定量罐装系统的设计与实现

定量罐装系统是在质量流量计基础上开发出的、集计量与控制功能于一体的多功能仪表。本文讨论如何实现准确的定量罐装系统，论述了定量罐装系统的系统功能以及产品的硬件原理设计。阐述了系统的过程控制难点以及解决措施。最后经过实验调试，证明其设计科学合理，控制精度满足设计要求。

1 系统设计与实现

1.1 系统总体设计思想

定量罐装系统功能框图设计如图1所示：

1.2 系统设计整体结构框图

系统设计整体结构框图如图2所示：

1.3 设计难点及其措施

1.3.1 定量罐装系统过程控制是该设计的难点。为了减小突然开、关阀时管道产生的水击、振动等对仪表产生影响，系统选用能分级控制的电液阀。由于不同规格型号电液阀开关阀门时间不同，而且相同规格型号电液阀之间的开关阀门时间也存在着较大个性差异，同一台电液阀的开关时间还受压力等影响，而定量罐装系统的控制精度直接受这些外界因素影响。如何实现定量罐装系统配套不同规格型号的外部设备，在不同工况环境中使用时都能保持相同的控制精度是本设计的最大难点。

设计时首先寻找一个有效的数学模型，使得控制系统能自动跟踪系统误差并及时调整关阀时间。这是本设计的关键点和创新点，为此，使用“提前关闭量”来解决。该参量用来实时监控控制系统误差并及时调整关阀时间。

“提前关闭量”指CPU发出关闭指令时的累积量。例如控制总量为5t，当累积量达到4.95t时CPU发出关闭信号，则4.95t即为当次提前关闭量。

1.3.2 电液阀开启和关闭均采用分级控制，即采取逐步打开和关闭的开关方式。每一级的“开启时间”和“关闭时间”确定也是控制过程的难点。

本设计采用开关时间均可调整的方案：时间参数由键盘直接输入，并可根据现场条件适当调整。不同型号电液阀的每一级开关时间均在使用初期设定（输入参数以实验条件下测定值为参考），由此来控制阀门的开启度和关闭度，从而达到控制流速的目的。

通过配合调整以上参数，定量罐装系统能够保证在不同工况条件下具有相同的控制精度。

“开启时间”：电液阀开启过程中常开、常闭电磁阀的通电时间。

“关闭时间”：电液阀关闭过程中常开、常闭电磁阀的断电时间。

1.4 系统硬件电路设计及工作原理

1.4.1 控制部分硬件电路设计思想：（1）控制信号应由CPU直接输出，这样起控快，准确度高；（2）CPU输出的弱电平信号需先放大，以提高其带负载能力；（3）用放大的输出信号来控制固态继电器，继而控制外部设备运行；（4）需输出三组控制信号，其中两路控制电液阀，一路控制泵；（5）为便于现场使用，输出的控制信号为电压信号（220VAC或24VDC）；（6）考虑现场实际使用情况，阀、泵的开关顺序为：系统开启时先开阀后开泵，关闭时先关泵后关阀。

1.4.2 对硬件电路工作原理描述：定量罐装系统由传感器、带控制功能变送器、交（直）流接触器、电液阀和泵等组成。其工作过程为：由变送器CPU管脚直接输出三组控制信号：KZ1、KZ2、KZ3。这三组控制信号均为+5V电平，带负载能力差。经驱动电路放大后，带负载能力大大增强，可输出100mA电流。放大后的控制信号再送到固体继电器的相应管脚，控制固体继电器的通、断。当三组控制信号输出为低电平时，固体继电器输出回路接通，+24VDC电压通过接通的固体继电器管脚加到直流接触器上，电液阀和泵电源被接通；当控制信号输出为高电平时，固体继电器输出回路断开，直流接触器输出被阻断，供电电源断开，阀、泵停止工作。

在电液阀的分级控制中，选择电液阀上两只电磁阀的不同组态模式和开闭时间，可以调节流量的大小，保证系统控制精度。

1.5 控制过程的实现

控制过程分粗调和细调两个步骤进行：

1.5.1 粗调过程：首先根据管道压力从键盘输入并调整每一级“开启时间”和“关闭时间”（分几级控制就有几个开启或关闭时间），控制开、关阀时的每一级开启度和关闭度，使得每一级开启或关闭动作后管道流量能控制在某一流量范围内。该参数在调试初期确定，在以后的使用中将一直保持不变。除非工况条件有较大改变需要重新调整。

1.5.2 细调过程：下一步就是设置“提前关闭量”。该量设置完成后，下一次关阀时的“提前关闭量”将在该设置量基础上自动调整。调整根据数学模型中提及的公式由程序自动完成。

经过如此设计的控制系统，理论上可以保证系统配套不同规格型号阀门，在不同压力、不同工况条件下具有相同的控制精度。细调过程能即时修正使用过程中工况条件改变后的控制精度。

2 实验调试

以下数据在实验室条件下测得。电液阀规格：DN40；型号：DYF多功能电液阀；泵功率：11kW；介质：水。

对以上实验数据说明：（1）相同管道压力条件下（序号1-10），设置总量越大精度越高，实测总量值在设置总量值上下徘徊（误差有正、负）；（2）当管道压力突然发生改变，控制精度会突然变大，但在下一次控制时系统能自动调整到控制精度范围内（序号10-11、15-16）；（3）结论：以上试验结果说明：系统设计的控制误差自动监控调整系统已启动工作。

3 结语

定量罐装系统在设计过程中充分考虑了现场诸多因素对控制精度的影响及其解决方法，例如电液阀的选取以及电液阀的分级控制。为防止现场工况条件发生改变后对控制精度带来影响，在软件中加入了误差自动跟踪程序等。微处理器采用高速、高性能混合信号处理单片机C8051F020，程序软件用C51语言编制，移植性强，可读性好，便于以后功能再扩展。

经实践使用证明，经过精心设计的该定量罐装系统控制精度最大不超过0.1%。

参考文献

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[2] 李刚，林凌.与8051兼容的高性能、高速单片机——C8051FXXX[M].北京：北京航空航天大学出版社.

[3] 徐金梧，杨德斌，徐科.TURBOC实用大全[M].北京：机械工业出版社.

作者简介：王鑫鹏（1983—），男，甘肃西和人，兰州三叶公司助理工程师，研究方向：电气自动化。