基于智能儀表調(diào)節(jié)的物料流量監(jiān)測控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

張 維

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西咸陽712000）

本設(shè)計(jì)搭建實(shí)現(xiàn)以智能儀表作為控制中心的物料流量監(jiān)測調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物料管路流量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測與控制調(diào)節(jié)。利用NI數(shù)據(jù)采集平臺(tái)與流量監(jiān)測系統(tǒng)硬件連接通信，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集與處理，監(jiān)測流量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)并根據(jù)需要進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)將設(shè)備二次管路中的物料流量作為被控對象。

1 物料流量控制系統(tǒng)

物料流量控制系統(tǒng)原理如圖1 所示：物料流量初始值由多功能智能儀表來設(shè)定，被控量為瞬時(shí)管路物料流量，由渦輪流量傳感器FT1 檢測瞬時(shí)流量并反饋至NI 端，模擬量輸出到智能儀表，智能儀表根據(jù)設(shè)定值與瞬時(shí)采集的動(dòng)態(tài)值比較后利用PID 算法輸出控制量實(shí)時(shí)控制變頻器輸出，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管路物料的增減，最終實(shí)現(xiàn)管道物料流量穩(wěn)定輸出的目標(biāo)[1]。

圖1 物料流量控制系統(tǒng)原理圖

2 物料流量控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

物料流量控制系統(tǒng)的硬件電路主要由渦輪流量變送器、智能控制儀表、變頻器、NI 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儲(chǔ)水箱、上水箱等組成，其中上水箱與儲(chǔ)水箱均設(shè)置浮子開關(guān)，防止實(shí)驗(yàn)過程中物料溢出。通過FT1渦輪流量變送器采集主管路中實(shí)時(shí)物料的瞬時(shí)流量，送至智能儀表進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)管路流量的穩(wěn)定。物料流量控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。

圖2 物料流量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 控制對象及端口列表

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體要求，按照控制對象與控制系統(tǒng)整體配置需求，分配控制對象、控制系統(tǒng)對應(yīng)端口，標(biāo)記端口名稱對應(yīng)端口符號(hào)，便于后續(xù)分析與軟件編程。具體如表1所示。

表1 控制對象與控制系統(tǒng)配置

3.1 渦輪流量計(jì)

LWGY系列渦輪流量傳感器（以下簡稱傳感器）基于力矩平衡原理，屬于速度式流量儀表。本設(shè)計(jì)選用LWGY-15渦輪流量變送器，其精度為1.0級(jí)，在一定流量范圍內(nèi)輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，脈沖頻率f與流經(jīng)傳感器流體的瞬時(shí)流量Q成正比，流量方程為

式中：f為脈沖頻率，Hz；k為傳感器的儀表系數(shù)，m-3或L-1；Q為流體的瞬時(shí)流量，m3/h或L/h；3 600為換算系數(shù)。

3.2 NI USB-6221型I/O設(shè)備

本系統(tǒng)選取NI USB-6221型I/O設(shè)備，是一款多功能DAQ設(shè)備，可以提供模擬I/O、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出和兩個(gè)32 位計(jì)數(shù)器，具有機(jī)殼輕便，總線供電，附帶NIDAQmx驅(qū)動(dòng)程序，配置簡化測量和轉(zhuǎn)換過程等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用USB-6221 型I/O 設(shè)備動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換渦輪流量計(jì)瞬時(shí)流量信號(hào)，輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送給PID 智能儀表。

3.3 智能PID調(diào)節(jié)儀表

該儀表控制精度高，無超調(diào)，具有模糊自整定功能。儀表輸出采用模塊化硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)多種控制。本設(shè)計(jì)采用PID 控制輸出電壓[3]。儀表可取代伺服放大器直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行器、進(jìn)行外部給定功能以及手/自動(dòng)無擾動(dòng)切換功能。本設(shè)計(jì)中該儀表是主控制電路的核心器件[4-5]。NHR-5300智能PID儀表內(nèi)部參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 NHR-5300智能PID儀表相關(guān)參數(shù)設(shè)置

3.4 變頻器介紹

本設(shè)計(jì)采用西門子V20 變頻器，該款變頻器具有高可靠性設(shè)計(jì)，豐富的I/O接口，直觀的LED面板顯示，完善的集成功能，可以方便地應(yīng)用過程控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備中，本設(shè)計(jì)利用變頻器頻率的改變控制水泵的轉(zhuǎn)速，從而最終控制管路中的流量。

3.5 硬件系統(tǒng)接線

物料流量控制系統(tǒng)硬件主接線如圖3所示[6]。該系統(tǒng)反饋量由渦流流量計(jì)FT1檢測輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)控，隨后送給智能儀表PV端，PV與SV誤差比較，智能儀表進(jìn)行PID調(diào)節(jié)輸出量為out，輸出到變頻器V20，最終實(shí)現(xiàn)主管路物料流量穩(wěn)定的目標(biāo)[7]。

4 控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)利用LabVIEW 軟件進(jìn)行整個(gè)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，LabVIEW軟件是框圖化的編程語言，本設(shè)計(jì)利用該軟件實(shí)現(xiàn)對于物料流量曲線及實(shí)時(shí)變化量的可視化顯示，通過動(dòng)態(tài)曲線實(shí)現(xiàn)物料流量的變化、調(diào)節(jié)、控制過程的反映。軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示[8]。

5 主程序監(jiān)測模塊與流量曲線監(jiān)測模塊

本設(shè)計(jì)采用LabVIEW 進(jìn)行監(jiān)控界面開發(fā)與設(shè)計(jì)。主程序主要包括數(shù)據(jù)采集卡輸入、電機(jī)控制、水箱上下限報(bào)警、蜂鳴器模塊、儀表報(bào)警等模塊[9]。利用LabVIEW 軟件進(jìn)行監(jiān)控曲線界面設(shè)計(jì)，顯示并得到實(shí)時(shí)輸出物料流量輸出曲線[10]，圖5所示為系統(tǒng)監(jiān)控輸出曲線子程序。

圖3 智能儀表控制的流量控制系統(tǒng)硬件主接線圖

圖4 系統(tǒng)總體程序流程圖

6 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與結(jié)果分析

物料流量監(jiān)測調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)試主要有軟硬件調(diào)試兩部分[11]。第一步，硬件調(diào)試，檢測變頻器、渦輪流量計(jì)、電磁閥、數(shù)據(jù)采集卡等是否工作正常，智能儀表初始化參數(shù)設(shè)置是否合適，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)智能儀表參數(shù)的設(shè)置是系統(tǒng)是否正常運(yùn)行的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)采集卡各端口輸出是否有電壓等；第二步，軟件調(diào)試，編寫并完成系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，運(yùn)行程序確定各個(gè)接口是否與硬件對接正常，確認(rèn)其是否能正常進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳遞，通過水泵簡單的啟停確認(rèn)執(zhí)行器是否到位，手動(dòng)改變變頻器參數(shù)確認(rèn)水泵與變頻器連接正常[12]。

圖5 系統(tǒng)主程序模塊與流量曲線監(jiān)測模塊

通過LabVIEW 軟件設(shè)計(jì)前端監(jiān)控界面，通過監(jiān)控界面可以隨時(shí)掌握系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)[13]，另外還可以通過數(shù)據(jù)曲線分析系統(tǒng)運(yùn)行的狀況、穩(wěn)定性等，可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)智能儀表的PID 參數(shù)查看曲線變化趨勢，從而確定最優(yōu)的參數(shù)設(shè)置，本設(shè)計(jì)經(jīng)過反復(fù)調(diào)節(jié)與實(shí)驗(yàn)，最終確定PID參數(shù)，具體參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 PID參數(shù)實(shí)驗(yàn)值

本設(shè)計(jì)基于NHR-5300智能儀表實(shí)現(xiàn)過程控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)，借助LabVIEW進(jìn)行監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行平穩(wěn)，誤差在可控的范圍之類[14]。本設(shè)計(jì)取設(shè)定值為25 L/min，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試實(shí)時(shí)輸出曲線穩(wěn)定平緩，如圖6所示，誤差約為±2.5%，符合一般工程規(guī)范要求，達(dá)到預(yù)期目的，具有一定的工程實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

圖6 物料管路流量監(jiān)測曲線