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[導(dǎo)讀] 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

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)過檢測與變送后的氯化鉀流量信號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(簡稱粉體)。計(jì)量螺旋是對粉體進(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到的重量信號傳送到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,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),不便于直接檢測流動(dòng)速度v,通常是使用編碼器檢測電機(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)廣泛用于測量導(dǎo)電的液體和液固兩相流體的體積流量,測量結(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)也不會影響測量結(jié)果。因此,只需經(jīng)普通水標(biāo)定后,就可以用來測量其他導(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,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(4~20ma)或電壓信號(-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),兩臺變頻器的控制信號來自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(4~20ma)或這電壓信號(-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)際流量值存儲器地址:m500,16位二進(jìn)制碼。

硫酸實(shí)際流量值存儲器地址:m501,16位二進(jìn)制碼。

16級增益數(shù)據(jù)存儲器地址:第1級~第10級:d100~d109,d130~d139。

16級積分時(shí)間常數(shù)數(shù)據(jù)存儲器地址:第1級~第10級: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),測出泵的頻率-流量特性曲線。根據(jù)測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,變頻器的輸入信號為斜坡函數(shù),即線形漸增電壓信號。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,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,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。

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