（机械制造及其自动化专业论文）标准金属量器检定的监控系统的研究与实现.pdf

上海人学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的不断发展，计算机技术及微电子器件的应用越来越广 泛。在此基础上发展起来的智能仪表及数据采集测量技术使测量的准确度、 灵敏度、可靠性及自动化程度都有了质的飞越，由此对计量行业中的检定 装置提出了更高的要求。 标准金属量器是计量行业中一种常用的计量器具，在计量行业中得到 了广泛的应用。本文针对标准金属量器检定装置操作过程繁琐、实验精度 不高、检定数据保存不便、处理不及时的现状，设计与实现了一套功能满 足要求、性能稳定、操作方便的标准金属量器检定的计算机监控系统。 文中在对检定系统的功能要求进行全面研究分析的基础上，确定了基 于p c 的监控系统方案，进行了控制硬件、管路的设计，并针对系统的干扰 源采用了有效的抗干扰措旋，保障了系统可靠地运行。配合非接触式液位 检测图像处理系统，选择软p l c 控制软件k i n g a c t 实现了对执行机构的控 制，特别是p i d 控制算法的选用实现了关键环节的控制。利用组态王组态 软件，按照检定工艺的特殊要求设计了友好、简单、方便的动态显示人机 界面，使操作者可以一目了然地对整个检定过程进行实时监控。最后还分 析了系统的不确定度来源，进行了不确定度的评定。 实验表明：改造后的标准金属量器检定的计算机监控系统不仅改善了 工作环境，实现了自动的检定流程，提高了运行的可靠性，而且提高了检 定效率和管理水平，在技术上和经济上都达到了预期的要求。 关键词：检定，监控系统，组态王，软p l c ，p i d 控制 v 上海大学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o no f t h e c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm i c m e l e c t r o n i cd e v i c ei sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e o n t h i sb a s i s ，t h e r ei sal e a po f t h eq u a l i t yo nt h ea c c u r a c y , s e n s i t i v i t y , d e p e n d a b i l i t ya n d a u t o m a t i cd e g e ew i t ht h e i n t e l l i g e n t m e t e r sa n dd a t a a c q u i r i n gt e c h n o l o g y t h e r e f o r et h eh i 曲e rr e q u e s tt ot h ev e r i f i c a t i o nd e v i c ei s p u tf o r w a r di n t h e m e t r o l o g yi n d u s t r y s t a n d a r dm e t a lt a n ki so n eo ft h em o s tc o m m o nm e a s l l r ed e v i c ei nt h e m e t r o l o g yi n d u s t r y t h et r a d i t i o n a lh a n d m a d ep r o c e s so fv e r i f y i n gs t a n d a r dm e t a l t a n ki st o oc o m p l i c a t e d ，t h ee x p e r i m e n tp r e c i s i o ni sn o tg o o de n o u g h ，a n di ti sn o t c o n v e n i e n tt or e c o r de x p e r i m e n td a t aa n dt h ed i s p o s a li sn o tt i m e l y a c c o r d i n gt o t h e s es i t u a t i o n s ，t h i sp a p e rd e s i g n sa n di m p l e m e n t sas e to fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l s y s t e mo fv e r i f y i n gs t a n d a r dm e t a lt a n k ，w h i c hh a sg o o df u n c t i o n ，s t e a d yc a p a b i l i t y a n dc o n v e n i e n c e o nt h eb a s i so fo v e r a l lr e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h ef u n c t i o na n dr e q u i r e m e n to f t h ev e r i f y i n gs y s t e m ，t h ep a p e rc o n f i r m st h ep c - b a s e dc o n t r o lf o r m t h es e l e c t i o n a n dd e s i g no fc o n t r o lh a r d w a r e sa n dp i p e l i n ea r ed o n e e f f e c t i v ea n t i i n t e r f e r e n c e m e a s l e sa r es u b m i t t e dt oe n s u r et h er e l i a b l er u n n i n go ft h es y s t e m a l o n gw i t ht h e i m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mo fn o n e o n t a c tl i q u i dl e v e lm e a s l l r e m e n t ，t h ec o n t r o lo f a c t u a t o ri sa c h i e v e db yak i n do fs o f l - p l cs o f t w a r e k i n g a c t e s p e c i a l l y , t h e s e l e c t i o no fp i da r i t h m e t i c p r e c i s e l y c o n t r o l st h el i q u i dl e v e l t h r o u g ht h e d e v e l o p m e n to fk i n g v i e w , ac o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，af r i e n d l y , s i m p l e ， c o n v e n i e n td y n a m i cm o n i t o r i n gi n t e r f a c ei sp r o v i d e dt om e e tt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t ， f r o mw h i c hm a n i p u l a t o r sc a ne a s i l ym o n i t o rt h ew h o l ev e r i f y i n gp r o c e s s i nt h ee n d ， i ta n a l y s e st h eu n c e r t a i n t ys o a r c e sa n da s s e s s e st h eu n c e r t a i n t y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to fs t u d ys h o w s ：t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m v e r i f y i n gt h es t a n d a r dm e t a lt a n kf u l f i l l st h ea u t o m a t i cp r o c e s s w h i c hm e e t st h e 卜海人学硕士学位论文 r e q u i r e m e n te x p e c t e dt e c h n i c a l l ya n de c o n o m i c a l l y k e y w o r d s ：v e f i f f i n g ，m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，k i n g v i e w , s o f t - p l c ，p i dc o n t r o l v i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：型皇丝日期：! i ：! ：! ? 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垒垡导师签名 1 1 日期：一；。 上海人学顾士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景及来源 计量是一种建立标准量值的测量过程，其主要目的是为了保证量值的统一 和准确可靠。随着科技、经济和社会的发展，计量的作用和意义越来越明显。 如今可以毫不夸张地说，任何科学、任何领域、任何行业都直接或者间接地需 要计量。发明元素周期表的化学家门捷列夫曾经指出：“科学自测量开始，没有 测量，便没有精密的科学”，计量水平的高低已经成为衡量一个国家科技、经 济和社会发展程度的重要标志之一。 同温度、压力等一样，容积容量也是在日常的生产生活过程中需要经常检 测的一种参数。随着科学技术的发展，人们对于容量检测准确度的要求也越来 越高，需要检测的流体介质的品种也越来越多，为此人们根据不同测量对象的 物理性能，运用不同的物理原理和规律，设计制造出了各种类型的标准容量的 仪器装置和设备，并将其应用于工艺流程中的定量控制和计算，实现工业能源 计量。 标准金属量器就是计量流体介质容积的一种计量器具，是用于油船上石油 产品和其它物料部门贸易结算、运输费结算的主要计量器具之一，也是检测容 积式流量计等的标准。标准金属量器由桶体、计量颈、玻璃管、读数装置、标 尺、阀门、支架和调平螺栓等组成。 按照容量，标准金属量器可分为1 、2 、5 、1 0 、2 0 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 、5 0 0 、 1 0 0 0 l 等多种规格；按照不确定度的等级，标准金属量器可分为等、二等和 三等。一等的不确定度为5 1 0 ，二等的不确定度为2 5 1 0 4 ，三等的也称为 工作量器，其不确定度为( o 5 1 ) 1 0 一。等标准金属量器的结构示意图如图 1 一l 所示。 l 海大学硕士学位论文 l 、支脚 2 、脚轮 3 、进水口 4 、支集 5 、桶体 6 、水准暑车 7 、温度计 8 、计量殒 9 、标尺 l o 、读数装置 1 1 、玻璃管 l z 、三通阔 1 3 、出水口 图1 1 一等标准金属量器结构示意图 为了保证容积的准确计量和有效的量值传递，各等级标准金属量器在出厂 前、维护改装后和检定有效期满后都必须对其计量性能进行测试检定。标准金 属量器的容量是以其计量颈连通的玻璃管中水的弯月面最低点来定位的，正确 调定是使该最低点同液位标尺刻度线的上缘水平相切，也即观察水位高度时， 观察者的视线必须与刻度线上缘及弯月面最低点处于同一水平面。以5 0 0 l 标准 金属量器为例，若其标定的刻度为2 6 5 1 0 r a m ，则在同样的温度条件下当观察的 水位高度稳定在2 6 5 1 0 4 - 0 2 0 r a m 范围内时，就认为该量器内水的容量为5 0 0 l 。 根据容量计量器具检定系统( j j g 2 0 2 4 8 9 ) 和标准金属量器检定规程 ( j j g 2 5 9 8 9 ) ，一等标准量器由国家容量基准采用替代衡量法检定，作为量值 传递的最高标准 1 1 。所谓替代衡量法，就是以已知重量的物体，在衡器上去替 代未知重量的被称物，使衡器达到相同的平衡位置，被称物体的重量就等于砝 码的重量，这种方法称量原理虽简单，但它的称量准确度却很高，是目前使用 的最为主要的一种精密衡量法。二等标准量器由一等标准量器通过容量比较法 检定，三等标准量器由二等标准量器按容量比较法检定【1 i 。容量比较法是利用 标准容积来对比其它容积的一种直接计量的方法，它的特点是操作简单，但却 费人力、物力。 上海人学硕士学位论文 科技的进步使得生产过程日益向自动化方向发展，不断谋求对工业现场的 许多物理参数进行集中监视和控制。到目前为止，监控系统大致经历了下面5 种发展形式，即集中式监控系统、基于模拟仪表的监控系统、基于智能仪表的 监控系统、基于现场总线的监控系统( f c s ) 和基于计算机网络的监控系统。 计算机监控系统一般具有如下特点【”，即能够按预先设计好的程序自动运行于 某工程系统，对监测对象进行数据采集、监视、处理，对控制对象进行实时控 制，当系统出现故障时能自动诊断、报警，同时配备标准接口或专用接口与其 它的计算机监控系统或计算机进行联网通讯，建立相应的数据库实现办公管理 或工程管理功能。 随着计算机技术、电子技术、通信技术等的快速发展，人们对计量检定、 校准提出了更高的要求，在设备、人员资源有限以及使用成本不断提高的今天， 利用先进的图像测量技术和计算机监控技术来改造相关的实验室也是校准、测 试及检定工作的发展方向。 本课题来源于上海船舶研究设计院国防容量计量专业站标准金属量器检定 实验室的改造项目。上海船舶研究设计院国防容量计量专业站是经国家质检总 局授权的国家法定计量检定机构，主要承担全国范围内液货船舶舱容积的计量 检定，而以容量比较法对液货船舶舱容积进行检定时所用的标准器具就是标准 金属量器，因此标准金属量器自身的检定就显得更为重要，所以，国防科工委 专门立项，要按现代化计量装备的要求，进行国内首例对标准金属量器检定实 验室的自动化改造。本文就是基于容量比较法来进行的标准金属量器检定的监 控系统的研究。 1 2 课题研究的目的和意义 容量计量是一项基础性的法制计量工作，它关系到石油化工、贸易、交通、 民航等部门的经营管理、产品质量、成本核算等问题。根据计量法规定， 计量所使用的量具和仪器必须是标准的，这样用它们来校准、检定被检量具和 仪器设备时，才能保证使用受检量具和仪器进行测量时所获得测量结果的可靠 性。如何使各种计量器具准确一致，如何达到全国量值的统一，只有靠计量检 定来完成。因此，检定在计量工作中具有十分重要的地位。 上海大学硕j ：学位论文 标准金属量器作为一种常用的容积计量器具，其自身特性的好坏和指示值 准确与否直接关系到产品的质量和经济效益的正确核算。目前，国内相关实验 室中，对标准金属量器的检定实验依然采用人工手段来实现，操作过程烦琐， 难度、强度较大，很多环节需要人工干预，可控性差、实验精度不高、实验数 据的保存和处理不方便。基于这种情况，如何提高自动化程度，努力减轻劳动 强度，保障计量检定的可靠性、安全性，降低计量检定成本，提高计量检定的 精度质量及经济效益是人们普遍关心的问题，所以计量检定企业提出需求，对 标准金属量器的检定进行自动化改造。 研究与实现标准金属量器检定的计算机监控系统的意义主要体现在以下几 个方面： ( 1 ) 标准金属量器检定的计算机监控系统可采用比较先进的计算机及相关 的外围设备作为硬件平台，充分发挥最新计算机产品所带来的海量的存储空间、 快速的c p u 运算速度所带来的性能优势，进行大量的数据存储，完成高速率的 运算处理，最大限度地保证系统拥有高性能的硬件基础。 ( 2 ) 设计开发出一套整个检定流程控制的软件，可以为操作人员提供一个 友好、明晰的操作环境，通过该界面，实验操作人员能方便地进行检定量器通 道和操作方式的选择，控制实验的开始和终止，实时观察实验的进程，在实验 结束后还可以由计算机处理实验数据，并可以输出和打印实验结果。 ( 3 ) 能够保存实验结果以及实验过程中的其它重要数据这也有重要的意 义。数据库的应用使管理人员可以对实验结果和实验参数等有关数据的存储和 再处理成为可能。在需要时，管理人员可以调出以前的实验数据进行分析研究， 作为以后改进的重要依据。 总之，通过将自动化技术应用于传统的计量检定领域，利用一些先进的检 测手段和工具、合理的流程设计等来不断提高计量检定的精度和可靠性，可以 使计量技术日益向自动化、管控一体化方向发展，与国际接轨。 卜海大学硕士学位论文 1 3 相关技术及其研究概况 1 3 1 计量检定中的自动化应用 近几年来，在国家大力扶持下，一些技术先进的仪器仪表厂家逐渐兴起， 国内对计量行业自动检定技术的研究也处于百家争鸣的时代，所研制的检定设 备装置也层出不穷，花样不断翻新。象热电偶、热电阻等温度仪表，压力变送 器、气压计等压力仪表，示波器、互感器、万用表等都已经大规模地实现了自 动检定。关于容量计量器具的检定系统中自动化技术的应用，目前能见诸于文 献的主要有以下几类： ( 1 ) 钟罩式气体计量器具自动检定系统。 由四川大学开发的微机钟罩式气体流量标准装置自动检定系统，采用单片 机作下位机，计算机为上位机。下位机主要用来完成时间精度要求较高的任务： 数据采集的开始、停止以及数据采集时间和被检仪表的脉冲个数等，要求计时 准确和实时控制；上位机主要用来进行数据的分析、计算、修正以及录入查询、 证书打印等管理工作，着重于提高工作效率f 3 】。 ( 2 ) 流量计自动检定系统。 核工业二七二厂使用的流量计检定装置采用工控机、配套仪表及接口连成 一体进行实时的数据采集从而得到检定结果，该检定装置的应用软件采用 t u r b oc2 0 编译，采用调节阀进行自动的流量大小和流量稳定性的调节，实 现了检定过程的循环控制，减轻了劳动强度，提高了工作效率【“。 在欧美、日本等发达国家的计量行业中，自动化技术的应用已十分普及。 但具体介绍国外计量行业检定技术的材料还寥寥无几，关于标准金属量器检定 的方法与设备均未见报道，对国外先进检定自动化设备装置的了解，只能靠己 见刊的测量设备来推测。总体上说，国外在计量检定行业内的发展较快，目前 已经从单纯的技术自动化层面逐渐转到提高检定精度的方向上。 上海大学硕士学位论文 1 3 2 基于p c 的控制系统 2 0 世纪9 0 年代中期，以p c 为基础的控制系统( p c b a s e dc o n t r o ls y s t e m ， p c b c s ) 开始出现，不少学者认为它将是工业自动化领域最具发展潜力的新技术， 他们将p c b c s 与p l c 、集散式控制系统d c s ( 或者再加上现场总线控制系统f c s ) 并称为工业生产过程三大( 或四大) 控制系统。 基于p c 的控制系统具有如下特点： ( 1 1 基于p c 的控制系统具有良好的开放性。全面支持p c ，通过o p c 能够 方便地与第三方控制产品建立通信，便于与其它产品集成。 ( 2 ) 基于p c 的控制系统简单易用。与传统的p c + p l c 的体系相比，其优点 表现为简化了系统的网络结构和设备设计、简化了复杂的通信接口、提高了系 统的通信效率、降低了硬件和备件投资，易于调试和维护。熟悉的p c 和操作 系统，简单的系统和网络结构，方便的编程和组态软件使用户能在短时间内掌 握技术要领。 ( 3 ) 基于p c 的控制系统具有很强的兼容性。采用了与p l c 兼容的编程工 具和通用的标准，能够应用于各种系统。 ( 4 ) 基于p c 的控制系统能大幅度节省投资。与传统的p l c 解决方案相比， 基于p c 的自动化有明显的性能价格优势。集成简单、系统开放的特点使工程 维护、培训和备件的费用也大大降低。 ( 5 ) p c 的处理能力日益增强。充分利用了p c 的强大功能，使基于p c 的控 制系统在有数据处理、用户算法和多回路调节的控制任务中能够满足用户的需 求。基于p c 的一体化设计提高了控制器、人机界面和网络部件的数据交换速 度。 可见，由于p c 的高效率和对硬件与软件几乎是无限制的开放，因而p c 在 自动化控制领域的应用将以每年大约2 0 的速度迅猛增长。正如国际电工委员 会i e c t c 6 5 主席o t t ou i r i c h s 所指出的那样( 见图1 2 ) ，1 0 年后p c 应用在市 场的占用率将达到3 0 或更多。由此可以看出，基于p c 的自动化将为工业自 动化领域提供一种崭新的发展机遇，并将成为工业自动化系统发展的最新趋势 l 海大学颀士学位论文 和方向扪 6 1 。 1 9 9 0 年2 0 0 0 年2 0 1 0 年 图卜2 基于p c 自动化系统的市场地位 目前许多工业用自动控制产品、机电一体化产品开始转向以计算机为平台 的控制方案，各个自动控制产品生产厂家大都推出了基于p c 的控制系统。 1 3 3 软p l c 技术 为了打破以前各p l c 生产厂商的产品相互不兼容的局限性，国际电工委员 会( i e c ) 推出了一个关于p l c 编程方向的国际性标准i e c l l 3 1 。按照这个国际 标准，充分利用现代计算机的硬件及软件资源，全部用软件来实现传统p l c 功 能，这就是软p l c ( s o f t p l c ) 或者软逻辑( s o f t l o g i c ) 技术。 软p l c 是一种基于p c 机开发结构的控制系统，它具有硬p l c 在功能、可 靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可以将标准的工业p c 转 换成全功能的p l c 过程控制器。软p l c 同时又是一个高附加值和高技术含量的 产品，有如下优势： ( 1 ) 基于工业计算机的可编程逻辑控制技术，可充分利用计算机的高速、 大容量以及各种软件资源。 ( 2 ) 开放的结构容易连接i o 模块、p i d 模块、运动控制模块和网络等， 通过一个多任务控制内核，借助强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠 的操作来实现计算机和p l c 的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、 网络通信、p i d 调节等功能。 所以软p l c 是p c 技术和p l c 技术的结晶，最大的优势是其良好的开放性， 用户可以根据需要选择不同厂家生产的各种硬件产品，有多种i o 板卡可以直 接连接到软p l c 的计算机总线上。这样，在软硬件两方面可以达到工控机和p l c 上海人学硕士学位论文 性能的完美结合。 由于软p l c 的上述优点，在欧美等西方国家都把软p l c 作为一个重点对象 进行研究开发。目前，软p l c 在国外已经有了不少比较成熟的产品，并且已经 投入使用。在国内市场上能够见到的包括：法国c ji n t e r n a t i o n a l 公司的 i s a g r a f ，俄罗斯a d a s t r a 公司的t r a c e m o d e 、德国k w 公司的m u l t i p r o g 、s o f t p l c 的s o f t p l c 、s i e m e n s 的w i n a c 、b e c k h o f f 的t w i n e a t 等。不同的软逻辑软件都 有各自与众不同的特点。如i s a g r a f 软件，它支持w i n d o w s 环境下的i e c 6 1 1 3 1 3 全部5 种编程语言，功能完整，具有良好的人机界面，提供直观的仿真程序， 可以仿真、在线查看变量变化情况；t r a e e m o d e 软件主要以f b d ( 功能块图) 、 i l ( 指令表) 语言为主，内建1 4 0 多种算法模块，图形界面开发与控制模块开 发使用同一套软件，适于开发复杂的控制系统，是一个将软逻辑与s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u is i t i o n ，监控与数据采集) 集成为一 体的工控组态软件。 国内也有一些自动化软件公司及研究机构已经或正在开展这方面的基础技 术研究工作。如：东南大学开发的面向d c s 控制组态软件中包含一些软p l c 功 能，它只是d c s 系统的一部分，不能独立运行；清华大学制造工程研究所研制 了一种基于r tl i n u x 实时操作系统的软件p l c ，既可以作为一个独立模块和不 同的c n c 系统协同工作，也可以嵌入到t h h p i i 型数控系统内部运行在同一台 计算机上，其实时性和可靠性已经在国产h m 5 6 6 0 h 和t h 5 4 5 6 立式加工中心上得 到了验证；华中科技大学也正在对软p l c 技术进行大量研究。一些具有自主版 权的中文软p l c 产品也相继出现，如广州蚁象自动化控制有限公司开发的r p l c ， 三维力控公司的控制策略组态系统和北京亚控科技发展有限公司的k i n g a c t 等 n 这种以计算机为依托、借助其丰富的软硬件资源并以某一操作系统为平台 而开发开放式体系结构软p l c 的技术路线，可以避开制约我国传统硬p l c 硬件 可靠性差的“瓶颈”，充分发挥我国在软件技术方面的人力资源和智力特长，实 现“软件突破、以软代硬”，使我国在今后开发的软p l c 技术条件上与国外基本 处于同一起跑线上。所以，大力发展软p l c 及其应用技术将对我国的工业控制 1 。海大学顺士学位论文 领域产生非常重要的影响。 综上所述，软p l c 作为一种基于p c 机开发结构的控制系统，尽管国内外 已经做了大量的基础研究并有相关的产品出现，但是将其具体应用于工程项目 的还不多，尤其是在国内。标准金属量器检定系统是一个对可靠性和精度要求 较高、检定对象多目标的系统，在实际检定过程中可能需要根据检定对象规格 的不同和扩充进行相应更改，而且随着国家计量检定标准的逐渐提高和相关硬 件技术的发展也可能需要对原有流程进行更改，而软p l c 的灵活性和开放性正 好能够满足这种要求，另外，要将标准金属量器检定实验室建设成一个先进的、 现代化的计量检定中心，也有必要引进一些技术上先进、新颖的软件平台。由 于标准金属量器检定系统特有的楼上、楼下布置方式，占用空间大，控制设备 分散，需要对其进行实时监控，在界面功能强大的组态软件的基础上进行相应 研究与开发也必不可少。所以，如何结合软p l c 技术和组态软件，利用各自优 势，值得我们研究和探讨。 1 4 本文研究内容 本文针对计量检定领域内对可靠性和精度要求高的特殊性，以多型号的标 准金属量器为检定对象，在分析现有检定手段和方法的基础上，利用先进的计 算机监控技术，开发研究了标准金属量器检定的计算机监控系统，主要研究内 容包括系统总体方案的设计、管路设计、控制系统硬件的设计搭建、软件平台 的选择和控制算法设计等，具体如下： ( 1 ) 确定系统整体方案，首先根据客户的要求对系统设计的经济性、可靠 性和精度等进行考虑，同时从监控技术的层面和可行性方面来进行综合确定， 采用基于p c 的主从机结合的方式搭建计算机监控系统的总体框架。 ( 2 ) 运用工程流体力学知识，设计进出水管路，并选择合适的电磁阀等管 路元件。同时在此基础上进行了新的、更加合理的流程步骤设计。一方面要满 足标准量器检定流程的要求，另一方面也要符合计算机自动控制系统实现的便 利性，主要的目的是要尽可能地减小中间管路环节中造成的误差累积，提高系 统精度。 ( 3 ) 本着可靠、实用的原则选择设计适当的控制硬件和电路，并进行硬件 上海人学硕士学位论文 的安装布线，分析并采用了相应的抗干扰措施。 ( 4 ) 运用软p l c 软件作为后台，通过应用程序的编写对现场进行控制，运 用工控组态软件开发了监控系统的人机界面，对各种控制对象的运行状态进行 实时监控。 ( 5 ) 针对手动液位控制的缺点，建立并分析了标准金属量器自动迸水的数 学模型，与本系统中同时研究和开发的一套非接触式液位检测图像处理系统( 本 文中不做详细介绍) 配合，采用p i d 控制算法，实现对关键液位的自动控制。 ( 6 ) 根据不确定度的理论，分析了影响整套检定系统不确定度的来源，进 行了不确定度的评定。 上海大学硕十学位论文 第二章系统总体结构及管路设计 任何一个新系统总体结构的搭建，对原有系统的分析都是必不可少的，同 时对于标准金属量器的检定系统来说，最主要的部分便是进出水管路，所以要 结合原有流程和自动化实施的需要对管路和流程重新进行设计，并在此基础上 进行监控系统总体结构的设计。 2 1 手动检定系统简介 标准金属量器检定实验室分为楼上、楼下两层，楼上放置有2 0 升、5 0 升、 1 0 0 升、2 0 0 升、5 0 0 升、1 0 0 0 升共6 个已经按照国家容量基准检定好的一等标 准金属量器，待检定的二等标准金属量器放置在楼下，采用容量比较法，利用 一等标准金属量器通过检测介质( 循环自来水) 与被检定的二等标准金属量器 直接比较，经过温度修正确定被检量器标称容量对应的液位高度。 原有手动检定系统的基本操作步骤为先将水注至一等标准量器的标称容量 线允许偏差范围内，待液面尽可能的稳定下来后测量液位( 此时液位必须保持 在标定高度的o 2 0 r n m 内) 并记录水温；再打开一等标准量器的排液阀，将其 内的水排入被检量器中，同样待液位稳定下来后再记录液位和水温。 如图1 1 所示，一等标准金属量器的结构底部为一特制三通阀，进水和出 水口都在量器底部，而二等和三等标准金属量器底部为一两通阀，从量器顶部 进水、底部出水。原有的给一等标准金属量器的进出水主要通过人工手动操作 量器底部的三通阀来进行：将三通阀的进水口打开给量器进水，到接近刻度处 时将三通阀关掉，最终将水位稳定在允许偏差范围内是通过在量器顶部用滴定 管滴入或吸出来实现的。这种检定现状主要存在以下不足： ( 1 ) 以上进出水的流程需重复至少3 次以上，仅单次流程而言，耗时就已 经较长； ( 2 ) 量器检定实验室特有的楼上、楼下结构及现场手动控制设备的分散性， 使现场操作人员需至少配备2 人以上，尤其是在控制一等量器进水水位时； ( 3 ) 特制三通阀在使用一段时间后很容易出现泄漏或积水现象，无法有效 对其状态进行检测； i ：海大学顶士学位论文 ( 4 ) 温度、液位等数据都是经过人眼观察所得，存在很大的偶然误差，加 之批量检定，操作人员容易因疲劳而出现漏洞，此外对温度的补偿等也是通过 手工换算得到的。 很显然，这种检定系统的现状非常落后，劳动强度大，效率低下，可靠性 差，精度不易保证，与现有的计算机及其自动化技术的发展有很大差距，不适 合时代的发展。 2 2 管路设计 2 2 1 设计要求 由上一节的分析可知，由于原有的管路及阀门都不适合于自动控制，所以 需要对整个管路结构重新进行设计。管路设计的目的除了要保证按照检定的流 程步骤正常顺利的进出水外，为了提高检定效率，还要在满足计量检定的精度 与可靠性的前提下尽可能地缩短流程所需时间。用户对量器进水时间的要求如 表2 - 1 所示 尹尹迪鎏窒 2 0 l 5 0 li o o l2 0 0 l5 0 0 l1 0 0 0 l 计量颈管径( m ) 2 0 3 54 74 71 1 01 5 5 玻璃管管径( m m )1 21 21 21 21 21 2 玻璃管液位总高度( m )1 9 02 1 02 2 02 2 03 4 03 1 0 要求大致进水时间( m i n ) 34561 0 1 5 表2 1 量器进水时间的要求 此外，管路的设计也应该考虑量器检定系统的一些特殊要求，如下所示： ( 1 ) 由于一等量器每隔一定年限要送到北京重新进行检定，要求现场具备 便利的可拆性和异地复检性； ( 2 ) 为了精确地测量水位，排水时必须尽量达到完全排空的程度： ( 3 ) 对于阀门的泄漏能够有效地进行检测跟踪，保证测量数据的准确程度。 七海大学硕士学位论文 2 2 2 设计相关理论 在常规的进出水系统中，各管件和泵阀的选用都是非常重要的。因此有必 要利用传统的工程流体力学理论来加以分析。 l 、基本方程 在流量测量与管道的设计计算中连续性方程和伯努利方程是用的最广泛的 两个基本方程，是流体计算的理论基础。 ( 1 ) 连续性方程 工程流体力学中，流体被认为是无数流体微团连续分布而组成的连续介质， 表征流体属性的密度、粘度、速度、压力等物理量是连续变化的。将连续介质 模型和质量守恒定律结合起来，就可以导出下面的连续性方程： 对于可压缩流体的非定常流流动，其连续性方程为 p l v i a l = p 2 一2 = q ( t ) ( 2 一1 ) 对于可压缩流体的定常流流动，其连续性方程为 p l v i a l = p 2 吃爿2 = q = 常数 ( 2 2 ) 对于不可压缩流体的定常流流动，其连续性方程为 h 爿1 = k 爿2 = 常数 ( 2 3 ) 式中，p 。、p ：是管道截面1 、2 上的平均密度，k 、心是管道截面1 、2 上 的平均流速：a 。、a ：是管道截面1 、2 的截面面积：q ( t ) 是质量流量。 ( 2 ) 伯努利方程 伯努利方程实际上就是能量守恒定律在运动流体中的具体应用。当无粘性 正压流体在有势外力的作用下作定常运动时，其总能量( 位置势能、压力能与 流体动能之和) 沿流线是守恒的。对于不可压缩流体定常流动，在忽略摩阻及 热交换时，其计算式为 z + p + 呈：常数 ( 2 _ 4 ) p g 2 9 式中，p 为静压，p 为流体密度矿为流体平均流速。 上海大学硕士学位论文 2 、流动阻力和水头损失 实际上的流体都具有粘性，其运动要比理想流体复杂得多。粘性流体在管 道中流动时，由于粘性的存在，从而与管壁产生剪切力t ，这也是流体产生摩 擦损失的原因。另外管路的截面形状发生急剧变化( 如阀件、转弯等处) 也要 对流体的流动产生摩擦损失。把流体在管路直道上作缓变流动所产生的摩擦损 失称为管路的沿程摩擦损失，而把在管路的其它部件处作急变流动时产生的摩 擦损失称为局部摩擦损失。 ( 1 ) 沿程阻力损失【8 】 管路的沿程阻力损失h ，可按达西威斯巴赫( d a r c y w e i s b a c h ) 公式计 算： ，：兄三堡( 2 5 ) 。d 2 9 式中，为管道长度，d 为管道内径，矿为液流平均速度，g 为重力加速度， a 为沿程阻力系数，与流体的粘度、流速、管道内径以及管壁粗糙度等有关， 理论和实验都证明它是雷诺数r 。和相对粗糙度f 的函数。即： = f ( r 。，善) 其中，相对粗糙度 掌= 2 e d ( 2 6 ) e 为管壁的绝对粗糙度； 雷诺数月。为流体惯性力和粘性力之比。对于充满流体的圆管流动，雷诺数 r ，：p v d p 为流体密度，为流体的粘性系数，v 为流体的运动粘度。 流体在管道中的流态可以用具体的雷诺数来划分：当r e ( 2 0 0 0 时，流体作 层流运动，流态为层流；当2 0 0 0 ( r e ( 3 0 0 0 时，流体处于过度流态，流态很不 稳定；当r e 3 0 0 0 时，流体进入湍流( 即紊流) 状态。 4 t 海大学硕士学位论文 可以从数学上推导出层流摩阻系数，但对于湍流( 紊流) ，没有可资利用的 随雷诺数而变化的简单的数学关系。莫迪( lf m o o d y ，1 9 4 4 ) 总结了工业管道 的实验资料，绘制了工业管道的 一r 。曲线图，即莫迪图，该图是管道水力计 算的基础，工程上应用极广。 ( 2 ) 局部摩擦阻力9 】 绝大多数的局部摩擦阻力( 局部水头损失) 都需要用实验方法来确定，用 实验方法确定局部水头损失时，通常写成 驴亭专 协8 ) 式中，亭称为局部摩阻系数。常用的局部阻力系数可查各种专业手册。 在工程实际中，为了便于把局部水头损失和沿程水头损失合并计算，有时 把局部水头损失换算为相当某屯管长的沿程水头损失，写成 h ：旯一堡(29)j 1 5 d 2 9 式中，k 称为当量长度。 3 、管路的串联与并联9 l 流量及管径沿程不变的管路称为简单管路，在实际工程中的管路都是简单 管路的串联或并联而成。无论是串联管路还是并联管路，它们在各个管段节点 处所遵循的都是基本的质量平衡原理。 对串联管路而言，无中途分流或合流，各管段流量相等，阻力叠加，总管 路的比阻等于各管段的比阻叠加；而并联管路的计算原则是，并联节点上的总 流量为各支管中流量之和，并联各支管上的阻力损失相等，总的比阻平方根倒 数等于各支管比阻平方根倒数之和。 这里的管道比阻s 反映了管道阻力的大小， s 2 刀8 2 ( 2 - 1 0 ) r 海大学顺士学位论文 2 2 3 设计步骤和结果 为了保证进水的效率，根据大致的总进水量和进水时间，需要对所选主管 管径进行估算。在实际选型过程中，通常要对系统模型进行简化处理，这里简 化为水箱下单一圆管的流动。所谓单一圆管，指的是粘性流体流经的圆管直径 不变，且无分岔。这时所产生的流动阻力损失为沿程阻力损失h ，和局部阻力损 失 ，之和。即 。= ，+ ，= a i l 虿v2 + f 瓦v 2 ( 2 - 1 1 ) 再根据圆管的流量公式q = 蒯2 v 4 ，可导得一个关于直径d 的方程 等n 弘刊= 。 ( 2 _ 1 2 ) 管径的计算可应用能量方程和阻力计算方法直接进行，但需要解高次代数 方程，一般难于直接求解，在工程上常采用试算法p 1 ，主要步骤为：先试取主 管径反，由式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 求德坟和善反，查莫迪图求得a ，然后代 入式( 2 1 2 ) ，看方程能否成立。若方程成立，则试算成功，否则另取d ，作为 预测值，重复上述过程试算，直至得到满意的计算结果。 各分支管径的计算与主管径类似，同时也应结合阀的选取来综合考虑。阀 的流量公式1 0 1 为 q n k 。p ； ( 2 1 3 ) 式中，n 为工程单位系数0 1 ，p 。一p ：为阀两端的压差，k ，即阀的流量系数 k v = 1 表示5 4 0 的水在1 0 0 k p a 的两端压差下每小时流过的流量是1 m 3 。 为了提高一等量器进水效率，同时也便于液位控制，采用大、小流量阀分 开进水的方法，首先通过大电磁阀快速进水，然后用小电磁阀慢速进水。这里 大电磁阀选用德国b u s c h j o s t 公司的两通阀，小电磁阀选用德国b u r k e r t 上海人学硕士学位论文 公司的p w m ( 脉宽调制) 型电磁阀，p w m 电磁阀的原理是通过其自带的比例 阀控制器将标准输入模拟信号转换成p w m ，并利用此p w m 信号使阀门打开或关 闭的时间间隔连续变化，从而等效成阀门开度的连续变化来调节流量。 经计算后的选型结果如表2 - 2 所示： 荩窒苎 2 0 l5 0 l1 0 0 l2 0 0 l5 0 0 l1 0 0 0 l 进出水主管径 g 1 分管径g 1 2g 1 2g 1 2g 3 4 g 1 g 1 大 型号 8 2 5 4 2 0 08 2 5 4 2 0 0 8 2 5 4 2 0 08 2 5 4 3 0 08 2 5 4 4 0 08 2 5 4 5 0 0 阀 k v ( m 3 h )3 43 43 45 882 7 分管径g 1 8g 1 8g 1 8g l 8g 3 8g 3 8 小 型号6 0 2 l6 0 2 16 0 2 1 5 0 2 16 0 2 3 6 0 2 3 阀 k v ( 矿h )o 0 5o ，0 5o 0 5o 0 5o 4o 4 表2 - 2 主管径及大小进水阀选型 管路设计示意图如图2 1 所示： 上海大学硕士学位论文 图2 - 1管路设计示意图 可见，为了满足检定流程的特殊要求，包括大小进水流量阀外，每个一等 量器周围还设计有上水电磁阀、下水电磁阀和通气阀，2 0 l 、5 0 l 、l o o l 、2 0 0 l 量器设计成同一套出水管路，5 0 0 l 和1 0 0 0 l 设计成另一套出水管路，为了出水 的便利，所有出水流经的管路都要设计一定的倾角。对于阀门可能存在的泄漏， 则主要通过图像处理系统在不同时间段对液位的多次检测数据进行比较来进行 判断。另外，水箱内还配置有液位浮球开关，用于在正式检定流程开始前自动 启动水泵，使水箱内水位达到上限。 用c a d 软件设计的二楼管路系统的总体布局图如图2 2 所示( 现场图参见 附录) ： 图2 - 2 二楼管路系统总体布局设计图 海大学硕七学位论文 2 3 监控系统总体方案设计 2 3 1 总体要求 一般来说，在计算机监控系统的设计和实现过程中应共同遵守的设计原则 有：所选硬件和控制方案设计的可靠性和安全保护措施的完备性；对内部和外 部事件响应的实时性；操作维护的便利性；良好的通用性和扩充时的灵活性； 最后同样要考虑经济效益，要求性价比高。 标准金属量器检定的计算机监控系统所要实现的主要功能有以下几点： ( 1 ) 自动控制：能够按照量器检定的要求对实验室楼上、楼下的相关设备 实施自动控制，实现水箱的补水、水箱水池间的水循环、量器的进出水等操作， 其中最关键的控制要求是给一等量器进水后必须使其水位稳定在设定高度的 0 2 0 m m 范