应用PLC系统设计节流装置的技术探讨.pdf

第 4 8 卷第 1 期 2 0 1 2年 2月 石油化工自动化 AUTOMAT1 0N I N P ETRO- CHEMI CAL I NDUS TRY Vo I I 4 8，No ． 1 Fe b r u a r y，2 0 1 2 应用 P L C系统设计节流装置 的 技术探讨 彭年仔 上海石油天然气有限公司 天然气处理厂， 上海 2 0 1 3 0 4 摘要 对于需要迭代求解的问题， 常需花费较多时间进行迭代计算， 并根据其收敛情况设置初值。设计节流装置计算中通过 迭代求解确定节流装置的直径比。利用可编程控制器 P L C 软件的离线运算功能， 实现了对节流装置流量测量的设计。利用 P L C的反馈变量实现迭代运算， 使求解节流装置直径比变得简单。P L C用于迭代求解的技术可靠， 应用面广， 具有简单可靠的 特点 。 关键词 可编程控制器流量测量流出系数直径比 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 2 0 1 0 0 7 7 0 3 在工业生产过程中， 孔板节流装置的设计计算 常由计算机完成 。对直径 比的迭代计算是 确定 流 出系数 的重要设计 内容。由于迭代运算花费大量 时间， 加上迭代初值常影响其 收敛性 ， 因而难 于对 节流装置进行计算和检验。仪表车间常有备用的 P L C， 根据标准 I E C6 1 1 3 1 3规定 的反馈变量 ， 其 求值过程完全满足方程的迭代运算要求。因此， 可 采用符合 I E C 6 1 1 3 1 3标准的编程软件 ， 离线计算 方程的根 ， 实现直径比的迭代运算。 1 节流装置的设计计算 节流装置计算公式如下 一 2v ／ 2 ApP P 1 q 一 ■ 二 二 二 二 l 4 √1 一 式中 单位时间内流过节流装置的流体质 量流量 ， k g ／ s ； d工 况条件下一次装 置节流孔 直径 ， m； 直径 比， 指节流孔直径 与管道 内径 之 比； AP差压 ， P a ； lD 流 体密 度 ， k g ／ m。 ； ￡ 流体可膨胀性系数 ； C流出系数 。 根据 GB ／ T 2 6 2 4 ． 2 2 0 0 6的有关公式 J ， 孔 板节流装置的流出系数可按下式计算 C一 0 ． 5 9 6 1 0 ． 0 2 6 1 一0 ． 2 1 6 fl o ． o o o s 2 0 ． 0 1 8 8 O ． 0 0 6 3 A fl 。 。 0 ． 0 4 3 0 ． 0 8 0 e - 。 1 0 ． 1 2 3 e - 1 - 0 ． o 3 1 M 一 0 ． 8 ． 2 1一 当管道直径 D 7 1 ． 1 2 mm 2 ． 8 i n 时， 加下 列项计算 0 ． 0 1 1 o ． 7 5 一 2 ． 8 一 式 中 A 一 0 ．8 ； M 2 一 ． L 1 一孔 板上游端面到上游取压 口的距离和管道直径 的比 值， L 一1 1 ／ D； L 孔板上游端面到下游取压13 的距离和管道直径的比值 ， L 2 一 I 2 ／ D； L一 孔板 下游端面到下游取压 口的距离和管道直径的比值 ， L 一J ／ D。 由于 C与 ， R e ， 取压方式及流体类型等因数 有关 ， 因而常用式 2 描述 。而 』9 又与 q ，Ap ，C， 流体物性 密度 l0 有关 ， 常用式 1 描述 。此外 ， Re 与 q ， D， 流体黏度 等有关 ， 常用下式描述 Re一 3 7 c L， 因此 ， 节流装置不能直接计算求解 ， 需用迭代 计算法求解。文献E 2 ] 给出了计算机计算程序的 框图。 2 P L O程序中的反馈变量 根据 I E C 6 1 1 3 1 3 标准L 3 ] ， 反馈路径是指一个 网络的输 出参数值 返 回到同一 网络 中作为输 入参 数时的连接路径， 相应的变量称为反馈变量。反馈 稿件收到 日期 2 0 1 i 一1 1 2 8 。 作者简介 彭年仔 1 9 6 卜 ， 男， 毕业于华东理工大学控制工程专业， 硕士学位， 现任上海石油天然气有限公司天然气处理厂生产部主管， 从事自 动化系统和计量系统的运行与管理工作， 任高级工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 8 石油化工自动化 第 4 8 卷 变量的求值规则如下 a 当第一次网络求值时， 使用反馈变量的初 始值 。它可以是该数据类型的约定初始值 ； 用户在 变量初始化时规定的初始值； 或当具有掉电保持属 性的反馈变量在掉电前的数值 。 b 随后 ， 反馈变量 的值根据反馈信号确定 ， 即 用反馈变量的新值作为该 网络的输入值 。 由此可见 ， P L C编程语言 中的反馈 变量具有 迭代运算功能 。其第一次初始值就是迭代初值 ， 以 后将用新的计算结果作为下一次迭代值。 对非理想气体 ， 用 一个 计算压缩系数 Z的示 例进行说明。用 Z描述其偏离程度， 其中R表示 气体常数 。即 V Z 音 4 用维里方程拟合 z 吾 号 ．． ㈤ 统计力学指出， 第二维里系数 B反映两个 气 体分子问的相互作用对气体P～ V T关系的影响。 第三维里系数 C反映三个气体分子间的相互作用 对气体 P V T关系的影 响等。用功能块 编程语 言编写的程序如图 1 所示 。 图 1 压缩因子计算程序 图 1中， MU L， DI V, ADD 乘、 除和加函数 ； 丁 温度， ℃； V 体积， ； 根据上述 工程单 位， 气体常数R 8 3 ． 1 4 。B和c是维里系数。根据文 献[ 4 ] 的数据， 对异丙醇， B一一3 8 8 ． O e m m o l ， C 一一2 6 0 0 0 ． 0 c m6 too l 。计 算 2 0 0。 C， 1 MP a 异丙醇的压缩系数时， 可将数据作为变量初 始值输入， 并下载和运行。 运行后的结果用 在线显 示方式 显示 ， 如 图 2 所示 。 Rcons t313 999 9E 1] M UL j DIVP4 731 4999E2 1 000 000 0E1 8． 1 l l 71 l ． L_J ． L一 l _ 0 j B880 000 0E2 ] D1V3 487 741 9E 二二 一3． I I I 一1 1 广 ． 3 l C_ 1卜 卜 _ - J 一 2 ． 6 0 0 0 0 0 0 E 4 I D 1 V I l D I V l 3． 48 7 7 41 9E3 l l L 7 41 9E3 L 图 2 压缩因子计算程序的运行结果 由于 P L C程序不断进行迭代 运算 ， 其运行 结 果可保证反馈变量的一致 ， 而且结果 比文献[ 4 ] 的 结果精度更高。程序中， 是反馈变量。需注意， 第一次迭代时， 要设初始值， 而系统约定初始值 是 0 ． 0 ， 这就造成除 以零 的错误。为此 ， 应采 用用 户设置的 初始值。此外 ， B和 C 的数据类型是 实数 ， 输入时 ， 应分别是一3 8 8 ． 0和一2 6 0 0 0 ． 0 。 运算结果表明， 在约定温度和压力下 ， 异丙醇 的压缩因子是 0 ． 8 8 6 6 1 5 8 1 。 示例说明反馈变量的使用方法， 它利用 P L C的 顺序扫描机制， 将迭代过程完整结合在运行过程中。 3 P L O用于节流装置计算 为进行节 流装置计算 ， 先编写三个 用户功能 l 3 ． 4 8 7 7 4 1 9 E 3 Z 8． 8 6 6 l 5 8 l E一 1 块。其中， R e _ c a l 功能块用于根据式 3 计算雷诺 数 ； C c a l 功能块用于根据式 2 计算流 出系数， 它 需调用 Re _ c a l 功能块计算雷诺数 ； b e t a _ c a l 功能块 用于根据已知的 C， q m， Ap， l0 和式 1 确定 。 为组成同一网络下的反馈变量 ， 建立如图 3所 示的 g g g功能块 。 卢 融 D 图 3 具有反馈变量的节流装置计算功能块 g g g 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 彭年仔．应用 P L C系统设计节流装置的技术探讨 7 9 图 3中， 是反馈变量， 用于通过迭代确定直径 比。主程序 fl o w _ c a l 是 I e _ c a l 功能块与 g g g 功能块 的组合 ， 具有通用性 ， 程序中采用变量 ， 而不采用实 q 1 ． 1 l l l l 0 0 E2 3 ． 1 41 5 92 65 D 2． 3 35 8 0 6 9E一1 1 ．2 40 0 0 0 0 E一4 际数据。以文献[ 2 ] 的数据为例， 只需要将有关变量 的初始值用实际数据键人， 并下载到 P L C的模拟仿 真器， 就可进行运算。图4 显示程序运行结果。 Rec a l1 gg g 1 g Re R e D 一 D C 2 ． 3 3 5 8 0 6 9 E一1 D △口 1 ． 6 0 0 0 0 0 O E5 卢 P- -一 p 8 ．5 0 9 0 8 2 0 E2 q g 一 4． 8 8 4 36 9 5 E6 图 4 节流装置计算程序 F l o w _ c a l 的运行结果 图 4中， 各功能块的后缀一 1是对应功 能块 的 实例名。例如， C c a l _ 1 是 C _ c a l 功能块的实例名， 用于调用该功能块子程序 ， 其余类推 。 程序运行输人初始值数据q m I I I ． I I i k g ／ s ； D 0 ． 2 3 3 5 8 0 6 9 m ； 一 0 ． 0 0 0 1 2 4 P a S ； △P一 1 6 0 0 0 0 P a ； p 8 5 0 ． 9 0 8 2 k g ／ m。 ； 一0 ． 3 可键入 任意非零数值 。 运行结 果 流出 系数 C一0 ． 6 0 2 3 6 1 2 6 ， 一 0 ． 5 0 2 4 1 4 1 7 ， 与文献[ 2 ] 结果吻合 。 如果程序增加可膨胀性系数 e p s 功能块 ， 可用 于气体流体节流装置的计算。需注意， 该项与 ， P 。 ／ p 及气体等熵指数 有关， 因而也应包含在计 算反馈变量直径 比的同一 网络内。 4 结束语 P L C标 准编程语 言可 采用反 馈变 量组 成 网 络， 能够用于各类迭代运算过程的求解。例如， 方 程求解、 迭代求整数的开方值 小型 P L C只有整数 运算功能 ， 不能使用 S QR T函数 ， 但需求差压的开 方值 等， 下面是整数开方 的实例。 某系统采用小型 P L C对流量进行测量。为降 低存储 容量， 该 P L C的 AI 模块采用整数数 据类 型 ， 即差 压变送器输 出的 4 ～2 0 mA 对应 于 P L C 的 O ～1 6 0 0 0 。由于标准编程语言只有实数开方 的 S Q R T函数， 整数开方可采用下式进行迭代计算 Y f Y ／ ，2 6 一I 十 J 、 i 式中 z需开方 的整数 ； Y开方后的整数 。 由于 P L C对应的量程是 0 ～1 6 0 0 0 。因此 ， z需乘 以 1 6 0 0 0 。 图 5 是整数开方计算的 S q r t _ c a l 程序。其中， OUT是来 自 AI 模块的整数 ， 它与差压 变送器 的 输出成正比， 取值 O ～1 6 0 0 0 。TT是经开方后的 输出整数值 。该程序在线运行， 并直接给出开方后 的整数数值 。 利用反馈变量进行迭代运算是 P L C的一项重 要功能 。它可离线计算也可在线计算 ， 既可用于科 学计算 ， 也可在实际中应用于工业生产过程。 旧玎 I I I I DI NT 1 6 00 0 T T T T DI NT 2 图 5 整数开方计算 S q r t _ c a l 的功能块图程序 如果对上述节流装置计算程序 中的 C - c a l 功能 块改为编写喷嘴或文丘利等节流装置的有关计算程 序 可用结构化文本编程语言编写 ， 就可用于计算喷 嘴或文 丘 利等节流装置的流出系数， 并确定其直径比。 由于 P L C程序运算速度快， 是迭代运算的理 想计算工具。科维软件 K W s o f t w a r e 、 3 s 等软件 公司开发的P L C软件可离线运算， 并直接在模拟 仿真器上实现， 使上述计算变得极为容易和方便。 参考文献 [ 1 ] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局， 中国国家标 准化管理委员会． GB ／ T 2 6 2 4 ． 2用安 装在 圆形截 面管道 中 的差压装置测量满管流体流量 第 2 部分 孔板[ s ] ．北京 标准 出版社 ， 2 0 0 6 ． [2] 孙淮清 ，王建 中．流量测 量节流装置 设计手 册E M] ．北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 彭瑜， 何衍庆．I E C 6 1 1 3 1 3编程语言及应用基础E M] ． 北 京 机械工业出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 4] S MI TH J M，VAN N H C，AB B OT T M ，L I n t r o d u c t i o n t O Ch e mi c a l E n g i n e e r i n g Th e r mo d y n a mi c s [ M] ．7 e d ．刘洪 来 ， 译．北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ] 廖常初． P L C编程及应用[ M3 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 2 ． [ 6 ] 彭瑜．工控编程语言国际标准 I E C 6 1 1 3 1 3 及其影响[ J ] _ 国内外机 电一体化技术 ， 2 0 0 6 0 4 5 3 6 l _ [ 7] 何衍庆 ， 何 乙平 ， 王朋．常用 P L C应用手册[ M] ．北京 电 子工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 8 ] 何衍庆，黎冰，黄海燕．可编程控制器编程语言及应用 [ M] ．北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 9 ] 殷兴光． P L C应用与实践[ M] ．西安 西北工业大学出版 社 ， 2 0 0 9 ． [ 1 0 1 孙同景． P L C原理及工程应用[ M] ．北京 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 8 ． 一 一 E E 7 6 l 2 斗 l 1 6 4 1J 2 2 O O C 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m