标准表法水流量试验装置控制系统设计与应用

李小龙，李万平，刘红旺，杨志刚

（天津水科机电有限公司，天津 301900）

1 引言

标准表法水流量试验装置，是指一种采用标准流量计（可以是速度式流量计、容积式流量计、临界流流量计、质量流量计和热能表等）作为标准器，采用清水作为标定介质，使清水在相同时间间隔内连续通过标准流量计和被检测流量计，通过比较两者的输出流量值，从而确定被检测流量计的计量性能的装置。本次试验装置设计采用3 台（DN100、DN250 和DN400）精度为0.2 的高精度电磁流量计作为标准表，标定口径为DN50～DN400，流量测量范围为0.2～1 380 m3/h；系统采用变频调速器和流量调节阀调节流量，具有操作程控化、采集自动化，应用测控优化技术来实现对速度式流量计和其他液体流量仪表进行标定，提高了使用效率，简化了操作流程。标准表法水流量试验装置在保证直管段的条件下可标定电磁流量计、超声流量计、孔板流量计、冷水水表、涡轮流量计、涡街流量计等多种流量仪表。

标准表法水流量试验装置主要由400 m3的地下水池、变频电机、离心泵、稳压罐、分水器、集水器、阀门、软连接、流量调节阀、管路系统、标准流量计、电气启动柜、变频控制柜、自动控制系统及计算机测试系统等组成。自动控制系统作为重要组成部分具有准确性、稳定性、可靠性的特点，同时控制系统具有很强的可操作性，为流量标定点提供标准流量或流量范围，满足流量标准装置的系统功能需求，界面清晰，试验人员操作简便。

2 控制系统需求分析

2.1 标准表法水流量试验装置系统组成

本次标准表法水流量试验装置控制系统设计与应用是建立在新建标准表法水流量试验装置流量需求基础上，标准表法水流量试验标定装置的设计依据JJG 643-2003《标准表法流量标准装置检定规程》设计，系统原理如图1 所示。

图1 标准表法水流量试验装置原理图

标准表法水流量试验装置由地下水池→水泵入口→水泵出口→稳压容器→分水器→标准流量计→被测流量计→集水器→流量调节阀→地下水池，形成循环水流系统。

通过离心泵的作用，将清水充满整个管路，经过稳压容器和容器内部的3 层带孔隔板消除水中的气泡、过滤杂质，减少因水流冲击引起的水面波动，稳定管路压力，从而在试验管路中产生一个压力稳定且无杂质和气泡的水流，使流过标准流量计和被测流量计的水流量达到理想状态。

试验管路：由前后直管段、阀门、标准流量计、被测流量计、流量调节阀等组成。可完成对DN50～DN400 口径的流量计量装置的标定或校准；管线、法兰均为不锈钢材质。前后直管段依据标定规程、满足流量计标定的要求（前直管段大于10D，后直管段大于5D）。

标准器：由高精度电磁流量计、压力变送器、温度变送器、计时器等组成，可以对被测定的流量计量装置进行标定或校准，试验方便快捷。

控制系统：由水泵控制系统和流量调节系统组成。控制系统采集管路压力和温度等参数，流量调节采用水泵变频调节和调节阀调节开度相结合的方式，通过在管路上设置流量调节阀，根据标定流量点的需要配合水泵变频调节流量，使标定流量点的调节更加准确、稳定，以满足流量标定要求。

信号采集分析：压力传感器、温度传感器、水位传感器、流量计等模拟量数据以及开关量信号，经过可编程控制器自动采集和接收，进行逻辑判断与控制，将数据结果传输至上位机进行存储与展示。

为了便于操作，试验管线的布局考虑采用平面布置、更换被测流量计时采用更换测试管路的工艺结构；为减少标准流量计的数量和缩小试验装置的占地空间，系统采用一管多用的方案，即使用一条管道和一种高精度电磁流量计标定2 种以上口径的流量仪表，并把标准流量计的流量下限往下延伸，即DN400 口径的标准表可标定DN400/DN350/DN300等3 种口径的被测流量计，DN250 口径的标准表可标定DN250/DN200/DN150/DN125 等4 种口径的被测流量计，DN100 口径的标准表可标定DN100/DN80/DN50/DN40 等4 种口径的被测流量计。另外，在标准流量计和被测流量计的前端还安装了排气阀，可排出测试管路中可能产生的少量积气，提高系统的测量精度。

2.2 水泵性能指标

（1）水泵选用卧式离水泵，震动小、噪声低。水泵组通过2 台泵组合运用，能够覆盖各条检测装置的流量范围，并在满足流量调节的前提下充分体现节能及经济性最优的原则。根据使用流量大小，水泵能自动联动使用，也可根据流量需要对某台水泵单独变频控制。

（2）依据水力计算合理选型，充分利用水泵的最佳工作区间。

（3）水泵安装在独立的水泥基础之上，安装减振垫，有效实现减震、隔振的效果。

（4）根据装置流量要求，本装置共设计2 台水泵（250YPR-45 改，低温机械密封、膜片联轴器、无冷却系统），保证泵出口压力稳定，流量波动小，便于实施控制调节。泵组选用2 台额定流量为690 m³/h，额定扬程为45 m，额定转速为1 480 r/min 的单级离心泵，配套额定功率为132 kW，额定转速为1 480 r/min变频电机。

水泵特性曲线如图2 所示。

图2 水泵特性曲线

3 控制系统构成

3.1 控制系统

控制系统以工业计算机、可编程控制器、数字量模块、模拟量模块、变频器、交换机、信号隔离模块等组成，可进行现地控制和远方控制，完成时序控制，数据采集，远程操作等功能。系统标定控制与动力控制完全独立，具有更高的安全性，当出现异常情况时能够安全可靠地做出反应，采用友好的人机界面，操作简单可靠。

3.2 流量控制的实现

流量控制是控制系统按照标定流量的要求，给变频调速装置提供 4～20 mA 的电流信号，以控制电动机的转速，实现水泵流量的自动调节，由变频器内置PID 调节功能完成。在程序控制下，自动采集压力、温度、流量等参数，经过可编程控制器程序自动数据分析，并将已知标定点流量转换为模拟量发送给变频器，通过变频调速装置PID 算法，实现管道流量的稳定持续输出。

3.3 控制系统软件

（1）控制系统具有良好的操作界面，便于控制和维护。整套控制系统能保证拟开展检测项目的自动检测功能。

（2）控制系统以工业计算机进行控制，完成对水泵的控制，数据自动采集，远程操作等功能，实现控制和数据处理的自动化。在监控界面设有紧急停车键，保证出现异常情况时能够及时反应，保证设备及人员安全。

（3）控制系统的功能

1）系统能实现流量计的自动检测，显示现场装置主要参数，依据标定规程计算出各种流量计的准确数值并判断标定结果。

2）系统每次的检测时间小于30 s。

3）系统可实现计算机自动采集有关数据，并自动进行数据处理、保存有关原始数据。

4）流程显示：以工业组态形式展现试验流程画面，动态显示各条管线的标准表流量，被检流量计流量，压力温度等参数和水泵、阀门等设备的运行状态，并以弹窗的形式显示系统故障信息。

5）用户/安全管理：对现场设备启停、参数的设定等操作设置密码级别，防止误操作，同时对现场设备设置互锁功能，保证误操作的情况下设备不会多管路同时开启，并具有计算机、控制柜同时报警并断电保护，保证设备及操作人员的安全。

3.2 控制系统主要硬件

（1）数据采集与处理

数据采集与处理采用西门子公司生产的S7-200Smart 可编程控制器，扫描速率快，配备西门子专用高速处理器芯片，基本指令执行时间可达0.15 μs。此次系统设计共有12 路数字量输入、6 路数字量输出、16 路模拟量输入、2 路模拟量输出，采集温度、压力、水位、流量等不同数据，为系统逻辑控制提供依据。

（2）变频器

变频器采用ABB 公司生产的ACS510 系列变频器，型号为ACS510-01-246A-4，该变频器主要用于控制和调节三相交流异步电机的速度，运用其内置可靠的PID 算法，将流量调节稳定输出，该变频器具有稳定的性能、丰富的组合功能、高性能的矢量控制技术、低速高转矩输出、良好的动态特性及超强的过载能力等特点，在变频器市场占据着重要的地位。

（3）控制系统流程

控制系统以远方控制为主、现地控制为辅的设计思路，当远方控制发生故障时，可立即切换到现地控制，进行现地操作，可避免整个系统瘫痪造成的损失。控制系统流程图如图3 所示。

图3 标准表法水流量试验装置控制系统流程图

当接收到试验项目时，试验室操作人员做好试验前准备工作，确定试验使用的管段口径，安装好被测流量计，打开使用管段的进水口及出水口阀门，关闭不使用管段阀门，准备工作结束后，进行试验装置开机工作，首先打开补水阀，补水阀全开后，启动真空泵，为水泵进口管路内充水，查看水泵进口压力及水位指示，具备启泵条件后，设置调节阀开度及水泵运行频率，打开调节阀并启动水泵，根据试验需求，调整阀门开度及水泵运行频率，将管段流量控制在试验值。同时系统采集水泵进出口压力、系统压力和温度等数据，为试验装置提供数据支撑。控制系统人机界面如图4 所示。

图4 控制系统人机界面

4 结论

标准表法水流量试验装置不仅是流量单位量值统一与传递的标准，也是流量仪表实验和标定的可靠装置，流量稳定性是流量标准装置的一项重要技术指标，它直接影响装置的稳定性和不确定度。此次标准表法水流量试验装置的研发和应用是我单位流量计量、测试和标定技术的研究基础。对控制系统应用调试的过程中遇到的问题进行了分析与改进，系统运行稳定可靠，控制界面清晰，操作简便。测试结果表明，该控制系统完成的试验项目具有标定精度高，性能稳定可靠的特点，大大提高了我单位标准表法水流量标准装置的自动化水平。