1 引言
在生產(chǎn)過程中，凡是將兩種或兩種以上的物料量自動(dòng)地保持一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，就稱為比值控制系統(tǒng)。在化工行業(yè)中，流量控制是非常重要的。本文主要介紹了一種流量比值控制系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐運(yùn)行，證明該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)態(tài)誤差小、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。
2 工作原理
比值控制有開環(huán)比值控制、單閉環(huán)比值控制和雙閉環(huán)比值控制三種類型。開環(huán)比值控制是最簡(jiǎn)單的控制方案。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是為了克服開環(huán)比值控制方案的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，這種方案的不足之處是主流量沒有構(gòu)成閉環(huán)控制。本系統(tǒng)采樣雙閉環(huán)比值控制方案。
圖1 kcl-h2so4雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)原理圖
由圖1所示，第一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)是主流量氯化鉀本身構(gòu)成的流量閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)置確定后，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)作用，消除擾動(dòng)的影響，使氯化鉀的流量穩(wěn)定在設(shè)定值上，主流量閉環(huán)控制系統(tǒng)屬于恒值控制系統(tǒng)。第二個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)是副流量硫酸閉環(huán)控制系統(tǒng)，其輸入量是經(jīng)過檢測(cè)與變送后的氯化鉀流量信號(hào)q1與比值系數(shù)k1的乘積。硫酸副流量閉環(huán)控制系統(tǒng)由副控制器1、硫酸泵變頻器、硫酸泵以及檢測(cè)點(diǎn)2/變送器2等組成。副流量閉環(huán)控制系統(tǒng)屬于跟隨系統(tǒng)。
3 流量比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 流量比值控制系統(tǒng)構(gòu)成
氯化鉀與硫酸流量比值控制系統(tǒng)是由三菱fx2nc系列plc、耐腐蝕泵、西門子mm440變頻器、計(jì)量螺旋、電磁流量計(jì)等組成。流量比值控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示。
圖2 流量比值控制系統(tǒng)方框圖
（1）三菱fx2nc系列plc。fx2nc系列plc具有很高的性能體積比和通信功能，可以安裝到比標(biāo)準(zhǔn)的plc小很多的空間內(nèi)。i/o型連接器可以降低接線成本，節(jié)約接線時(shí)間。i/o點(diǎn)數(shù)可以擴(kuò)展到256點(diǎn)，最多可以連接4個(gè)特殊功能模塊。
（2）耐腐蝕泵。硫酸屬于腐蝕性介質(zhì)，輸送泵必須采用耐腐蝕泵。本系統(tǒng)采用ihf 6550-160型氟塑料離心泵，泵進(jìn)口直徑65mm；出口直徑50mm；葉輪名義直徑160mm；轉(zhuǎn)速2900r/nin，流量25m3/h；揚(yáng)程32m；電機(jī)功率5.5kw。硫酸泵采用變頻調(diào)速。對(duì)于泵類設(shè)備，應(yīng)選用水泵類專用變頻器。ihf6550-160型氟塑料離心泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為5.5kw,選用西門子公司mm430型水泵專用變頻器，該變頻器帶內(nèi)置a級(jí)濾波器。
（3）西門子mm440變頻器。粉體在螺旋內(nèi)的流動(dòng)速度是由電機(jī)編碼器輸出脈沖來間接計(jì)算的,如果電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性不好,將影響計(jì)量螺旋的正常工作。為此,采用德國(guó)西門子公司mm440型矢量控制變頻器，電源電壓380vac，額定輸出功率5.5kw，額定輸出電流13.2a。為了穩(wěn)定螺旋軸的轉(zhuǎn)速并計(jì)算粉體流速，采用帶速度編碼器的矢量控制方式。變頻器需要增加脈沖編碼器脈沖處理模板(簡(jiǎn)稱編碼器模板)和編碼器。
（4）計(jì)量螺旋。氯化鉀是粉粒狀物料(簡(jiǎn)稱粉體)。計(jì)量螺旋是對(duì)粉體進(jìn)行輸送、動(dòng)態(tài)計(jì)量和流量控制的設(shè)備。本設(shè)計(jì)采用萬息得公司的lsc型計(jì)量螺旋(螺旋電子稱)。
氯化鉀粉體進(jìn)入料倉后，在振動(dòng)器的作用下進(jìn)入螺旋輸送機(jī)，氯化鉀粉體沿螺旋槽向出料口方向前進(jìn)。在出料口下方的稱量裝置傳感器將檢測(cè)到的重量信號(hào)傳送到plc的模擬量輸入單元。同時(shí)，安裝在電機(jī)非負(fù)載軸端的編碼器檢測(cè)螺旋軸旋轉(zhuǎn)的周數(shù)和速度，編碼器輸出脈沖傳送到plc的高速計(jì)數(shù)單元。經(jīng)cpu單元運(yùn)算處理后，得到氯化鉀粉體的流量值和累積重量值，由模擬量輸出單元輸出控制信號(hào)，控制變頻器和變頻電機(jī)，從而控制氯化鉀粉體的流量。氯化鉀流量是流量比值控制系統(tǒng)的主動(dòng)量。粉體流量(給料量)表達(dá)式為：
q=k·q·v (1)
式中，q—計(jì)量螺旋輸出流量(給料量)，kg/s；k—稱重系數(shù)；q—螺旋內(nèi)粉體的線負(fù)荷，kg/m；v—螺旋內(nèi)粉體流動(dòng)速度，m/s 。
粉體在計(jì)量螺旋內(nèi)沿螺旋形軌跡運(yùn)動(dòng)，不便于直接檢測(cè)流動(dòng)速度v，通常是使用編碼器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，再換算出流速v。如圖3所示計(jì)量螺旋示意圖。
圖3 計(jì)量螺旋示意圖
（5）電磁流量計(jì)。電磁流量計(jì)廣泛用于測(cè)量導(dǎo)電的液體和液固兩相流體的體積流量，測(cè)量結(jié)果與流體的溫度、粘度、密度、壓力及液固成分比無關(guān)，電導(dǎo)率在較大范圍內(nèi)變化時(shí)也不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。因此，只需經(jīng)普通水標(biāo)定后，就可以用來測(cè)量其他導(dǎo)電性液體或液固二相流體介質(zhì)的流量，而不需附加任何修正，所以電磁流量計(jì)是一種真正的體積流量計(jì)。本設(shè)計(jì)采用的是廣東萬山自動(dòng)化儀表有限公司wsdq型電磁流量計(jì)。
3.2 plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
氯化鉀稱重裝置、硫酸電磁流量計(jì)的輸出均為4～20ma信號(hào)，分別送到模擬量輸入單元fx2n-4ad的電流輸入1、電流輸入2。模擬量輸入單元fx2n-4ad有4個(gè)12位模擬量輸入通道，輸入量程可以是電流信號(hào)（4～20ma）或電壓信號(hào)（-10～10v）。轉(zhuǎn)換速率為15ms/通道或者6ms/通道（高速）。
計(jì)量羅旋和硫酸泵都采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，兩臺(tái)變頻器的控制信號(hào)來自plc系統(tǒng)的模擬量輸出單元fx2n-4da。fx2n-4da有12位4通道，輸出量程可以是電流信號(hào)（4～20ma）或這電壓信號(hào)（-10～+10v）。轉(zhuǎn)換速度為4通道2.1ms在程序中占用8個(gè)i/o點(diǎn)。
（1）設(shè)定參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址
計(jì)量螺旋給料量即氯化鉀流量設(shè)定值：d1 d0，2個(gè)字，8位bcd碼。
氯化鉀/硫酸流量比值系數(shù)：d3 d2/d9 d8。
氯化鉀實(shí)際流量值存儲(chǔ)器地址：m500，16位二進(jìn)制碼。
硫酸實(shí)際流量值存儲(chǔ)器地址：m501，16位二進(jìn)制碼。
16級(jí)增益數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址：第1級(jí)～第10級(jí)：d100～d109,d130～d139。
16級(jí)積分時(shí)間常數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址：第1級(jí)～第10級(jí)：d110～d119,d140～d149。
（2）變頻器調(diào)節(jié)
使用mm430變頻器控制泵類負(fù)載時(shí)，需要注意起始頻率，防止閉環(huán)控制系統(tǒng)在突加給定時(shí)，流量出現(xiàn)過大的超調(diào)和震蕩。在管道和泵的規(guī)格確定之后，相應(yīng)的流量起始頻率也就確定了。在本系統(tǒng)中，頻率大于19hz之后才有流量輸出。針對(duì)變頻調(diào)速泵的這種特性，在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)應(yīng)首先進(jìn)行開環(huán)試驗(yàn)，測(cè)出泵的頻率-流量特性曲線。根據(jù)測(cè)出的起始頻率來制定控制算法。在起始頻率以下，采用開環(huán)控制模式，變頻器的輸入信號(hào)為斜坡函數(shù)，即線形漸增電壓信號(hào)。待達(dá)到起始頻率建立起流量之后，再轉(zhuǎn)入閉環(huán)控制模式。對(duì)于閉環(huán)控制模式，又分為比例（p）控制和比例積分（pi）控制兩種模式。首先運(yùn)行比例控制，當(dāng)實(shí)際流量接近設(shè)定流量時(shí)，再轉(zhuǎn)入比例積分控制模式。采用多模態(tài)控制后，消除了流量的大幅度波動(dòng)，改善了流量的跟隨性能并消除了穩(wěn)態(tài)誤差。
（3）pid控制
fx2nc系列plc具有pid控制指令，
pid d200 設(shè)定值sv，參數(shù)起始字，二進(jìn)制數(shù)據(jù)
d201 輸入字，流量反饋數(shù)據(jù)，二進(jìn)制數(shù)據(jù)
d500 控制參數(shù)
d500 采樣周期t 1～32767ms d501 動(dòng)作方向（act）
d502 輸入濾波常數(shù)a 0～99% d503 比例增益kp 1～32767%
d504 積分時(shí)間ti （0～32767-
ms）*100 d505 微分增益kd 0～100%
d506 微分時(shí)間td （0～32767）*10ms
d503（比例增益kp）：8000（bcd碼）左右，p小則超調(diào)大，震蕩次數(shù)多。
d504（積分時(shí)間ti）：根據(jù)‘誤差數(shù)據(jù)’（d50），將積分ti分為10級(jí)，在運(yùn)行過程中自動(dòng)地調(diào)用相應(yīng)的積分ti，達(dá)到既響應(yīng)快又抑制超調(diào)的目的。在突加給定的情況下，最大超調(diào)量小于5%。
d506(微分時(shí)間td)：4000（bcd碼）左右。
4 結(jié)束語
在本系統(tǒng)中，根據(jù)流量閉環(huán)控制系統(tǒng)的誤差大小，將比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)各分為10級(jí)，在運(yùn)行過程中能夠自動(dòng)地調(diào)用合適的比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)，這種控制能夠兼顧跟隨性和抗擾性，實(shí)現(xiàn)了既響應(yīng)快又抑制超調(diào)的目標(biāo)，達(dá)到了很好的效果。