自动化仪表自控校准研究论文
自动化仪表自控校准研究论文 编者按：本论文主要从自动化检测仪表是自控系统中关键的子系统之一；自动化检测仪表在污水处理中的应用；
自动化检测仪表在压力表校准方面的应 用；
自动化测试系统的设计挑战等进行讲述，包括了超声波液位计、液位差计、 流量计、溶解氧计、氧化还原电位计、污泥浓度计、电磁流量计、气体流量计、 在线校准预期等，具体资料请见：
随着现代科技进步,自动化得到了越来越广泛的应用,自动化水平已成为衡 量各行各业现代化水平的一个重要标志。为了保证生产过程安全、可靠的运行, 要随时对生产过程中使用的仪表进行维护和校准。传统的将生产过程中使用的仪 表拿回实验室进行校准的方法已不能满足生产的要求,取而代之的是在现场直接 对仪表进行校准。
影响设备精度的一大重要因素就是工作温度,因此,系统的冷却和散热就显 得尤为的重要,良好的冷却效果不仅能够保证机箱和其中模块的稳定工作,更能提 升相应板卡和电源的平均故障时间间隔(MTBF)参数。一些专业的测量总线标准, 如PXI总线,在冷却和散热方面进行了严格的规范,包括对机箱中散热气流方向的 定义、以槽为单位进行散热等确保系统在正常的工作温度下完成测量任务。
自动化检测仪表是自控系统中关键的子系统之一。一般的自动化检测仪表 主要由三个部分组成:①传感器,利用各种信号检测被测模拟量;②变送器,将传感 器所测量的模拟信号转变为4～20mA的电流信号,并送到可编程序控制器(PLC) 中;③显示器,将测量结果直观地显示出来,提供结果。这三个部分有机地结合在一 起,缺少其中的任何一部分,则不能称为完整的仪表。自动化检测仪表以其测量精 确、显示清晰、操作简单等特点,在工业生产中得到了广泛的应用,而且自动化检 测仪表内部具有与微机的接口,更是自动化控制系统中重要的部分,被称为自动化 控制系统的眼睛。
校准的一般步骤是:预热仪器(包括被校仪器以及标准源);设置仪器的状态, 进行测量记录数据;数据结果判定并给出结论;自动形成校准证书和原始记录。
自动化校准系统的具体实现过程首先,标准源和数字多用表按照要求开机 预热,连接硬件设备(GPIB卡、488电缆等),硬件连接完成后,启动计算机,搜寻整个 测试系统的物理地址分配情况,根据搜索到的各个仪器地址,在校准软件运行时, 设置正确的地址配置。①初始化设置模块。双击相应的自动化校准程序图标,系统启动,进入测试系统主界面,主界面的风格以简捷实用为主,左侧是各功能按钮。
首先进入的是初始化设置模块。初始化模块要设置被测试设备的校准项目,设置 被校仪器和标准源的GPIB地址,选择是否是首次测试,此功能的目的是为了保存 测量的数据,防止意外发生使测量数据丢失,需要重新进行测试。选择中英文语言, 选择校准、检定,选择被测试设备的名称。初始化设置就完成了。②数据采集动 态显示模块。该模块的主要功能包括:初始化仪器、设置仪器的状态、测量数值、 数据位数控制、动态显示数据、数据结果判定、数据保存等。自动化数据采集过 程是完全模拟人工测量过程进行测量的。仪器的初始化配置以及量程、显示位数、 精度、采样数率、采样时间、测量值、功能选择等模块从NI网站上下载,程序员 也可以根据仪器编程说明书提供的SCPI语言命令编写相应的模块。本模块中的数 据显示位数、数据量程、上下限等都是根据测试计量对仪器的要求而自动生成的, 数据结果判定也是自动完成的。程序把那些不合格的数据用红色的字体显示,使 计量员在测量结束后容易发现这些数据不合格。数据采集动态显示模块的前面板。
③证书和原始记录生成模块。自动生成证书和原始记录,给计量员的工作带来极 大的便利,而且消除了人为操作易产生的出错,解放了劳动力。计量员只需在证书 生成模块的前面板输入相关的仪器信息和校准信息,校准项目,选择相应的证书摸 板,程序即可自动生成相应的校准证书和原始记录。证书模块的前面板。
1自动化检测仪表在污水处理中的应用 随着科学技术的发展,自动化检测技术也得到了很大的发展,自动化检测仪 表在污水处理中也得到广泛的应用,使污水处理厂不仅节约了大量的人力、物力, 更重要的是可以及时对工艺进行调整。
南宁市琅东污水处理厂工程1993年底立项,1997年11月27日正式开工建 设;1999年9月28日通水试运行,2000年2月满负荷正常运转。南宁市琅东污水处理 厂,一期工程设计一级污水处理能力24万m3/d,二级污水处理能力10万m3/d。设计 服务范围30.5km2,规划服务人口34.3万人。经过琅东污水处理厂净化后的清洁水, 一部分直接排入竹排冲,一部分用于南湖回灌水,以改善南湖的水污染问题。南宁 市琅东污水处理厂全套引进国外最先进的水处理工艺设备,采用二级生物处理工 艺的传统活性污泥法,并针对南宁市污水水质污染物浓度低的特点,在其核心部分 --曝气的工艺中采用OOC工艺。该工艺具有能耗低、运行费用少、出水水质好、 管理简便、运行稳定等优点。从厂外污水干管收集到琅东污水处理厂的污水,首 先进行预处理。在进水泵房经过粗格栅,去除污水中较大的垃圾、漂浮物;通过5 台大型污水泵将污水提升到细格栅,将较小的漂浮物去除;在曝气沉砂池去除污水中的砂粒和油类;然后进入计量槽,计量污水处理量。预处理后的污水在初沉池进 行一级处理,去除约30%的有机物;初沉池出水进入二级处理,先在生物处理工艺的 核心部分--曝气池,进行生物降解有机物;曝气池的混合液输送到二沉池进行沉淀, 泥水分离。上层澄清液作为净化后的清洁排放水;沉淀下来的污泥一部分回流曝 气池后再生利用,一部分作为剩余污泥回流到初沉池。初沉池的污泥用泵输送到 污泥浓缩池,通过污泥处理系统进一步浓缩,把泥浆态的污泥脱水、压滤,形成干污 泥饼。
1.1超声波液位计、液位差计、流量计 1.1.1格栅运行控制。粗格栅、细格栅各安装了1台超声波液位差计,通过格 栅前后的液位差来反映格栅阻塞程度,并传输到PLC控制器,进行分析计算。当液 位差超过预设的数值,控制格栅运行,清除垃圾,保障正常过水,且合理的减少了设 备磨损。
1.1.2提升泵运行控制。为实现进水提升泵的自动控制,在进水泵井处安装 了2台超声波液位计,用以测量泵井的水位,实时传输到PLC控制器及上位机,进行 系统分析。根据测量值对应控制程序,自动控制提升泵的运行组合。这样可以根 据厂外来水量准确及时地调整泵运行状态,减少设备疲劳;同时可以取消传统泵站 三班倒的人力资源耗费。
1.1.3流量及处理量实时监测。对于污水处理厂的运行管理,水量是一个重 要的控制参数。准确及时地掌握进水量,对工艺控制及提高污水厂抵抗水力负荷 冲击能力有重要作用。传统的水量测量采用堰板或文丘里流量槽等,都存在着不 能实时监测、实时显示的缺点。琅东污水处理厂计量槽采用超声波流量计结合文 丘里槽,能在现场和上位机实时显示流量及累计处理量,达到了准确计量处理水量, 以及为运行管理提供实时流量的目的。
1.2溶解氧计、氧化还原电位计、污泥浓度计 1.2.1曝气池溶解氧控制。南宁市琅东污水处理厂采用的是传统活性污泥法 的OOC改良工艺在4个圆型曝气池内圈好氧区,分别安装了测量范围是0.05～ 10mg/L的溶解氧计,实时监控溶解氧浓度,传输到PLC及上位机。当实测浓度小于 设定浓度时,自动控制系统启动鼓风机,给曝气池充氧;相反地,当氧气充足时,就会 停止运行鼓风机。通过溶解氧计控制鼓风机可以精确地根据好氧菌群对溶解氧的 需求控制鼓风机的启动和停止,在保证了菌群良好生化能力的同时节约了能耗,保护了设备,增强了好氧菌群的分解能力。
1.2.2曝气池好氧段与缺氧段的控制。在每个曝气池的外圈的好氧区与缺氧 区的临界面都安装了测量范围是-500～500mV的氧化还原电位计,通过测量的氧 化还原电位可以控制鼓风机的高速运行,给外圈供氧,形成强好氧曝气阶段和缺氧 阶段的交替,进而提高处理工艺中除磷脱氮的能力。如果没有安装氧化还原电位 计。那么鼓风机的运行只能通过时间控制,这样一来就会明显降低除磷脱氮的效 果。
1.2.3曝气池污泥浓度控制。曝气池的污泥浓度是一个重要工艺参数。在传 统的污水处理厂,污泥浓度依靠实验室使用旧的试验方法进行监测,在数据提供的 及时性和精确性上,存在很大的缺陷。难以及时进行回流污泥和剩余污泥量的工 艺调整,就造成时间上和准确度上的误差。南宁市琅东污水处理厂在每个曝气池 上都安装了一个测量范围是为0.5～10g/L在线污泥浓度测量计,很好地解决了这 个问题。安装污泥浓度计可以随时根据精确测量的污泥浓度,适时地调整曝气池 的工艺,同时减轻了实验室工作人员的劳动强度。
1.3电磁流量计、气体流量计: 在回流污泥管道和剩余污泥管道中南宁市琅东污水处理厂安装了5台测量 范围是0～1200m3/h的电磁流量计测量回流污泥和剩余污泥的流量。安装流量计 后,值班人员可以根据显示的流量是否正确,从而判断回流污泥泵和剩余污泥泵工 作是否正常,解决了潜水泵无法简单判断工作是否正常的难题,而且电磁流量计还 具有安装方便,维护简单的特点。
鼓风机与曝气池间的空气管道上直接安装的4台测量范围0～4000m3/h(标 准状况)的气体流量计。气体流量计的安装可以使值班人员随时了解鼓风机向曝 气池提供气体的量。
1.4经验 1.4.1保持自动化检测仪表传感器的清洁。定期专人清洗探头,保证数据采 集准确性。因为仪表在污水环境中工作,所以仪表的清洁工作就显得尤为重要,特 别是直接与污水接触的溶解氧计、氧化还原电位计及污泥浓度测量计等分析仪表, 为了保证仪表的正常工作,我们定期由专人清洗,每7天就全面清洗1次仪表,清洗 时要求使用柔软的材料,以免损坏仪表。1.4.2定期校正各种仪表。仪表在长期运行过程中难免会产生测量误差,这 就需要定期校正,以保证仪表测量的准确性,对分析仪表我们制订了每两月定期校 正1次;而且要求实验室工作人员利用分析方法分析对应的检测项目,并与现场仪 表监测结果比较,如果偏差太大,那么应适时对仪表进行校正,确保准确。
1.4.3保证仪表供电电压的稳定性,延长仪表的使用寿命。瞬间的高电压冲 击往往使仪表很容易烧坏。南宁市琅东污水处理厂运行过程中,就发生了多次因 供电电压不稳定,而使超声波液位差计和超声波液位计的变送器损坏,从而影响了 自控系统的正常工作的情况。南宁市琅东污水处理厂正进行技术改造避免供电电 压不稳定对仪表造成的损坏,降低运行成本,提高经济效益。
2自动化检测仪表在压力表校准方面的应用 特大型冶金制造企业各工序都是连续性衔接作业,往往造成许多现场压力 仪表虽到检定周期,却由于不能停产也就不能从作业。压力仪表的工作原理是弹 簧管在压力或真空作用下产生弹性变形引起管端位移,其位移通过机械传动机构 进行放大后再传递给指示装置,可在刻有法定计量单位的分度盘上读出指针所指 示的被测压力值或真空量值。
2.1在线校准预期 (1)目的:实施在线校准适应生产流程计量需求,降低外送检费用。
(2)校准仪表范围:本企业现场在用压力仪表。
(3)校准范围:0~100MPa (4)校准对比准确度:1.5%~1.6% (5)预期目标:实现在线压力仪表的受控、有效。
(6)校准方案种类:a.理想型校准比对;b.实用型校准比对。
2.2材料准备 (1)专用管道打孔器 (2)符合现场压力仪表准确度及量程的数块相应受控有效标准表。(3)校准比对记录。
2.3在线校准比对方案 A.实用型对压力仪表的校准比对 (1)在同一管道上:在距拟被校准的现场压力仪表的适当范围内,用专用管 道打孔器引出导压管路,在导压管路中间安置一截止阀(截止阀处于关闭状态),截 止阀后的接口处安装压力变送器与拟被校准仪表同规格的受控有效标准压力表。
(2)缓慢开启截止阀至全开,待管道内流体介质充分进入标准表内数分钟后, 分别读取两块表的指示值。
(3)填写校准比对记录。
B.理想型对压力仪表的校准比对 自制一台流动简易“压力校验台”。
(1)在流体介质管道上,关闭在用(即拟被校准)的现场压力仪表的“截止阀 1”(该截止阀处于关闭状态)。
(2)在截止阀后适当延长导压管路。
(3)在延长导压管路上安装一只三通。
(4)三通的直管口的接口处安装在用的指示为零的压力仪表。
(5)三通的丁字管口的接口处新安装“截止阀2”(该截止阀也处于关闭状态)。
(6)在“截止阀2”后接压力“专用校验管”至简易流动“压力校验台”上预置的 “专用校验管接口”。
(7)“压力校验台”上还预置有受控、有效的相应型号规格的标准压力表。
(8)检查无遗漏后,逐一缓慢开启截止阀1、截止阀2至全开;数分钟后,分别读 取两块表的指示值。
(9)填写校准比对记录。2.4经验: 认真做好巡回检查工作仪表工一般都有自己所辖仪表的巡检范围,根据所 辖仪表分布情况,选定最佳巡检路线,每天至少巡检两次。巡回检查时,要关闭气源, 并松开过滤器减压阀接头。拆卸环室孔板时,注意孔板方向,一是检查以前是否有 装反,二是为了再安装时正确。由于直管段的要求,工艺管道支架可能少,要防止工 艺管道一端下沉,给安装孔板环室带来困难。拆卸的仪表其位号要放在明显处,安 装时对号入座,防止同类仪表由于量程不同安装混淆,造成仪表故障;带有联锁的 仪表,切换置手动然后再拆卸;仪表一次开车成功或开车顺利,说明仪表检修质量 高,开车准备工作做得好。反之,仪表工就会在工艺开车过程中手忙脚乱,有的难以 应付,甚至直接影响工艺生产。
3建议 3.1发展趋势 (1)结构日趋简洁,从当前发展最快的3种流量仪表(电磁、超声、科氏)来看, 机械结构都十分简洁,管道内既无转动件,又无节流件。
(2)功能力求完善,随着微电子、计算机、通信技术的飞速发展,流量仪表的 功能日益完善、多样,不少机械部分难以解决的问题,依靠电子软件则迎刃而解, 如Krohne的智能电磁流量计,不少超声流量计不仅可测流量,还可测流体密度、组 分、热能等等。
(3)安装日益简便,工业自动化程度越高,用户越欢迎采用安装维护简便的 产品,这也是插入式,外夹式仪表日益畅销的原因。
3.2国产化刻不容缓: 据了解,我国近年来进口仪器仪表约130亿美元,出口约30亿美元(多为低附 加值的电工仪表、家用水表、气表),国内大型工程选用国外仪表占2/3,而其价格为 国产5~10倍,我国大型流量仪表企业主要依靠国外技术,缺乏拥有自主知识产权意 识,创新乏力;自动化仪表国产化刻不容缓! 3.3品种多,选用要实事求是: 流量仪表品种、类型较多,正确选用并非易事,建议:(1)不要轻信厂商宣传,厂商为利所图,往往对仪表的技术指标夸大其词,选 用时要理性分析这些参数的依据,有无检验证明。
(2)按需选取,勿追求高指标,如不是用于商务计量,贸易核算,准确度要求可 以降低,如工控系统的某些场合,检测、监控仪表的重复性、可靠性好就可以了。
(3)全面考虑经济指标,仪表的经济性并非限于一次购买费用,还要考虑安 装维修(停产损失),是否节能(长期运行费)等因素。
4自动化测试系统的设计挑战 测试管理人员和工程师们为了保证交付到客户手中的产品质量和可靠性, 在各种应用领域(从设计验证,经终端产品测试,到设备维修诊断)都采用自动化测 试系统。他们使用自动测试系统执行简单的“通过”或“失败”测试,或者通过它执行 一整套的产品特性测试。由于设计周期后期产品瑕疵检测的成本呈上升趋势,自 动化测试系统迅速地成为产品开发流程中一个重要的部分。这篇“设计下一代自 动化测试”的文章描述了一些迫使工程团队减少测试成本和时间的挑战。这篇文 章还深刻地洞察了测试管理人员和工程师们如何通过建立模块化软件定义型测 试系统来克服这些挑战。这种测试系统在减少总体成本的同时,显著地增加了测 试系统的吞吐量和灵活性。
如今的测试工程师们面临着一系列新的压力。他们所面临的产品设计比前 几代更为复杂;为了保持竞争力并满足客户要求,开发周期要求越来越短;产品测 试成本越来越高,而预算越来越少。
4.1不断提高的设计复杂性:如今,测试测量的最明显趋势是器件复杂性不 断增加。例如,消费电子、通信和半导体工业持续要求将数字图象/视频、高保真 音频、无线通信和因特网互联性集成到一个单独产品中。甚至在汽车中都集成了 复杂的汽车娱乐和信息系统、安全和早期预警系统,以及车身和发动机上的控制 电子装备。测试系统的设计不仅需要足够灵活地支持对不同产品模型进行广泛的 测试,还需要能够进行升级以提供新测试功能所需的更多测试点。
4.2更短的产品开发周期: 由于希望不断提高新产品和技术,拥有市场第一个占有率的竞争天性,设计 和测试工程团队只能不断的缩短产品开发周期。总之,只有设计出新的测试策略来减少测试时间,并提高从设计到生产的测 试效率,才能更好的为企业服务,自动化仪表才能发挥更大的效能。