Автоматизированная система управления стендом поверки расходомеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАДАНИЕ

Автоматизированная система управления стендом поверки расходомеров.

Необходимо разработать автоматизированную систему управления стендом, предназначенным для проведения первичной и плановой аттестации расходомеров. Расходомеры являются составной частью стенда тестирования электроцентробежных насосов скважинного нефтедобывающего оборудования.

Контролируемые параметры: расход жидкости в магистрали - (0,2100) м³/ч; верхний предел давления воды в магистрали - 1 МПа; вес жидкости в измерительной емкости - не более 2000 кГ; температура рабочей жидкости - (10ч50)^oС; температура воздуха в рабочем помещении - (0ч50)^oС.

Приведенная погрешность измерения расхода, давления в магистрали, веса жидкости в измерительной емкости - не хуже 1%. Абсолютная погрешность измерения температуры - 1^oС.



ВВЕДЕНИЕ.

Структурная схема ИИС

Рассмотрим типовую структурную схему одного измерительного канала ИИС (рис.1). Состояние объекта, характеризуемое физической величиной x(t), воспринимается датчиком Д. Выходной сигнал датчика u(t) нормируется с помощью унифицирующего измерительного преобразователя (УИП). В состав УИП, как правило, входят: мостовые схемы, измерительный усилитель, линеаризатор, образцовые меры, масштабирующие блоки и т.п. Через ключевой элемент (Кл) управляемого коммутатора нормированный сигнал v(t) поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), на выходе которого формируется цифровой код z(t_i), эквивалентный напряжению v(t_i) в момент времени t_i.

Типовая структурная схема многоканальной автоматизированной ИИС представлена на рис.2. Измерительная информация от объекта в виде физических величин x_i (t) преобразуется соответствующими датчиками и унифицируется измерительными преобразователями в электрический сигнал, и при помощи аналогового мультиплексора (АМ) подается на вход АЦП. Результат преобразования АЦП через интерфейсное устройство (ИФУ) (цифровой мультиплексор, аппаратуру сопряжения, модем) поступает в вычислительное устройство (ВУ) (ЭВМ, мини-ЭВМ, микроЭВМ, микропроцессор, программно-логическое устройство).

Основные функции, которые выполняются ВУ:

1. Фильтрация измерительных сигналов, внесение поправок, учет влияния внешних факторов, оценка погрешности и достоверности результатов измерений, статистическая обработка данных, сжатие данных, спектральные преобразования (БПФ, цифровая фильтрация и т.п.).

2. Управление работой устройств ИИС, управление вводом-выводом, приемом и передачей данных, диагностика и контроль блоков.

3. Накопление и хранение данных, представление результатов измерений и обработки потребителю, реализация алгоритмов обработки и управления процессом измерений.

Рис.2. Структурная схема многоканальной ИИС

В устройстве памяти (УП) хранятся программы, данные, заданные нормы и установки, коэффициенты, оперативная информация. В качестве УП обычно используются ОЗУ, ППЗУ, ПЗУ, флэш-память, накопители на жестких и гибких магнитных дисках (НЖМД, НГМД), накопители на магнито-оптических дисках, стримеры.

Устройства отображения, индикации и регистрации информации (УОИР) служат для выдачи результатов обработки измерительной информации потребителю. В состав УОИР могут входить жидкокристаллические, светодиодные индикаторы и табло, дисплеи, видеотерминалы, принтеры.

С пульта управления, клавиатуры обеспечивается управление процессом измерений, обработки данных и диалоговый режим с оператором.

ИИС может содержать также канал управления (обратной связи), посредством которого можно подавать различные управляющие сигналы или команды как на блоки ИИС, так и на объект исследования. Например: команды настройки коэффициентов усиления программируемых усилителей; команды на цифроуправляемые генераторы; сигналы-тесты; стимулирующие и зондирующие сигналы для воздействия на объект исследования и т. д.

В распределенных или иерархических ИИС необходимо обмениваться информацией с другими системами. Передача данных осуществляется через специальные каналы связи или через стандартные локальные или глобальные вычислительные сети.

Процесс поверки.

Стенд позволяет производить поверку расходомера в сборе (турбинка и преобразователь), отдельно турбинки и отдельно преобразователя. Если расходомер в сборе, то есть турбинка и преобразователь уже согласованы производителем (как правило, это новый расходомер), то нам в процессе поверки необходимо определить зависимость выходного сигнала преобразователя (ток 4...20 мА) от расхода. Это можно сделать двумя методами. многоканальный измерительный преобразователь терморегулятор

Первый, наиболее быстрый метод заключается в следующем. По эталонному расходомеру устанавливаем необходимый расход. ПИД_регулятор поддерживает заданный расход путём изменения оборотов привода насоса. Для вычисления расчётного тока показание эталонного расходомера QЭТ подставляем в следующую формулу: (1)

где Iрас - расчётный ток поверяемого расходомера, мА; QЭТ - расход эталонного расходомера, м3/ч;

Qmax, Qmin --верхняя и нижняя границы диапазона поверяемого расходомера, м3/ч.

Далее определяем относительную погрешность измеренного тока.

Второй метод заключается в том, что эталонный расход получается весовым способом. Для этого перекидное устройство переключает поток на измерительную ёмкость и одновременно запускается таймер. Вес, измеренный весами, пересчитывается в объём и делится на время. Таким образом, получается эталонный расход QЭТ. Затем расчёт ведётся по формуле (1).

Также на стенде можно поверять преобразователь отдельно от турбинки. В этом случае с генератора на вход преобразователя подаётся частотный сигнал, а с выхода снимается ток.

Можно поверять и турбинку отдельно от преобразователя. Для этого выход магнитного датчика турбинки нужно подключить к счётчику импульсов. При поверке турбинки необходимо определить коэффициент, равный отношению количества импульсов к объёму жидкости, прошедшей через расходомер за определённое время. При этом объём жидкости можно получить как с помощью эталонного расходомера, так и весовым методом.

Ещё одна функция стенда заключается в том, что можно проверить погрешность измерения эталонных расходомеров по весам.



АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Основным критерием выбора контроллера системы управления стендом была способность контроллера производить измерения на основе приёма и обработки сигналов разных типов: сигналов постоянного тока (4...20 мА) от преобразователя расходомера и датчика температуры рабочей жидкости, сигналов напряжения (0...5 В) с датчика давления, а также сигналов счётчика импульсов внешней частоты и счётчика импульсов внутренней частоты для измерения миллисекундного интервала времени. С целью уменьшения погрешности преобразования решено было эталонные значения расходов получать по последовательному порту.

В силу этих причин в качестве базового элемента системы управления был выбран модуль микроконтроллера CPU188_5MX фирмы Fastwel. Отличительной особенностью данного модуля является то, что в своём составе он имеет универсальный порт ввода_вывода UNIO48 (разъёмы J8, J9). Порт реализован на программируемой логической микросхеме FPGA и предназначен для ввода_вывода 48 логических сигналов. Схема порта может изменяться непосредственно в системе (технология ISP) без выключения питания с помощью утилит isl188.com и isp188.com.

Функциональная схема системы управления стендом поверки расходомеров приведена на рис. 4. Внешний вид аппаратуры системы управления показан на рис. 5.

На монтажной панели MPB_16 фирмы Octagon Systems собраны модули УСО с гальванической развязкой. Это дискретные и аналоговые модули серий OpenLine и G5 фирмы Grayhill. Их состав, тип и назначение отражает табл. 1.

Монтажная панель МРВ_16 подключена к универсальному порту J8 модуля микроконтроллера. Для этого порта используется прошивка N00, обеспечивающая работу с модулями Grayhill.

Ко второму универсальному порту J9 модуля микроконтроллера подключена клеммная плата STB_26 (Octagon Systems). Порт запрограммирован на работу четырёх счётчиков импульсов и использует прошивку T01. Задействовано только два счётчика (остальные в резерве): первый счётчик предназначен для подсчёта импульсов с турбинки (внешняя частота), второй -- для определения времени переключения перекидного устройства (используется внешняя частота заполнения 1 МГц).

Для изменения оборотов приводов насосов (регулирования расходов) используется частотный преобразователь Hitachi серии L300P. Индикаторы JUMO на лицевой панели шкафа управления отображают измеренный ток и температуру окружающей среды, которую измеряет внешняя термопара, подключённая непосредственно к одному из индикаторов. Вторичный преобразователь весов CAS CI_6000A встроен в дверь шкафа управления. Весы передают сигнал по последовательному порту непосредственно на компьютер оператора.

Эталонные расходомеры передают измеренный расход по последовательному интерфейсу в порт COM2 микроконтроллера, используя протокол RS_485. Для согласования этого протокола с протоколом интерфейса RS_232 микроконтроллера применён модуль преобразователя ADAM_4521 фирмы Advantech, образующий совместно с перечисленными интерфейсами измерительный канал расхода.

Конфигурирование эталонных расходомеров «Взлёт» производится с помощью штатного программного обеспечения, установленного на компьютере АРМ оператора. Связь порта RS_485 расходомера с USB_портом компьютера АРМ оператора реализована через соответствующие интерфейсы и модуль преобразователя ADAM_4561 (Advantech), вместе образующие канал конфигурирования расходомеров «Взлёт».

Последовательный порт COM1 микроконтроллера используется для его связи с компьютером АРМ оператора.

Модуль микроконтроллера размещён в монтажном каркасе 5274 с блоком питания 7155 (Octagon Systems).

Таким образом, с помощью всего одного модуля микроконтроллера CPU188_5MX, имеющего универсальный порт ввода_вывода, решена проблема сбора электрических сигналов различных типов, что существенно снизило стоимость системы управления в целом.

Общая структурная схема многоканального ИИС представленная на рисунке 2 в нашем случае может содержать следующие компоненты. В качестве датчика расхода жидкости в магистрали можно использовать датчик ЭМИС-ДИО 230. Роль датчика давления в магистрали может исполнять Модель CS-PT100. Измерять вес жидкости в измерительной емкости способен датчик фирмы Gefran,температуру в рабочем помещении можно измерять обычной термопарой и наконец для измерения температуры рабочей жидкости используем терморегулятор с цифровым управлением МПРТ-11 . Далее рассмотрим конкретные характеристик каждого из датчиков.

Датчики давления воды. Система автоматического поддержания давления воды.

Модель CS-PT1100A

Диапазон измерения 0 ~ 12.6 бар

Перегрузка давления 150%

Выходной сигнал 4 ~ 20 мА

Напряжение питания 28V DC

Суммарная погрешность 0.1%

Сопротивление нагрузки 50 Ом ( 12В )

Подключение G1/4"

Время срабатывания 20 мсек

Температура термокомпенсации -10 ~ +60 °C

Рабочая температура -10 ~ +70 °C

Степень защиты IP65

Система автоматического поддержания воды

Насос подключается через частотный преобразователь и, исходя из показаний датчика давления, поддерживается постоянный уровень давления в системе. Преобразователь программируется таким образом, чтобы всегда поддерживать необходимое Вам давление (например, 4,5-5 атм.) Так насос работает в режиме плавного пуска и остановки, не вызывая гидравлических ударов и избегая работы с полной нагрузкой без необходимости. В этом режиме экономится электроэнергия, не нагружается электрическая сеть, увеличивается срок службы насоса, обеспечивается защита насоса. К тому же, режим работы полностью автоматизирован, то есть Вам достаточно включить частотный преобразователь в сеть и всё. Преобразователь сам запускается и отслеживает показания датчика давления. Когда Вы открываете кран, давление в баке начинает уменьшаться и преобразователь незамедлительно реагирует на это включением насоса и восстановлением нужного уровня давления, а когда уровень будет достигнут - насос отключится.

Термоэлектрические преобразователи СТU-11 (ТП, термопары) Погрешность 0.1%. Предназначены для контроля и измерения температуры жидких, твердых, газообразных и сыпучих сред, неагрессивных к материалу корпуса преобразователя. ТП могут быть использованы в теплоэнергетике, химической, металлургической и других отраслях промышленности, а также на объектах атомных электростанций. Время срабатывания датчика 22 мкс.

Технологии: металлообработка любой сложности, изготовление кабельных термопреобразователей полуавтоматическим методом, лазерная сварка, пайка серебряным припоем.

ТЕРМОРЕГУЛЯТОР С ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ МПРТ-11

Терморегуляторы с цифровым управлением используются для комплексного управления сложными системами, где требуется контроль оборудования или технологического процесса по многим параметрам и управление ситуацией не только в зависимости от температуры, но и от времени, влажности и прочих условий. Возможность визуального контроля значений текущих и установленных параметров значительно увеличивает удобство и гибкость управления процессом.

Напряжение питания переменное 220В, 50-60 Гц

Диапазон регулирования температуры зависит от типа датчика

Выходной управляющий сигнал переключающийся контакт

Суммарная погрешность 0.1 %

Время срабатывании 19 мкс

Нагрузочная способность контактов 3 А

Максимальная длина провода датчика 15 м

Способ крепления настенное на DIN-рейку

Габариты (шир х выс х глуб) 68х90х65 мм

Рабочие условия эксплуатации:

- температура окружающего воздуха -40 - +50 °С

- относительная влажность воздуха до 80% при температуре 25°С

- атмосферное давление 84 - 106,7 кПа (630-800 мм.рт.ст.)

- тип атмосферы I по ГОСТ 15150.

ЭМИС-ДИО 230 Роторный счетчик жидкостей

Роторный счетчик (расходомер) для измерения расхода жидкости ЭМИС-ДИО 230 разработан для измерения расхода нефтепродуктов, битума, нефти, мазута и других жидкостей, для которых необходима высокая точность измерений. Общая погрешность прибора- 0.1%. Время срабатывании 20 мкс.

В счетчике используется технология измерения за счет спиралевидных роторов, которая обеспечивает стабильность и надежность работы в течение длительного срока, поэтому роторный расходомер-счетчик жидкостей ЭМИС-ДИО 230 подходит для широкого спектра применений, от воды и светлых нефтепродуктов, до сырой нефти и битума.

При решении задач учета расхода счетчик жидкостей ЭМИС-ДИО 230 наиболее часто используется как:

счетчик сжиженного газа;

счетчик бензина, керосина и других светлых нефтепродуктов;

счетчик дизельного топлива;

счетчик сырой нефти, нефти с водой;

счетчик мазута;

счетчик битума.

Расходомер для измерения расхода жидкости ЭМИС-ДИО 230 предназначен для контроля технологического учета коммерческих операций слива/налива, дозирования и перекачки в составе стационарных и подвижных установок.

В качестве микроконтроллера используем модуль фирмы Fastwel CPU188-5

МОДУЛЬ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА CPU188-5.

ХАРАКТЕРИСТИКИ.

_ Процессор Am188ES/40 МГц (5.35 VAX MIPS, 5 KFLOPS)

_ Статическое ОЗУ (SRAM) до 1024 кбайт

_ Флэш4память до 2048 кбайт

_ 32-контактная розетка для установки DiskOnChip, микросхемы DS1216xx

(календарь/часы/аккумулятор) или энергонезависимого ОЗУ 128 кбайт

_ Таймеры: 3 системных, 1 сторожевой

_ 5 линий прерываний + NMI

_ 2 канала DMA (до 5 Мбайт/с, без сигналов DACK)

_ Универсальный порт дискретного ввода - вывода -- 48 каналов

_ Количество дополнительных каналов дискретного ввода4вывода -- 22

_ 2 последовательных изолированных порта COM1: RS4232/485, COM2: RS4232/422/485

_ Порт ЖКИ (алфавитно-цифровой, графический) с источником питания

для подсветки и с регулировкой контрастности

_ Порт PC и матричной клавиатуры 4Ч4, 5Ч4

_ 8 изолированных 124разрядных аналоговых входов (8AI)

_ 2 изолированных 124разрядных аналоговых выхода (2AO)

_ Изолированный удаленный сброс

_ Зуммер

_ ОС, совместимая с MS4DOS 6.22

_ Совместимость с IBM PC на уровне ROM BIOS

_ Диапазон рабочих температур от -40 до +85°С

_ Среднее время наработки на отказ -- 120 тыс. часов

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

Модуль микроконтроллера CPU188_5 предназначен для использования в системах сбора данных и управления. Возможность подключения основных средств ввода-вывода (карты VGA, ЖК-дисплеи, клавиатуры, принтеры, НГМД) позволяет использовать модуль в системах с участием оператора. Благодаря своей компактности, низкому потреблению и функциональной насыщенности, модуль CPU188_5 является оптимальным решением для широкого диапазона встраиваемых приложений.



Рис.3.Функциональная схема

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Распределим результирующую погрешность между устройствами ИИС. многоканальный измерительный преобразователь терморегулятор

Пусть _Д, _К, _УВХ, _АЦП - погрешности соответственно датчика, коммутатора, УВХ и АЦП. Значения указанных погрешностей, как правило, выбираются из паспортных или справочных данных. Основной вклад в погрешность преобразования АЦП вносит погрешность квантования. Поэтому для m-разрядных АЦП в дальнейшем будем полагать _АЦП 1/ 2^m.

Допустим, что погрешности устройств между собой некоррелированы. Для исключения потери информации при прохождении сигнала по каналу должно выполняться условие

_{Д К УВХ АЦП} .

При этом суммарная среднеквадратическая погрешность оценивается выражением

= (²_Д + ²_К + ²_УВХ + ²_АЦП)^1/2 .

Причем должно соблюдаться условие . Необходимая разрядность АЦП определится выражением

m int log2 ( 1/ _АЦП ).

Если выбран быстродействующий АЦП, то устройство выборки-хранения можно не использовать. Поэтому принимаем: _УВХ=0%.

По заданию погрешность измерения по этим каналам =1%.. Погрешность выбранных датчиков класса точности С-3 составляет 0,1% у каждого(n=4). Следовательно, погрешность преобразования

Зададимся

_К=0,4% и _АЦП=0,3%

При этом суммарная среднеквадратическая погрешность оценивается выражением

=(²_Д+²_К+²_АЦП)^1/2=(0,4²+0,3²+0,4²)^1/2=0,41%.

В суммарной погрешности не учитывается погрешность преобразования аналоговым каналом: составными частями универсального измерительного преобразователя. Если выбрать погрешность УИП

_УИП()=1-0,41=0.59%,

то измерительный канал будет соответствовать требованию "Задания" по точности измерения.

Необходимая разрядность АЦП определится выражением

mint[log₂(1/ 0,003)]

или

m8.

При этом погрешности

_АЦП0,29%, =0,685%.

2. Определение временных параметров

Длительность измерения по каналу измерения давления воды и измерения расхода:

t_ИЗМ=20 мкс. Канала измерения температура рабочей жидкости-19 мкс. Канала измерения температуры воздуха в рабочем помещении-22 мкс.

Пусть длительности коммутации и выборки равны соответственно 3 мкс и 2 мкс. Тогда на долю АЦП и микро ЭВМ остается временной ресурс

Каналы измерения давления воды и измерения расхода:

t_АЦП + t_ВВ 20-5 = 15 мкс

Канала измерения температура рабочей жидкости:

t_АЦП + t_ВВ 19-5 = 14 мкс

Канала измерения температуры воздуха в рабочем помещении:

t_АЦП + t_ВВ 22-5 = 17 мкс

Выбираем АЦП АЦП ADC 12034 фирмы Texas Instruments у которой m=12 бит, t_АЦП=5,5 мкс.

Последовательный, 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь с 4-входовым мультиплексором и внутренней дискретизацией с запоминанием отсчетов. Однополярный источник напряжения, интерфейс Microwire. Напряжение питания: от +4.5 до +5.5 В

Потребляемый ток: 4.3 мА тип.

Тактовая частота: 5 МГц

Время преобразования: 8.8 мс макс.

Нелинейность: ±1 LSB тип

Температурный диапазон: от ?40 до +85 °C

Следовательно, длительность ввода информации в микро ЭВМ не должна превышать

1.t_ВВ 15-5,5=9,5мкс .

2.t_ВВ 14-5,5=8,5мкс

3.t_ВВ 17-5,5=11,5мкс

Необходимая скорость передачи данных через входной интерфейс микро ЭВМ составит

1.С_ВВ 1/t_ВВ = 105 кслов/c.

2.С_ВВ 1/t_ВВ = 118 кслов/c.

3.С_ВВ 1/t_ВВ = 86 кслов/c.

Для микро ЭВМ, имеющих параллельный порт байтового формата, посылка 12 разрядного кода происходит за два цикла, поэтому скорость ввода должна быть удвоена. Если скорость ввода недостаточна, то необходимо использовать буферное ОЗУ.

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Программа управления процессом поверки расходомеров разработана на языке программирования Visual Basic 5.0. На рис. 6 показана основная форма программы, которая включает 4 закладки: «Ввод данных испытания», «Калибровка перекидного устройства», «Проверка турбинки», «Калибровка стенда». Как видно из рис. 6, в процессе поверки весь диапазон разбивается на 5 точек. В каждой точке снимается по 5 замеров. При необходимости, если какой_либо замер выпал из нормальных значений, его можно обнулить и повторить замер заново. Форма содержит управляющие кнопки, обеспечивающие выбор насоса, выбор расходомера, установку расхода, управление двигателем.

По результатам поверки генерируется отчёт, форма которого представлена на рис. 7.

Программа для CPU188_5MX разработана в среде программирования промышленных контроллеров UltraLogik32. Использован штатный ПИД_регулятор из библиотеки, поставляемой с системой разработки. На уровне микроконтроллера идёт преобразование кодов в физические величины, фильтрация сигналов, их масштабирование и первичная обработка. На языке С++ разработано программное обеспечение последовательного порта, предназначенного для чтения значений с эталонных расходомеров.

В качестве связующего звена между уровнями системы управления используется ОРС_сервер UltraNet32.

Таблица 1

Модуль	Тип	Назначение
70G_ODC5	Выходной	Пуск/стоп выбранного двигателя
70G_ODC5	Выходной	Выбор насоса
70G_ODC5	Выходной	Переключение потока
70G_ODC5	Выходной	Обнуление весов
70G_ODC5	Входной	Синхронизация перекидного устройства
70G_ODC5	Выходной	Разрешение счёта внешних импульсов
70G_ODC5	Выходной	Разрешение счёта внутренних импульсов
73G_II420	Входной	Измерение расхода
73G_II420	Входной	Измерение температуры жидкости
73G_IV5	Входной	Измерение давления
73G_OV10	Выходной	Изменение оборотов
73G_OV10	Выходной	Индикация (измеренный ток)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы была разработана Автоматизированная система управления стендом поверки расходомеров.

Разработанная АСУ СПР осуществляет следующие измерения: расход жидкости в магистрали - (0,2100) м³/ч; верхний предел давления воды в магистрали - 1 МПа; вес жидкости в измерительной емкости - не более 2000 кг; температура рабочей жидкости - (10ч50)^oС; температура воздуха в рабочем помещении - (0ч50)^oС.

Погрешность дозирования компонентов комбикормов не превышает 1%;

При этом в штатном режиме для обслуживания системы управления достаточно одного оператора.

Успешное внедрение стенда ещё раз подтвердило возможность быстрой и относительно простой разработки качественных систем управления на основе применения средств автоматизации таких фирм, как Octagon Systems и Fastwel, и системы программирования промышленных контроллеров UltraLogik32.



ЛИТЕРАТУРА

1. Комелин А. Автоматизированная система управления стендами тест

ирования погружного электрооборудования // Современные технологии автоматизации.

2004. № 3. С. 16_23.

2. Комелин А. Автоматизированная система управления стендом тестирования гидрозащиты погружного электродвигателя // Современные технологии автоматизации. 2005. № 2. С. 58_61.

3. Средства массовых коммуникаций(интернет).

Размещено на Allbest.ru

...