Аппаратное и алгоритмическое обеспечение системы управления расходом жидкости при настройке электромагнитных расходомеров Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2011 Серия: Физика Вып. 1 (16)

УДК 681.5

Аппаратное и алгоритмическое обеспечение системы управления расходом жидкости при настройке электромагнитных расходомеров

А. Ю. Ощепкова, П. А. Михайловь

а ФГУП ОКБ “Маяк”, 614990, Пермь, ул. Данщина, 19 ь Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15

Описана универсальная система управления расходом жидкости в поверочной установке, созданная с применением серийно выпускаемых приборов и оригинальных аппаратных и программных разработок. Для синтеза управления использованы традиционные алгоритмы управления с идентификацией параметров объекта при помощи моделирования в пакете МЛТЬЛБ. Внедрение системы на предприятии позволило снизить себестоимость выпускаемой продукции, поскольку благодаря автоматизации управления работой поверочной установки сократилось время испытаний и настройки.

Ключевые слова: автоматическое управление, поверочная установка, преобразователь расхода.

Приборы учета и контроля расхода жидкостей и газов получают все большее распространение в системах промышленной автоматизации, энергоресурсосбережения, обеспечения безопасности и других отраслях. Важную роль в производстве таких приборов играют установки для настройки и поверки [1,2]. В данной работе описана установка, предназначенная для настройки электромагнитных преобразователей расхода, выпускаемых ФГУП ОКБ “Маяк”. Предприятие специализируется в проектировании, производстве и сервисном обслуживании приборов и систем, предназначенных для учёта и регулирования потребления энергоресурсов [3]. Ниже будут охарактеризованы два прибора, серийно выпускаемые ОКБ “Маяк”:

- преобразователь расхода индукционный микропроцессорный (ПРИМ) предназначен для преобразования измеряемого расхода жидкости в импульсный электрический сигнал, может использоваться для учета расхода и количества потребляемой питьевой и технической воды в составе расходомеров и теплосчетчиков, а также других электропроводящих жидкостей в системах контроля и регулирования технологических процессов в промышленности [4];

- теплоэнергоконтроллер ИМ2300 - многофункциональный вторичный прибор, предназначенный для вычисления и регистрации параметров теплоэнергетических величин (температура, давление, расход воды и др.) и передачи информации в автоматизированную систему сбора данных [5].

Преобразователь ПРИМ входит в состав электромагнитных расходомеров, которые часто называют индукционными. Работа индукционных измерителей расхода жидкости основана на законе Фарадея, который говорит о том, что напряжение, наводимое в проводнике, пересекающем линии магнитного поля, пропорционально скорости его движения (рис.1).

Е - наведенное напряжение (ЭДС);

V - скорость проводника;

Б - индукция магнитного поля;

Б - длина проводника (расстояние между электродами).

Катушки индуктора

Рис. 1. Схема, поясняющая принцип работы индукционного преобразователя расхода

© Ощепков А. Ю, Михайлов П. А, 2011

Протекающая в трубе жидкость, обладающая электропроводностью, величина которой больше некоторого минимального допустимого значения (порядка 5 мкСм/см), представляет собой движу-щий-ся проводник. При включении магнитного поля, перпендикулярного потоку, между краями движущегося проводника возникает ЭДС индукции (электрическое напряжение), пропорциональная средней скорости потока (т.е. текущему объемному расходу жидкости) и току в катушках. Это напряжение и представляет собой полезный сигнал, подлежащий измерению, который снимается двумя электродами, установленными в трубе преобразователя перпендикулярно направлениям магнитного поля и потока жидкости и контактирующими с жидкостью.

Для исключения влияния статического электрического поля, возникающего между металлическими электродами в жидкости (электрохимический потенциал), и других случайных воздействий магнитное поле, формируемое катушками, периодически изменяется по определенному закону.

Индукционный преобразователь расхода ПРИМ состоит из двух основных частей: проточной части и электронного блока, соединенных полым кронштейном. Конструктивно проточная часть выполнена в виде трубы круглого сечения, футерованной фторопластом. В трубу диаметрально противоположно герметично вмонтированы два электрода из стали, снаружи трубы расположены соосно две катушки индуктивности, оси катушек перпендикулярны направлению между электродами. Труба заключена в стальной корпус, являющийся одновременно магнитопроводом индуктора. Провода от катушек индуктора и от измерительных электродов проходят через полый кронштейн к электронному блоку. Электронный блок формирует импульсы тока в катушках индуктивности, снимает ЭДС с электродов, выделяет полезный сигнал и преобразует его в последовательность выходных импульсов. Внешний вид преобразователя расхода ПРИМ представлен на рис. 2.

Электронный блок ПРИМа сконструирован на основе комплектующих элементов общепромышленного применения. Г лавным компонентом блока является малопотребляющий микроконтроллер фирмы “ЛШеГ ЛТ9088535. Потребляемая мощность преобразователя 1 Вт.

Преобразователь обеспечивает измерение расхода в диапазоне 1:100 с точностью 1% при температуре окружающей среды до +50оС и температуре измеряемой жидкости до +150оС [4].

Таких высоких точностных характеристик в широком интервале температур удается достичь благодаря тому, что каждый электронный блок

проходит специальную предварительную температурную адаптацию. На предприятии имеется стенд для температурных испытаний.

Рис. 2. Внешний вид преобразователя расхода

ПРИМ

Электронный блок прибора помещается в морозильную камеру. После охлаждения блок подключается к имитатору расхода и компьютеру, помещается в электропечь, происходит сбор данных при нагревании блока до 55-60 °С. Во время сбора данных измеряется выходной сигнал прибора в определенных температурных диапазонах порядка 2-3 тыс. измерений. После чего вычисляются коэффициенты, на которые необходимо домножить выходной сигнал, чтобы стабилизировать показания прибора по температуре. Корректировочные коэффициенты прописываются в память микроконтроллера.

Наиболее важным этапом настройки преобразователя, обеспечивающим линейность выходной характеристики в указанном диапазоне, является определение градуировочной характеристики с помощью поверочной установки. Настройка происходит на установке УШ5/150-1Д представляющей собой систему емкостей и труб, по которым течет вода. Воду перекачивает насос, приводимый в движение асинхронным электрическим двигателем. Характеристики установки:

- диаметр настраиваемых и поверяемых приборов от 15 до 150 мм;

- диапазон воспроизводимых расходов от 0.03 до 100 м3/ч.

В эту систему ставятся испытуемые датчики. Настройка осуществляется по нескольким точкам

Рис. 3. Структура цифровой системы управления

(от 4 до 8). Обязательны следующие точки: 100, 40, 10 и 1 % максимального расхода. В этих точках измеряются показания расходомера и эталона, после чего вычисляются коррекционные коэффициенты и вносятся в память микроконтроллера. Таким образом, в процессе настройки расход должен стабилизироваться последовательно в нескольких точках от минимального до максимального, который различен для разных преобразователей. Время перехода от одного значения настроечного расхода до другого необходимо минимизировать, поскольку оно тратится непроизводительно. Это и составляет суть оптимизации управления расходом установки.

Задача решается с помощью перехода от ручного управления к автоматическому путем создания цифровой компьютеризированной системы управления.

Структура цифровой системы управления соответствует обычной схеме дискретного управления непрерывными по времени процессами [7]. Ее вид приведен на рис. 3.

В качестве устройства обработки измерительной информации и выработки управляющего воздействия использован персональный компьютер, задействованный в технологическом процессе настройки и поверки, что позволяет реализовать достаточно сложные алгоритмы управления.

ТнГ5~1 _|- 1

О ТХО

ЯТБ#

СТБ#

й от**#

£ РБР# РСР# Ш#

5 ТХРЕЫ О ТХЬЕР# ЯХЬЕй# PWRCTD RWREN# ооБЬЕЕР#

ЯЕБЕТ/РСб

RXD/PD0

TXD/PD1

INT0/PD2

INT1/PD3

XCK/TO/PD4

~СС

GND1

XTAL1/PB6

XTAL2/PB7

T1/PD5

А№0^6

AIN1/PD7

ICP11/PB0

агк5!

Рис. 4. Принципиальная схема универсального преобразователя ЦПП-128

Роль первичных преобразователей играют два преобразователя расхода ПРИМ разных диаметров для обеспечения измерений эталонного значения расхода, задаваемого установкой, во всем требуемом диапазоне. Для измерения расхода в диапазоне 1.5-100 м3/ч используется измерительный преобразователь расхода ПРИМ-80 (диаметр условного прохода 80 мм, относительная погрешность 0.25 %), для измерения расхода в диапазоне

0.03...2.0 м3/ч используется ПРИМ-10 (диаметр условного прохода 10 мм, относительная погрешность 0.25 %). В перекрывающемся диапазоне расходов преобразователь выбирается из соображений удобства переключения потоков во время поверки. Переключение между эталонами осуществляется вручную с помощью шаровых кранов.

Для сбора измерительной информации с первичного преобразователя и передачи ее в компьютер был использован вторичный прибор тепло-энергоконтроллер ИМ2300. Прибор имеет 4 частотно-импульсных и 2 токовых (4-20 мА) входа, 2 канала термосопротивлений, источник питания первичных преобразователей 24 В. ИМ2300 имеет интерфейс Я8232 для программирования и сбора зарегистрированных данных и интерфейс Я8485 для подключения прибора в сеть сбора данных под управлением ПЭВМ.

В качестве исполнительного устройства использован преобразователь частоты Н1ТАСН1 Ь100. Применение частотных приводов (инверторов) для управления электрическими асинхронными двигателями приводит к существенной экономии энергетических ресурсов даже при ручном выборе потребляемой мощности. Еще большей экономии энергетических и временных ресурсов можно достичь, используя преобразователь частоты в автоматизированной системе управления. Инвертор оснащен потенциометрическим входом для задания частоты вращения вала электрического двигателя. Этот вход и был использован для автоматизации управления расходом.

Для связи компьютера с исполнительным устройством были специально разработаны универсальный цифровой потенциометрический преобразователь ЦПП-128 и программное обеспечение для него. ЦПП-128 построен на основе микроконтроллера ЛТМЕвЛ8 фирмы Л1ше1. Он подключается к и8Б порту компьютера и преобразует цифровой код в выходной сигнал потенциометра. Предусмотрен ручной режим управления выходным сигналом потенциометрического преобразователя. Универсальность разработанного преобразователя состоит в том, что он может подключаться к любому устройству, имеющему аналоговый потенциометрический вход.

Рис. 5. Внешний вид универсального преобразователя ЦПП-128

Принципиальная схема ЦПП-128 приведена на рис. 4. Микросхема FT232 фирмы FTDI представляет собой аппаратный мост “USB-UART”. Цифровой потенциометр AD7376 - управляемое устройство, которое выдает одно из 128 значений сопротивления. Эти значения устанавливаются через SPI-интерфейс. Максимальное сопротивление (между выводами А и В) 10 кОм. Согласно принятым данным цифровой потенциометр устанавливает соответствующие им значения сопротивления между выводами A и W. Отображение текущего значения положения потенциометра осуществляется при помощи трехразрядного семисегментного светодиодного индикатора BA56-11GWA. Сигналы на индикатор подаются через микросхему 74HC595D, управляемую микроконтроллером. Для микросхем ATMEGA8, FT232, 74HC595D использована возможность питания от порта USB +5 B. Для микросхемы AD7376 необходим источник питания 12-15 В, поэтому использован преобразователь DC/DC TMA0512S , который преобразует 5 В в 12 В. На рис. 5 представлен внешний вид преобразователя ЦПП-128. Слева на лицевой панели расположены два переключателя. Один для включения/выключения инвертора, второй для выбора режима управления (ручной/автоматический). В центре расположен светодиодный индикатор. Справа размещены две кнопки, позволяющие в ручном режиме изменить положение потенциометра. Справа в торце располагаются разъемы для подключения к компьютеру и частотному приводу.

В поверочной установке универсальный преобразователь подключается к потенциометрическому входу инвертора (преобразователя частоты) HITACHI L100, управляющего работой асинхронного двигателя мощностью 7.5 кВт.

Перечень технических устройств, применяемых в созданной системе управления, приведен в табл. 1.

Таблица 1. Перечень технических устройств, примененных в цифровой системе управления расходом_________________________

Регулируемая величина Объемный расход жидкости

Первичный преобразователь Преобразователь расхода ПРИМ Серийный прибор

Измерительный контроллер Теплоэнергоконтрол-лер ИМ 2300 Серийный прибор

Преобразователь цифрового сигнала управления Универсальный преобразователь ЦПП-128 Оригинальная разработка

Исполнительное устройство Преобразователь частоты Н1ТЛСН1Ь100 Серийный прибор

Управляющее воздействие Частота вращения вала электродвигателя

Оператор в ручном режиме устанавливает требуемое значение расхода за 3 - 4 мин. Для быстрого ручного управления расходом можно было бы составить таблицу соответствия выходных единиц ЦПП-128 устанавливаемым расходам. Пример фрагмента такой таблицы приведен в табл. 2.

Таблица 2. Соответствие единиц преобразователя ЦПП-128 расходу жидкости (фрагмент)_____________________________

Условный диаметр, мм Единицы ЦПП-128 Расход, м3/ч

50 118 56.7

50 35 22.6

50 0 7.75

50 0 0.61

100 127 97.4

100 55 47.3

100 2 14.6

100 0 2.54

(Третья и четвертая строки имеют одно и то же значение единиц преобразователя, но совершенно различные значения расхода. Это говорит о том, что в первом случае используется эталонный преобразователь расхода диаметром 80 мм, а во втором - диаметром 10 мм). Однако полная таблица будет очень громоздкой из-за большого количества вариантов, кроме того, это соответствие непостоянное, меняется от опыта к опыту, зависит от количества поверяемых преобразователей и других факторов, что подчеркивает необходимость создания системы управления с обратной связью, которая описана выше.

Построим математическую модель установки в

виде передаточной функции (ПФ) [7]. Эту модель можно представить виде трех последовательных блоков, как это показано на рис.6.

1 1 1

Т[ s +1 —W т2 s + 1 —W т3 s +1

G(s)

Рис. 6. Передаточная функция установки

Требуемое значение расхода (уставка) подается на вход инвертора, имеющего собственное время Ti. Инвертор приводит в движение электродвигатель насоса; его характерное время обозначено т2. Значение расхода измеряется преобразователем, имеющим собственное время т3. Параметры ть т2, т3 определялись экспериментально путем хронометрирования изменения частоты на табло инвертора при его разгоне и остановке, а также обработкой показаний эталонного расходомера после включения системы, которые сохранялись в памяти теплоэнергоконтроллера один раз в секунду. Полученные результаты: т1=(5.7±0.4) с, т2=(2.7±0.3) с, тз=(9.1±0.2) с.

Построим Simulink-модель системы управления в среде моделирования MATLAB (рис. 7).

Рис. 7. 5- модель для оптимизации системы управления расходом жидкости с ПИД-регулятором

В Simulink имеется специальный пакет для настройки не линейных (в том числе, разумеется, и линейных) систем управления Signal Constraint, производящий интерактивную оптимизацию систем на основе метода динамической оптимизации. Этот инструмент автоматически настраивает параметры моделируемых систем, основываясь на определенных пользователем ограничениях на динамические характеристики систем. Настройка ко-

эффициентов ПИД-регулятора является одним из основных применений пакета. Подстановка экспериментальных значений параметров в 8-модель привела к следующим оптимальным значениям коэффициентов ПИД-регулятора:

Кр=2.22,

К1=0.12,

Ка=0.

Пример работы системы управления с этими параметрами регулятора показан на рис. 8. Видно, что время выхода на режим составляет 140 - 150 с.

Э&

зе

33

О ■ * .......................................................... ■ I-------------------- г

О 10 20 30 * Я во 7fl в » DO 110 «О

t/10, с

Рис. 8. Результат работы ПИ-регулятора для системы управления расходом жидкости

Таким образом, внедрение автоматизированной системы управления с оптимизированными алгоритмами позволило снизить непроизводительно затрачиваемое время работы в полтора-два раза, что в конечном счете привело к снижению себестоимости выпускаемых преобразователей расхода жидкости, а это крайне важно в современных условиях острой конкурентной борьбы.

Список литературы

1. Воронцов А. В. Разработка автоматизированной аэрометрической установки для поверки шахтных анемометров. URL:www.sirsensor.ru, МГГУ, 2005.

2. Будько В. В. Измерительная система для поверки преобразователей расхода жидкости: дис. ... к. т. н. Волгоград, 2004.

3. URL://www.okbmayak.perm.ru

4. Преобразователь расхода жидкости ПРИМ. Св-во на полезную модель № 27215.

5. Теплоэнергоконтроллер ИМ2300. Св-во на полезную модель № 15020.

6. Булатников А. Ф., Ощепков А. Ю. Индукционный микропроцессорный преобразователь расхода жидкости с низким энергопотреблением // Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения: матер. II Междунар. науч.-практ. конф. Новочеркасск, 2002. Ч. 1.

7. Ощепков А. Ю. Проектирование цифровых систем управления. Теория и моделирование в MATLAB: учеб.-метод. пособие/ Перм. ун-т. Пермь, 2007. 138 с.

Devices and algorithms for fluid flow control in testing of electromagnetic flowmeter

A. Y. Oschepkova, P. A. Mihaylovb

a Special Design Office "Mayak", Danchin st., 19, 614990, Perm b Perm State University, Bukirev st., 15, 614990, Perm

It is described by a universal system for fluid flow control in the calibration rig, created with the use of commercially available devices and the original devices and algorithms. For the synthesis of control it is used by traditional algorithms for managing the identification of object parameters by modeling . The introduction of the company has reduced production costs by reducing testing time by automating the configuration and management of the calibration rig.

Keywords: automatic control, calibration rig, flow transducer.