氣體在線檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

伍錦榮

(中國(guó)石油化工股份有限公司 廣州分公司，廣州 510726)

由于大型石油化工生產(chǎn)企業(yè)大量使用各種流量?jī)x表，為了能及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)或校準(zhǔn)流量?jī)x表，很多企業(yè)都會(huì)根據(jù)計(jì)量法規(guī)和規(guī)定建立流量檢測(cè)裝置。同時(shí)，隨著企業(yè)對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確性要求的不斷提高以及內(nèi)部能源管理的細(xì)化，對(duì)流量?jī)x表的安裝前檢測(cè)和使用周期性檢測(cè)的頻次有了較高的要求，因此建立和完善企業(yè)流量檢測(cè)裝置十分必要。

某企業(yè)原有氣體在線檢測(cè)裝置，采用標(biāo)準(zhǔn)表加頻率計(jì)，通過(guò)人工調(diào)整流量，記錄參數(shù)以及計(jì)算器計(jì)算的方法進(jìn)行氣體體積流量的檢測(cè)，但檢測(cè)過(guò)程容易引入人為誤差因素而使檢測(cè)的重復(fù)性和準(zhǔn)確性難以保證。2011年10月，在氣體檢測(cè)裝置計(jì)量復(fù)審之前進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和完善，采用PLC加計(jì)算機(jī)操作員界面，實(shí)現(xiàn)了氣體在線檢測(cè)的全自動(dòng)控制。

1 檢測(cè)裝置組成和工作原理

當(dāng)前氣體檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)裝置主要有質(zhì)量法和標(biāo)準(zhǔn)表法[1-2]。質(zhì)量法標(biāo)準(zhǔn)裝置采用質(zhì)量流量計(jì)和電子天平稱重對(duì)比的方法，主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室或條件較好的企業(yè)，準(zhǔn)確性等級(jí)高，是貿(mào)易計(jì)量器具檢測(cè)的最高手段之一，成本較高。標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)準(zhǔn)裝置采用同類(lèi)型高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)比的方法，主要應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，準(zhǔn)確性等級(jí)稍低，是企業(yè)氣體流量?jī)x表校驗(yàn)和校準(zhǔn)、內(nèi)部核算器具檢測(cè)的主要裝置。該設(shè)計(jì)根據(jù)原授權(quán)和JJG 1029—2007《渦街流量計(jì)檢定規(guī)程》要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)包括高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)、壓力變送器、熱電阻等儀表以及可以多口徑選擇的高品質(zhì)管道、變頻器和風(fēng)機(jī)等。檢測(cè)控制器采用具有高速脈沖頻率接口的PLC和計(jì)算機(jī)作為核心，帶有高轉(zhuǎn)換精度的I/O卡。標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成原理如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成原理示意

變頻器驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生一定壓力和流量的氣體(空氣)，在氣體通過(guò)不同口徑的管道時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢測(cè)流量?jī)x表檢測(cè)數(shù)據(jù)以及PLC采集流量、溫度和壓力等參數(shù)，通過(guò)溫壓補(bǔ)償后換算出氣體體積流量，從而檢測(cè)出被檢流量計(jì)的流量系數(shù)、準(zhǔn)確性和重復(fù)性等指標(biāo)。同時(shí)，結(jié)合操作員界面設(shè)定的參數(shù)，自動(dòng)生成各種檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的全自動(dòng)控制。

2 檢測(cè)裝置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2．1 硬件平臺(tái)

標(biāo)準(zhǔn)表法氣體檢測(cè)系統(tǒng)包括硬件和軟件平臺(tái)兩部分。硬件的核心是PLC，采用OMRON CJ1M PLC CPU22，具有模塊化結(jié)構(gòu)、體積??；帶有2路高速脈沖計(jì)數(shù)器接口，可以同時(shí)接收高達(dá)60 kHz信號(hào)輸入；高精度I/O接口有多個(gè)類(lèi)型；A/D轉(zhuǎn)換精度達(dá)1/8 000；程序邏輯運(yùn)行速度快，可達(dá)100 ns，性能價(jià)格比高；可以很好地實(shí)現(xiàn)流量、溫度、壓力等高精度測(cè)量；系統(tǒng)配置1個(gè)電源模塊、2個(gè)AI模塊、1個(gè)AO模塊和1個(gè)DO模塊。

檢測(cè)管道口徑覆蓋DN25，40，50，80，100，125，150等常用口徑。通過(guò)預(yù)制的管道連接轉(zhuǎn)換，最大可檢測(cè)流量計(jì)口徑為DN200。壓力傳感器選用Rosemount3051變送器，溫度傳感器選用WZPB-II型高精度熱電阻，變頻器為三菱FR-A240E-5．5K，標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)選用具有脈沖輸出的高精度氣體質(zhì)量流量計(jì)或渦街流量計(jì)。被檢測(cè)流量計(jì)的連接采用快速氣缸自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)。

操作員界面采用商用計(jì)算機(jī)，通過(guò)Toolbus串口通信與PLC相連，既作為操作監(jiān)控站，也作為程序開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)維護(hù)站。通過(guò)監(jiān)控軟件的OPC功能，可以把檢定的有關(guān)數(shù)據(jù)傳送到管理網(wǎng)絡(luò)中去。

2．2 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括人機(jī)界面操作和PLC控制程序兩部分。操作員人機(jī)界面運(yùn)行Windows XP加．NET Framework3．0 SP2系統(tǒng)軟件，界面軟件選用易控INSPEC通用組態(tài)式監(jiān)控軟件進(jìn)行二次應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

2．2．1界面功能規(guī)劃

易控INSPEC監(jiān)控軟件自身是用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)按實(shí)際流程進(jìn)行，使用向?qū)焦ぞ呖梢耘拷ⅰ⒖焖倥渲玫?。開(kāi)發(fā)環(huán)境更像高級(jí)語(yǔ)言的編程環(huán)境，既可以很容易設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出Windows風(fēng)格的界面，又可以利用豐富的指令、函數(shù)和類(lèi)等，開(kāi)發(fā)出功能復(fù)雜的應(yīng)用程序[5]。根據(jù)JJG 1029—2007《渦街流量計(jì)檢定規(guī)程》的工作模式和流程要求，結(jié)合美觀、易用和操作習(xí)慣，設(shè)計(jì)和優(yōu)化檢測(cè)過(guò)程，規(guī)劃主控圖、流程圖、檢定設(shè)置、報(bào)表處理和用戶管理等功能，分別實(shí)現(xiàn)以下主要功能：

1) 主控圖。按計(jì)量授權(quán)部門(mén)規(guī)定格式的檢定接口畫(huà)面，在測(cè)試端輸入信號(hào)，顯示輸入通道的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)。

2) 流程圖。動(dòng)態(tài)顯示檢測(cè)流程的所有參數(shù)，包括電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，所選擇的管道口徑，流量計(jì)的頻率、溫度和壓力等參數(shù)。

3) 檢定設(shè)置。完成檢測(cè)點(diǎn)、檢定次數(shù)、流量設(shè)定、口徑選擇、報(bào)表生成數(shù)據(jù)的輸入和設(shè)置。通過(guò)變頻器輸出設(shè)定，把流量設(shè)定在指定的流量點(diǎn)，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示溫度和壓力的變化趨勢(shì)。

4) 詳細(xì)數(shù)據(jù)。詳細(xì)記錄每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的最多10組數(shù)據(jù)及檢定結(jié)果，自動(dòng)計(jì)算出該點(diǎn)的儀表系數(shù)、線性誤差和重復(fù)性誤差等。同時(shí)還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、打印等。

5) 報(bào)表處理。保存、顯示、查詢和打印報(bào)表、檢定證書(shū)等工作。

6) 用戶管理。對(duì)操作員進(jìn)行有效管理，可以增、刪操作人員和修改操作員密碼的工作，對(duì)每次操作都有操作記錄，便于對(duì)檢測(cè)過(guò)程的質(zhì)量跟蹤和數(shù)據(jù)溯源。

2．2．2界面程序設(shè)計(jì)

易控INSPEC程序是通過(guò)軟件腳本編程功能來(lái)編寫(xiě)程序代碼的，也稱為腳本。INSPEC可以在用戶程序中直接使用C#語(yǔ)言以及．NET框架下提供的各種類(lèi)庫(kù)，其功能強(qiáng)且使用簡(jiǎn)單。用戶程序有變量改變程序、工程程序、畫(huà)面程序和條件程序等，支持?jǐn)?shù)組運(yùn)算和報(bào)表處理等。程序經(jīng)編譯后運(yùn)行速度快、效率高。主控程序框圖如圖2所示，這里僅對(duì)檢定過(guò)程和結(jié)果處理程序作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖2 界面主控程序流程示意

2．3 檢定過(guò)程

標(biāo)準(zhǔn)表法檢定過(guò)程主要依據(jù)式(1)～(4)計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：p——介質(zhì)的壓力；V——介質(zhì)的體積,m3；T——介質(zhì)的溫度；f——儀表的輸出頻率；k——儀表常數(shù)，脈沖數(shù)/m3；下標(biāo)1——標(biāo)準(zhǔn)表數(shù)據(jù)；下標(biāo)2——被檢測(cè)流量計(jì)數(shù)據(jù)。

2．4 結(jié)果處理程序

結(jié)果處理的條件程序根據(jù)每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)多次檢測(cè)(次數(shù)為3～10次，由界面設(shè)置)的儀表數(shù)據(jù)(或常數(shù))，計(jì)算流量計(jì)的線性誤差和重復(fù)性等。對(duì)于流量計(jì)的重復(fù)性，當(dāng)每個(gè)流量點(diǎn)重復(fù)檢定n次時(shí)，該流量點(diǎn)的重復(fù)性為

(5)

式中：Er——重復(fù)性；i——檢測(cè)點(diǎn)；j——第i點(diǎn)的第j次檢定。

流量計(jì)的重復(fù)性取各檢測(cè)點(diǎn)重復(fù)性的最大值。

2．5 PLC控制程序設(shè)計(jì)

檢測(cè)裝置的PLC程序設(shè)計(jì)要配合上位機(jī)的程序設(shè)置和數(shù)據(jù)交換變量。PLC程序采用OMRON CX-Programmer V8．0 編程軟件開(kāi)發(fā)。該設(shè)計(jì)采用梯形圖工具進(jìn)行編程，根據(jù)界面的功能，PLC程序包括主控程序和各功能子程序。對(duì)其中的關(guān)鍵部分進(jìn)行說(shuō)明。

1) 主控邏輯。主控程序負(fù)責(zé)初始化脈沖計(jì)數(shù)輸入通道和內(nèi)部寄存器，根據(jù)人機(jī)界面設(shè)定讀取檢定的過(guò)程參數(shù)，存在指定的存儲(chǔ)器中。主控邏輯是控制程序的核心，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PLC主控邏輯結(jié)構(gòu)示意

2) 選線電路。由于每種口徑的流量計(jì)檢測(cè)都包括流量脈沖、溫度和壓力等信號(hào)，而每次在線檢測(cè)通常只有一種口徑，為減少不必要的線路連接和輸入通道，設(shè)計(jì)了繼電器自動(dòng)選線邏輯。控制邏輯如圖4所示。

圖4 PLC選線邏輯示意

3) 脈沖輸入處理。標(biāo)準(zhǔn)表法檢測(cè)裝置的關(guān)鍵是流量計(jì)脈沖輸入的準(zhǔn)確處理，CJ1M PLC CPU22具有2路內(nèi)置的高速脈沖計(jì)數(shù)器，可進(jìn)行電壓脈沖頻率的準(zhǔn)確測(cè)量。對(duì)于電流脈沖輸出的流量計(jì)，可在頻率輸入端設(shè)計(jì)預(yù)留端子插入標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過(guò)通道設(shè)置，還可以進(jìn)行頻率目標(biāo)值比較中斷和頻率范圍比較中斷處理，可測(cè)量0～60 kHz頻率信號(hào)。氣體流量計(jì)頻率輸出通常在1．5 kHz左右，最大不會(huì)超過(guò)5 kHz，可直接采用頻率測(cè)量方式，在指定的檢測(cè)周期內(nèi)，高精度的定時(shí)器門(mén)電路準(zhǔn)確打開(kāi)和切斷2路輸入脈沖，存儲(chǔ)頻率值在PLC的保存型寄存器中。把所有的數(shù)據(jù)處理留在界面的腳本程序中進(jìn)行。

3 測(cè)量結(jié)果不確定度初步評(píng)定

根據(jù)檢定規(guī)程要求，要對(duì)氣體在線檢測(cè)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定。該設(shè)計(jì)采用OMRON CJ1M PLC 作為主控制器，工作狀態(tài)穩(wěn)定，A/D轉(zhuǎn)換精度高，運(yùn)行速度快，過(guò)程參數(shù)采集后存放于寄存器中，采集和轉(zhuǎn)換的誤差很小，故PLC自身的不確定度影響可以忽略不計(jì)。溫度和壓力測(cè)量的不確定度通過(guò)流量的計(jì)算反應(yīng)到系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果中去。所以，該氣體在線檢測(cè)裝置的不確定度主要是由檢測(cè)的重復(fù)性引起的[3-5]。

隨機(jī)抽取某DN25流量計(jì)的檢定結(jié)果見(jiàn)表1所列，重復(fù)性誤差的最大值為0．11%，檢測(cè)的最大誤差為0．22%<0．5%/2，即在擴(kuò)展不確定度(k=2)時(shí)不大于被檢流量計(jì)最大允許誤差絕對(duì)值的一半，可以得出，檢測(cè)裝置的不確定度符合規(guī)程規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)裝置要求。

表1 某DN25流量計(jì)檢定結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

該氣體在線檢測(cè)裝置，采用高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)表和PLC作核心，結(jié)合人機(jī)界面設(shè)定操作，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、記錄和評(píng)定全自動(dòng)控制，通過(guò)計(jì)算機(jī)和PLC實(shí)時(shí)采集流量、溫度和壓力等信號(hào)，快速、準(zhǔn)確地完成檢測(cè)過(guò)程，大幅降低了檢測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了檢測(cè)的規(guī)范性和準(zhǔn)確性。裝置在2012年6月投用后應(yīng)用效果優(yōu)良，工作穩(wěn)定，并于2012年8月順利通過(guò)授權(quán)單位的復(fù)審，可檢測(cè)0．5級(jí)或以下的氣體流量計(jì)。為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，還要做好以下措施： 1) 減少儀表零漂和溫漂影響，通電預(yù)熱要在10 min以上，同時(shí)要求被檢流量計(jì)在最大流量的70%～100%內(nèi)運(yùn)行不低于5 min；2) 定 期檢查管道連接的穩(wěn)定性，減少因管道振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；3) 定期檢查系統(tǒng)接地，保證PLC頻率輸入值不受周邊電磁場(chǎng)的干擾，特別是變頻器對(duì)電源和信號(hào)的干擾。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國(guó)家流量容量計(jì)量技術(shù)委員會(huì)編寫(xiě)組． JJG1029—2007 渦街流量計(jì)檢定規(guī)程[S]．北京： 中國(guó)計(jì)量出版社，2007．

[2] 趙俊普，熊茂清，雷勵(lì)，等．高壓氣體流量計(jì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置研制[J]．天然氣工業(yè)，2010(09)： 85-88．

[3] 張建波．質(zhì)量法檢定質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定[J]．計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2010(01)： 54-55．

[4] 謝少峰，陳曉懷，張勇斌．測(cè)量系統(tǒng)不確定度分析及其動(dòng)態(tài)研究[J]．計(jì)量學(xué)報(bào)，2002(03)： 79-82．

[5] 錢(qián)紹圣．測(cè)量不確定度： 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與表示[M]．北京： 清華大學(xué)出版社，2002．

[6] 王輝，張亞妮，徐江偉．歐姆龍系列PLC原理及應(yīng)用[M]．北京： 人民郵電出版社，2010．

[7] 樊金榮．歐姆龍CJ 1系列PLC原理與應(yīng)用[M]．北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

[8] 張貝克，尉龍，楊寧．組態(tài)軟件基礎(chǔ)與工程應(yīng)用(易控INSPEC)[M]．北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

[9] 伍錦榮．可編程控制器系統(tǒng)應(yīng)用與維護(hù)技術(shù)[M]．廣州： 華南理工大學(xué)出版社，2004．

[10] 鄭阿奇．精通C#編程[M]．北京： 電子工業(yè)出版社，2011．