氣體流量標準裝置自動檢定控制系統設計

李紅艷，張紹華，楊煥誠，程 霞

(1.內蒙古自治區計量測試研究院，內蒙古 呼和浩特 010010;2.赤峰市產品質量檢驗檢測中心，內蒙古 赤峰 024000)

氣體流量標準裝置是氣體流量計量值溯源的計量標準器具。廣泛應用于石油、天然氣、化工、供熱等領域。其量值傳遞系統由氣源系統、管道系統、穩壓系統、瞬時流量監測系統及控制系統組成。其中，控制系統具有數據采集、流量調節、檢定過程、數據處理、報表打印的功能。以PLC作為主控器，采用現場工業總線與上位機通信，實現過程數據采集，對現場設備進行精確控制，并配合上位機完成數據的前端處理，最終完成流量計檢定和校準。此外，考慮到使用現場可能出現的復雜電磁環境及其他意外情況，為保證控制系統及設備的安全，系統專門配有EMC(電磁兼容性)解決方案及系統保護方案。

1 控制系統主要功能

控制系統主要功能有，流量計檢定過程自動控制、數據傳送和總線通信、流量調節、電壓類型、信號種類、外部觸發信號識別、自動控制設備啟停及連鎖保護、監視現場設備狀態、閥門開度調節、泵轉速調節、流量信號采集、變送器信號采集、設備過載/過熱/過流保護和電源漏電/短路保護等。

2 控制系統組成

控制系統的組成，如圖1控制系統結構圖所示。控制系統選用信號接口模塊，采用了光電隔離，具有很好的抗干擾性能。所有數字量輸入/輸出模塊均具有LED狀態顯示功能，可直觀地顯示出模塊工作狀態是否正常。電源控制柜及變頻控制柜，柜殼采用GGD柜。每臺設備由獨立的單元控制回路組成，柜內配空氣開關、交流接觸器、熱繼電器等，具有安全、維修方便等特點。柜內各回路具有過載和短路保護、電流監控功能。主要用于單機調試、故障停機、故障檢修和手動試車。

圖1 控制系統結構

表1 技術指標

3 技術指標

技術指標，如表1所示。其控制特點為泵設有遠程及本地控制，既能完成自動控制，又方便設備檢修和手動試車。采用國際化工業控制模塊，帶有保護及光電隔離功能，CP5621 PCI-E總線的通信卡保障通信穩定可靠。將PLC與高精度定時器結合，解決了PLC自身不能溯源的問題；采用小數脈沖，解決了低頻流量計的精確采集問題，大大縮短了檢定時間；采用PID調節，實現了穩壓和穩流硬件中斷；采集的同步性系統冗余，保證系統可擴展能力；系統中配有漏電保護、短路保護、過載保護及EMC解決方案；在過程系統中，采用結構簡單方便，參數整定的智能PID控制，是系統更加可靠智能。PID控制原理框，見圖2。

4 系統控制方案

4.1 計算機過程控制系統

以計算機作為控制器，變頻器作為執行器，控制規律的實現通過軟件完成，改變控制規律，只要改變相應的控制程序即可。能夠靈活處理控制點，具體控制如圖3微機過程控制圖所示。

圖3 微機過程控制

4.2 電機控制方案

交流異步電動機直接起動所產生的電流沖擊和轉矩沖擊會給供電系統和拖動系統帶來不利影響，對于容量較大的異步電動機一般都要采用軟啟動方案。即用變頻器帶動電機從零速開始起動，逐漸升壓升速，直至達到其額定轉速。變頻軟啟動的優點是由于采用電壓/頻率按比例控制方法，所以不會產生過載電流；并可提供等于額定轉矩的起動力矩，特別適合于需重載或滿載起動的設備。整個控制系統采用接地、屏蔽、濾波、續流等EMC措施；選擇主要設備和器件，符合電磁兼容規定，輸入輸出采用光電隔離措施，從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，不直接發生電的聯系，從而達到隔離現場干擾的目的。變頻器是整套系統中最大的干擾源，可能存在輻射干擾和傳導干擾。對于通過輻射方式傳播的干擾信號，主要通過布線以及對放射源和對被干擾的線路進行屏蔽的方式來削弱；對于通過線路傳播的干擾信號，主要通過在變頻器輸入輸出側加裝濾波器，電抗器或磁環等方式來處理。具體方法為信號線與動力線要垂直交叉或分槽布線。不要采用不同金屬的導線相互連接。屏蔽管(層)應可靠接地，并保證整個長度上連續可靠接地。信號電路中要使用屏蔽電纜。屏蔽層接地點盡量遠離變頻器，并與變頻器接地點分開。磁環可以在變頻器輸入電源線和輸出線上使用，輸入線一起朝同一方向繞4圈，而輸出線朝同一方向繞3圈。繞線時需注意，盡量將磁環靠近變頻器。一般對被干擾設備儀器，均可采取屏蔽及其他抗干擾措施。

4.3 高精度定時系統

檢定控制系統中，定時器的精度影響整個裝置的合成不確定度，選擇高精度定時器，精度優于1×10-6，穩定度優于1×10-6，采用外觸發方式啟動定時器，保證與其他受控聯網設備同步性，定時時間通過485通信，直接傳送給上位機控制系統，獨立定時系統不占用PLC控制系統CPU資源。

通過上述控制系統設計，采用的上位機為先進可靠的工控機，主要完成數據處理、文件管理、數據記錄打印，并通過下位機完成各種數據的采集、自動控制相應的機構。上位機軟件采用最受工業行業青睞的“組態王”軟件編寫。軟件使用可靠，組態靈活。它界面友好、操作方便、可維護性高；在數據的存儲、計算和報表生成方面具有很強的靈活性。實時監視每一個流量點的檢定數據、可將檢定數據傳至Microsoft Excel電子表格中，根據流量點自動選擇開啟不同的噴嘴組合，完成檢定過程。