CN101294841A - 一种计量罐自动检定装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种计量罐自动检定装置与方法。本装置包括一个被检定计量罐、一个标准计量罐、一个水泵、一个水槽和一个水池,由一个中心控制系统电连接一组电磁阀套组的电磁线圈和水泵;电磁阀套组通过管路连接所述的被检定计量罐、标准计量罐、水池和水槽,通过管路使水泵进口连通水池而出口连通水槽;有一个图像采集处理系统采集标准计量罐的透明玻璃水位管的水位图像,经处理后的输出数据信号经通讯线传输至中心控制系统;中心控制系统控制电磁阀套组,从水槽的标准计量罐进水至检定水位时,由图像采集处理系统采集该水位,处理后传输到中心控制系统,从而控制电磁阀套组停止水槽向标准计量罐进水,进行泄露检测后将标准计量罐中的水排放至被检定计量罐,检定出被检定计量罐的标准刻度;然后排空被检定计量罐中的水,重复上述过程,实现对被检定计量罐的标定。本发明的实现可以代替人眼的观测,可以防止检定中的泄漏发生,达到了控制精度±0.2的要求,实现了计量自动化。
Description
技术领域:
本发明涉及一种基于容量比较法的计量罐自动检定装置与方法,特别是基于PC的软PLC的控制方法、液位图像测量方式及检定用的电磁阀套组装置。
技术背景:
液位图像测量与控制涉及图像处理与自动化控制技术,传统的计量工作靠人眼观测、手工操作,存在手动阀泄漏,计量精度难以保证的问题,计量自动化可以使工作人员通过远程观测和操控来完成计量工作,解放了生产力。它能为需控制液体高度的连续作业提供实时计算的液位数据,并通过中心控制系统到达理想的位置,具有实时性高、非接触式、远程可视化监控等自动化操作的特点。
计量罐自动检定与控制系统由三大部分组成,第一部分是中心控制,包括标准罐体CCD及光源的切换、各类传感器的数据获取及各类泵体、电磁阀等的控制。第二部分是液位的获取,它集中了机器视觉中所需的硬件装置及软件各项功能,如系统的标定、图像边缘提取、泄漏分析、图像数据显示、数据传输等。第三部分是水循环系统包括电磁阀套组、液体传输管路等,完成计量罐内液体的进出。
计量罐检定是一个对可靠性和精度要求较高、检定对象多目标的系统,由于受计量罐及计量标尺的精度限制,供观测的连通直管为透明细长玻璃管(),在计量罐头颈部,如果液位提升速度过快,可供图像处理观测判定的时间较短,所以希望通过的液体流量近可能小,而在非计量罐头颈部分,则希望通过的液体流量近可能大,以保证计量的时效性好。同时,为保证等量的液体体积传递给下等的计量罐,需要管路中无残留或阀门无泄漏,以保证计量的精度高。所以待观测的目标玻璃管内的液位图像质量、液位提升速度及系统控制方式,对于保证检定精度的实现起至关重要的作用。
经文献检索发现,液位测量可分为两大类:接触式和非接触式。接触式包括压差式、电容式、电导式、位移式、浮标式、光纤式等。非接触式包括超声波式、激光式、雷达式、核辐射式、基于图像传感器的光电测量式等。由于本系统中容量检定是精度较高的液位测量,不能采用接触式,而且计量罐本体是金属结构,只在顶部有连通的玻璃管和液位标尺,一般的液位检测仪表及其检测方法均不能满足检测要求或者根本无法使用。
为了打破以前各PLC生产厂商的产品相互不兼容的局限性,国际电工委员会(IEC)推出了一个关于PLC编程方向的国际性标准IEC1131。按照这个国际标准,充分利用现代计算机的硬件及软件资源,全部用软件来实现传统PLC功能,这就是软PLC(SoftPLC)或者软逻辑(SoftLogic)技术。软PLC是一种基于PC机开发结构的控制系统,它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点,利用软件技术可以将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器。软PLC同时又是一个高附加值和高技术含量的产品,尽管国内外已经做了大量的基础研究并有相关的产品出现,但是将其具体应用于工程项目的还不多。随着国家计量检定标准的逐渐提高和相关硬件技术的发展,计量罐在实际检定过程中可能需要根据检定对象规格的不同和扩充进行相应更改,而且也可能需要对原有流程进行更改,而软PLC的灵活性和开放性正好能够满足这种要求。
经文献检索发现,吴凤凰应用软PLC技术对三容液位实验装置进行液位控制,但系统建立在手动控制阀门基础上,而且液位平稳时间较长;ELLIOTT K D等公开了一种基于PC和PLC的管道流量控制系统,卢剑介绍了开发PLC液位测控系统的实现方法,但未涉及使用图像处理的方法检测容器内的液位;周兵、秦健分别研究了将组态软件和PLC控制软件共同应用于气体计量检定或液位PID控制系统,但都未涉及软PLC及基于图像处理的计量罐液位标定。
发明内容:
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷,提供一种计量罐自动检定装置与方法,该装置和方法可满足多种规格计量罐的自动化检定的需要。
为达到上述目的,本发明的构思如下:在水循环中,为了提高标准计量罐进水效率,同时也便于液位控制,采用大、小流量阀分开进水的方法,首先通过大电磁阀快速进水,然后用小电磁阀慢速进水。大流量电磁阀快速进水与小流量电磁阀慢速进水的切换点是流量计累积流量达到量器有效容积的95%时,由于的容积是通过标准计量罐玻璃水位管处的液位进行标定的,给其进水时必须使最终稳定后的水位保持在标定高度的±0.2mm内。所以第二阶段对的控制是根据CCD摄像头对玻璃水位管处液位实时采集形成反馈来进行的,这也是进水能否顺利实现的关键所在。这一阶段对进水的控制具有被控流向不可逆的特点。一旦液位超出了设定范围上限,该次检定就认为无效。
对于标准计量罐的进水系统,在CCD摄像头能检测到的刻度范围(为80mm)内,可以建立如下简化的数学模型:设Q(t)为流入的水量,H(t)为液面高度,A为玻璃管处量器的截面积,在H(t)变化范围内A为定值。根据质量守恒定律可列出:
假定阀的开度为X(t),当阀全开时,单位时间通过阀的流量为V,则
Q(t)=V·X(t) (2)
将式(1)、式(2)联立有:
通过拉氏变换,得其传递函数为:
尽管流体的运动存在时变性,但对于同一管路来说,在相同的初始液位、压力条件下的相关参数变动不大。以1000L量器为例,计量颈管径155mm,玻璃管管径12mm,所以CCD能检测到的刻度范围(为80mm)内的容量为:
而供水水箱的截面积S为2m2,所以在这段范围内水箱下降的高度为:
Δh=V/S=0.7592mm
可见,该范围内水箱水位下降量非常小,可以认为PWM电磁阀前后两端的压差是恒定的。式(3)是一个典型的一阶积分环节。但是由于实际上CCD对图像的采集处理、液位数据传输转换和电磁阀的执行响应等都造成了时间的传输延迟。所以,实际的玻璃管处液位对象可近似用下式表示:
其数学模型主要是由进水流量的积分特性和传输的时间延迟组成。控制算法选用PID算法,其控制要求相当于不断减小PWM电磁阀的开度,也即不断减小一个脉冲周期内电磁阀的开通时间,直到关闭该电磁阀。
小流量脉宽调制PWM电磁阀进水的液位反馈控制首先是通过CCD摄像头实时采集到的液位图像通过图像处理模块转换为液位高度,并与设定的液位高度进行比较,然后根据偏差大小按PID调节规律计算出校正量,通过D/A转化为模拟量,再通过小流量脉宽调制PWM电磁阀自带的比例阀控制器将模拟信号转化为PWM信号,从而控制电磁阀,使其通断时间连续变化,等效成阀门开度的连续变化实现流量的调节,最终实现液位的闭环控制。
根据上述发明构想,本发明采样下述的技术方案:
一种计量罐自动检定装置,包括一个被检定计量罐、一个标准计量罐、一个水泵、一个水槽和一个水池,其特征在于有一个中心控制系统电连接一组电磁阀套组的电磁线圈和水泵;所述电磁阀套组通过管路连接所述的被检定计量罐、标准计量罐、水池和水槽,通过管路使所述水泵进口连通水池而出口连通水槽;有一个图像采集处理系统采集所述标准计量罐的透明玻璃水位管的水位图像,经处理后的输出数据信号经通讯线传输至所述中心控制系统;
所述中心控制系统控制电磁阀套组,从水槽向标准计量罐进水至检定水位时,由图像采集处理系统采集该水位并处理后传输到中心控制系统,从而控制电磁阀套组停止水槽向标准计量罐进水,进行泄露检测后将标准计量罐中的水排放至被检定计量罐,检定出被检定计量罐的标准刻度;然后排空被检定计量罐中的水,重复上述过程,实现对被检定计量罐的标定。
上述的中心控制系统是一个通过通讯线连接图像采集处理系统的工控机,通过PCI总线,经PCL-725板卡、PCL-734板卡和PCL-818L板卡电连接所述电磁阀套组的电磁线圈和水泵。
上述的图像采集处理系统是:所述标准计量罐的透明玻璃水位管的一侧安置一个光源,而另一侧安置一个CCD摄像头,该CCD摄像头的输出经图像卡,由PCI总线连接至一个计算机,由计算机通过通讯线连接中心控制系统的工控机。
上述的电磁阀套组是:所述水箱通过管道经一个流量计连接并联的大流量电磁阀和小流量脉宽调制PWM电磁阀后,一路经上排水阀连接所述标准计量罐的下底出口,另一路经一个透气阀接通大气,第三路经一个下排水阀连接一个二位三通电磁阀,然后二位三通电磁阀的一个通路经软管接通所述水池,另一通路经被检定计量罐及其下底排水电磁阀接通所述水池。
上述的PCL-725板卡电连接所述光源和CCD摄像头,所述PCL-734板卡电连接所述上排水电磁阀、下排水电磁阀、透气阀、大流量电磁阀和二位三通电磁阀的电磁线圈和水泵,所述PCL-818L板卡电连接所述小流量脉宽调制PWM电磁阀和流量计的电磁线圈。
一种计量罐自动检定方法,应用上述的计量罐自动检定装置进行检定,其特征在于具体检定操作步骤如下:
1)系统初始化,启动水泵循环,选择进水标准计量罐,通过PCL-725板卡切换图像采集通道,进入监视状态;
2)标准计量罐进水:开大流量电磁阀、小流量脉宽调制PWM电磁阀及上排水电磁阀给标准计量罐进水,当通过流量计传递的量达95%计量罐总容量时关闭大流量电磁阀,但小流量脉宽调制PWM电磁阀继续进水;
3)根据标准计量罐液位高度进行调控小流量脉宽调制PWM电磁阀:图像中出现玻璃水位管内液位,点击进入检测状态,对每帧图片进行液位测量并转换为液位高度输出,与设定的液位高度进行比较,进行PID调节,使小流量脉宽调制PWM电磁阀通断时间连续变化,达到目标液位值;
4)泄露检测1:进完水后关小流量脉宽调制PWM电磁阀,并即计时等待2分钟,根据标准计量罐液位图像采集处理系统检测液位是否变化,如上升进入漏水报警,结果进程,停止;
5)泄露检测2:关上排水电磁阀、开下排水电磁阀和透气阀,拍中间管路水;根据标准计量罐液位图像采集处理系统检测液位是否变化,如排空后液位仍下降,进入漏水报警,结束进程,停止;
6)等量体积传递到被检计量罐:关透气阀、开上排水电磁阀和二位三通电磁阀将标准计量罐的水放至被检计量罐。
7)将被检计量罐的标记刻度及数据入库,然后将被检计量罐内的水排空
8)重复步骤2~7二次,若检定数据合格,报表证书打印,结束。
本发明与现有技术相比较,具有以下突出特点和显著优点:
(1)自动控制:将图像测量技术引入计量检定领域,通过软PLC软件应用程序,实现对不同规格的计量罐进行自动化检定,达到一等计量罐进水后水位稳定在设定高度的范围内的控制要求,同时,还可满足异地送检的需要,既能采用全自动运行方式,又能在异常情况下切换到上位机人机界面手动(半自动)或机旁手动操作模式,加强了系统使用的灵活性。
(2)电磁阀套组装置及其大小电磁阀配合的工艺,延长了图像处理观测判定时间,解决了管路中无残留问题,满足了计量的高效性及准确性的要求。
(3)报警功能:由于采用了异地图像处理及监控模式,有效实现了阀门泄漏报警和液位越限报警等,提高了计量罐检定的可靠性。
附图说明:
图1是本发明的计量罐自动检定装置的原理框图
图2是计量罐自动检定装置的管路系统及图像采集系统的结构图
图3是电磁阀套组工况及安装方式
图4是本发明计量罐自动检定装置的中心控制系统、图像采集处理系统和电磁阀套组的电路结构框图
图5是进出水阀件控制运行方式配置图
具体实施方式:
本发明的一个优选实例结合附图详述如下:
参见图1、图2、图3和图4,本计量罐自动检定装置包括一个被检定计量罐5、一个标准计量罐4、一个水泵7、一个水槽8和一个水池6,其特征在于有一个中心控制系统1电连接一组电磁阀套组3的电磁线圈和水泵7;所述电磁阀套组3通过管路连接所述的被检定计量罐5、标准计量罐4、水池6和水槽8,通过管路使所述水泵7进口连通水池6而出口连通水槽8;有一个图像采集处理系统2采集所述标准计量罐4的透明玻璃水位管的水位图像,经处理后的输出数据信号经通讯线1-5传输至所述中心控制系统1;
所述中心控制系统1控制电磁阀套组3,从水槽8向标准计量罐4进水至检定水位时,由图像采集处理系统2采集该水位并处理后传输到中心控制系统1,从而控制电磁阀套组3停止水槽8向标准计量罐4进水,进行泄露检测后将标准计量罐4中的水排放至被检定计量罐5,检定出被检定计量罐5的标准刻度;然后排空被检定计量罐5中的水,重复上述过程,实现对被检定计量罐的标定。
在电磁阀套组3中建立容量无残留传递的电磁阀组合方式,即电磁阀套组包括6个电磁阀,其中上排水阀3-1-1一端直接固定安装在计量罐的底部,采用两位两通的电磁阀,另一端用蛇形软管与之连接,以便计量罐与该3-1-1一起拆卸下来到外地送检。这里大电磁阀选3-1-5用德国BUSCHJOST公司的两通阀,小电磁阀3-1-4选用德国BURKERT公司的PWM(脉宽调制)型电磁阀。图2说明了在不同工况下的气阀3-1-3的配合使用工艺,如到达计量刻度时,需关闭3-1-1,打开3-1-2,打开3-1-3,关闭3-1-4及3-1-5、),打开二位三通电磁阀3-1-6的B端口,这样可以保证非上等计量罐的液体被排到外部,完整的上等计量罐的液体容量被传递到下等计量罐中,为了出水的便利,所有出水流经的管路都要设计一定的倾角。
参见图2、图4,建立中心控制方式,主要软件开发工具包括工控组态软件组态王和软PLC软件KingACT,它们都装在工控机1-1的操作平台上,工控机既通过PCL-725板卡1-2、PCL-734板卡1-3及PCL-818L板卡1-4板卡和KingACT实现对外部设备的控制,又通过组态王完成与用户的人机交互和动态画面显示、报表证书打印等,被控对象包括远程的CCD摄像头2-3、条形光源2-4、水泵7和电磁阀3-1-1、3-1-2、3-1-3、3-1-4、3-1-5、3-1-6)等设备。根据工控机1-1的指令,点亮或打开相应的标准计量罐所安装的CCD 2-3及条形光源2-4,通过平行光背向照明,连续采集玻璃水位管中的液位图像,数字化后由计算机软件进行图像处理和分析,得到精确的液位值,并通过RS232通讯线1-5传送给工控机1-1。对于阀门可能存在的泄漏,可通过图像处理系统在不同时间段对液位的多次检测数据进行比较来进行判断。
参见图5,除了以上的自动化检定系统外,为了满足异地送检的方便,以及在非接触式液位检测图像处理系统失灵或其它异常的情况下,对控制量器进出水的相关阀件也能进行操作,提供了非自动化(半自动化)运行模式,便携式操作盒3-1-8供现场手工操作使用。
本实例中所用的软PLC软件是北京亚控科技发展有限公司的KingACT1.5。由于它与本实例中使用的组态王为同一家公司的产品,两者交互起来更为便利,功能能满足实际要求。在这种控制应用方案中,I/O板卡和I/O接线端子板负责与控制现场打交道,采集上来的输入信号被KingACT运行系统处理,KingACT开发系统(编程器)编写的控制应用程序也被KingACT运行系统解释执行,最后将处理后的信号输出完成相应的控制功能,同时KingACT运行系统与组态王应用程序间进行数据交换。
本计量罐自动检定方法采用上述的计量罐自动检定装置进行检定,其具体检定操作步骤如下:
1)系统初始化,启动水泵3-5循环,选择进水标准计量罐4,通过PCL-725板卡1-2切换图像采集通道,进入监视状态;
2)标准计量罐4进水:开大流量电磁阀3-1-5、小流量脉宽调制PWM电磁阀3-1-4及上排水电磁阀3-1-1给标准计量罐4进水,当通过流量计3-8传递的量达95%计量罐总容量时关闭大流量电磁阀3-1-5,但小流量脉宽调制PWM电磁阀3-1-4继续进水;
3)根据标准计量罐4液位高度进行调控小流量脉宽调制PWM电磁阀3-1-4:图像中出现玻璃水位管内液位,点击进入检测状态,对每帧图片进行液位测量并转换为液位高度输出,与设定的液位高度进行比较,进行PID调节,使小流量脉宽调制PWM电磁阀3-1-4通断时间连续变化,达到目标液位值;
4)泄露检测1:进完水后关小流量脉宽调制PWM电磁阀3-1-4,并即计时等待2分钟,根据标准计量罐4液位图像采集处理系统2检测液位是否变化,如上升进入漏水报警,结果进程,停止;
5)泄露检测2:关上排水电磁阀3-1-1、开下排水电磁阀3-1-2和透气阀3-1-3,拍中间管路水;根据标准计量罐4液位图像采集处理系统2检测液位是否变化,如排空后液位仍下降,进入漏水报警,结束进程,停止;
6)等量体积传递到被检计量罐5:关透气阀3-1-3、开上排水电磁阀3-1-1和二位三通电磁阀3-1-6将标准计量罐4的水放至被检计量罐5
7)将被检计量罐5的标记刻度及数据入库,然后将被检计量罐5内的水排空重复步骤2~7二次,若检定数据合格,报表证书打印,结束。
Claims (6)
1、一种计量罐自动检定装置,包括一个被检定计量罐(5)、一个标准计量罐(4)、一个水泵(7)、一个水箱(8)和一个水池(6),其特征在于有一个中心控制系统(1)电连接一组电磁阀套组(3)的电磁线圈和水泵(7);所述电磁阀套组(3)通过管路连接所述的被检定计量罐(5)、标准计量罐(4)、水池(6)和水箱(8),通过管路使所述水泵(7)进口连通水池(6)而出口连通水箱(8);有一个图像采集处理系统(2)采集所述标准计量罐(4)的透明玻璃水位管的水位图像,经处理后的输出数据信号经通讯线(1-5)传输至所述中心控制系统(1);
所述中心控制系统(1)控制电磁阀套组(3),从水箱(8)向标准计量罐(4)进水至检定水位时,由图像采集处理系统(2)采集该水位并处理后传输到中心控制系统(1),从而控制电磁阀套组(3)停止水箱(8)向标准计量罐(4)进水,进行泄露检测后将标准计量罐(4)中的水排放至被检定计量罐(5),检定出被检定计量罐(5)的标准刻度;然后排空被检定计量罐(5)中的水,重复上述过程,实现对被检定计量罐的标定。
2、根据权利要求1所述的计量罐自动检定装置,其特征在于所述的中心控制系统(1)是一个通过通讯线(1-5)连接图像采集处理系统(2)的工控机(1-1),通过PCI总线,经PCL-725板卡(1-2)、PCL-734板卡(1-3)和PCL-818L板卡(1-4)电连接所述电磁阀套组(3)的电磁线圈和水泵(7)。
3、根据权利要求2所述的计量罐自动检定装置,其特征在于所述的图像采集处理系统(2)是:所述标准计量罐(4)的透明玻璃水位管的一侧安置一个光源(2-4),而另一侧安置一个CCD摄像头(2-3),该CCD摄像头(2-3)的输出经图像卡(2-2),由PCI总线连接至一个计算机(2-1),由计算机(2-1)通过通讯线连接中心控制系统(1)的工控机(1-1)。
4、根据权利要求2所述的计量罐自动检定装置,其特征在于所述的电磁阀套组(3)是:所述水箱(8)通过管道经一个流量计(3-8)连接并联的大流量电磁阀(3-1-5)和小流量脉宽调制PWM电磁阀(3-1-4)后,一路经上排水阀(3-1-1)连接所述标准计量罐(4)的下底出口,另一路经一个透气阀(3-1-3)接通大气,第三路经一个下排水阀(3-1-2)连接一个二位三通电磁阀,然后二位三通电磁阀(3-1-6)的一个通路经软管(3-9)接通所述水池(6),另一通路经被检定计量罐(5)及其下底排水电磁阀接通所述水池(6)。
5、根据权利要求4所述的计量罐自动检定装置,其特征在于所述PCL-725板卡(1-2)电连接所述光源(2-4)和CCD摄像头(2-3),所述PCL-734板卡(1-3)电连接所述上排水电磁阀(3-1-1)、下排水电磁阀(3-1-2)、透气阀(3-1-3)、大流量电磁阀(3-1-5)和二位三通电磁阀(3-1-6)的电磁线圈和水泵(7),所述PCL-818L板卡(1-4)电连接所述小流量脉宽调制PWM电磁阀(3-1-4)和流量计(3-8)的电磁线圈。
6、一种计量罐自动检定方法,应用于权利要求1所述的计量罐自动检定装置进行检定,其特征在于具体检定操作步骤如下:
a.系统初始化,启动水泵(3-5)循环,选择进水标准计量罐(4),通过PCL-725板卡(1-2)切换图像采集通道,进入监视状态;
b.标准计量罐(4)进水:开大流量电磁阀(3-1-5)、小流量脉宽调制PWM电磁阀(3-1-4)及上排水电磁阀(3-1-1)给标准计量罐(4)进水,当通过流量计(3-8)传递的量达95%计量罐总容量时关闭大流量电磁阀(3-1-5),但小流量脉宽调制PWM电磁阀(3-1-4)继续进水;
c.根据标准计量罐(4)液位高度进行调控小流量脉宽调制PWM电磁阀(3-1-4):图像中出现玻璃水位管内液位,点击进入检测状态,对每帧图片进行液位测量并转换为液位高度输出,与设定的液位高度进行比较,进行PID调节,使小流量脉宽调制PWM电磁阀(3-1-4)通断时间连续变化,达到目标液位值;
d.泄露检测1:进完水后关小流量脉宽调制PWM电磁阀(3-1-4),并即计时等待2分钟,根据标准计量罐(4)液位图像采集处理系统(2)检测液位是否变化,如上升进入漏水报警,结果进程,停止;
e.泄露检测2:关上排水电磁阀(3-1-1)、开下排水电磁阀(3-1-2)和透气阀(3-1-3),拍中间管路水;根据标准计量罐(4)液位图像采集处理系统(2)检测液位是否变化,如排空后液位仍下降,进入漏水报警,结束进程,停止;
f.等量体积传递到被检计量罐(5):关透气阀(3-1-3)、开上排水电磁阀(3-1-1)和二位三通电磁阀(3-1-6)将标准计量罐(4)的水放至被检计量罐(5)
g.将被检计量罐(5)的标记刻度及数据入库,然后将被检计量罐(5)内的水排空;
h.重复步骤2~7二次,若检定数据合格,报表证书打印,结束。
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