基于研华工控机的水流量计检定控制系统原理及设计

1　引　言
过去的水流量计检定系统主要采用手动和半手动方式进行控制，其缺点是检定精度低、流量波动大、可检定表口径范围小、自动化程度不高、检表效率低。本文根据水流量仪表检定的工艺要求，结合原有检定系统的工作状况，依据石油化工部自动控制系统设计规范，设计了水流量计检定控制系统。该控制系统以计算机和变频器为核心，实现了真正意义上的自动控制，减轻了工人的劳动强度，提高了劳动效率，可完成全系列水表检定任务，大大节省了检定费用，保证生产正常运行。
2　系统组成
本系统核心采用上、下位机集散控制的方式，上位机采用研华高品质IPC工业级计算机并配以21″大屏幕监视器，主要承担系统管理任务，例如各种数据和信号的检测、存储、分析、计算处理；各种工艺图形、画面、曲线的显示调阅；查看监测各种事件、故障报警、记录、证书查阅打印等。下位机采用日本OMRON公司生产的可编程工业控制器，系统的一切控制任务的实现、动作的执行、控制模式的输出，都由下位机PLC来执行，作为控制中心，它以极高的频率不断与上位机进行各种数据及信息交换来实现系统控制。
整个检定系统分为系统控制部分和现场检测执行部分，两部分之间通过电缆联接。
2．1　系统控制部分
系统控制部分又分为五个部分，如图1所示。（1）整个系统的中心控制台（系统控制柜）
它包括一台研华IPC－586工业级计算机，一台21″大屏幕监视器，一台DPK－8400票据打印机，一套OMRON200H可编程序控制器PLC，11台配电器，6台开关电源，10个空气开关，3个交流接触器，一台报警器，一台信号转换处理器，一套四路隔离继电器，一个频率调节电位器及30个按钮和指示灯。 

（2）被检表电源和输出信号接线以及无讯表数据发送操作柜
该柜设在检定现场，其上装有薄膜操作面板、数码显示管、就绪按钮和指示灯、急停按钮、电源开关、可插拔控制按钮及接线电缆。
（3）电磁阀柜
柜内装有8台电磁阀和4个继电器，其中4台电磁阀分别控制现场4个标准罐上的底阀的开关，2个电磁阀控制两个换向器的换向。这6台电磁阀既能由计算机实现自动控制又能通过控制柜上的按钮实现手动控制，每个按钮都粘有标牌以免误操作。另外两个电磁阀一个备用，一个控制DG200管线上气动放水阀的开关。4个继电器给上位机提供4个底阀的开关状态。
（4）变频器柜
该柜由175kW变频器、抗干扰电抗器和中间继电器、空气开关、交流接触器等一些电器元件组成，它的主要功能是用来实现电机的变频启动和停止。变频器启动和停止又分为自动和手动两种工作方式：当变频　　器自动工作时，由上位机自动选择要启动的电机，由下位机根据检定时设定的流量点给变频器频率控制信号；当需手动启动变频器时，在现场“手动／自动”控制按钮拨到手动工作方式时，可通过调节变频器柜上的频率调节电位器实现，而且手动频率调节可通过系统控制柜上的转换钮实现现场和控制室的异地操作。同时变频柜内还装有控制真空泵水箱的液位继电器。
（5）电气控制操作柜
该操作柜由四面配电柜组成，其主要功能是给泵房内的五台电机供电及在其操作面板上实现手动变频、工频启动；操作面板上装有“手动／自动”转换开关，起、停泵按钮15个，状态指示灯26个。
2．2　现场检测执行部分
现场检测执行部分由标准表、被检表、变频器、标准罐、换向器、水泵组组成。
（1）标准表
在水流量检定系统中共有DG300、DG200、DG100三种口径标准表各一块，标准表的AC220V和DC5V的工作电源由系统控制柜供给。标准表工作时发出的脉冲信号经工控机中的PCL－836采集卡采进上位机，通过计算公式换算出流量作为标准值来检定被检表的精度。
（2）被检表
被检表的口径从DG80～DG300共有六种，且被检表的供电电源及信号输出种类较多，供电电源有：DC5V、DC12V、DC15V、DC24V、DC100V、AC110V、AC220V；信号输出有二线制4～20mA、四线制4～20mA、0～5V、0～10V、0～20mA，被检表电源的供给和信号的输入由下位机选择。被检表输出信号进入上位机前以信号转换器转换成1～5V和0～5V的电平信号，经工控机中PCL－818采集卡转换成流量在监视器上显示。
（3）变频器
变频器是水流量检定系统中执行部分的核心，流量大小的调节及流量的稳定都是上位机通过变频器来实现的，其工作状态的好坏极其关键，所以，上位机对变频器进行实时监控，从组态画面中可以直接看到变频器的工作情况。当变频器由于某种原因出现故障时，控制系统会发出声光报警提醒操作者对发生的故障进行处理，故障原因可以在变频器液晶屏上查阅。
（4）标准罐、换向器
系统中有四个标准罐，其容积分别为10m3、2m3、1m3、0．2m3，每个罐上都装有高精度的差压变送器用来检测罐内的液位。其中1m3和0．2m3的罐为1号罐组，10m3和2m3的罐为2号罐组，两组罐上各装有一台换向器，换向器系统由电磁阀、气缸、分水板、光电开关、遮光板五部分组成。光电开关产生的信号直接送给上位机作为检定计时的开始和结束。
（5）水泵组
泵间共有五台泵，分别由160kW、90kW、75kW、30kW和7．5kW电机带动。泵的流量分别为0～1600m3／h、0～400m3／h、0～240m3／h、0～120m3／h、0～40m3／h。检表时根据被检表的量程由上位机选择、下位机执行起动不同的泵。泵的起动又分为变频起动和工频起动两种工作方式，两种方式都可在现场和控制室中实现。另外在泵间还装有一台真空泵和水箱，其作用是起动160kW和75kW泵之前，起动真空泵将泵体和管道内抽成真空，使水充满泵体。
3　系统软件设计
为了加强系统使用的灵活性及保证系统的正常运行，系统设计成自动控制和手动控制两种工作方式。
3．1　自动控制方式
首先，通过控制室操作面板上的钥匙开关给系统供电，这时操作面板、现场被检表电源柜、变频柜上的电源指示灯亮，表明系统供电正常。将操作面板和电气控制柜上的“自动／手动”转换器打到自动工作方式，然后打开计算机进入水流量检定系统，先点动操作面板上的就绪按钮，待就绪指示灯亮后在参数设置画面中设置参数：根据被检表口径选择检定线；根据精度等级或是否有信号输出来选择是标准表法还是标准罐法或是无讯表法检定；根据被检表的量程来设置流量点，流量点的设置可以自动设置也可以人为设置；根据被检表的工作条件选择其供电电源和信号接收种类。在以上参数和其它需要设定项设定好后，用鼠标单击“开始检定”。系统根据所设被检表的最大量程选泵，下位机执行起动命令后根据所设流量点的不同自动调节变频器的工作频率，使泵工作在当前流量点。同时，也可根据需要在参数设置画面中的“频率调节方式”选项后选择“手动”，那么就可在操作面板上通过频率调节电位器来实现流量的调节，手动工作方式时上位机既起控制作用又起监视作用。
3．2　手动控制方式
选择该种工作方式时，应先将控制室操作面板和泵房内电器控制柜上的“自动／手动”转换器打到手动工作状态，参数设置同上。根据被检表量程人为判断起动哪一台泵：首先，在电器控制柜上将要起动泵输出旋钮合上，点动变频柜上的变频器起动钮，泵起动后可通过调节操作面板或电器控制柜上的电位器旋钮来实现流量的调节。现场和控制室手动对流量调节的异地操作通过操作面板上“控制室频率调节现场”旋钮来实现。软件流程图见图2

4　结束语
本系统较好地扩展了功能，扩大了系统应用范围， 投入运行以来由于配置灵活、机动性好、工作稳定，取得了令人满意的效果。