基于力控软件的工业流量监控设计.docx
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基于力控软件的工业流量监控设计
摘要
衡量一个自控系统的先进程度，除能完成一定的自动化控制功能外，日常的生产管理功能也是其重要指标之一。
在流程工艺生产中的物料消耗和产量的自动统计就是一个生产管理的基本功能。
我国属于能源缺乏国，精确的自动化监控更加有必要去研究和实行。
通过设置多个采集点，以硬件组态、数据组态、图像组态等功能实现上位机对供水管路的实时检测，为操作人员合理实时调度提供可靠技术保障，实现能源优化配置，提高管路稳定和对事故的预见性、降低了能耗。
该系统运行正常，完全达到设计要求。
力控软件的流量监控设计在成本、开放性、灵活性、功能和界面等方面给企业用
户提供了最佳的控制系统解决方案。
本文介绍了采用力控软件的工业流量控制系统。
硬件用到了：
涡轮式流量计、压力传感器、PLC等。
关键词：
组态软件；硬件链接；流量监控；远程数据采集
1.2系统要求2
1.3系统方框图2
第一章基于力控软件供水流量远程监控系统
1.1系统概述
随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式，对项目来说是费时费力、得不偿失的，同时，MIS（管理信息系统，ManagementInformationSystem）和CIMS（计算机集成制造系统，ComputerIntegratedManufacturingSystem）的大量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。
组态软件作为一种工业信息化的管理工具，其发展方向必然是不断降低工程开发工作量，提高工作效率。
易用性是提高效率永恒的主题，但是提高易用性对于提高开发效率是有限的，亚控科技则率先提出通过复用来提高效率，创造性地开发出模型技术，并将这一技术集成到KingView7.0中。
这一技术能将客户的工程开发周期缩短到原来的30%或更低，将组态软件为客户创造价值的能力提高到了一个新的境界，代表了组态软件的未来。
本系统是由计算机和PLC、流量计等外围设备组成一个计算机控制系统。
计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。
工业控制机硬件指计算机本身及外围设备。
硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。
软件系统是能完成各种功能计算机程序的总和，通常包括系统软件跟应用软件计算机。
把通过测量元件、变送单元和模数转换器送来的数字信号，直接反馈到输入端与设定值进行比较，然后根据要求按偏差进行运算，所得到数字量输出信号经过数模转换器送到执行机构，对被控对象进行控制，使被控变量稳定在设定值上。
该系统的软件选择力控ForceControlV6.0监控组态，力控软件是运行在Windows98/NT/2000/XP操作系统上的监控组态软件，主要包括工程管理器、人机界面、实时数据库DB、I/O驱动程序、控制侧罗生成器以及各种网络服务组件等。
力控ForceControlV6.0监控组态软件在秉承V5.0成熟技术的基础上，对历史数据库、人机界面、I/O驱动调度等主要核心部分进行了大幅提升与改进，重新设计了其中的核心构件，力控6.0开发过程采用了先进软件工程方法：
“测试驱动开发”，使产品的品质得到了充分的保证。
组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，能以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和间洁的使用方法，其预设置的软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持硬件厂家生产的各种计算机和硬件设备，与高可靠性的工控计算机和网络系统结合，可向整个测控系统提供软硬件的全部接口，进行系统集成。
其数据处理流程图如下：
图1-1数据处理流程
1.2系统要求
该系统要求供水过程中采集流量、水压等关键数据，以确保水泵。
压力阀等设备的正确运转。
具体的功能需求如下：
1.能及时、准确、可靠地反映水塔供水系统主要设备的运行情况。
2.能保证调度人员有效地对供水设施进行调度管理。
3.通过系统运行，发现和寻找供水系统中布局不合理的部分，提出改进意见、
确定合理、经济的给水流量。
4.简历各类信息数据库，为合理、经济地调度累积数据。
1.3系统方框图
在各个检测点安装压力变送器，流量计，调度阀等设备。
该系统主界面如图所示：
图1-2系统主页面
上图为水位控制系统，水塔的供水由三个水泵提供，其中水泵1和水泵2为常用水泵，水泵3为备用水泵。
通常白天由两台水泵同时供水，晚上0：
00以后到白天6：
00用水低峰期，只开启备用水泵，这样既可以减少能耗、延长极其使用寿命，也方便对设备进行定期检修和维护。
水塔的供水方式是由水泵抽取地下水至水塔水箱，经过沉淀、过滤、消毒等处理后，流至水箱。
图3-2中的两个阀门可以自由调动其开度，从而控制了水箱中的出水压力和流量。
在系统默认的情况下，各阀门的开度均为50%。
操作员可以根据实际情况及时调节，加大或减小阀门开度，尽量合理利用水资源。
用流量计检测管内水流量，当流量大于设定值时，减小阀门的开度；流量太小时可以加大开度。
第2章设备的选型及使用方法
2.1流量测量
2.1.1流量测量的概述
流量测量在工业测量中占有突出的地位，这是因为流量测量不仅对生产过程的控制起着关键的作用，而且在商业交易上也充当着重要角色。
流量测量的应用范围随着人们活动领域的扩大，测量领域也越来越广泛，涉及节约能源、成本核算、贸易往来和医疗等方面。
工业技术的高速发展，要求流量测量的精度也更高。
测量的流体也日趋多样化，如测量对象有气体、液体、混合流体，测量条件有从高温到极低温的温度范围、从高压到低压的压力范围。
目前流量测量极其复杂多样，用传统的流量测量方法根本不能完成所有流量的测量。
为此，要根据测量目的、被测量的流体种类和流动状态、测量场所等测量条件，研究各种新型的测量方法，不断推出新型流量计。
随着高新技术革命，开辟了研制新型流量计的广阔天地。
而且已经有了惊人的发展，出现了诸如：
科里奥利质量流量计、新型超声波流量计、新型电磁流量计等一些很有发展前景的、融入高科技的流量计。
同时，各种流量计显示仪表已实现微机化、智能化，具有自动补偿、多路测量、数据处理、打印输出、图像显示等多种功能。
流量测量的关键在于仪表的正确选型和使用。
因此，必须了解流量计的工作原理、结构性能以及被测介质的特性、流动状态、管路情况以及生产工艺过程对仪表的要求，从而选择合适的仪表。
其次，对仪表还必须使用得当和加强日常维护管理，才能取得满意的效果。
安装不良、操作不当、维护管理不善往往导致仪表丧失精度或早期损坏，给生产造成损失，这在实际工作中屡见不鲜。
2.1.2流量测量的特点
★测量与平均流速成正比，而平均流速与流体的流动状态—横截面上的流速分布有关。
而流速分布与管内径、管内壁形状与粗糙度、流速大小、流体粘度、上游来流的流速分布有关。
★由于被测介质处于流动状态，而且介质的物理化学性质繁杂多样，任何接触介质的检测元件都会遇到腐蚀、磨损、污染、堵塞等问题，有的虽然可以精确灵敏地检测流速，流量的变化，但可能被前面叙述的四个问题破坏失效，而非接触测量法在灵敏度和精确度方面上存在一定问题
★由于流体本身物质的复杂、流动状态的多样性，现场条件，管路条件的复杂性，使得一种性能优越的流量计并不一定能在现场很好发挥作用，所以正确选用流量计是非常重要的。
★流量测量还存在疑难问题，如非牛顿流体、脉动流、非定常流、蠕动流、多相流、高温流体的流量测量。
2.2流量计
2.2.1流量计的简介
流量计是用以测量管路中流体流量（单位时间内通过的流体体积）的仪表。
流量测量是研究物质量变的科学，质量互变规律是事物联系发展的基本规律，因此其测量对象已不限于传统意义上的管道液体，凡需掌握量变的地方都有流量测量的问题。
流量和压力、温度并列为三大检测参数。
对于一定的流体，只要知道这三个参数就可计算其具有的能量，在能量转换的测量中必须检测此三个参数。
能量转换是一切生产过程和科学实验的基础，因此流量和压力、温度仪表一样得到最广泛的应用。
2.2.2流量计的分类
用以测量管路中流体流量（单位时间内通过的流体体积）的仪表。
有转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计和堰等。
流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多。
至今为止,可供工业用的流量仪表种类达60种之多。
品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。
这60多种流量仪表,每种产品都有它特定的适用性,也都有它的局限性。
按测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类;按测量目的又可分为总量测量和流量测量,其仪表分别称作总量表和流量计。
总量表测量一段时间内流过管道的流量,是以短暂时间内流过的总量除以该时间的商来表示,实际上流量计通常亦备有累积流量装置,做总量表使用,而总量表亦备有流量发讯装置。
因此,以严格意义来分流量计和总量表已无实际意义。
按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。
按照目前最流行、最广泛的分类法,即分为:
容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计、探针式流量计，来分别阐述各种流量计的原理、特点、应用概况及国内外的发展情况。
本文着重介绍了涡轮流量计。
2.2.3流量计的应用领域
1、工业生产过程
流量仪表是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一，它被广泛适用于冶金、电力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、轻纺、食品、医药、农业、环境保护及人民日常生活等国民经济各个领域，是发展工农业生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具在国民经济中占有重要的地位。
在过程自动化仪表与装置中，流量仪表有两大功用：
作为过程自动化控制系统的检测仪表和测量物料数量的总量表。
2、能源计量
能源分为一次能源（煤炭、原油、煤层气、石油气和天然气）、二次能源（电力、焦炭、人工燃气、成品油、液化石油气、蒸汽）及载能工质（压缩空气、氧、氮、氢、水）等。
能源计量是科学管理能源，实现节能降耗，提高经济效益的重要手段。
流量仪表是能源计量仪表的重要组成部分，水、人工燃气、天然气、蒸汽和油品这些常用的能源都使用着数量极其庞大的流量计它们是能源管理和经济核算不可缺少的工具。
3、环境保护工程
烟气，废液、污水等的排放严重污染大气和水资源，严重威胁人类生存环境。
国家把可持续发展列为国策，环境保护将是21世纪的最大课题。
空气和水的污染要得到控制，必须加强管理，而管理的基础是污染量的定量控制。
4、交通运输
有五种方式：
铁路公路、航空、水运、和管道运输。
其中管道运输虽早已有之，但应用并不普遍。
随着环保问题的突出，管道运输的特点引起人们的重视。
管道运输必须装备流量计，它是控制、分配和调度的眼睛，亦是安全监没和经济核算的必备工具。
5、生物技术
21世纪将迎来生命科学的世纪，以生物技术为特征的产业将获得迅速发展。
生物技术中需监测计量的物质很多，如血液，尿液等。
仪表开发的难度极大，品种繁多。
6、科学实验
科学实验需要的流量计不但数量多，且品种极其繁杂。
据统计流量计100多种中很大一部分是应科研之需用的，它们并不批量生产，在市面出售，许多科研机构和大企业皆设专门小组研制专用的流量计。
7、海洋气象，江河湖泊
这些领域为敞开流道，一般需检测流速，然后推算流量。
流速计和流量计所依据的物理原理及流体力学基础是共通的但是仪表原理及结构以及使用条件有很大差别。
2.2.4涡轮式流量计
涡轮式流量计是一种应用很广泛的速度式流量计。
涡轮式流量计利用悬置于流体中带叶片的轮子或叶轮感受流体的平均速度而推导出被侧流体的瞬时流量和累积流量，从而实现流量测量的目的。
转子的旋转运动可用机械、磁感应、光电方式检出并
由读出装置进行显示和记录。
仪表主要包括传感器和显示仪两部分。
据说美国早在1886年发布过第一个涡轮流量计的专利，但是直至二战后喷气发动机和液体喷气燃料急需一种高精度、快速相应的流量计才获得真正的工业应用。
如今，它已在石油、化工、科研、国防、计量量值传递各部门中获得广泛的应用。
其外
观图如下：
图2-1涡轮式流量计
2.2.5涡轮式流量计的工作原理
涡轮式流量计是以动量守恒为基础的，流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的旋转速度随着流量的变化而变化，最后从涡轮的转数求出流量值，如下图，通过磁电转换装置将涡轮转数变换成电脉冲，经前置放大，送入二次仪表进行计数和显示，由单位时间的脉冲数和累计脉冲数反映出瞬时流量和累积流量。
图2-2涡轮流量计的基本组成
TUF的实用流量方程为
qv=f/K（7.1）
qm=qvρ（7.2）
式中qv,qm－分别为体积流量，m3/s，
质量流量，kg/s；
f－流量计输出信号的频率，Hz；
K－流量计的仪表系数，P/m3。
2.2.6涡轮流量计的特点
优点:
高精度,在所有流量计中,属于最精确的流量计;
重复性好;
元零点漂移,抗干扰能力好;
范围度宽;
结构紧凑。
缺点:
不能长期保持校准特性;
流体物性对流量特性有较大影响。
2.3PLC的介绍
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
外观图如下
图2-3PLC的外观图
2.3.1PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1、输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2、用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
3、输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
2.3.2PLC的应用领域
PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
☆开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
☆模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
☆运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
☆过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
☆数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
☆通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
2.3.3莫迪康PLC简介
莫迪康PLC主要特点
①结构灵活
不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率，在移动性方面可与WLAN媲美。
②传输质量高、速度快、带宽稳定
可以很平顺的在线观赏DVD影片，它所提供的14Mbps带宽可以为很多应用平台提供保证。
最新的电力线标准HomePlugAV传输速度已经达到了200Mbps；为了确保QoS，HomePlugAV采用了时分多路访问（TDMA）与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问（CSMA）协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。
③范围广
无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。
虽然无线网络可以做到不破墙，但对于高层建筑来说，其必需布设N多个AP才能满足需求，而且同样不能避面信号盲区的存在。
而电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。
由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一处有电力线的地方。
这一技术一旦全面进入商业化阶段，将给互联网普及带来极大的发展空间。
终端用户只需要插上电力猫，就可以实现因特网接入，电视频道接收节目，打电话或者是可视电话。
④低成本
充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，节约了资源。
无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏，同时也节省了人力。
相对传统的组网技术，PLC成本更低，工期短，可扩展性和可管理性更强。
⑤适用面广
PLC作为利用电力线组网的一种接入技术，提供宽带网络“最后一公里”的解决方案，广泛适用于居民小区，酒店，办公区，监控安防等领域。
它是利用电力线作为通信载体，使得PLC具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，不用拨号，就立即可享受4.5~45Mbps的高速网络接入，来浏览网页﹑拨打电话，和观看在线电影，从而实现集数据、语音、视频，以及电力于一体的“四网合一”。
2.3.4PLC接线图
图2-4PLC接线结构示意图
系统采用三菱FX系列可编程控制器（PLC）作为下位机，该系列PLC其内置有以太网口、PID控制器、高速计数器、高速输出、I/O端子排容易拆卸，具有可靠性高、抗干扰能力强、模块化、通信组网灵活、性价比高等特点。
CS/CJ系列PLC可用梯形
图、语句表和功能块图3种语言编程，它指令丰富，功能强大，易于掌握内置平均值滤波模块操作方便。
2.4电容式压力变送器
2.4.1电容式压力变送器的简介
图2-5电容式压力变送器
电容式压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两种压力室，作用在元件的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。
电容式压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。
当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。
电容式压力变送器和电容式绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。
电容式压力变送器的A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号，其值被微处理器用来判定输入压力值。
微处理器控制变送器的工作。
另外，它进行传感器线性化。
重置测量范围。
工程单位换算、阻尼、开方，，传感器微调等运算，以及诊断和数字通信。
2.4.2电容式压力变送器的特点
特点:
数字精度：
+（-）0.075%
稳定性：
0.075%60个月
量程比：
100：
1
测量速率：
0.2S
小型化（2.4kg）全不锈钢法兰，易于安装
过程连接与其它产品兼容，实现最佳测量
世界上唯一采用H合金护套的传感器（专利技术），实现了优良的冷、热稳定性
采用16位计算机的智能变送器
标准4~20mA，带有基于HART协议的数字信号，远程操控
支持向现场总线与基于现场控制的技术的升级。
2.4.3电容式压力变送器的工作原理
图2-6电容式压力变送器测量部分结构
如上图电容式变送器测量部分的结构图，其作用是两个固定极板之间插入一个可动极板，当可动极板位移变化时，造成两个电容一个增大另一个减小。
压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。
当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比再经过转化放大部分将电容量变化转换放到成4-20mA的直流电流。
图2-7电容式压力变送器原理方框图
第三章力控组态设计
本章内容主要讲了力控组态软件的一些设置，主要包括人机界面设计、I/O设备的建立、数据库变量与I/O设备的连接、力控的画面绘制及与变量的连接。
3.1I/O设备和数据库变量连接
3.1.1I/O设备连接
建立I/O设备，首先建立I/O设备的操作。
回到窗口界面双击“IO设备组态”弹出IoManager，选择短信模再选择GSMMODEM，双击进入设置模块，设置完成后再选择PLC并双击，在列表中选择（莫迪康）中的MODBUS（RTU）作为通信。
两个设备选择所要用的串口并设置，点击“设置”，波特率：
9600，数据位：
8，奇偶校验：
无，停止位：
1
图3-1I/O设备的连接
3.1.2数据库变量连接
累计点，输入值为模拟量,除了I/O模拟点的功能外，还可对输入量按时间进行累计。
累计点的组态对话框共有3页：
“基本参数”、“数据连接”和“历史参数”。
1.基本参数
累计点的基本参数页中的各项用来定义累
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