【论文摘要】在油气水三相水平管流的试验研究中，为便于流量计的在线标定，设计了一种更精确的流量自动调节系统。该系统由微机I/O卡和一个调节阀配用两个电子继电器代替常规流量调节法中的计算机内置D/A卡与伺服放大器，通过I/O卡两个输出端产生两个开关量分别控制继电器的通断，继电器的接通时间决定电动机带动输出杆的位置，从而控制流量。与常规流量调节系统比较，该流量调节系统能更精确、更快捷地调节流量，可大大降低成本，具有良好的经济效益。
A more precise pipeline flow autocontrol system
Li Ju
（University of Petroleum, Changping County, Beijing）
In the test and research of oil-gas-water horizontal pipeline flow, for the convenience of online scaling of flowmeters, a more precise flow autocontrol system is designed. This system adopts I/O card of PC and a control valve matched with two electronic relay instead of the D/A card and servo amplifier, the two output ports of the I/O card control the switch on/off of the relay, and the time for switching on the relay determines the position of the motor drive output rod, thereby the flow is controlled. Compared with the conventional flow control system, this new system is able to control flow rate more precisely and rapidly with low cost.
Subject Concept Terms pipeline flow flow control flow control system
前 言
为进行油气水三相水平管流的理论分析与试验研究，石油大学（北京）流体测试实验室设计制造了一座油气水三相流水平试验环道。该试验环道能产生所有气液两相流流型并能得到有意义的瞬时流动参数，采用以微机为主体的全自动控制系统，利用I/O总线通过接口箱与众多的下位机（电动调节阀、流量传感器和微差压传感器等）之间进行高速数据采集通讯，实现状态监测和控制，具有较高的自动化程度，能在常温低压下得到在一定范围内连续变化的油气水各相流速和流量，并能进行在线标定。主要技术指标是油和水的流速范围0～2m/s，气相的流速范围0～20m/s，装置的运行压力范围0～1MPa。油(水)路流程为：油(水)→油(水)泵→油(水)稳压罐→管路→流量计→电动调节阀→静态混合器→测试段→油气水三相分离罐；气路流程为：空气→空气压缩机→管路→气体流量计→电动调节阀→静态混合器→测试段→油气水三相分离罐，由罐顶排放。在测试段上装有3台微差压传感器，能实时输出测试段中的相关波动信号。
在该实验系统中,为了便于对各流量计的在线标定，以及研究流量对流型及管道内流体压力的影响，需对电动调节阀自动控制，调节其开度，以精确得到各种不同流量。为此，笔者自行设计了一种流量控制系统。实验表明，与常规流量调节法相比，该系统能更精确地调节流量，并能节省大量资金，具有良好的实用价值和经济效益。
常规流量调节系统
一般采用的方法是为微机配置一个D/A数模转换卡，利用该卡输出的模拟电流信号控制电动机的电动伺服放大器，从而控制电动机带动其执行机构，把电流信号转换为执行机构输出杆的直线位移，控制阀门内截流件的位置，实现流量的自动调节。其工作流程如图1所示。
实验中,控制系统使用486微型计算机、ZKZ型直行程电动执行机构（内置节流件）、DFC型电动伺服放大器，以及MS—1229输入输出接口板，实验在一套水平多相流环道上进行。486微型计算机控制输入输出接口板输出4～20mA电流，该电流送到电动伺服放大器比较后输出，控制电动执行机构产生0～15cm的垂直位移，通过控制阀门的开度来调节流量。
图1 普通流量控制法流程
流量的控制曲线如图2所示。从图中看到，流量在0～1000L/h内时，随着电流的变化，流量在很小的范围内发生跃变，因而在这段流量范围内用这种方法很难对流量实现精确控制。
图2 常规流量调节法的流量控制曲线
更精确的流量调节系统
更精确的流量调节法的控制流程为：微机→计算机内置I/O卡→继电器→伺服电动机→电动执行机构。在这种方法中，1个微型计算机I/O卡、1个调节阀和2个电子继电器代替原方法中的D/A数模转换卡和电动伺服放大器。该控制方法实际上采用执行机构的积分式工作方式，计算机控制伺服电动机的通电状态。通电时，伺服电动机旋转，执行机构减速器的输出杆朝着“关”或“开”方向移动；断电时，电动机停转，输出杆停止移动。输出杆的移动量与通电时间成积分关系。选用了9901型12路I/O卡和SSR型固态继电器。I/O卡可由计算机程控产生开关量输出，该开关量可用于直接驱动继电器。具体连接方式如图3所示。
图3 新的流量控制法电路原理图
工作时，计算机控制I/O卡的两个输出端产生两个开关量的输出，分别控制两个电子继电器的通断，两个继电器再分别控制两相伺服电动机两个线圈的通断，从而控制电动机两个不同的转动方向，继电器的接通时间决定了电动机带动输出杆的位置。
与常规调节法相比，这种调节法对于0～1000L/h的流量范围可精确调节，能更好地控制流量。分析其原因，固态继电器具有开关速度快、无机械噪声的特点，计算机通过对I/O卡的控制可高速准确地控制电子继电器的通断时间，从而精确地控制电动机的转动。这种方法没有使用伺服放大器，避免了伺服放大器比较电路的比较误差及死区范围的影响，因而控制流量更精确，速度更快。控制曲线如图4所示。从图中可看到流量在1000～1500L/h时，流量与调节时间的关系仍有较明显的非线性，但由于调节时间的分辨率最短可达20ms，因此，仍可以精确地调节到所需要的流量值。
图4 新方法的流量控制曲线
综上所述，笔者自行设计的流量自动调节系统可更精确、更快捷地实现流量的调节，由于省去了伺服放大器，I／O卡的价格又低于D／A卡，因而可大大降低成本，具有良好的经济效益。
李菊（石油大学.北京）
顾春来（石油大学.北京）
