引言

         在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，如石油化工、國(guó)防、儲(chǔ)運(yùn)等，液位儀表都已經(jīng)被廣泛使用。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種不同檢測(cè)原理的新型液位測(cè)量?jī)x表層出不窮，這就要求我們?cè)趯?shí)際使用過(guò)程中統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但直至今日國(guó)際上也沒(méi)有明確的統(tǒng)一計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)校準(zhǔn)在這種情況下就體現(xiàn)巨大的意義。在我國(guó)油罐大型化已經(jīng)成為普遍趨勢(shì)，這就迫使我們對(duì)傳統(tǒng)的檢測(cè)計(jì)量手段進(jìn)行改進(jìn)，在保證安全可靠的前提下，盡可能的提高檢測(cè)精度。

 

         對(duì)于大型油罐的儲(chǔ)油設(shè)施，一般都對(duì)儀器儀表有較高的要求，任何一點(diǎn)微小的誤差都可能對(duì)zui終的測(cè)量結(jié)果帶來(lái)系統(tǒng)性影響，輕則影響結(jié)算的經(jīng)濟(jì)效益，重則帶來(lái)安全隱患。因此在建的或已建成的油罐儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施都要進(jìn)行現(xiàn)代化改造提高測(cè)量精度，這就要求我們必須建立標(biāo)準(zhǔn)的液位檢測(cè)裝置以保證測(cè)量精度。液位檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)測(cè)量精度的要求非常高，其中自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)更是液位檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)裝置的核心，自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接影響了裝置的測(cè)量精度，這就要對(duì)于高標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)測(cè)量?jī)x器必須設(shè)計(jì)一個(gè)有可靠精度的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)方案。 

 

1 儀表測(cè)量誤差分析

         在我國(guó)石化系統(tǒng)中，液位計(jì)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，如在撫順石化二廠大量反應(yīng)罐、過(guò)程罐、成品罐均已采用遠(yuǎn)傳或現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)并且種類(lèi)繁多［1－2］，磁性浮子液位計(jì)、超聲波液位計(jì)，雷達(dá)液位計(jì)，單法蘭/雙法蘭液位計(jì)、浮筒浮球等多個(gè)種類(lèi)的液位計(jì)。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明液位計(jì)在使用的過(guò)程中測(cè)量精度不僅與儀表本身的技術(shù)狀態(tài)有關(guān)也取決于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的安裝施工。傳統(tǒng)的方式儀表的安裝與調(diào)試由施工和儀表廠家分別完成，這在實(shí)際施工或老廠區(qū)改造的過(guò)程中就不可避免的要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)儀表校對(duì)工作，由于儀表種類(lèi)繁多實(shí)際應(yīng)用中又無(wú)統(tǒng)一的校驗(yàn)方式現(xiàn)場(chǎng)一般根據(jù)儀表廠家經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)運(yùn)行設(shè)備比照校驗(yàn)，必然影響到儀表精度從而造成較大的二次誤差。本文采用軟硬件相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，解決零點(diǎn)校準(zhǔn)的精度問(wèn)題。在可靠獲得零點(diǎn)位置的基礎(chǔ)上，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化儀表檢測(cè)的高精度、高智能的特點(diǎn)，才能使液位檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)裝置達(dá)到更好的工作狀態(tài)，結(jié)合現(xiàn)代智能算法達(dá)到zui好的效果。在設(shè)計(jì)本方案的時(shí)候參考了已有的校準(zhǔn)方案，采用與軟件算法相結(jié)合的方法來(lái)設(shè)計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)。采用扭矩限制器和基于傳感器單片機(jī)控制結(jié)合的來(lái)進(jìn)行零點(diǎn)的校準(zhǔn)［3］。 2 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

 

2. 1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能分析

         在現(xiàn)代自動(dòng)測(cè)量?jī)x表要使其在工作的過(guò)程中保證必要的精度，必須在使用前進(jìn)行校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)系統(tǒng)由控制、驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、數(shù)據(jù)采集四個(gè)子系統(tǒng)組成。如圖 1 所示，該裝置硬件包括電機(jī)、減速器、電磁離合器、扭矩限制器、卷筒、拉力傳感器、接近開(kāi)關(guān)、上基準(zhǔn)板、控制系統(tǒng)硬件組成。

2. 2 各部分功能分析

         采用雙頻激光干涉儀作為距離計(jì)量?jī)x器，利用光線衍射原理使其可以達(dá)到極高的計(jì)量精度［4－5］。通過(guò)浮子上安裝的光反射器就可以用來(lái)檢測(cè)浮子與罐頂上基準(zhǔn)板的相對(duì)位置，從而測(cè)定浮子在罐中的準(zhǔn)確位置，通過(guò)比較液位儀表的即時(shí)結(jié)果，即可對(duì)所采用的液位儀表進(jìn)行準(zhǔn)確的校準(zhǔn)?？紤]到雙頻激光干涉儀本身的抗干擾能力強(qiáng)，配合托盤(pán)與拉力傳感器等上浮裝置可以達(dá)到較高的精度，故選擇其作為檢測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)的標(biāo)定儀器。電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，卷筒正向轉(zhuǎn)動(dòng)，收縮拉繩，帶動(dòng)浮子底部的托盤(pán)向上運(yùn)動(dòng)，使浮子上升。當(dāng)浮子上升至罐頂，觸碰到上基準(zhǔn)板，電磁離合器將減速器和卷筒分開(kāi)，裝置停止運(yùn)行，此時(shí)浮子所在位置為零點(diǎn)。反轉(zhuǎn)時(shí)，卷筒隨之反轉(zhuǎn)，浮子緩慢下降。當(dāng)浮子下方的托盤(pán)降至罐底時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行液位測(cè)量。 

 

3 系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與軟件算法

         系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速直接影響著校準(zhǔn)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性在本系統(tǒng)中減速器與卷筒間接相連由傳動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的初速度與卷筒直徑分別設(shè)定為 v = 0. 05m/s 和 d = 70mm 再根據(jù)在廠家“輸出扭矩表”，即可算得傳動(dòng)比，如表 1 所示。

         方案設(shè)計(jì)時(shí)采用了軟硬件結(jié)合的方法，因此傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)在很大程度上也會(huì)對(duì)精度結(jié)果產(chǎn)生影響［6－7］。 3. 1 系統(tǒng)工作原理

零點(diǎn)校準(zhǔn)的過(guò)程:當(dāng)浮子開(kāi)始上升嵌入式 CPU隨之開(kāi)始工作以確保電機(jī)的速度可控，并實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)整電機(jī)速度，浮子上升到與基準(zhǔn)板接觸時(shí)，內(nèi)部控制 CUP 接收到由傳感器所發(fā)出的信號(hào)控制電機(jī)緩慢旋轉(zhuǎn)至拉力預(yù)值，此時(shí)由電機(jī)下達(dá)分離信號(hào)使電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)分離，達(dá)到零點(diǎn)校準(zhǔn)的目的。在這個(gè)過(guò)程中嵌入式 CPU 將通過(guò)內(nèi)部運(yùn)算，實(shí)時(shí)處理傳入的信息并實(shí)時(shí)的顯示拉力值。

 

         在浮子運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中，扭矩限制器與拉力傳感器同時(shí)工作。作用在卷筒上的力矩隨卷筒本身的上下運(yùn)動(dòng)而發(fā)生實(shí)時(shí)變化。當(dāng)扭矩值根據(jù)控制器設(shè)定到達(dá)動(dòng)作預(yù)值時(shí)，扭矩限制器動(dòng)作，將傳動(dòng)裝置電機(jī)與本系統(tǒng)脫離從而保證運(yùn)行中的浮子穩(wěn)定可靠的停留在預(yù)定位置。

 

         在零點(diǎn)校準(zhǔn)過(guò)程中，預(yù)防扭矩限制器也可能發(fā)生故障，為了有效避免由于該機(jī)構(gòu)的故障而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，或校準(zhǔn)失敗還需要設(shè)計(jì)另一套保護(hù)機(jī)構(gòu)，利用接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)浮子與上基準(zhǔn)板接觸到達(dá)一定程度時(shí)，近接開(kāi)關(guān)控制電磁離合器斷開(kāi)，啟動(dòng)二重過(guò)載保護(hù)。

 

 3. 2 電機(jī)調(diào)速控制

         自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)zui后的執(zhí)行部分是由小型電機(jī)來(lái)完成的，對(duì)電機(jī)調(diào)速控制的精確程度在很大程度上直接影響到測(cè)量?jī)x表的使用精度。

 

         以往對(duì)電機(jī)的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，普遍應(yīng)用 PID 算法來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以 PID 作為電機(jī)的控制算法的好處是成熟穩(wěn)定、可控性高、控制算法相對(duì)簡(jiǎn)單，這些優(yōu)點(diǎn)使其在工業(yè)控制領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用［8］。但其也有共有的缺點(diǎn)難以克服，從而不能保證獲得相對(duì)較高的精度，此外在實(shí)際的應(yīng)用中對(duì)不同的工業(yè)環(huán)境可能產(chǎn)生不同的控制效果，PID 的控制參數(shù)一旦整定完畢不能根據(jù)環(huán)境情況自動(dòng)改變這就大大降低了實(shí)際控制效果，就是說(shuō)常規(guī) PID 對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性很差［9］。

 

         在本方案中，對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制采用模糊 PID調(diào)速算法，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)整信號(hào)在本方案通過(guò)拉力轉(zhuǎn)變而來(lái)，而拉力信號(hào)來(lái)源于浮子與上基準(zhǔn)板所產(chǎn)生的浮動(dòng)壓力。根據(jù)傳感器送來(lái)的拉力數(shù)據(jù)參數(shù)，通過(guò)本方案所設(shè)定的模糊 PID 控制器，將電機(jī)在上一時(shí)刻所記錄的轉(zhuǎn)速參數(shù)值與實(shí)時(shí)記錄的當(dāng)前轉(zhuǎn)速值以比較輸入該控制器模糊 PID 算法調(diào)節(jié) PWM脈沖的占空比后輸出控制量，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速［10］。直到拉力值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

 

         本方案所使用的模糊 PID 是一種基于規(guī)則的控制原理如圖 2 所示。所謂的規(guī)則就是利用近乎于人類(lèi)語(yǔ)言的方式去表述模糊的概念以取得zui佳的控制結(jié)果，將可能的參數(shù)變量模糊化以輸入控制器，輸出部分再進(jìn)行去模糊化。所謂的去模糊化是用來(lái)將模糊推理之后所得出的輸出值轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳?zhǔn)的控制信號(hào)，做為該系統(tǒng)的輸入量。推理過(guò)程的輸出是一個(gè)模糊集，指定一個(gè)可能性分布的控制作用，去模糊化轉(zhuǎn)換模糊控制命令來(lái)控制輸出［11］。模糊控制發(fā)展到今天有許多的解決方案，考慮當(dāng)儀表檢測(cè)的實(shí)際情況本文使用“重心法”，它是表達(dá)式 1 為:

         在自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)中，采用模糊 PID 控制算法調(diào)節(jié)占空比控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的傳遞過(guò)程是由嵌入式芯片產(chǎn)生 PWM 脈沖，由這個(gè)通過(guò)放大等環(huán)節(jié)進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路，在同一時(shí)序內(nèi) CPU 還要處理由傳感器送來(lái)的拉力變化值信號(hào)，再經(jīng)過(guò)模糊PID 運(yùn)算后改變 PWM 脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速控制。 

 

4 結(jié)語(yǔ)

         本文設(shè)計(jì)了一種新型的機(jī)械與電子結(jié)合的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，并對(duì)傳統(tǒng)的電機(jī)控制方案進(jìn)行了改進(jìn)，引入了模糊控制大大提高了系統(tǒng)的零點(diǎn)校準(zhǔn)精度。該自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決了零點(diǎn)校準(zhǔn)問(wèn)題，提高了液位檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的精度和效率，對(duì)于液位檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)裝置具有重要的意義。通過(guò)應(yīng)用校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行液面誤差比較得出數(shù)據(jù)如表 2 所示。

         校準(zhǔn)后的儀表誤差明顯降低，起到了提高精確度的作用。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中得到的主要經(jīng)驗(yàn)有，實(shí)際使用中要考慮所要校準(zhǔn)的罐體的實(shí)際工作狀態(tài)，罐的種類(lèi)及罐內(nèi)情況。在對(duì)浮頂儲(chǔ)罐應(yīng)用本方案時(shí)，要考慮浮頂在罐體的相對(duì)位置。由于浮頂罐的浮頂與罐內(nèi)儲(chǔ)存物之間不存在空氣，可以有效地緩解罐內(nèi)釋放壓力的升高，但當(dāng)儲(chǔ)罐發(fā)生浮艙泄漏，浮盤(pán)受力不平衡，罐內(nèi)的浮盤(pán)將不再保持水平狀態(tài)，呈現(xiàn)傾斜姿態(tài)［12］。此時(shí)儀表校準(zhǔn)將失敗并發(fā)生明顯漂移，嚴(yán)重影響液位儀表的測(cè)量，同時(shí)也意味著罐體存在嚴(yán)重事故隱患需及時(shí)排除。其它形式的罐體，當(dāng)罐體內(nèi)部有異物，罐內(nèi)液體有較強(qiáng)的揮發(fā)性時(shí)，會(huì)引起光通行發(fā)生明顯改變，影響到激光干涉儀的正常工作，降低校準(zhǔn)儀器本身的精確性，當(dāng)罐內(nèi)液體年度較大時(shí)，校準(zhǔn)浮子所受力矩將發(fā)生改變也將影響到校準(zhǔn)精度。以上就是實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題并加以總結(jié)，以期待為后續(xù)的改進(jìn)與提高積累更多的寶貴經(jīng)驗(yàn)。