（机械电子工程专业论文）新能源自动化生产控制系统的研制.pdf

摘要 甲醇汽油是目前较为理想的汽车代用原料之一。相对于“电动汽车 、“氢燃 料汽车 等，甲醇汽油具有技术可行性、大规模应用可行性、经济可行性等多方 面优势，是更加现实的新能源路径。作为甲醇汽油的重要成分，甲醇汽油添加剂 很大程度上决定了甲醇汽油的使用性能，成为甲醇汽油研究中的焦点。 本文源自某生产厂家对自动化甲醇汽油添加剂生产控制系统的一个试验性工 程，文中较为详细地描述了管道系统、电控系统和主控制电路设计，并根据流量 控制的特点选择适当的p i d 控制改进算法，编写m a t l a b 程序进行算法仿真， 另外还介绍了基于d e l p h i 7 集成环境开发的上位机控制软件，最终完成了甲醇汽 油添加剂自动化生产控制系统的硬件和软件的设计工作，并进行了实际项目工程 的实施、调试，实现甲醇汽油添加剂的自动化生产。 关键词：添加剂自动化生产控制流量p i d 控制上位机控制软件 a b s t r a c t m e t h a n o lg a s o l i n ei so n eo ft h ei d e a la l t e r n a t i v er a wm a t e r i a l sf o rv e h i c l e c o m p a r e dw i t h e l e c t r i cv e h i c l e ”，”h y d r o g e n - f u e lv e h i c l e ”，e t c ，m e t h a n o lg a s o l i n eh a s t e c h n i c a lf e a s i b i l i t y , l a r g e - s c a l ea p p l i c a t i o nf e a s i b i l i t y , e c o n o m i cf e a s i b i l i t ya n dm a n y o t h e ra d v a n t a g e s s o ，i t st h em o l er e a l i s t i cw a yo fn e we n e r g y a sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n to fm e t h a n o lg a s o l i n e ，m e t h a n o lg a s o l i n ea d d i t i v eh a sb e c o m et h ef o c u so f t h es t u d yo fm e t h a n o lg a s o l i n e ，w h i c ht oal a r g ee x t e n td e t e r m i n e st h eu s i n g p e r f o r m a n c eo f m e t h a n o lg a s o l i n e t l l i sp a p e r , w h i c hc o m e sf r o ma ne x p e r i m e n t a lp r o j e c to fam a n u f a c t u r e rf o r m e t h a n o lg a s o l i n ea d d i t i v ea u t o m a t e dp r o d u c t i o nc o n t r o ls y s t e m , g i v e sam o l ed e t a i l e d d e s c r i p t i o no fp i p e l i n es y s t e m ，e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e ma n d t h em a i nc o n t r o lc i r c u i t , a n d t h e n , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l o wc o n t r o ls y s t e m , s e l e c t sa na p p r o p r i a t e i m p r o v e dp i dc o n t r o la l g o r i t h ma n ds i m u l a t e si tu s i n g 队t l a b i ta l s od e s c r i b e st h e h o s tc o m p u t e rs o f t ：w a r ew h i c hi sb a s e do nd e l p h i7i d e ，a n dc o m p l e t e st h ed e s i g n w o r ko ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fm e t h a n o lg a s o l i n ea d d i t i v ea u t o m a t e d p r o d u c t i o nc o n t r o ls y s t e m w eh a v ec o n d u c t e dt h ea c t u a lp r o j e c ti m p l e m e n t a t i o na n d c o m m i s s i o n i n g ，a n du l t i m a t e l yr e a l i z e dt h ea u t o m a t i cp r o d u c t i o no f m e t h a n o lg a s o l i n e a d d i t i v e k e y w o r d s ：a d d i t i v e a u t o m a t e dp r o d u c t i o nc o n t r o lf l o w p i dc o n t r o l h o s tc o m p u t e rc o n t r o ls o f t w a r e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期型! ：至2 日期丝! 竺：! ：z 一 他 第一章绪论 第一章绪论 1 1 新能源自动化生产控制系统研制的背景和意义 当今世界经济高速发展，能源( 尤其石油) 的消耗急速上升，巨大的燃油消 耗给日益枯竭的石油资源造成了巨大压力，解决能源可持续性发展和降低能源成 本将是人类未来数十年甚至数百年的挑战。 目前，全球都在寻找汽车代用燃料，在其研究开发中，甲醇燃料优势明显， 其低廉的价格、较高的辛烷值、较高的混溶热值、在发动机内较高的燃烧效率、 较低的尾气污染以及简单的合成工艺等显著优点，使甲醇受到世人的关注。对甲 醇与汽油的混合燃料即甲醇汽油的研究始于7 0 年代，在不改动汽油发动机的前提 下，甲醇可直接掺入汽油的量在1 5 左右，即m 1 5 甲醇汽油。对于甲醇掺入量更 高的甲醇汽油，必须对发动机予以改造或者改变甲醇汽油配方才能使用。 我国国家经贸委早已提出要重点发展甲醇和乙醇替代汽油及过程能量优化等 节油技术，目前可生产出的甲醇汽油型号种类主要有：m 3 0 、m 5 0 、m 7 0 、m 8 5 等( m 后面的数字表示甲醇的质量百分比) 。甲醇汽油由添加剂、甲醇和汽油混 合组成，添加剂又由金属缓蚀剂、助燃剂、点火剂等多种成分构成。国家已经出 台了部分甲醇汽油型号的标准，甲醇汽油占市场能源消耗的比例也将逐渐增加。 因而，研究开发出不需进行发动机改造、配方简单、甲醇掺入量更高( 最高 可至1 0 0 ) 、既可用专门生产设备与汽油混合、又可以让用户直接按比例自行将 配有添加剂的甲醇加入油箱中、进一步降低成本、提高用户使用灵活性的甲醇汽 油技术具有非常的战略意义。故此，甲醇汽油添加剂便成为研究中的焦点。 甲醇汽油替代汽油，具有如下优势： 1 在动力性方面，通过改变发动机的供油系统，增加喷油量以弥补甲醇热值 低的不足，再通过增加压缩比( 甲醇辛烷值r o n l 0 6 - - 1 1 5 ，远高于汽油并且汽化 潜热大) 就可以在很大程度上增加发动机的功率和扭矩，动力性较之同排量的汽 油机会有很大的提高。 2 在经济性方面，制造甲醇的成本一般相对燃油来讲很低，而利用高硫煤“多 联供”生产甲醇，按甲醇与汽油5 ：1 的替代比计算，使用甲醇燃料在经济性方面 仍有非常大的优势。另外，因为采用了高压缩比发动机，油耗进一步降低，从而 进一步提高了甲醇发动机的经济性。 3 在环保性方面，甲醇汽油的火焰传播速度快，分子含氧量达5 0 ，所以甲 醇汽油混合气的燃烧非常充分，排放远低于汽油。 2 新能源自动化生产控制系统的研制 由此看出，最大程度的优化甲醇汽油添加剂的物理、化学性质，提高甲醇燃 料性能，将对我国乃至世界能源的可持续发展产生深远的影响。 1 2 自动化生产控制系统简介 1 2 1 自动化生产控制系统的发展现状 随着科技水平的不断提高，许多手工操作都己远远不能满足连续化、自动化 生产的要求，逐渐被智能化、高精度、高效率的现代化生产设备所代替，这都是 人类的智慧、微电子技术、计算机应用技术的综合应用的成果。 在现在的工农业生产中，有许多种产品的生产性质其实就是将多种原料按照 一定的比例混合，通过配置加工而成，这种按照一定的比例进行混合而生产的过 程就是配料过程。其混合比例是否按照预定的计划进行、综合配料速度的高低将 直接影响产品的质量和生产效率，甚至关系到生产单位的生存命脉。自动化生产 控制系统的最主要作用就是能够准确、快速、连续地完成配料过程，提高生产效 率和产品质量。同时，采用自动化生产系统还能减轻工人的劳动强度、改善工作 环境，计算机还能做好各项记录，包括配料配方、实时运行数据、系统监控记录、 原料用量及余料、产品总量等，可供后续生产查询、参考。 现代自动配料系统可分为气体、液体、固体、固液混合等几种方式，其中气 体、固液混合方式的自动化生产设备用的很少，这里不再介绍。固体、液体类型 的自动配料系统在建筑、化工、食品等行业用的最多，主要分为静态计量、动态 计量两种配料模式，动态计量模式又以电子皮带秤计量和核子秤计量为最多。不 同的配料方式有各自的优缺点。静态计量适应于无连续配料要求的生产现场，各 批次配料之间可相隔一段时间，比如高炉槽下上料前后两批的时间间隔为3 - 5 分 钟。静态计量模式下对各批次配料组成比例要求不是很严格，只要连续多批的物 料组成比例能达到工艺要求即可。动态配料适应于连续性要求较高的现场，现场 一般不允许出现中间配料停止的情况，而且对各物料配比的实时比例要求较高。 动态计量模式下，控制主机都带有p i d 和报警功能，可以实现各原料供给的自动 控制，各控制单元通过现场总线与控制主机进行联系，构成一个分散式体系。 随着研究的不断深入和控制技术的不断发展，自动配料控制系统也在不断发 展，其发展趋势主要有以下几个方面： 1 更高的精度 新型的传感器、更科学的计量机构、高精度a d 转换模块的使用，使系统的 设计理念更为先进、整体计量精度更高； 第一章绪论 2 更高的可靠性 高度集成和简约化的电路系统大大降低了系统的故障率，减少维护量，故障 时间大为缩短； 3 高智能化 系统设计上采用了更多的新思想和新技术，系统功能进一步完善，信息管理 模块、产品检测模块的加入，可以为管理提供多种统计数据，自动对配料比例、 用量进行优化，达到智能化配料； 4 d c s ( 集散控制系统) 智能型配料计量单元被广泛应用，现场单元的计量与控制功能逐渐完善，形 成分布式的结构体系，系统的整体可靠性有了较大提高，计算机从繁重的计量与 控制中解放出来，可以将更多的工作放在数据处理和配料优化方面。 1 2 2 本论文研究内容的来源 本论文源自某生产厂家对全自动化甲醇汽油添加剂生产控制系统的一个试验 性工程，旨在用电控方法生产出具有不同物理化学性质的甲醇汽油添加剂。 根据合作方所提供的配方比例范围和流体性质( 配方中的原料因技术保密， 本文中不会涉及) ，各路原料配比量差距较大，小至几升，j 、时，大至几千升小时， 而且原料种类较多，市场上已有的不少自动配料系统已不能胜任，因此需重新设 计。 由导师指导，本人承担了该设计中的诸多主要工作，包括管道设计、安装、 机柜及其电控系统设计、系统整体调试、部分上位机软件设计等。 1 3 本文的主要工作 本文从实际工程出发，较为详细的介绍了自动化生产控制系统的设计、施工、 调试等过程，另外，对各环节中需着重考虑的因素和实际中碰到的问题及其解决 办法等也进行了相关叙述。所做工作和取得的实验结果主要归纳为以下几个方面： 1 自动化生产管道系统设计：根据合作方提出的各路原料用量范围和生产工 艺要求，选择管件的材料、公称尺寸，合理设计管道的过滤、回流、泄压、止回、 排污等装置，安排管道支吊架的放置位置并采取相应加强支撑措施，选择油泵、 管道液体流量传感器和搅拌装置，并对原料罐和存储罐提出技术要求，找专业厂 家订做。 2 流量测量、控制方法：根据各路流量范围、精度要求，考虑信号传输的抗 干扰性和安装、维修的方便，选择流量计的种类和型号。利用1 0 位高速a d 传 4 新能源自动化生产控制系统的研制 感器实时采集各路液体流量，通过p i d 算法及变频器控制实现液体流量控制。 3 p i d 算法及仿真：根据管道流量控制系统的特点，选择适当的p i d 控制改 进算法，编写m a t l a b 程序进行算法仿真，验证控制算法的有效性。 4 电控系统设计、安装：电控系统包括控制机柜、主控制电路、电磁阀、泵、 现场环境传感器( 多点温度检测、管道压力检测、危险气体浓度检测、危险液体 泄漏检测、各罐内液位检测) 等，本文着重介绍了控制机柜的电气、箱体设计， 嵌入式主控制电路设计，整个电控系统的安装和调试中出现的问题及其解决办法。 5 上位机控制软件设计：本项目的上位机控制软件由基于p a s c a l 语言的 d e l p h i 7 集成开发环境开发，软件中包括各通道状态的显示( 变频泵、自吸泵、变 频器、搅拌器、计量泵等) 、生产车间监控视频显示、生产系统中各控制部件的控 制按钮、生产信息和人员的数据库管理。 6 系统调试与实验总结：各路流量计标定及单路、整体流量控制测试及实验 总结。 第二章新能源自动化生产控制系统管道设计 5 第二章新能源自动化生产控制系统管道设计 2 1 管道系统整体介绍 可编程多路液体自动化生产控制系统可完成8 通道或6 通道( 可控) 液体按 设定比例充分混合，生产出期望的混合液体成品。该自动化生产控制系统由以下 几部分组成： 1 ) 8 通道独立高精度流量控制系统 2 ) 两级液体混合搅拌系统 3 ) 控制机柜 4 ) 工控计算机( 上位机) 5 ) 视频监控系统 6 ) 现场传感器测量系统 7 ) 无线通信模块 8 ) 各原料罐和成品储存罐 其中每路流量控制系统包括如下部件1 1 1 3 1 1 6 ：原料罐、手动阀门、过滤器、油 泵、压力表、排污阀、泄压阀及回流系统、涡轮流量计、电磁阀、单向阀、管道、 支架【2 】等。 用户可以通过操作工控计算机实现对多路液体混合自动化生产系统的控制， 也可以按照规定好的格式发送短信息进行遥控操作。自动化生产控制系统工作过 程如下：前6 路通道原料经过流量控制后，首先经汇总罐汇流，进入一级搅拌器 中，生产出1 号剂。1 号剂即可单独作为一种成品储存，也可作为后级设备的输 入原料直接输入第二级管道系统，与第7 、8 路原料混合，经第二级搅拌器后产出 全剂。 2 2 1 管件及材料 2 2 各部件选择 根据合作方提供的配料的物理化学性质可知，甲醇汽油添加剂各配料对铝、 锌、铜、锡和低炭钢无腐蚀，对硅氟橡胶和亚大耐压尼龙管无溶胀。此外，整个 系统还要求较高的管道内部清洁度以及耐压等级不小于4 k g c l n 2 、防爆等要求， 据此，经与项目相关人员商定，最终选定管道材料为卫生级不锈钢管( 管内外均 6 新能源自动化生产控制系统的研制 抛光) ，各管道配件首选精质3 0 4 不锈钢材料，其次为铜质材料【l 。后经市场调 查可知，除电磁阀外其他配件均可选配精质3 0 4 管件，不锈钢材料的电磁阀种类 较少且造价要高许多，故选用较为常用的铜质防爆电磁阀【4 】瞵】。 管道直径与管内液体流速、流量关系如下表2 1 所裂1 0 儿u j ，根据表中数据及 油泵口径选择公称直径为：第6 、1 、5 通道选择d n l 5 ，2 、3 、4 通道选择d n 2 0 ， 7 、8 通道选择d n 3 2 ，第一级搅拌器管道选择d n 3 2 ，第二级管道选择d n 6 5 。各 管件选择主要以快速接头( 以下称为快接) 方式结合为主，整个管道除少量必须 用螺纹连接的管件外，其他均为亚弧焊焊接或者快接连接，有效防止跑、冒、滴、 漏，并方便管道拆装、调试。螺纹连接处应避免使用麻绳和生料带，选用螺纹连 接专用胶水，以免有丝状物脱落后缠绕在流量计涡轮上影响流量计正常工作。 表2 1 管径流黼量对照表 管径流量( m 3 h ) ( d n ) 0 4 m s0 6 m s0 8 r n s1 0 m s1 2 m s1 4 m s1 6 m s1 8 m s2 0 m s 1 50 4o 5 0 6o 7o 91 11 31 41 6 2 0o 50 70 9 1 1 1 41 6 1 8 2 o2 3 2 50 71 11 41 82 12 52 83 23 5 3 21 21 7 2 32 9 3 5 4 14 6 5 25 8 4 01 82 73 64 55 46 37 28 19 0 5 0 2 84 25 77 18 59 91 1 31 2 71 4 1 6 54 87 29 6 1 1 9 1 4 31 6 7 1 9 1 2 1 52 3 9 8 07 21 0 91 4 51 8 12 1 72 5 32 9 03 2 63 6 2 各管道的支架选用相应型号的不锈钢支架，各支架间最大间距根据表2 2 确 定【2 1 ，关键支撑点还要做好加强支撑措施，以减小管道产生径向振动或轴向位移。 安装时支架底座用地脚螺栓固定，并埋于水泥之中。 表2 2 液体管道支架最大允许跨度 d n l 5 d n 2 0d n 3 2 d n 6 5 最大跨度2 4 m 2 9 m 3 8 m4 7 m 第二章新能源自动化生产控制系统管道设计 7 2 2 2 油泵和变频器 现将各通道依次标号为1 8 ，流量范围分配如下表： 表2 3 各路流量分配表 12345678 最大质量流速( k g h ) 1 0 02 8 04 0 04 0 01 5 02 81 6 0 03 0 0 0 最小质量流速( k g h ) 7 52 1 03 0 03 0 01 1 22 81 2 0 02 2 5 0 最大体积流速( l 1 1 ) 1 2 03 3 04 7 04 7 01 7 53 4 2 2 8 54 5 4 6 最小体积流速( l 1 1 ) 9 02 4 7 3 5 23 5 21 3 13 41 7 1 33 4 0 9 经查阅资料，目前较常用的泵种类有：螺杆泵、叶片泵、齿轮泵、柱塞泵、 蠕动泵、电磁泵等，其中螺杆泵的脉动最小，但其工作螺杆长度较大，刚性较差， 容易引起弯曲，安装精度要求很高，容易与其连接的管道产生变形牵连影响，造 成工作失常，弊大于利，因此选择脉动大小仅次于螺杆泵的叶片泵。整个管道系 统压力“k g c m 2 ，根据耐腐蚀、防爆等要求，经与厂家咨询，除最小流量的6 号 通道外，其它通道均选择变频叶片油泵，根据流量范围选定油泵功率如下： 表2 4 泵的功率与流量 流量范围( l 1 1 )0 6 0 00 6 0 0 0 额定功率( 瓦)3 7 07 5 0 其中，较小流量的1 、5 号通道所用变频油泵的泵头( 叶片部分) 由厂家调整 最大流量至2 5 0 l h ，功率不变，以使流量控制达到较高的精度。最小流量的6 号 通道，因其流量固定且很小，特选择化工专用可设定电磁式计量泵，最大泵送流 量5 l h ，额定最大泵送压力1 0 k g c m z 。 除6 号通道外，其它7 路均需有变频器来配合使用来控制流量。变频器在该 项流量控制工程中起着至关重要的作用。 变频器需满足以下功能要求： 1 ) 可调频率范围：0 , - , 5 0 h z ： 2 ) 具备4 8 5 通信接口，可与多个变频器通信，可读写变频器数据； 3 ) 工作频率可通过指令设定，还可根据电压、电流、频率、手动方式中的一 8 新能源自动化生产控制系统的研制 种来设定 4 ) 具备输入缺相保护，输出缺相、短路、过流等保护功能； 5 ) 可支持额定功率7 5 0 瓦的三相变频电机； 根据以上要求，可选择西门子s v - i g 5 系列l s 变频器。 2 2 3 液体流量计 流量计的选择需遵循以下几条原则：1 、具备流量变送功能；2 、有较强的抗 干扰性能；3 、耐酸、碱、油的腐蚀；4 、测量精度优于0 3 ；5 、工作电压d c2 4 v ； 6 、工作介质允许有少量细小微粒和杂质。 经多方联系，选定威海康华电子设备有限公司提供的涡流流量计，定制的各 通道流量计量程如下表所示，输出电流信号4 - - , 2 0 m a ，对应流量值0 最大量程， 精质不锈钢材料，具有良好的耐腐蚀性能，稳流测量精度优于0 1 ，完全符合使 用要求。 表2 5 定制流量计量程 通道 1234578 量程( l m )1 5 05 0 05 0 03 6 02 5 02 4 0 05 0 0 0 2 2 4 搅拌器及其附带配件 按照达标要求，各原料充分混合后要求静置一段时间不会出现分层现象，这 需要在生产成品时充分搅拌均匀。根据表2 1 数据可知，第一级搅拌器每小时吞 吐量最小为1 5 6 8 4 l h ，第二级搅拌器吞吐量至少为8 3 9 9 4 l h ，要在最大吞吐量 时仍能满足搅拌均匀要求，必须找专业搅拌设备生产厂家订做。此外，搅拌过程 中会有气泡产生，因此搅拌速度亦不能太快，且在出口处必须设置油气分离器才 行。 2 2 5 原料罐、成品罐及其附带配件 每个原料罐需要配备以下设备或接口：出料口、回流口、加料口、液位计、 空气呼吸阀，每个成品罐须有：进料口、出料口、电子液位计、呼吸阀或浮顶。 每个原料罐容积为1 2 5 m 3 ，成品罐容积为3 0 m 3 。 根据以上要求，小罐材料选择3 m m 不锈钢板，大罐材料选择厚度5 m m 的 q 2 3 5 碳钢板，找专业厂家订做。 第二章新能源自动化生产控制系统管道设计 9 2 3 1 单路管道设计 2 3 管道系统设计 除第6 路( 最小流量) 采用电磁计量泵外，其余7 路均采用变频油泵来控制 液体的流量。8 路管道设置情况均一样，除2 2 节中介绍的部件选择要求外，每一 路的管道设计还需要考虑如下因素： 1 ) 进料控制阀门距离原料罐最近，其位置选择要求当出现险情时工作人员能 够安全顺利地将阀门关闭； 2 ) 原料进入油泵之前要通过过滤器滤掉其中较大的杂质； 3 ) 流量计进口处要保留长度至少1 0 倍于管径的直管道，出口处要保留长度 至少5 倍于管径的直管道； 4 ) 流量计要独立支撑，其进、出口处的管道要求保证不会对流量计施加较大 的外力作用； 5 ) 在油泵出口和流量计之间要安装压力表、安全阀及压力保护回流通道： 6 ) 电磁阀的位置要尽量靠近汇流罐； 7 ) 在电磁阀和汇流罐之间安装单向阀，防止混合液体被压回管道中； 8 ) 在油泵出口之后管道的最低处安装排污阀。 综合以上因素，每路通道设计如下图所示，其中长度尺寸根据厂房的整体规 划和其它较大体积部件位置安排而定【1 2 1 。2 1 【1 4 1 。 墙 至 2 3 2 厂房内整体规划 播：再问 图2 1 单路管道示意图 整个厂房由储藏室、控制室和自动化生产车间组成【6 1 1 8 1 1 9 1 ，控制机柜等监控设 备位于控制室，车间内按照项目提出方要求放置第1 、6 路的原料罐及备用罐，整 1 0 新能源自动化生产控制系统的研制 个管道系统图示意图如图2 2 所示： 图2 2 整体管道系统图 第三章液体流量的控制及控制精度的提高 1 1 第三章液体流量的控制及控制精度的提高 3 1 流量的测量方法 本文中涉及到的流量测量与控制都是针对封闭管道中的液体而言。 管道内液体流量需通过仪表来测量，其测量方法有许多，有差压式、浮子式、 容积式、涡轮式、电磁式、超声式、热式、声式等等，其中涡轮式流量计和容积 式流量计为测量精度最高的2 种。下面简要介绍一下这两类流量计【1 6 】【1 9 1 。 图3 1 涡轮流量计结构图 1 紧固件；2 - 壳体；3 - 前导向件；4 - 止推件 5 一叶轮；6 - 磁电感应式信号检出器 7 - 轴承；8 - 后导向件 1 涡轮式流量计 涡轮流量计( 简称t u f ) 是叶轮式流量( 流速) 计的主要品种，由传感器和转换显 示仪组成，传感器采用多叶片的转子感受流体的平均流速，用机械、磁感应或者 光电方式检出转子转动的速度或者总转数，由读出装置进行转换和显示，从而得 出液体流量或总量，如图3 1 所示。n 腰和下面介绍的容积式流量计是重复性、 精确度最佳的流量计产品。除此之外，相比较与其他种类的流量计，t u f 具有结 构简单、加工零部件少、重量轻、维修方便、流通能力大( 同样口径可通过的流量 大) 和能适应高参数( 高温、高压和低温) 等诸多优点，因此在石油、有机液体、无 机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等的流量测量中获得了广泛的应用。涡 1 2 新能源自动化生产控制系统的研制 轮式流量计的活动部件一转子可能是其最大的缺点，因其长期的旋转磨损，可 能导致使用期较短。现在可采用特殊的耐磨轴承及材料，不仅可用于清洁介质， 还可用于含有微粒的介质，其使用寿命可达到几万个小时，与仪表大修期( 一般 一年左右) 相比，已完全能满足应用。另外，由于传感器结构简单，失效后的可 维修性比较好，因此通用性很强。 2 容积式流量计 容积式流量计又称定排量流量计，简称p d 流量计或者p d f ( p o s i t i v e d i s p l a c e m e mf l o w m e t e r ) ，它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知 的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量 流体体积总量。p d f 从原理上讲是一台从流体中吸收少量能量的水力发动机，这 个能量用来克服流量检测元件和附件转动的摩擦力，同时在仪表流入与流出两端 形成压力降。其工作原理如图3 2 所示，两个椭圆齿轮具有相互滚动进行接触旋 转的特殊形状，p 1 、p 2 表示入口和出口压力，显然p l p 2 ，( a ) 中下方齿轮在两侧 压力差的作用下产生逆时针方向的旋转，为主动轮，上侧轮处于一种平衡态，不 主动旋转，为从动轮，会被带动沿顺时针旋转。( b ) 中位置时两个齿轮均在压差作 用下产生旋转力矩，继续旋转。旋转至( c ) 位置时，上侧轮变为主动轮，下侧轮变 为从动轮，将会继续旋转至( ( 1 ) 位置，完成一个循环。一次循环动作排出四个由齿 轮与壳壁间围成的新月形空腔的流体体积，根据此体积大小和转动循环次数即可 得出瞬时流量或总流量。 僵腻一饿 一乏终r 公 篷一h 筑 影噌 6 餮 黟 1 1 褥羚篚翁 瓣貉r r 蕊撼 毽 一乙f 谚慕一 矿一遵谬 c ( d ) 图3 2 容积式流量计工作过程 容积式流量计测量精度虽高，但其缺点也不少，大大地限制了其应用场合。 p d f 一般结构复杂，体积较大，比较笨重，对被测介质种类、介质工况( 温度、 压力) 、口径的局限性较大，最主要一点是大部分的p d f 只能适用于单相流体， 含有颗粒、赃物时会造成检测活动件卡死，影响测量和生产，需较多的维护工作。 鉴于以上两种流量计优缺点的比较，最终选择使用涡轮流量计。 第三章液体流量的控制及控制精度的提高 1 3 3 2 流量的p i d 控制 3 2 1 标准数字p i d 控制器 根据系统实际输出值与目标值的偏差，利用比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 计算， 再通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对对象进行控制。这样的控制 器称为p i d 控制器 2 2 2 3 1 。p i d 控制器因其结构简单、鲁棒性好、可靠性高，在实 践中容易被理解和实现，并可以此为基础发展许多高级控制策略，所以被广泛应 用于工业过程控制中。 标准p i d 控制原理如图3 3 所示。其基本控制原理是：利用负反馈获得系统 输出与期望目标值的误差信号e ( t ) ，作为p i d 控制器的一个输入信号，误差信号 的比例、积分、微分计算的线性组合作为p i d 控制器的输出量，即控制量u ( 0 ， 用公式表示为： 图3 3 p i d 控制原理 u ( t ) = k p e ( t ) + ：i 1r e ( t ) d t + t 等】 式( 3 _ 1 ) 1 0 将积分和微分离散化处理，用离散采样时间k t 代替连续时间t ，为简化，用 e j 代替偏差量e ( j d ，则： t k t ( 1 c = - 0 ，l ，2 ，3 ，) 式( 3 2 ) t kk 卜( t ) d t t e e ( i t ) = r e e j 式( 3 3 ) 0j = oj = o 警e ( k t ) - e t ( k - 1 ) t ：t c k - e k - i 式( 3 4 ) d t t t 风u 叶j 可得到离散的p i d 表达式： 1 4 新能源自动化生产控制系统的研制 k u = 即k + k , t z e j + k d ( e k - e k - i 卜u o式( 3 5 ) j = o 3 2 2 变速积分法在p i d 控制器中的应用 在p i d 控制中，引入积分环节的目的是为了消除静态误差，提高精度，但在 p i d 调整过程的开始、结束或大幅改变设定值时，会产生较多的积分积累，引起 系统较大的超调，甚至会产生振荡，积分系数取小了又会使静差消除过程减慢， 这对于下料量控制来说是相当不利的。因此，如何根据系统的偏差大小改变p i d 控制参数，对提高下料量调节品质至关重要。采用变速积分p i d 调节，则能较好 地解决这一问题。 变速积分法【2 刀例的基本思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小 相对应：当系统输出与预期目标值偏差较大时，减小积分项的作用，以免由于积 分使系统稳定性降低，超调量增大；当系统输出接近于目标值时，逐渐增大积分 控制作用，以迅速消除静差。 根据实际情况，设定一个系数( e ( k ) ) ，它是e ( k ) 的函数，当i e ( k ) l 增大时， 减小，反之增大。变速积分法的p i d 积分项表达式为： r k 一1 、 u i 咿k i t e ( j ) v 【e ( k ) 】e ( k ) 式( 3 - 6 ) k i f f i oj 系数，与当前偏差的绝对值l e ( k ) l 的关系可以是线性的或非线性的，可设为： 0 l e ( k ) l a + b ，在【0 ，1 】区间内变化，当l e ( k ) i 大于所给的分离区间a + b 后，2 0 ，不再对当 前值e ( 1 【) 进行累加( 类似于积分分离法) ；当偏差i e ( k ) l b 时，加入当前值e ， k 即积分项变为船t e j ，与一般p i d 积分项相同，积分动作达到最高速；而当偏 j = o 差l e ( k ) i 在b 与a + b 之间时，则累加计入的是部分当前值，其值在0 l e ( k ) i 之间随 k - 1 k i e ( k ) l 的大小而变化，因此，其积分速度在k ；t e j 和k i t z e j 之间。变速积分p i d i 1 0 j = o b 0 纠 k l m m 。接地采用3 m m 厚、5 e r a 宽扁钢埋 入地下1 s i n 深，用线径不小于西5 的线缆接至配电箱内。 第五章上位机软件介绍 4 3 第五章上位机软件介绍 5 1d e l p h i7 简介 上位机软件是在d e l p h i 环境1 3 9 】m 中开发的，d e l p h i 是p a s c a l 语言的一种版本， 但它与传统的p a s c a l 语言有很大差别。一个d e l p h i 程序首先是应用程序框架 ( f r a m e ) ，而这一框架正是应用程序的“骨架 。在骨架上即使没有附着任何东西， 仍可以运行。所要做的工作只是在“骨架 中加入您的程序。缺省的应用程序是 一个空白的窗体( f o r m ) ，您可以运行它，结果得到一个空白的窗口。这个窗口具 有w i n d o w s 窗口的全部性质：可以被放大、缩小、移动、最大最小化等，但您却 没有编写一行程序。因此，可以说应用程序框架通过提供所有应用程序共有的东 西，为用户应用程序的开发打下了良好的基础。d e l p h i 已经为您做好了一切基础 工作，程序框架就是一个已经完成的可运行应用程序，只是不处理任何事情。您 所需要做的，只是在程序中加入完成您所需功能的代码而已，这种傻瓜式的编程 风格正是b o r l a n d 公司一贯倡导的。 d e l p h i 自从1 9 9 5 年2 月诞生以来，获得了巨大的荣誉和广泛的影响力，以可 视化编程、强大的编译功能、友好的用户界面闻名于世。主要特点是： 1 ) 高效的可视化组件库和面向对象的架构； 2 ) 具有多种操作向导和在线帮助，大大方便程序编写； 3 ) 界面设计所见即所得( w h a ty o us e ei sw h a ty o ug e t ，w y s i w y g ) 和鼠标 拖曳方式，可以轻松设计出华丽的界面； 4 ) 支持各种最新及最常用的技术如w i n 3 2 a p i 、o l e 、c o m 、d c o m 、a c t i v e x 、 i s a p i 、n s a p i 、d i r e c t x 等； 5 ) 全面支持w i n d o w $ 9 8 n t 应用程序； 6 ) 具有开放式数据库结构，集成了丰富的数据库开发工具； 7 ) 具有强大的面向网络编程功能，其c s 开发工具在高性能的快速应用程序 开发领域成为行业标准。 d e l p l l i 产品按照功能可以分为4 个类型： 1 ) d e l p h i 集成开发环境( i n t e g r a t ed e v e l o pe n v i r o n m e n t ) ：提供友好的用户编 程开发界面，集成了高效的编译器、项目管理器、团队开发支持、高级调试等功 能； 2 ) d e l p h i 可视化组件库( v i s u a lc o m p o n e n tl i b r a r y ) 提供几百个常用组件， 用于数据库访问、用户接口、数据处理、报表和i n t e m e t 开发； 新能源自动化生产控制系统的研制 3 ) b o r l a n d 数据引擎( b o r l a n dd a t ae n g i n e e r ) ：能够进行数据库管理，并与 数据库服务器高速连接； 4 ) m i d a s ：是一个集成于d e l p h i 的分布式应用集合，功能强大主页用于 商业逻辑的智能集中管理和企业交易的快速处理。 2 0 0 2 年8 月6 日b o r l a n d 公司正式宣布推出d e l p h i7s t u d i o ( 以下简称d e l p h i 7 ) ，全面支持m i c r o s o f t 公司n e t 平台应用的开发。b o r l a n d 公司因此成为第一个 交付针对n e t 中的开发工具公司，意味着软件业的两大巨子一b o r l 觚d 和 m i c r o s o f t 在n e t 领域携手合作。d e l p h i7 集成了n e t 的开发模型，还可以预 展n e t 应用功能。使用d e l p h i7 ，数以百万的d e l p h i 开发者就能够利用他们已经 掌握的w i n d o w s 平台的工作经验和技巧从事n e t 应用的开发。另外d e l p h i7 的 高质量的应用生命周期解方案，如建模、模型驱动的架构、报表，以及跨平台开 发创造了新的领人激动的d e l p h i 应用开发机会。 d e l p h i7 是一个针对w i n d o w s 平台上的跨平台快速开发( g a d ) 环境。d e l p l l i7 的一个显著特性是企业开发和部署。通过新的u m l 设计器和模型驱动的架构 ( m d a ) 技术，它允许开发者利用企业开发方法，更快地把概念变成产品。 2 0 0 2 年夏季推出的d e l p h i7 有四个版本：体系版( a r c h i t e c t ) ，企业版 ( e n t e r p r i s e ) ，专业版( p r o f e s s i o n a l ) 和个人版( p e r s o n a ) 。体系版、企业版和专业版 都配备d e l p h i 语言的b o r l a n dk y l i x3 完整版。上位机软件采用的是企业版的 d e l p h i7 。 d e l p h i7 的新特点如下： 1 ) 企业应用的m d a 开发：通过让开发者从设计到发布都重复使用一个应用 程序，加速开发进程，同时显著减少代码量和需要的开发时间； 2 ) 可视化的快速w e b 开发：让开发者能够在d e l p h i7 环境中可视化地创建 w e b 应用，并且利用它的应用模型框架，不必再考虑通用的服务器端的开发任务， 还能透明地处理会话管理； 3 ) 内建的对l i n u x 的跨平台支持：d e l p h i7 在出售时将附带d e l p h i 语言版本 的k y l i x3 。k y l i x3 是第一个l i n u x 操作系统上的高性能的可视化集成开发环境 ( i d e ) ，它适合用来快速创建数据库应用、g u i 应用、w e b 应用和w e b 服务应 用； 4 ) 企业级的报表能力：让开发者能创建跨平台的报表，这些报表能帮助查看 应用程序运行的效率； 5 ) 免费的d a t a s n a p 多层应用开发( 即m i d a s ) ：新的d e l p h i7s t u d i od a t a s n a p 授权协议允许开发者无缝地升级单层和客户服务器应用到多层应用，而无需额外 的运行时使用费； 6 ) w i n d o w $ x p 应用：d e l p h i7 包含了对w i n d o w sx p 风格支持，让开发者 第五章上位机软件介绍 能够创建可以利用w i n d o w s x p 使用者界面风格的应用 5 2 上位机软件功能介绍 5 21 上位机软件主界面 系统主界面如下图所示，界面分为四部分 怒p 蕊瞪粤曼! 粤票 t 蘼鼙 n 曼；娶譬星星 盏d 号剽： ，i ，p i ，“l9 m d 国- 图5 1 上位机主界面图 第一部分主要显示通道、自吸泵、变频器、计量泵、剪切机( 搅拌器) 等的 工作状态，除变频嚣有四种状态( 正常、停止、故障、闭环) 外，其余设备状态 有三种：正常、停止、放障。每个图标用文字和颜色来反映各部分设备的状态； 第二部分是视频显示：通过视频显示功能可以看到生产车间内现场状况，包 括各个泵、全部管道和管件、流量计、搅拌器、传感器等； 第三部分控制区，通过界面上的按钮可以实现不同的控制功能。 第四部分是状态提示栏，用来显示用户所做的各种操作。 曰 写一 箩冀 谬孽一 留修芯舒留芯盱秽黑咿二盱羔 新能源自动化生产控制系统的研制 5 22 上位机主要功能 l 生产环境温度记录 多路温度传感器系统可实时采集生产车间外界环境温度( 关系到原料和成品 的存储温度) 、车间温度、储藏室温度等，各原料在不同的温度下密度会有所变化， 生产系统会根据温度与密度的对应关系来修正生产方案中各路原料的配比，并做 好记录，如图5 1 中所示。 2 故障提示功能 在生产过程中发生异常情况导致生产不能正常进行时，主控制电路会将异常 信息发送给上位机，除在主控制电路卜一路继电器触点控制报警输出外，上位机 也可以通过声音和图像进行报警，弗存储异常情况发生的时间厘相关生产信息， 供以后查询。 3 操作人员管理 为保证整个生产系统的信息安全性，将操作人员按等级从高到低分为管理员、 工程师和操作工三个等级，每个等级的操作人员有相应等级的登陆密码。分配不 同的管理权限，有效避免错误