流量控制系统的设计

本科学生学年论文

论文题目： 流量控制系统的设计

学 院： 年 级： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师：

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年 月 日

摘要

在自来水的监测与流量控制中，应用高精度的流量计与控制仪表也是必须的，所带来的经济效益是十分巨大且显而易见的。该文主要设计内容是对流量进行检测，主要由流量传感器采集流量信息，然后经过AD转换器将连续的模拟信号离散化后传给单片机，单片机在软件系统的控制下，根据预先的设置和预期的控制要求,通过步进电机来精确控制阀门的开度,实现对流量的精确控制。其中，硬件电路的搭接是设计的重点，控制系统软件的设计是核心。文章给出了流量控制系统的设计原理、软硬件设置和控制算法。

关键词

流量计；单片机；步进电机；流量控制系统

I

Abstract

In tap water monitoring and flow control, application of high precision of flow measurement and control instrument is also necessary, brought about by the economic benefit is very large and obvious. This paper mainly design content to flow is tested, and the main flow sensors to collect information flow, and then after AD converter is continuous analog signals to discrete Micro-Controller Unit, which in the software under the control of the system, according to the set in advance and the expected control requirements, through the stepping motor control valve to precisely the opening, and to realize the precise control of the flow. Among them, the hardware circuit of the lap is the focal point of design; the design of the control system software is the core. The article presented the flow control system design principle, software and hardware Settings and control algorithm

Key words

Flowmeter; Micro-Controller Unit; Stepping Motor; flow control system

II

目录

摘要 ..................................................................... I Abstract ................................................................ II

前言 ..................................................................... 1 第一章 绪论 .............................................................. 1

1.1 简介 .............................................................. 1 1.2 流量计概述 ........................................................ 2

1.2.1 电磁流量计 .................................................. 2 1.3 控制阀概述 ........................................................ 4 1.4 流量的PID控制 .................................................... 5 第二章硬件设计 ........................................................... 5

2.1硬件设计概要 ...................................................... 5 2.2 硬件总体设计思想 .................................................. 5 2.3 硬件电路设计系统原理图及其说明 .................................... 6 2.4 硬件接口设计 ...................................................... 7 第三章 软件设计 ..................................................................................................................... 8

3.1 软件设计流程图及其说明 ........................................................................................ 8

3.1.1 主函数 ............................................................................................................. 8 3.1.2 初始化程序 ..................................................................................................... 9 3.2 流量控制子程序 ........................................................................................................ 9 3.3 中断服务子程序 ...................................................................................................... 10

3.3.1 设定值输入程序 ........................................................................................... 10 3.3.2 A/D中断子程序 ............................................................................................ 10 3.3.3步进电机控制程序 ........................................................................................ 11

结论 ......................................................................................................................................... 12 参考文献 ................................................................................................................................. 13 致谢 ......................................................................................................................................... 14

流量控制系统的设计

前言

目前国内采用的流量计量方法主要有玻璃管量油孔板测气、翻斗量油孔板测气、两相分离密度法和三相分离计量方法等。随着技术的进步,石化生产越来越需要功能强、自动化程度高的计量设备以提高劳动生产率和企业的管理水平。除此以外,生产中有时需要添加各种助剂(如聚合反应),由此引出了这个恒流量的控制系统。综上所述,无论是在化工生产过程中注入各种助剂,还是在成品的计量及运输过程中,对于流量都要求一定的确计量和控制

第一章 绪论

正文采用宋体（英语用Times New Roman）小四号字，毕业论文、毕业设计行与行之间、段落和层次标题以及各段落之间均为1.5倍行距。

1.1 简介

目前国内各油田采用的油井产量计量方法主要有玻璃管量油孔板测气、翻斗量油孔板测气、两相分离密度法和三相分离计量方法等。随着技术的进步，油田越来越需要功能强、自动化程度高的油井计量设备以提高劳动生产率和油田的管理水平。

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流量控制系统的设计

主要设计内容是对流量进行检测，主要由流量传感器采集流量信息，然后经过AD转换器将连续的模拟信号离散化后传给单片机，单片机在软件系统的控制下，根据预先的设置和预期的控制要求,通过步进电机来精确控制阀门的开度,实现对流量的精确控制。其中，硬件电路的搭接是本设计的重点，控制系统软件的设计是本课题的核心。硬件电路部分，采用AT89C51单片机，外扩EPROM存储器，构成单片机控制系统的主体部分。通过电磁流量传感器，AD转换器进行输入，通过控制步进电机带动阀门来控制输出。一些其他的功能，如设定值输入，数码管显示则通过扩展I/O接口芯片8155来完成相应的功能。系统软件设计部分，分别对拨码盘设定值输入，步进电机控制，AD

转换控制，数码管显示等程序进行了设计，并且设计了主程序和流量控制PID程序

由于石油是重要的能源，无论上从节约能源的角度，还是从经济性角度来看,对于流量的精确控制都是十分必要的，所产生的经济效益也是十分明显的。在自来水的监测与流量控制中，应用高精度的流量计量与控制仪表也是必须的，所带来的经济效益是十分巨大且显而易见的。

1.2流量计概述

在现代工业生产过程自动化中，流量是重要的过程参数之一。流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标；流量是生产操作和控制的依据，因为在大多数工业生产中，常用测量和控制流量来确定物料的配比与耗量，实现生产过程自动化和最优控制。同时为了进行经济核算，也必须知道如一个班组流过的介质总量。所以，流量的测量与控制是实现工业生产过程自动化的一项重要任务。所谓流量是指单位时间内通过某一截面的物料数量，即瞬时流量。

1.2.1电磁流量计 一、概述

电磁流量计采用的原理与常见的差压式流量计不同，后者需要在管道中设置一定的检测元件，因此也易造成堵塞，且会带来一定的压力损失。而电磁流量计以电磁感应定律为基础，通过安装在管道两侧的磁铁，以流动的液体当作切割磁力线的导体，由产生的感应电动势测知管道内液体的流速和流量。

[1]

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流量控制系统的设计

二、电磁流量计的结构

在结构上电磁流量传感器由传感器和转换器两部分组成。

测量管上下装有励磁线圈，通励磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电动势送到转换器，励磁电流则由转换器提供。转换器将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成与流量信号成正比的标准信号输出，最终完成显示、记录和调节控制等功能。 三、电磁流量计的选用和安装

（一）选用

电磁流量计的选用应综合使用场合、被测介质、测量要求等因素来考虑。 一般的化工、冶金、污水处理等行业可以选用通用型电磁流量计，有爆炸性危险的场合则应选用防爆型，医药卫生等行业则可选用卫生型。

对于测量精度的选择也应视具体情况而定，应在经济允许范围内追求精度等级高的流量计，例如一些高精度的电磁流量计误差可以达到±（0.5～1）﹪，可用于昂贵介质的精确测量，而一些低精度流量计成本较为低廉，用于对控制调节等一般要求的场合。

（二）传感器的安装

传感器的安装应注意以下问题：

1）避免安装在周围有强腐蚀性气体的场所；避免安装在周围有电动机、变压器等可能带来电磁干扰的场合；如果测量对象是两相或多相流体，应避免可能会使流体相分离的场所；避免安装在可能被雨水浸没的场所，避免阳光直射。

2）水平安装时，电极轴应处于水平，防止流体夹带气泡可能引起的电极短时间绝缘；垂直安装时流动方向应向上，可使较轻颗粒上浮离开传感电极区。

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流量控制系统的设计

3）传感器应采取接地措施以减小干扰的影响。在一般情况下，可通过将参比电极或金属管将管中流体接地，将传感器的接地片与地线相连。如果是非导电的管道或者没有参比电极，可以将流体通过接地环接地。

本控制系统选用常见的电磁流量计作为传感器。

1.3控制阀概述

控制阀是控制系统的执行机构，它接受控制器的命令执行控制任务。控制阀调节选择得合适与否，将直接关系到系统能否很好地起到控制作用。[2]

控制阀的阀部分由阀的内件和阀体组成，阀的内件包括阀芯、阀杆、填料函和上阀盖等。上阀盖和填料函用于对阀杆密封和对阀杆进行导向，防止工艺介质沿控制阀门的阀杆这个可动部件向外泄漏，它是阀体不可分割的一部分。

因此，选择控制阀，除了阀体结构、材质、执行机构、口径计算外，还应根据控制流体的压力、温度、压差、流体的性质，合理选择上阀盖的结构形式和填料函，以防止流体沿着控制阀阀杆泄漏出来，即应充分考虑阀杆密封的性能和使用寿命。这在工程设计中显得非常重要。

在强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺流体中，控制阀一般不采用普通型、散热片型、长颈型上阀盖及密封结构形式，因为此种结构形式的密封性能和使用寿命极为有限。在强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺条件下，一旦阀杆密封被破坏，强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺介质从控制阀阀杆中泄漏出来，会对周边环境和人身安全带来严重的后果。

采用波纹管密封型形式是解决上述问题的一个途径。波纹管一般由不锈钢做成。这种特殊的阀盖结构保护控制阀的填料函避免和流体接触，一旦波纹管破裂，在波纹管上面的填料函结构会防止波纹管破裂失效时产生的严重后果。在工程实际中，波纹管密封形式的选择应充分考虑波纹管密封的压力的额定值会随温度的增高而降低，流体中不能有固体的颗粒存在，及波纹管材料的最长循环动作寿命等。在不锈钢不耐某些工艺介质腐蚀的强腐蚀的场所，如工艺介质为湿氯气时，湿氯气中含有的微量盐酸会使不锈钢波纹管很快被腐蚀，则控制阀阀杆不能采用波纹管密封的形式。

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流量控制系统的设计

本控制系统采用由步进电机带动的控制阀。

1.4流量的PID控制

在工业生产中，当我们不完全了解一个系统和被控对象，或被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，这个时候往往采用PID控制技术最为方便。PID算法以其结构简单、稳定性好、工作可靠、高速方便而成为工业控制的主要技术之一。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。系统控制器的结构和参数必须通过经验和现场调试来确定。

模拟PID控制器的控制规律为：

(1)

式中，KP—比例系数；TI—积分常数；TD—微分常数；u0—控制常量。

由于单片机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制；并且，单片机处理数据的量有限，综合考虑该系统采用增量式PID控制，其算式为： u(k)=u(k-1)+Δu(k) (2)

Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k) +KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] [3]

第二章 硬件设计

2.1硬件设计概要

本系统主要由水泵、流量传感器、电动阀门和MCS-51单片机控制系统以及液体管线和控制线、监视线等组成。

2.2硬件总体设计思想

系统的总体设计思想是流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号，

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流量控制系统的设计

AD转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。①单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的控制信号。DA转换器将离散的控制信号转化为模拟电量。通过模拟电量来控制阀门的动作，从而调节流量，实现流量的精确控制。

2.3硬件电路设计系统原理图及其说明

系统结构框图如下所示：

图2-3-1 系统结构框图

流量是指单位时间内通过管道某一截面的物料数量。本控制系统的任务是对通过某一管道截面的物料数量即降粘剂流量进行控制。本系统采用单片机控制，通过流量计采集流量信息，传给单片机。单片机通过预先设定值和系统软件进行分析，发出相应的控制信号，驱动调节阀动作，从而确定降粘剂的配比与耗量，实现生产过程自动化。

系统的工作原理是流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号，AD转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的控制信号。DA转换器将离散的控制信号转化为模拟电量。通过模拟电量来控制阀门的动作，从而调节流量，实现流量的精确控制。

系统硬件结构图如下图所示：

①

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流量控制系统的设计

图2-3-2 硬件框图

2.4硬件接口设计

在工业控制中 ,输入设备必不可少 .对单片机控制系统而言 ,人机交互的输入方式广泛采用键盘、拨码盘、光电及电磁开关等 .由于拨码盘具有接口简单、数据锁存、操作方便直观、便于安装等优点 ,因此在需要输入少量控制参数和数据的系统中 ,经常采用拨码盘作为输入部件。[4]

(1) MCS-51单片机与BCD码拨盘的接口设计

BCD拨盘种类很多，作为人机接口使用的最方便的拨盘是十进制输入，BCD码输出的BCD码拨盘。这种拨盘为四片BCD码拨盘拼接的4位十进制输入拨盘组。每片拨盘具有0～9十个位置，每个位置都有相应的数字显示，代表拨盘输入的十进制数。因此，每片拨盘可代表一位十进制数。需要几位十进制数可选择几片BCD码拨盘拼接。

(2)步进电机控制接口

为了降低装置成本,省去了步进电机的芯片,直接使用单片机软件方式来实现驱动.[5]

步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移的执行机构，它的旋转角度是以固定的角度（称为步距角）一步一步运行的，其特点是没有误差积累，所以广泛应用于各种开环控制。步进电机具有快速启停能力，只要电机的负荷不超过它所能提供的动态转矩，就能通过输入脉冲来控制它在一瞬间启动和停止。步进电机的步距角和转速只和输入的脉冲频率有关，和环境温度、气压、冲击和振动无关，也不受电网电压的波动和负载变化的影响，它每转一周都有固定的步数，步进精确和步距

[6]

误差不会长期积累。因此，步进电机在需要精确定位场合应用广泛。

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流量控制系统的设计

(3)电磁流量计电路

电磁流量计电路它是利用法拉第法则检测管内流动流体的流量。激励线圈中流过的电流通常采用矩形波，电极间产生的流量信号与激励波形相似，而电平为40V～4mV左右。将该电压信号放大并采样，变换为4～20mV的输出信号。[7]

(4) MCS-51对LED的接口

在单片机系统中，LED和键盘是两种很重要外设。键盘用于输入数据、代码和命令；LED用来显示控制过程和运算结果。

(5) MCS-51和A/D的接口

MCS-51和ADC接口通常可以采用查询和中断两种方式。采用查询法传送数据时，MCS-51应对EOC线查询它的状态：若它为低电平，表示A/D转换正在进行，则MCS-51应当继续查询；若查询到EOC变为高电平，则就给OE线一个高电平，以便2-1—2-6线上提取A/D转换后的数字量。采用中断方式传送数据时，EOC线作为CPU的中断请求输入线。CPU响应中断后，应在中断服务

[8]

程序中使OE线变为高电平，以提取A/D转换后的数字量。

第三章 软件设计

3.1软件设计流程图及其说明

3.1.1主函数

图 3-1-1 主函数流程图

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流量控制系统的设计

说明: 主程序部分，主要完成存储器分配、系统初始化和系统整体控制等，并通过调用各子程序段，实现软件的总体设计功能。

3.1.2初始化程序

图 3-1-2初始化流程图

说明：系统初始化程序的功能是对8155和89C51进行初始化，使D/A输出为0，步进电机处于停机状态，将RAM中的标志位和工作单元置为初始状态，提示符CPUREADY写入缓冲器。更新显示器子程序的功能是将显示缓冲器的内容，分别转化为段数据，输出到8155。显示器0～12的显示数据缓冲器分别为73H～7FH单元。当系统处于停机状态时，显示器0～4显示参数，显示器5～7显示参数地址，所以73H～77H作为数据缓冲器，78H～7AH作为地址缓冲器，在运行状态时，73H～77H作为瞬时流量缓冲器，78H～7FH作为累计流量缓冲器

3.2流量控制子程序

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流量控制系统的设计

在流量测试的基础上，把流量设定值和实际测试得到的瞬时流量进行比较计算出误差，采用数字PID调节算法，计算输出到AD0809的变量Uio增量式PID控制算法的计算公式为：

2UiP(eiIeiDei)

式中：ei为本次实际测得的流量和设定值之差；

2eiei - ei1； ei(eiei1)(ei1ei2)

P为比例系数； I为积分系数； D为微分系数； 输出控制变量表达式为： UiUi1 + Ui

程序的入口参数：偏差ek、ek-1、ek-2、测量值y、给定值r。这5个参数均为3字节的浮点数，分别将它们存放在RAM单元中。低字节存放浮点数的阶数和符号，其中符号存放在最高位，阶数以补码的形式存放在另7位中。尾数以原码的形式存放在另2个字节中。

3.3中断服务子程序

3.3.1设定值输入程序

本程序将4位BCD码按千、百、十、个依次存放在89C51片内RAM的30H～33H单元中，每个地址单元的高4位为0，低4位为BCD码。[9]

3.3.2 A/D中断子程序

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流量控制系统的设计

A/D中断子程序流程图如下所示：

图3-3-2 A/D中断子程序

[10]

3.3.3步进电机控制程序

利用程序延时来控制电机的通电时间（即形成控制脉冲）以达到正转、反转、启动和停止的。这种控制的缺点是CPU因执行延时程序而降低了效率。单片机不仅可以用来控制步进马达的启停和转向，而且也可以用于变速控制和对多台步进马达进行控制。

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流量控制系统的设计

结论

本系统以MCS-51系列的单片机为核心，经过AD转换器将连续的模拟信号离散化后传给单片机，从而实现了对流量的变量控制。单片机根据预先的设置和预期的控制要求,通过步进电机来精确控制阀门的开度,实现对流量的精确控制。，根据该信号在其内部采用数字PID算法对控制寄存器的值进行修改，从而达到精确的变量控制。为了防止外界干扰信号进入控制系统，由步进电机带动的控制阀。，提高了系统的可靠性。

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流量控制系统的设计

参考文献

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自动化仪表与过程控制[M].北京：电子工业出版社,2011

孙洪程，翁维勤，魏杰.过程控制系统及工程[M].北京：化学化工出版社，2010 [3]

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张毅刚，彭喜元，姜守达，乔立岩。新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003 [9]

阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1998 [10]

华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001

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流量控制系统的设计

致谢

很快大三就要结束了,这篇论文是为了大四毕业论文做准备,也是对前期课堂学习内容的综合应用。本设计能够顺利完成,归功于各位任课老师的认真负责,使我能够很好地掌握和运用专业知识,并在设计中体验。正是有了他们的悉心帮助和支持,才使我的学年论文顺利完成,在此向XX大学XX学院XX系的全体老师表示衷心的谢意,感谢他们三年来的辛勤栽培。

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