大口径水表校验装置流量自动控制系统
河北省保定市供水总公司计量所 王洪江 张广起
摘要：重点讨论了以西门子PLC（可编程控制器）为控制核心，以西门子触摸屏（HMI）为人机交互进行水流量自动、手动控制的控制系统。并具体介绍了系统中流量调节阀、PLC、HMI、外围电路的解决方案以及软件的设计思路。
关键词：流量自动控制 PLC HMI 人机交互
一、引言
我单位是保定市水表计量检定站，现用一台南昌水表厂出产的80-200mm水表检定装置，已经延用十八年，由于阀门和气动元件的老化、磨损及原有设计上的缺陷，已经不能满足国家水表检定规程JJG160－85《水表及试验装置》中对水表进行检定的要求。
《水表及试验装置》要求水表检定应有四个流量的检定，即：最大流量、常用流量、分界流量及最小流量，原有设备是靠手动阀门调节，观看玻璃转子流量计指示来达到规定的流量，这里面存在几个问题：
1、手动调节准确性差。
2、玻璃转子流量计极易损坏，瞬时压力可能对玻璃转子流量计造成冲击，导致不能正常工作。
3、在常用流量、分界流量和最小流量的转换中，最少需要开闭三次阀门，非常繁琐也容易造成阀门损坏。
4、手动控制按钮及继电器易损坏，造成控制失控。
鉴于以上问题，在流量自动控制改造中，必须达到以下功能：
1. 自动化程度高：要按照国家标准JJG162－85《水表及其检定规程》要求，预置大口径水表校验所需的所有流量参数，用户也可将设定流量通过触摸屏输入系统，就可以实现流量自动控制，自动跟踪预置流量的功能。（提高了水表的校验精度）。
2. 操作简单方便：通过触摸屏进行参数设置、流量设定等操作，中文界面，清楚明了，使用方便。
3．控制精度高：采用编程控制技术及先进的模糊算法进行串级调节流量自动跟踪，保证流量自动控制系统运行的可靠性和稳定性。
二、硬件选型
结合本套检定装置的实际情况和流量要求（如下表），我们确定了如下方案：
1、PLC控制器采用SIEMENS ST—200 系列可编程序控制器：该微机系统软件指令丰富，功能强大，采用RS232／RS485通讯方式。
2、触摸屏采用SIEMENS TP—27：它功能强大，人机界面，交互性强，易于操作。
3、气动阀门采用易于控制、方便维修的德安阀门。
4、电磁流量计采用上海横河电机有限公司生产的SEM200系列电磁流量计，它精度很高（0.5％），组态方便。
由于水表校验过程中水流量变化范围很大（最大200m3/h，最小300L/h），因此只靠一个DN200的调节阀实现自动控制是不可能的，而对于中间流量比如：70m3/h ,及35m3/h等较小的流量，依靠普通调节器也是无法达到的。（原因在与普通PID调节只能在一定范围内调节而是需要的时间比较长，对如此大的流量范围进行自行自动调节，普通调节器无法满足要求，尤其用DN200的阀门控制DN50管道流量PID调节势必会引起系统振荡，达不到控制要求。）
针对本系统的要求，选用PLC+气动调节阀+HMI，可以基本满足控制要求。
三、控制流程图
四、软件设计
如前面所述，本系统是靠流量气动调节阀正向（打开），反向（关闭）点击转动时间来控制阀门开度，从而达到控制流量的目的。
在PLC程序设计中，需要特别提到的是，PID调节对流量变化如此之大的系统是无能为力的，所以在程序设计中选用模糊控制。
在水表检定过程中，管道中的压力和流量调节阀的开度及水泵的运行情况密切相关，而水泵的运行不能保证非常稳定，造成流量可能发生变化，甚至有“蹿量”出现，流量控制中反馈信号要求非常稳定。是属于一种非线形、大延时、参数时变的、有强扰动的多变量复杂的强耦合系统。流量控制如果采用位式调节，这种方法控制简单、可靠性较高，但控制精度低（超调量大）；如果采用PID控制，这种方法响应迅速、稳态误差小，但当系统内部参数发生变化或受到外界干扰时参数稳定困难。如果使用常规模糊控制又无法获得理想的品质指标。因而我们采用了带修正因子的规则自调整模糊控制器，并采用串级模糊控制，经实际使用系统反应速度快、控制精度高、稳定可靠。
控制规则是模糊控制器的核心部分，它决定了模糊控制器的有效性和实用性，一成不变的控制规则其适应性显然较差。为此，参考有关文献我们设计了带修正因子和寻优参数的流量模糊控制算法：
U=INT[αE +（1-α）Ec] α∈[0，1]
式中：α为加权系数：INT[•]表示对“• ”取整。α值的大小直接反映了控制量U对误差E及误差变化率Ec的加权程度，其值可根据误差E的大小在线自动调整。
α= |（t – γt ）/γt × Kt | if α＞1 then α= 1
式中：t 为流量瞬时值；γt 为流量给定值；Kt 为提高控制精度而加的系数：
Kt = γt / （ t u -γt ）
将Kt 代入上式后，则有
α= | （t – γt ）/（ t u -γt ）|
其中：t u 为允许误差流量
从而带在线自调整参数的模糊控制规则可表达为
U=INT[αE +（1-α）Ec]
α= | （t – γt ）/（ t u -γt ）|
式中：如果α＞1 则α 取等于1。
上述控制规则的特点式：当α=0 时，对Ec的权重最大，而当α=1时，使E权重最大以尽快消除误差。
采用带修正因子和优化参数的模糊控制器可使模糊控制实现自调整、自完善，适用于被控制对象的特性不太明确或过于复杂而无法用精确数学模型来描述的系统，这种方法不仅可保证系统输出响应快，调节时间短，超调量小，控制精度高，而且还具有较强的适应系统内部参数变化和抵抗外部扰动的能力。流量系统中的被控流量对象，其数学模型难以建立，易受外部扰动的影响，适合于用这种模糊控制器加以控制。
在自控系统中，单回路控制系统仍然存在一定的波动性和不稳定因素，在常规控制系统中，串级控制系统对改善控制品质有独到之处。因而应用很广泛。常规串级控制系统，主、副回路均采用PID控制，特殊的系统主控制器采用模糊控制器，副控制器采用PID控制器。经过试验我们在流量系统中，主副回路均采用模糊控制器。实际表明我们的方法是可行的。控制精度高，执行机构动作减少，达到了预期效果。
在AD转换过程中，选用模拟输入软件滤波器，滤波值是模拟量输入设定个数的采样值和平均值。滤波器参数（采样次数和死区）对允许滤波的所有模拟量输入是相同的，滤波器具有快速响应的特点，可以反映信号的快速变化，当输入值与平均值的差超过设定的变化时，滤波器对最近的模拟量输入值的变化是一个阶跃函数，这个差称为死区，用模拟量输入的数字信号设定。
检定结果（检定合格证）的生成有两种方式，由PLC驱动打印机或触摸屏驱动打印机，由触摸屏驱动比较直观效果比较好。
由触摸屏输入测量结果，由PLC运算后，显示在触摸屏上，然后由打印机将结果打印出来。
五、结束语
触摸屏和PLC及模糊控制理论在水表检定装置流量控制中的应用，是一种比较新的思维，由于其操作的简易性，控制的可靠性，及运行的稳定性，在同行业极具推广价值。
