基于PLC的小型高精度多相流实验装置测控系统设计分析
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【摘要】科学技术的飞跃发展，使得有关多相流技术的研究越来越多，国际上很多研究组织和如原油、天然气等石化企业都构建了自己的多相流实验装置。多相流实验装置是设计研究柴油、自来水、空气这三方面多相流问题即实现自来水空气、柴油空气、柴油自来水和自来水空气柴油等多种多相流，在理论和实际工程研究中都具有十分重要的意义。本文，笔者专门设计了一套基于plc的微型高精确度的关于油气水的三相流实验装置，重点分析该三相流实验装置的测控系统设计和实现的过程。
1.前言
PLC在编程中属于一种逻辑控制器，其结构主要是通过模块组成。PLC广泛应用于多相流实验装置测控系统中。多相流实验装置大多研究是油气水这三方面的多种多相流问题，大多数的多相流实验装置是以微型高精确度装置为主，本文笔者结合PLC和单片机测控系统的优势特点，以PLC和数据采集卡作为该测控系统的硬件构件，以Visual Basic进行编程作为测控系统的上位控制软件，处理测控系统采集到的信号相应输入理想的流量值，通过PLC的模拟运算数据控制调节阀的输出理想流量。
2.PLC多相流实验装置测控系统的设计理论基础
多相流实验装置是一套集合柴油、空气、自来水等多种介质为研究对象的一种微型实验装置。构建油气水三相流实验装置主要分为压力源、计量测量仪表、混合器、分离装置、PLC等。其中单相流量测量、调节阀的设计是最主要的关键任务，这些关系着整个实验装置的精确度和应用性能。
3.PLC多相流实验装置测控系统的硬件构件设计
3.1油气水计量管排设计
要根据流体的性质和实验装置的安装要求选择正确合理的测量方法和仪表。其中，水计量排管的安装要求是水流量控制在0.02-0.1m3/h，因此水计量管排可以选用电磁流量计或涡街流量计来实现流量计量的任务。根据水计量管排的工作介质是连续性的自来水，根据上表的数据可以选用价格相对较低的DN40或DN25涡街流量计。
油计量排管的安装要求是水流量控制在0.02-0.1m3/h，因此油计量管排可以选用容积式流量计或罗茨流量计来实现流量计量的任务。实验装置采用的是柴油，考虑到柴油粘度和温度都不高，且流体相对清洁，因此油计量管排中流量仪表没有硬性的要求。
气计量排管的安装要求是水流量控制在0.25-0.83m3/h，参照水计量管排和油计量管排的设计要求，气计量管排联合采用了涡街和罗茨流量计来实现流量计量的任务。
3.2多相流实验装置中温度变送器的选择
在油气水三相流实验装置中温度信号的范围只适用于室温，是对气体的温压做一些补偿措施。考虑到热电阻其具有测量精确度高，测量区域范围广，可用于多个点、远程距离和自控的多个优势，因此可以选用热电阻作为油气水三相流实验装置测控系统的温度变送器。这些热电阻可以向测控系统提供4-20mA的标准工业信号，有助于测控系统的信号采集。
3.3多相流实验装置中压力变送器的选择
压力变送器是多相流实验装置测控系统不可缺少的采集过程控件。在该装置中涉及到两种压力信号，一个是安全信号，另一个是采集信号。针对于安全信号，装置中对其的要求不是很严格，但要保证稳定和可靠；而采集信号则必须采用测量精确度较高、动态性能较好和抗干扰性较强的压力变送器，因此可以选用压阻式的压力变送器，其性能稳定安全、测量精确度等级较高等优点。这个压力变送器可以向测控系统提供4-20mA的标准工业信号，非常方便测控系统的信号采集工作。
3.4多相流实验装置中调节阀的选择
根据相关委员会规定，调节阀是工业工程系统控制中不可或缺的一个部件，其主要是用来控制元件传递过来的信号。因此在选择调节的时候可以根据阀体部件和执行部件进行选择，同时在选择时应考虑其调节功能、切断功能、防腐蚀功能等相关因素。由于油气水三相流实验装置的工作介质是非常纯净的柴油、自来水和空气其调节支路均
3.PLC多相流实验装置测控系统的软件构件设计
该实验装置采用Visual Basic进行编程作为测控系统的上位控制软件，该软件在串行接口收发数据的处理上非常简单、只需要做一些简单的设置就可以实现对串行接口的初始化设置和数据输入输出。下位机按照PLC的信号指令实现数据的发送和接收。PLC与电脑的自由口通信是串行接口同行，因此需要接收信号前进行初始化设置，确保两方的通信和信号参数相同。
4.多相流实验装置测控系统调试运行
为了保证多相流实验装置测控系统能安全运行，在完成系统设计后需要进行调试运行。油气水三相流实验装置调试运行要求是实现8小时以上无故障运行。主程序运行调试流程图可见图2。
否
是
图2主程序运行调试流程图
5.结束语
设计基于PLC的微型高精确度多相流实验装置，可以解决柴油、自来水、空气这三方面多相流问题，通过PLC作为上位软件控制系统，实现实时的信号接收和测控操作。PLC在经过内部程序处理时，通过采集管道上的温度变送器、压力变送器传递过来的数据，按照调节阀上输出控制信号调节开关阀门的开度，从而达到控制油气水多相流实验装置的流量，最后实时传输到PLC上实现数据的存储，为实现多种多相流提供了参考的数据，在实际工程中都具有重要的意义。
【参考文献】
[1]李小亭，张琛，方立德，张，梁玉娇，何青.基于PLC的小型高精度多相流实验装置测控系统设计[J].电子测量与仪器学报.2014，28（6）：670-671.
[2]刘博.基于PLC的小型测控系统的设计与实现[J].电子制作.2013，04（14）：78-79.