基于智能仪表调节的物料流量监测控制系统的研究与设计

张 维

（陕西工业职业技术学院电气工程学院，陕西咸阳712000）

本设计搭建实现以智能仪表作为控制中心的物料流量监测调节系统，实现物料管路流量的动态监测与控制调节。利用NI数据采集平台与流量监测系统硬件连接通信，实现动态数据的采集与处理，监测流量的实时动态并根据需要进行控制调节。本设计将设备二次管路中的物料流量作为被控对象。

1 物料流量控制系统

物料流量控制系统原理如图1 所示：物料流量初始值由多功能智能仪表来设定，被控量为瞬时管路物料流量，由涡轮流量传感器FT1 检测瞬时流量并反馈至NI 端，模拟量输出到智能仪表，智能仪表根据设定值与瞬时采集的动态值比较后利用PID 算法输出控制量实时控制变频器输出，以调节电机转速，实现管路物料的增减，最终实现管道物料流量稳定输出的目标[1]。

图1 物料流量控制系统原理图

2 物料流量控制系统硬件电路的设计

物料流量控制系统的硬件电路主要由涡轮流量变送器、智能控制仪表、变频器、NI 数据采集系统、储水箱、上水箱等组成，其中上水箱与储水箱均设置浮子开关，防止实验过程中物料溢出。通过FT1涡轮流量变送器采集主管路中实时物料的瞬时流量，送至智能仪表进行控制、调节，实现管路流量的稳定。物料流量控制系统硬件结构如图2所示[2]。

图2 物料流量控制系统结构图

3 控制对象及端口列表

根据系统设计整体要求，按照控制对象与控制系统整体配置需求，分配控制对象、控制系统对应端口，标记端口名称对应端口符号，便于后续分析与软件编程。具体如表1所示。

表1 控制对象与控制系统配置

3.1 涡轮流量计

LWGY系列涡轮流量传感器（以下简称传感器）基于力矩平衡原理，属于速度式流量仪表。本设计选用LWGY-15涡轮流量变送器，其精度为1.0级，在一定流量范围内输出4～20 mA标准信号，脉冲频率f与流经传感器流体的瞬时流量Q成正比，流量方程为

式中：f为脉冲频率，Hz；k为传感器的仪表系数，m-3或L-1；Q为流体的瞬时流量，m3/h或L/h；3 600为换算系数。

3.2 NI USB-6221型I/O设备

本系统选取NI USB-6221型I/O设备，是一款多功能DAQ设备，可以提供模拟I/O、数字输入、数字输出和两个32 位计数器，具有机壳轻便，总线供电，附带NIDAQmx驱动程序，配置简化测量和转换过程等特点。本设计采用USB-6221 型I/O 设备动态转换涡轮流量计瞬时流量信号，输出标准信号送给PID 智能仪表。

3.3 智能PID调节仪表

该仪表控制精度高，无超调，具有模糊自整定功能。仪表输出采用模块化硬件结构设计，可以实现多种控制。本设计采用PID 控制输出电压[3]。仪表可取代伺服放大器直接驱动电动执行器、进行外部给定功能以及手/自动无扰动切换功能。本设计中该仪表是主控制电路的核心器件[4-5]。NHR-5300智能PID仪表内部参数设置如表2所示。

表2 NHR-5300智能PID仪表相关参数设置

3.4 变频器介绍

本设计采用西门子V20 变频器，该款变频器具有高可靠性设计，丰富的I/O接口，直观的LED面板显示，完善的集成功能，可以方便地应用过程控制系统相关设备中，本设计利用变频器频率的改变控制水泵的转速，从而最终控制管路中的流量。

3.5 硬件系统接线

物料流量控制系统硬件主接线如图3所示[6]。该系统反馈量由涡流流量计FT1检测输入数据采集系统监控，随后送给智能仪表PV端，PV与SV误差比较，智能仪表进行PID调节输出量为out，输出到变频器V20，最终实现主管路物料流量稳定的目标[7]。

4 控制系统软件程序设计与实现

本设计利用LabVIEW 软件进行整个监控界面的设计，LabVIEW软件是框图化的编程语言，本设计利用该软件实现对于物料流量曲线及实时变化量的可视化显示，通过动态曲线实现物料流量的变化、调节、控制过程的反映。软件设计流程如图4所示[8]。

5 主程序监测模块与流量曲线监测模块

本设计采用LabVIEW 进行监控界面开发与设计。主程序主要包括数据采集卡输入、电机控制、水箱上下限报警、蜂鸣器模块、仪表报警等模块[9]。利用LabVIEW 软件进行监控曲线界面设计，显示并得到实时输出物料流量输出曲线[10]，图5所示为系统监控输出曲线子程序。

图3 智能仪表控制的流量控制系统硬件主接线图

图4 系统总体程序流程图

6 系统联调与结果分析

物料流量监测调节系统调试主要有软硬件调试两部分[11]。第一步，硬件调试，检测变频器、涡轮流量计、电磁阀、数据采集卡等是否工作正常，智能仪表初始化参数设置是否合适，因为本设计智能仪表参数的设置是系统是否正常运行的关键，数据采集卡各端口输出是否有电压等；第二步，软件调试，编写并完成系统界面设计，运行程序确定各个接口是否与硬件对接正常，确认其是否能正常进行数据转换和传递，通过水泵简单的启停确认执行器是否到位，手动改变变频器参数确认水泵与变频器连接正常[12]。

图5 系统主程序模块与流量曲线监测模块

通过LabVIEW 软件设计前端监控界面，通过监控界面可以随时掌握系统运行动态[13]，另外还可以通过数据曲线分析系统运行的状况、稳定性等，可通过手动调节智能仪表的PID 参数查看曲线变化趋势，从而确定最优的参数设置，本设计经过反复调节与实验，最终确定PID参数，具体参数设置如表3所示。

表3 PID参数实验值

本设计基于NHR-5300智能仪表实现过程控制系统的PID调节，借助LabVIEW进行监控界面设计，整体结构简单，运行平稳，误差在可控的范围之类[14]。本设计取设定值为25 L/min，经过反复调试实时输出曲线稳定平缓，如图6所示，误差约为±2.5%，符合一般工程规范要求，达到预期目的，具有一定的工程实践应用价值。

图6 物料管路流量监测曲线