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基于力控的热式气体流量计标定平台系统设计

时间:2018/05/13来源:未知

    要:本文设计了一种基于力控组态App的热式气体流量计的标定平台系统, 首先详细的先容了标定平台系统的设计思路, 系统硬件构成、App设计流程, ***后实际的标定结果显示该系统稳定、可靠、高效。热式气体流量计 (也称热线) 广泛的应用于煤矿管道瓦斯流量的测量, 其原理是:恒功率加热热线前端的铂热敏电阻, 而流动的气体会带走电阻的部分热量, 带走的热量和气体的风速成正相关的关系, 风速乘以管径再乘以单位时间就可以计算单位时间内的气体流量[1]。根据当前的风速就能算出当前的管道流量, 根据热线采样的AD值 (一般取对数) 和标准风速传感器风速拟合成多项式曲线:
计算公式

在 (1) 中, y表示风速, x表示热线AD值, 这样热线就可以计算当前AD值下的风速, 进一步计算出流量。由于每个传感器探头参数不同, 导致 (1) 式系数各不相同, 所以每一只热式气体流量传感器均需要标定其多项式系数, 所以如何设计一个自动拟合曲线并解析其多项式系数然后下发到传感器的标定平台系统是提高热式流量传感器准确性和可靠性的关键。

1系统设计思路

热线标定平台系统一般从低风速往高风速标定, 其思路如下:首先通过变频器给定低频率, 使风道上的风速维持在恒定低风速 (大概0.6 m/s左右) , 8路数字量采集模块采集此刻热线的稳定的AD采样值和标准风速仪的风速, 通过力控组态App分别写到excel两列表格中的个单元格, 在excel的另一列的单元格调用对数函数, 为AD值取对数, 然后力控App改变给定频率, 通过数字量输出模块给到变频器, 使管道内风速恒定在1m/s以上的某个值, 同样采集此刻热线的稳定的AD值和标准风速依次分别写到excel先前两列的下一单元格, 再取其AD的对数, 然后再增加变频器的频率, 读取AD值和风速写到excel相应单元格中, 均匀增加风速到20m/s左右, 依照这样的方式读取17组AD值和风速值写到excel表格中, ***后通过excel的VBA脚本程序把17组AD对数值和风速值拟合成多项式曲线[2], 解析其多项式系数, 力控组态App读取VBA程序解析的系数然后下发到热线, 即完成标定, 这样热线就可以准确的测量管道风速, 进而计算出流量。

图1 系统硬件组成框图

 

图2

 

2系统的硬件设计

2.1系统硬件组成结构

该系统***多可以标定4台热线, 其主要硬件有风道 (保证管道内风速恒定) 、分风筒、可调节大小的风门、变频器、风机、电机、变频器、标准风速仪表、TDAM数字量采集模块、i PAM数字量输出模块、RS-485转232串口以及PC机以及KJ692-F分站等组成, 如图1所示。其中风道是模拟煤矿现场的管道, 变频器用于改变风机电机的转速从而控制管道风速, TDAM数字量采集模块主要用来采集热线的AD值和标准风速仪的风速, i PAM数字量输出模块主要用于输出变频器的频率给定, KJ692-F分站用于控制变频器的启停。

2.2变频器的选择

本系统所选的变频器为艾塞康A121系列, 功率为8KW, 电机的控制方式采用空间电压矢量法, 输入电压等级为AC380V, 频率变化范围0.1-180Hz。该变频器的运行频率的设定有仪下几种方式:面板电位器, 面板按键, 外部5V电压给定, 外部10V电压给定, 外部0-20m A电流, 数字端口, 多段速端口等, 本系统采用外部0-20m A电流给定频率, 首先, 在变频器设置键盘上通过加减键把Pn 04设成2然后把Pn 03设成5, 然后上位机力控App就可以通过i PAM数字量输出模块输出0-20m A (对应0.1-180Hz) 的电流给定。

3统的App设计

3.1力控组态App通信参数配置

在该系统中和力控组态App通信的主要是RS-485、DDE和以太网三种通信方式。其中TDAM模块、i PAM模块及热线均采用485通信, 需要485转232串口实现和PC机的连接, 通信方式选择串口 (RS232/422/485) , 串口通信参数选择1200、偶校验、8和1, 不同设备选择不同的地址即可通信;DDE是力控App和excel表格数据交换所遵循的规约, 可以直接在力控I/O设备组态里面把“服务器名”称改成excel, 把“主题名称”改成要通信的excel的表格名称即可通讯正常。

3.2 VBA拟合、解析多项式曲线

选择excel表格的后两列AD对数值和表准风速值这个区域, 调用区域选择的宏Active Chart.Series Collection (1) .Trendlines (1) .DataLabel.Select, 然后调用激活宏Active Sheet.Chart Objects (“图表3”) .Activate, 绘制图表。调用函数形成多项式函数s=Active Chart.Series Collection (1) .Trendlines (1) .Data Label.Caption, 然后再解析s函数多项式系数, 再把其系数依次写入excel空余的单元格内, 以便力控组态App读取, 绘图解析后的结果如图2所示。

3.3主程序设计

本系统所有设备信息的上传下达和信息的交换是在PC机上的力控组态App中完成的, 当他们通信有问题, 标校系统就会报警, 提醒操作人员采取措施, 防止标校出现错误。风速的调节通过变频器、风机和风速仪形成负反馈闭环控制, 使风速始终稳定在给定附近, 在力控脚本程序里面分配17组风速给定换算成变频器频率。数字量采集模块TDAM采集热线AD值和风速仪风速时, 为了模拟量采集值的稳定性和传输误差, AD值和风速现在力控内部读取十组值, 然后取他们的方差, 把AD值和风速值的方差写到excel单元格中, 然后增加风速给定读取下一组处理过的数值下发到excel表格, 直到写完17组数值, 在excel中通过VBA程序拟合多项式曲线, 解析其系数上传到力控App, 然后通过力控App把这个系数下发到热线传感器, 重新给定低频率, 重新标校下一个传感器, 其程序流程图如图3所示。

3.4主监控画面设计

主画面显示的主要参数是管道的热线的实时采集AD值和风速仪风速, 在主画面上显示各个连接设备的通信状态, 当其中任何一个出现故障时, 系统会声光报警, 提示操作人员, 故障排除后, 然后重新从出现故障时的风速值开始往下标定。当标定完成后, 系统会弹出闪烁的文字“标校已完成”, 并发出声音报警提示, 操作人员更换下一台未标定传感器。该系统还能实时动态显现管道内的风速流向, 电机的工作状态等。其具体主画面如图4所示。

结束语

基于力控组态App的热式气体流量计标定平台系统, 设计了一种自动化的标定系统, 减少了人为标定中的个人主观干预带来的错误, 大大减少了标定时间, 提高了标定效率50%以上, 为传感器的大量生产提供可靠保证。该系统在投入使用后标定传感器十分稳定、可靠, 已经标定超过100台以上, 并且传感器现场使用情况良好。

图3 App流程图

图3 App流程图   下载原图

 

图4 主画面

图4 主画面   下载原图


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