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基于称重传感器与质量流量计的计量控制系统 基于称重传感器与质量流量计的计量控制系统王卫华赵庆云桑俊利王巧娟(天津金牛电源材料有限责任公司，天津300400)摘要根据电解液生产流程中液体物料计量的特点，结合称重传感器和科氏质量流量计的优点，基于S7-224XP设计液体物料计量自控系统，以较低的成本实现了在防爆区的计量控制，具有较高的性价比。 实际投运表明，系统运行稳定，计量精度控制在03%以内。 关键词电解液生产PLC计量控制系统通信TP273A1000-3932 (xx)11-1388-07天津金牛电源材料有限责任公司电解液的复剂生产过程中，需将4种液态有机溶剂按比例混匀，配料过程由人工完成，效率低下，工人劳动强度大，而且敞口加料过程中溶剂有挥发，对人和环境有影响。 随着电解液产品市场需求的不断增长，产能急需扩大，公司决定对液体物料计量系统进行自控改造。 液体物料计量中，电子秤的计量精度是003%，能够满足本系统控制精度的要求，但电解液生产装置中所需液体物料量大，所以计量罐的体积较大、占用空间也大。 科氏液体质量流量计的计量精度在02%以内，可直接、精确、快速和在线测量液体物料的质量，可靠性和准确度高，易于操作，并且体积小几乎不占用空间，具有多参数测量及多种通信接口等优点，在一定条件下其计量精度不受温度、压力、黏度和密度的影响，但价格昂贵。 笔者结合电解液复剂生产过程中液体原料计量工序的特点，以及电子秤与科氏质量流量计各自的优势，设计液体物料计量自控系统，对于单次用料量较多的原料用质量流量计计量，其它单次用料较少的原料用称重传感器计量，以较低的成本同时实现多种原料的密闭加料，实时监控加料过程，并将重要数据自动存档，计量精度在03%以内。 1电解液生产工艺流程简介复剂生产过程中计量系统的工艺流程如图1所示。 原料B、C、D分别由原料罐压入称重计量槽，再由计量槽压入混匀釜，原料A直接由原料罐经质量流量计加入混匀釜。 复剂的生产原料都是有机溶剂，易燃易爆，有机溶剂挥发的气体属于类爆炸性气体，气体中以某种碳酸酯类为主，所以电气设备选型以该碳酸酯类所在的分类组别来选型。 经查询，该碳酸酯类的防爆类别为B1，所以系统选择B和C类，T 3、T 4、T 5、T6级别的防爆电气设备。 图1电解液生产中液体物料计量系统的工艺流程8831化工自动化及仪表第38卷:xx-09-13(修改稿)2液体物料计量自控系统鉴于电解液复剂生产的计量工艺流程，其自控系统也相应地设计为称重计量和流量计计量两部分，并将两个子系统的PLC组成PPI网络与上位机进行通信。 21称重计量系统称重计量系统(图2)控制液体物料B、C、D的加料量。 主要由一台S7-224XP控制器，3台JF-300A型重量传感器，3组(每组两个)上海辰竹QN7064-EX和QN7066H-EX型齐纳安全栅构成。 称重传感器和接线盒均选用本安防爆产品，重量变送器通过安全栅与接线盒连接，一个计量罐有3个称重传感器，3个传感器的接线通过称重接线盒引出，引出线再分别和两个齐纳安全栅相接，其中QN7066H-EX用于激励电源供电回路，QN7064-EX用于应变桥信号回路。 图2液体物料称重系统计量系统混合釜的单次配料量在0622t，圆柱形罐体材料为304不锈钢，自重约1t，装满物料时重16t。 选择3个角差为120的支撑点安装量程为1t的桥式称重传感器，这样16t的重量平均在3个传感器上不到06t，既保证了系统的计量精度又使传感器工作在合理范围内。 由于测量仪表和阀门的位置较集中，故将控制器安装于现场防爆箱内。 22流量计计量系统流量计计量系统(图3)控制原料A的加料量，主要由一台S7-224XP控制器、一台西门子科里奥利科氏质量流量计和一台HART适配器组成，对物料A的体积流量、密度温度和介质组分进行实时测量。 质量流量计的 1、2接线端子接24V直流电源; 31、32端子用作电流输出; 56、57用作频率/脉冲输出，频率输出采用无源模式，通过安全栅与控制器连接; 91、92端子用做HART通信模块输出，HART适配器将HART信号转换为485信号与PLC进行通信，可设定波特率。 质量流量计输出的HART信号通过上海辰竹的隔离式回路供电安全栅GS8031-EX连接至HART适配器。 图3流量计系统拓扑科氏流量计的正确安装与使用较为关键。 本系统中，物料的瞬时流量为16t/h，并且波动不大，所以选择水平安装，以便消除管道里的气泡。 在流量计的安装调试过程中，发现错误地把管箍固定在传感器的主体上(图4)，结果管箍影响了传感器的内部振动，继而影响了测试数据的精度，正确的安装方法是将管箍固定在进出口管道上(图5)。 23其它设备系统选用气动球阀，气源压力要求0408MPa，单个耗气量008L，04MPa的压力即可9831第11期王卫华等基于称重传感器与质量流量计的计量控制系统满足应用，耗气量非常小而且执行速度快。 气动执行器选用GT系列24V小电流防爆电磁阀控制气路的通断，进而控制阀门通断，通断时间在1s以内，适合防爆场合。 物料管道也采用DN20mm的不锈钢管。 3系统软件31称重计量控制称重计量系统中3个计量罐均选用DN20mm气动不锈钢球阀，不同原料的加料量是固定的，现场只需设一个启动开关即可。 旋动自动加料开关后，首先判断计量罐是否满，若不满则加满原料，然后自动打开出料阀和对应混合釜的进料阀，开始加料。 加料过程中，储罐的压力保持低压，而计量罐的压力则自动维持在010015MPa。 系统采用减量计量方式，当计量罐的重量小于设定值时，关闭相应阀门，加料结束。 经过实际调试，阀门的动作误差基本上在200g，所以将设定值减去200g的误差即是实际设定值。 控制程序需要注意的是，同一时间保证只有一个混匀釜进料，如果有人为误操作同时开启了两个进料开关，则最先开启的进料开关起作用。 其程序流程如图6所示。 图6称重计量系统自动进料流程32流量计计量系统321气泡干扰解决办法在流量计控制系统中，关闭传感器的前、后阀门会出现零点不归零的现象，说明传感器中有大量不均匀分布的气泡存在，会影响流量计的正常工作和测量准确度。 在传输物料过程中，如何及时发现气泡干扰是自动计量的关键所在，笔者总结了两种方法:a在表头上操作，查询探头A/B的振幅，这两个参数表示两个待取单元的信号级，在正常运行条件下，该信号级应大于50mV。 如果检测值较低，表明系统存在阻尼，说明传感器中有气泡，对应的错误代码是51和52，其中51表示待取单元A振幅太低，检查线缆和阻尼，液体中含有气泡;52表示待取单元B振幅太低，检查线缆和阻尼，液体中含有气泡。 错误代码51和52只要出现一个，就表示传感器中有气泡。 所有的错误代码可用HART指令的48#命令读出，使工作人员能够及时发现气泡干扰。 b在线测试介质密度，有气泡时密度值会减小，可用HART指令的3#命令读取，当物料满管时介质密度保持定值，如果密度值波动较大或明显偏低则说明管道内气泡较多，存在气泡干扰。 计量自控系统必须实时监测气泡干扰现象，一旦有异常就报警。 在调试过程中笔者发现:当30t储罐里的原料低于5t时，由于液面太低，气泡干扰出现的可能性很大;液面大于5t时，没有发现气泡干扰现象。 因此，当原料接近5t时，就需补充原料，这就会大大降低气泡干扰出现的几率。 322流量计计量流程对于流量计计量系统，选用抗干扰能力更强的脉冲信号输出瞬时累积量，设置脉冲当量为每个脉冲100g、脉宽08ms，按最大流量2t/h换算为555g/s，则每秒不超过6个脉冲，这样每167ms收到一个脉冲，如此可设定读取脉冲的定时中断间隔为180ms，既能保证即时读取高速计数器的值又避免频繁地执行中断程序而影响主体程序的执行速度。 S7-224XP具有6个单相最大30kHz的高速计数器，可接收高频脉冲，每个高速计数器对应一个脉冲输入端口，脉冲的增减及复位等0931化工自动化及仪表第38卷都可进行设置。 本系统选用高速计数器HC0，对应的输入端口为I00，工作模式为1。 用脉冲计量累积流量时须注意累积量的计算误差、最大值的拐点及读取脉冲中断干扰等问题。 在实际应用中，用HART信号读取加料后的总累积量和瞬时质量流量，并将这些数据存储在上位机的组态软件中。 另外，用一个质量流量计向多个配料釜供应原料，每次启动自动加料时，在PLC程序中都必须归零，只实现单次加料量的计量控制，避免了PLC程序中累积量计算误差及最大值的拐点等问题。 对于中断干扰，在加料过程中流速基本波动不大，最长加料时间程序中需处理好3个中断设计:程序中的脉冲定时中断、HART命令经自由口进行通信的收/发中断，并且以脉冲定时中断为主通信中断不能影响脉冲中断的接收。 所以设定当前加料量与设定值的差值小于10kg时，停止HART命令通信，只用定时中断读取HC0的值，当加料完毕后重新启动HART通信来读取相关变量的值。 加料量与设定值的差值还不到10kg时，将读取脉冲中断的优先权放在最后，以HART通信中断为主，实时监测有、无气泡干扰等问题。 脉冲接收运用定时中断事件11，以180ms的间隔读取HC0的值，将HC0的值做累加后与设定量比较，大于等于设定量时关闭进料阀终止加料。 由于科氏质量流量计的精度与流量有关，流量太小则测量精度越差，微小的振动可采取小流量切除，即设定最大流量099%的流量忽略为0，所以只能快速关闭阀门切断流量。 因此，阀门动作的误差必须考虑，经实际调试，流速在135145t/h时动作误差为300g;在145155t/h时动作误差为400g;在155165t/h时动作误差为500g。 通过分段控制动作误差，可将加料量与设定量的差值控制100g内，大大提高了控制精度。 关闭阀门后，累加器停止计数，HC0的脉冲累积量就是当次加料量，下一次加料时，再从0开始累加。 计量控制程序需避免误操作，由于本系统是一个流量计接多个混合釜，故同一时间内只允许给一个混合釜加料。 在加料过程中，如果开启其它混合釜的加料开关不起作用。 加料完毕后，如果忘记关闭开关，开其它开关时也不起作用，必须在所有开关都关闭的条件下才能开启一个加料开关，这时相应的自动加料程序才能启动。 控制阀装在混合釜的进口处，平时要保证管道内充满物料。 脉冲流量累计程序的流程如图7所示。 图7流量累计程序流程4通信41PLC与重量变送器的通信S7-224XP PLC的Port0口与重量传感器的485总线通信，每个重量变送器采用24V供电，变送器的485信号输出端口依次用信号线串接，为避免信号干扰影响正常通信，此处不能用星型或分叉式连接。 重量变送器将桥式称重传感器的毫伏信号转换为数字信号发送至PLC。 S7-224XPPLC与3个重量变送器按ASCII码通信协议编写通信程序。 重量变送器的数据输出选择指令发送方式，包括使用标准通信协议发送和使用MODBUS RTU通信协议。 标准通信协议发送/接收ASCII码传输数据，适合多个变送器组网，用标准通信协议进行通信，传输数据。 虽然在S7-224XP PLC中可方便地调用MODBUS协议库进行编程，但占用指令资源太大致使轮询延时长，1931第11期王卫华等基于称重传感器与质量流量计的计量控制系统会影响计量控制的准确性，所以本系统不予采用。 标准通信协议是外部设备对仪表发送指令，仪表根据指令做出相应的应答，如读取1#变送器的当前显示值，PLC发送“01RbCRLF”，指令格式见表1。 表1发送格式起始符地址读命令标记结束符01R bCR LF变送器收到该指令后做出应答，返回的数据带有符号，如仪表显示值是2404，则返回“01b1，+2404CRLF”，如果显示异常，则返回相应的错误代码，具体格式见表2。 其中，CR为回车，16进制码为0DH;LF为换行，16进制码为0AH。 变送器的这种数据格式恰好符合PLC的自由口通信协议，由于同时与4个变送器进行通信，所以采用PLC提供的接收字符中断方式，将自由口接收字符缓冲区SMB2定义指针，使用指针接收数据。 称重系统的通信流程如图8所示。 表2回传格式项目起始符地址命令小数点位置数据(含极性)终止符显示值01b1，+2404CR LF正溢出01b1，+999999CR LF负溢出01b1，-999999CR LFAD错误01b1，E00CR LF图8称重系统通信流程42S7-224XP与流量计的通信S7-224XP的程序主要是脉冲接收和HART指令通信两部分，HART命令的发送、接收均按照自由口协议进行，用指针接收缓冲区接收回传的HART数据。 通信程序是控制系统的关键，在通信过程中，PLC按地址发送不同的HART命令，在此采用灵活的自由口通信协议，自由口通信指令包括发送指令XMT和接收指令RCV。 用特殊标志寄存器SMB30(端口0)和SMB130(端口1)的各个位设置自由口模式，并设置自由口通信参数，如波特率、奇偶校验和数据位。 对于发送指令XMT，可根据字节数来发送HART指令，很容易实现。 而接收指令RCV主要有两种方法:第一种是使用PLC自带的RCV指令来接收数据;第二种采用PLC提供的接收字符中断方式，将自由口接收字符缓冲区SMB2定义指针，使用指针接收数据。 自由口通信的数据格式为“字符数起始字符数据区结束字符”。 当用RCV指令来接收数据时，帧的格式有特殊的结束字符，该字符不与数据冲突，这与HART帧以校验、结束相矛盾，故本2931化工自动化及仪表第38卷系统采用地址指针接收数据的方法。 控制器与流量计通信时，用不同的HART命令读取仪表的不同变量。 HART模块是附加可选件，当把HART通信模块安装在变送器内时，重新启动仪表，操作菜单里会自动增加一个“HARTModule”选项，查看可知HART协议为52版本，仪表地址默认为0，可将多个流量计组成HART网络，这时地址设在115之间。 读取流量计的主要参数需用到3个HART命令，用3#命令读取瞬时质量流量、密度、温度和瞬时体积流量;用171#命令读取流量累加器1的值;用48#命令读取所有的错误代码。 HART通信程序先将各HART命令存在指定的寄存器内，将3#、48#和171#发送指令分别存储在VB10VB 22、VB30VB42和VB50VB52中等待调用。 根据VB220的值调用各命令，发送出去。 在初始化子程序中，定义自由口字符接收中断8，用指针接收HART回传命令，根据VB220的值将指针指向指定的寄存器，然后启动定时中断10，转入发送中断。 HART命令收发的衔接，数据的接收，通信的实时性以及错误数据的提前判断等也是通信程序必须考虑的问题。 其程序流程如图9所示。 图9质量流量计通信流程用48#命令读取所有的错误代码，将返回25个字节，各字节的各个位代表不同的错误代码。 如，发送48#命令“FF FF FF FF FF822A1922BE1E300000”，仪表回传“FFFFFFFFFF822A192A BE1E301B0098020000000000010000000000000004000000000000000000008B”。 其中“0”表示正常，“1”表示对应错误出现。 由于这3个命令返回的数据字节数不同，所以用指针接收数据所需的时间也不相同，在编程时需处理好发送和接收的衔接问题。 5组态上位机组态软件采用组态王652，组态王可读取PLC监测到的设备运行状态及模拟量采样数据等信息，根据这些实时数据，在屏幕上动态显示各生产线的情况，包括各个控制设备的运行情况。 一旦发现故障报警信息，系统即显示报警画面，保存并记忆故障发生的时间等原始数据，还可根据客户需求保存历史数据，以及将数据导出到ACCESS等数据库中。 组态王可用自由口通信协议和PPI协议实现与S7-224XP的通信，组态王652中提供了针对各种协议的驱动程序以及库文件。 由于上位机距离S7-224XP控制器较远，故用485信号传输，延长通信距离。 在自动计量控(下转第1402页)3931第11期李军智能浮筒在实际生产中的应用接4个FF总线段。 现场设备采用网段(总线)供电，通过电源调制器把FF总线信号调制到24VDC供电电源线上。 每个总线网段电源必须对地隔离，主配电源和FF电源调整器都采用冗余配置提高了安全性，冗余的FF电源调整器可热插拔。 电源发出故障信号接点，用硬线接到系统中报警。 串行通讯卡选用ALR121RS-422/RS-485(2-Port12kb/s)。 浪涌保护器用以防止雷电串进损坏电源调制器和DCS FF卡件。 段保护器有12个分支电缆端口，用来把现场FNICO仪表挂接到主干线上。 按项目规定，一个段上最多可连接一个段保护器。 现场段保护器的各个支路间都是隔离的，当一个支路短路时把它的电流限制在30mA，避免影响其它支路的供电和正常工作。 25系统网络以YOKOGAWA CS3000为例的FF现场总线系统网络的结构如图2所示。 图2现场总线控制系统网络结构3注意事项在FF现场总线控制系统的设计过程中，还需注意以下事项:a总线电缆必须有FF基金会的认证并具有广泛使用业绩的产品，根据IEC/ISA物理层标准中指定的电缆类型要求，装置采用A型电缆(18AWS)，屏蔽双绞线，钢丝铠装型(SWA)电缆，具有较强的抗干扰能力，主干电缆为两对双绞线，带分屏和总屏，支路电缆为单股屏蔽双绞线;b现场