p i n 6d s r 数据就绪 不用不用 p i n 7r t s 要求传送不用 不用 p i n 8c t s 消除传送不用