標(biāo)準(zhǔn)表法水流量試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李小龍，李萬平，劉紅旺，楊志剛

（天津水科機(jī)電有限公司，天津 301900）

1 引言

標(biāo)準(zhǔn)表法水流量試驗(yàn)裝置，是指一種采用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)（可以是速度式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、臨界流流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)和熱能表等）作為標(biāo)準(zhǔn)器，采用清水作為標(biāo)定介質(zhì)，使清水在相同時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢測流量計(jì)，通過比較兩者的輸出流量值，從而確定被檢測流量計(jì)的計(jì)量性能的裝置。本次試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)采用3 臺(tái)（DN100、DN250 和DN400）精度為0.2 的高精度電磁流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表，標(biāo)定口徑為DN50～DN400，流量測量范圍為0.2～1 380 m3/h；系統(tǒng)采用變頻調(diào)速器和流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量，具有操作程控化、采集自動(dòng)化，應(yīng)用測控優(yōu)化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對速度式流量計(jì)和其他液體流量儀表進(jìn)行標(biāo)定，提高了使用效率，簡化了操作流程。標(biāo)準(zhǔn)表法水流量試驗(yàn)裝置在保證直管段的條件下可標(biāo)定電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)、孔板流量計(jì)、冷水水表、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)等多種流量儀表。

標(biāo)準(zhǔn)表法水流量試驗(yàn)裝置主要由400 m3的地下水池、變頻電機(jī)、離心泵、穩(wěn)壓罐、分水器、集水器、閥門、軟連接、流量調(diào)節(jié)閥、管路系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、電氣啟動(dòng)柜、變頻控制柜、自動(dòng)控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)等組成。自動(dòng)控制系統(tǒng)作為重要組成部分具有準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性的特點(diǎn)，同時(shí)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可操作性，為流量標(biāo)定點(diǎn)提供標(biāo)準(zhǔn)流量或流量范圍，滿足流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的系統(tǒng)功能需求，界面清晰，試驗(yàn)人員操作簡便。

2 控制系統(tǒng)需求分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)表法水流量試驗(yàn)裝置系統(tǒng)組成

本次標(biāo)準(zhǔn)表法水流量試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用是建立在新建標(biāo)準(zhǔn)表法水流量試驗(yàn)裝置流量需求基礎(chǔ)上，標(biāo)準(zhǔn)表法水流量試驗(yàn)標(biāo)定裝置的設(shè)計(jì)依據(jù)JJG 643-2003《標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》設(shè)計(jì)，系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)表法水流量試驗(yàn)裝置原理圖

標(biāo)準(zhǔn)表法水流量試驗(yàn)裝置由地下水池→水泵入口→水泵出口→穩(wěn)壓容器→分水器→標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)→被測流量計(jì)→集水器→流量調(diào)節(jié)閥→地下水池，形成循環(huán)水流系統(tǒng)。

通過離心泵的作用，將清水充滿整個(gè)管路，經(jīng)過穩(wěn)壓容器和容器內(nèi)部的3 層帶孔隔板消除水中的氣泡、過濾雜質(zhì)，減少因水流沖擊引起的水面波動(dòng)，穩(wěn)定管路壓力，從而在試驗(yàn)管路中產(chǎn)生一個(gè)壓力穩(wěn)定且無雜質(zhì)和氣泡的水流，使流過標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被測流量計(jì)的水流量達(dá)到理想狀態(tài)。

試驗(yàn)管路：由前后直管段、閥門、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、被測流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥等組成。可完成對DN50～DN400 口徑的流量計(jì)量裝置的標(biāo)定或校準(zhǔn)；管線、法蘭均為不銹鋼材質(zhì)。前后直管段依據(jù)標(biāo)定規(guī)程、滿足流量計(jì)標(biāo)定的要求（前直管段大于10D，后直管段大于5D）。

標(biāo)準(zhǔn)器：由高精度電磁流量計(jì)、壓力變送器、溫度變送器、計(jì)時(shí)器等組成，可以對被測定的流量計(jì)量裝置進(jìn)行標(biāo)定或校準(zhǔn)，試驗(yàn)方便快捷。

控制系統(tǒng)：由水泵控制系統(tǒng)和流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)采集管路壓力和溫度等參數(shù)，流量調(diào)節(jié)采用水泵變頻調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)開度相結(jié)合的方式，通過在管路上設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，根據(jù)標(biāo)定流量點(diǎn)的需要配合水泵變頻調(diào)節(jié)流量，使標(biāo)定流量點(diǎn)的調(diào)節(jié)更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定，以滿足流量標(biāo)定要求。

信號(hào)采集分析：壓力傳感器、溫度傳感器、水位傳感器、流量計(jì)等模擬量數(shù)據(jù)以及開關(guān)量信號(hào)，經(jīng)過可編程控制器自動(dòng)采集和接收，進(jìn)行邏輯判斷與控制，將數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸至上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)與展示。

為了便于操作，試驗(yàn)管線的布局考慮采用平面布置、更換被測流量計(jì)時(shí)采用更換測試管路的工藝結(jié)構(gòu)；為減少標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的數(shù)量和縮小試驗(yàn)裝置的占地空間，系統(tǒng)采用一管多用的方案，即使用一條管道和一種高精度電磁流量計(jì)標(biāo)定2 種以上口徑的流量儀表，并把標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的流量下限往下延伸，即DN400 口徑的標(biāo)準(zhǔn)表可標(biāo)定DN400/DN350/DN300等3 種口徑的被測流量計(jì)，DN250 口徑的標(biāo)準(zhǔn)表可標(biāo)定DN250/DN200/DN150/DN125 等4 種口徑的被測流量計(jì)，DN100 口徑的標(biāo)準(zhǔn)表可標(biāo)定DN100/DN80/DN50/DN40 等4 種口徑的被測流量計(jì)。另外，在標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被測流量計(jì)的前端還安裝了排氣閥，可排出測試管路中可能產(chǎn)生的少量積氣，提高系統(tǒng)的測量精度。

2.2 水泵性能指標(biāo)

（1）水泵選用臥式離水泵，震動(dòng)小、噪聲低。水泵組通過2 臺(tái)泵組合運(yùn)用，能夠覆蓋各條檢測裝置的流量范圍，并在滿足流量調(diào)節(jié)的前提下充分體現(xiàn)節(jié)能及經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的原則。根據(jù)使用流量大小，水泵能自動(dòng)聯(lián)動(dòng)使用，也可根據(jù)流量需要對某臺(tái)水泵單獨(dú)變頻控制。

（2）依據(jù)水力計(jì)算合理選型，充分利用水泵的最佳工作區(qū)間。

（3）水泵安裝在獨(dú)立的水泥基礎(chǔ)之上，安裝減振墊，有效實(shí)現(xiàn)減震、隔振的效果。

（4）根據(jù)裝置流量要求，本裝置共設(shè)計(jì)2 臺(tái)水泵（250YPR-45 改，低溫機(jī)械密封、膜片聯(lián)軸器、無冷卻系統(tǒng)），保證泵出口壓力穩(wěn)定，流量波動(dòng)小，便于實(shí)施控制調(diào)節(jié)。泵組選用2 臺(tái)額定流量為690 m3/h，額定揚(yáng)程為45 m，額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min 的單級離心泵，配套額定功率為132 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min變頻電機(jī)。

水泵特性曲線如圖2 所示。

圖2 水泵特性曲線

3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)以工業(yè)計(jì)算機(jī)、可編程控制器、數(shù)字量模塊、模擬量模塊、變頻器、交換機(jī)、信號(hào)隔離模塊等組成，可進(jìn)行現(xiàn)地控制和遠(yuǎn)方控制，完成時(shí)序控制，數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)程操作等功能。系統(tǒng)標(biāo)定控制與動(dòng)力控制完全獨(dú)立，具有更高的安全性，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)能夠安全可靠地做出反應(yīng)，采用友好的人機(jī)界面，操作簡單可靠。

3.2 流量控制的實(shí)現(xiàn)

流量控制是控制系統(tǒng)按照標(biāo)定流量的要求，給變頻調(diào)速裝置提供 4～20 mA 的電流信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)水泵流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，由變頻器內(nèi)置PID 調(diào)節(jié)功能完成。在程序控制下，自動(dòng)采集壓力、溫度、流量等參數(shù)，經(jīng)過可編程控制器程序自動(dòng)數(shù)據(jù)分析，并將已知標(biāo)定點(diǎn)流量轉(zhuǎn)換為模擬量發(fā)送給變頻器，通過變頻調(diào)速裝置PID 算法，實(shí)現(xiàn)管道流量的穩(wěn)定持續(xù)輸出。

3.3 控制系統(tǒng)軟件

（1）控制系統(tǒng)具有良好的操作界面，便于控制和維護(hù)。整套控制系統(tǒng)能保證擬開展檢測項(xiàng)目的自動(dòng)檢測功能。

（2）控制系統(tǒng)以工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，完成對水泵的控制，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，遠(yuǎn)程操作等功能，實(shí)現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化。在監(jiān)控界面設(shè)有緊急停車鍵，保證出現(xiàn)異常情況時(shí)能夠及時(shí)反應(yīng)，保證設(shè)備及人員安全。

（3）控制系統(tǒng)的功能

1）系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的自動(dòng)檢測，顯示現(xiàn)場裝置主要參數(shù)，依據(jù)標(biāo)定規(guī)程計(jì)算出各種流量計(jì)的準(zhǔn)確數(shù)值并判斷標(biāo)定結(jié)果。

2）系統(tǒng)每次的檢測時(shí)間小于30 s。

3）系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集有關(guān)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、保存有關(guān)原始數(shù)據(jù)。

4）流程顯示：以工業(yè)組態(tài)形式展現(xiàn)試驗(yàn)流程畫面，動(dòng)態(tài)顯示各條管線的標(biāo)準(zhǔn)表流量，被檢流量計(jì)流量，壓力溫度等參數(shù)和水泵、閥門等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并以彈窗的形式顯示系統(tǒng)故障信息。

5）用戶/安全管理：對現(xiàn)場設(shè)備啟停、參數(shù)的設(shè)定等操作設(shè)置密碼級別，防止誤操作，同時(shí)對現(xiàn)場設(shè)備設(shè)置互鎖功能，保證誤操作的情況下設(shè)備不會(huì)多管路同時(shí)開啟，并具有計(jì)算機(jī)、控制柜同時(shí)報(bào)警并斷電保護(hù)，保證設(shè)備及操作人員的安全。

3.2 控制系統(tǒng)主要硬件

（1）數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集與處理采用西門子公司生產(chǎn)的S7-200Smart 可編程控制器，掃描速率快，配備西門子專用高速處理器芯片，基本指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá)0.15 μs。此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)共有12 路數(shù)字量輸入、6 路數(shù)字量輸出、16 路模擬量輸入、2 路模擬量輸出，采集溫度、壓力、水位、流量等不同數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)邏輯控制提供依據(jù)。

（2）變頻器

變頻器采用ABB 公司生產(chǎn)的ACS510 系列變頻器，型號(hào)為ACS510-01-246A-4，該變頻器主要用于控制和調(diào)節(jié)三相交流異步電機(jī)的速度，運(yùn)用其內(nèi)置可靠的PID 算法，將流量調(diào)節(jié)穩(wěn)定輸出，該變頻器具有穩(wěn)定的性能、豐富的組合功能、高性能的矢量控制技術(shù)、低速高轉(zhuǎn)矩輸出、良好的動(dòng)態(tài)特性及超強(qiáng)的過載能力等特點(diǎn)，在變頻器市場占據(jù)著重要的地位。

（3）控制系統(tǒng)流程

控制系統(tǒng)以遠(yuǎn)方控制為主、現(xiàn)地控制為輔的設(shè)計(jì)思路，當(dāng)遠(yuǎn)方控制發(fā)生故障時(shí)，可立即切換到現(xiàn)地控制，進(jìn)行現(xiàn)地操作，可避免整個(gè)系統(tǒng)癱瘓?jiān)斐傻膿p失。控制系統(tǒng)流程圖如圖3 所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)表法水流量試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)流程圖

當(dāng)接收到試驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，試驗(yàn)室操作人員做好試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作，確定試驗(yàn)使用的管段口徑，安裝好被測流量計(jì)，打開使用管段的進(jìn)水口及出水口閥門，關(guān)閉不使用管段閥門，準(zhǔn)備工作結(jié)束后，進(jìn)行試驗(yàn)裝置開機(jī)工作，首先打開補(bǔ)水閥，補(bǔ)水閥全開后，啟動(dòng)真空泵，為水泵進(jìn)口管路內(nèi)充水，查看水泵進(jìn)口壓力及水位指示，具備啟泵條件后，設(shè)置調(diào)節(jié)閥開度及水泵運(yùn)行頻率，打開調(diào)節(jié)閥并啟動(dòng)水泵，根據(jù)試驗(yàn)需求，調(diào)整閥門開度及水泵運(yùn)行頻率，將管段流量控制在試驗(yàn)值。同時(shí)系統(tǒng)采集水泵進(jìn)出口壓力、系統(tǒng)壓力和溫度等數(shù)據(jù)，為試驗(yàn)裝置提供數(shù)據(jù)支撐。控制系統(tǒng)人機(jī)界面如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)人機(jī)界面

4 結(jié)論

標(biāo)準(zhǔn)表法水流量試驗(yàn)裝置不僅是流量單位量值統(tǒng)一與傳遞的標(biāo)準(zhǔn)，也是流量儀表實(shí)驗(yàn)和標(biāo)定的可靠裝置，流量穩(wěn)定性是流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，它直接影響裝置的穩(wěn)定性和不確定度。此次標(biāo)準(zhǔn)表法水流量試驗(yàn)裝置的研發(fā)和應(yīng)用是我單位流量計(jì)量、測試和標(biāo)定技術(shù)的研究基礎(chǔ)。對控制系統(tǒng)應(yīng)用調(diào)試的過程中遇到的問題進(jìn)行了分析與改進(jìn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制界面清晰，操作簡便。測試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)完成的試驗(yàn)項(xiàng)目具有標(biāo)定精度高，性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，大大提高了我單位標(biāo)準(zhǔn)表法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的自動(dòng)化水平。