李紅艷，張紹華，楊煥誠，程 霞

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)計量測試研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010;2.赤峰市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測中心，內(nèi)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(yīng)用于石油、天然氣、化工、供熱等領(lǐng)域。其量值傳遞系統(tǒng)由氣源系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、瞬時流量監(jiān)測系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。其中，控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、流量調(diào)節(jié)、檢定過程、數(shù)據(jù)處理、報表打印的功能。以PLC作為主控器，采用現(xiàn)場工業(yè)總線與上位機通信，實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)采集，對現(xiàn)場設(shè)備進行精確控制，并配合上位機完成數(shù)據(jù)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(xiàn)場可能出現(xiàn)的復(fù)雜電磁環(huán)境及其他意外情況，為保證控制系統(tǒng)及設(shè)備的安全，系統(tǒng)專門配有EMC(電磁兼容性)解決方案及系統(tǒng)保護方案。

1 控制系統(tǒng)主要功能

控制系統(tǒng)主要功能有，流量計檢定過程自動控制、數(shù)據(jù)傳送和總線通信、流量調(diào)節(jié)、電壓類型、信號種類、外部觸發(fā)信號識別、自動控制設(shè)備啟停及連鎖保護、監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)、閥門開度調(diào)節(jié)、泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、流量信號采集、變送器信號采集、設(shè)備過載/過熱/過流保護和電源漏電/短路保護等。

2 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)的組成，如圖1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示。控制系統(tǒng)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(shù)字量輸入/輸出模塊均具有LED狀態(tài)顯示功能，可直觀地顯示出模塊工作狀態(tài)是否正常。電源控制柜及變頻控制柜，柜殼采用GGD柜。每臺設(shè)備由獨立的單元控制回路組成，柜內(nèi)配空氣開關(guān)、交流接觸器、熱繼電器等，具有安全、維修方便等特點。柜內(nèi)各回路具有過載和短路保護、電流監(jiān)控功能。主要用于單機調(diào)試、故障停機、故障檢修和手動試車。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 技術(shù)指標

3 技術(shù)指標

技術(shù)指標，如表1所示。其控制特點為泵設(shè)有遠程及本地控制，既能完成自動控制，又方便設(shè)備檢修和手動試車。采用國際化工業(yè)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(wěn)定可靠。將PLC與高精度定時器結(jié)合，解決了PLC自身不能溯源的問題；采用小數(shù)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(diào)節(jié)，實現(xiàn)了穩(wěn)壓和穩(wěn)流硬件中斷；采集的同步性系統(tǒng)冗余，保證系統(tǒng)可擴展能力；系統(tǒng)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(tǒng)中，采用結(jié)構(gòu)簡單方便，參數(shù)整定的智能PID控制，是系統(tǒng)更加可靠智能。PID控制原理框，見圖2。

4 系統(tǒng)控制方案

4.1 計算機過程控制系統(tǒng)

以計算機作為控制器，變頻器作為執(zhí)行器，控制規(guī)律的實現(xiàn)通過軟件完成，改變控制規(guī)律，只要改變相應(yīng)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(chǎn)生的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊會給供電系統(tǒng)和拖動系統(tǒng)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(zhuǎn)速。變頻軟啟動的優(yōu)點是由于采用電壓/頻率按比例控制方法，所以不會產(chǎn)生過載電流；并可提供等于額定轉(zhuǎn)矩的起動力矩，特別適合于需重載或滿載起動的設(shè)備。整個控制系統(tǒng)采用接地、屏蔽、濾波、續(xù)流等EMC措施；選擇主要設(shè)備和器件，符合電磁兼容規(guī)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(fā)生電的聯(lián)系，從而達到隔離現(xiàn)場干擾的目的。變頻器是整套系統(tǒng)中最大的干擾源，可能存在輻射干擾和傳導(dǎo)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(cè)加裝濾波器，電抗器或磁環(huán)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(dǎo)線相互連接。屏蔽管(層)應(yīng)可靠接地，并保證整個長度上連續(xù)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(huán)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(huán)靠近變頻器。一般對被干擾設(shè)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(tǒng)

檢定控制系統(tǒng)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(yōu)于1×10-6，穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-6，采用外觸發(fā)方式啟動定時器，保證與其他受控聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(tǒng)，獨立定時系統(tǒng)不占用PLC控制系統(tǒng)CPU資源。

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