基于PLC的流量比值控制系統設計

1 引言

　在生產(chǎn)過(guò)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，就稱(chēng)為比值控制系統。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，經(jīng)實(shí)驗和實(shí)踐運行，證明該系統具有結構簡(jiǎn)單、穩態(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(kāi)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(lèi)型。開(kāi)環(huán)比值控制是最簡(jiǎn)單的控制方案。單閉環(huán)比值控制系統是為了克服開(kāi)環(huán)比值控制方案的缺點(diǎn)而設計的，這種方案的不足之處是主流量沒(méi)有構成閉環(huán)控制。本系統采樣雙閉環(huán)比值控制方案。

圖1 kcl-h2so4雙閉環(huán)流量比值控制系統原理圖

　 由圖1所示，第一個(gè)閉環(huán)控制系統是主流量氯化鉀本身構成的流量閉環(huán)控制系統，當設置確定后，通過(guò)閉環(huán)調節作用，消除擾動(dòng)的影響，使氯化鉀的流量穩定在設定值上，主流量閉環(huán)控制系統屬于恒值控制系統。第二個(gè)閉環(huán)控制系統是副流量硫酸閉環(huán)控制系統，其輸入量是經(jīng)過(guò)檢測與變送后的氯化鉀流量信號q1與比值系數k1的乘積。硫酸副流量閉環(huán)控制系統由副控制器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)控制系統屬于跟隨系統。

3 流量比值控制系統設計

　3.1 流量比值控制系統構成

　 氯化鉀與硫酸流量比值控制系統是由三菱fx2nc系列plc、耐腐蝕泵、西門(mén)子mm440變頻器、計量螺旋、電磁流量計等組成。流量比值控制系統方框圖如圖2所示。

圖2 流量比值控制系統方框圖

?。?）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，可以安裝到比標準的plc小很多的空間內。i/o型連接器可以降低接線(xiàn)成本，節約接線(xiàn)時(shí)間。i/o點(diǎn)數可以擴展到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；轉速2900r/nin，流量25m3/h；揚程32m；電機功率5.5kw。硫酸泵采用變頻調速。對于泵類(lèi)設備，應選用水泵類(lèi)專(zhuān)用變頻器。ihf6550-160型氟塑料離心泵的驅動(dòng)電機功率為5.5kw,選用西門(mén)子公司mm430型水泵專(zhuān)用變頻器，該變頻器帶內置a級濾波器。

?。?）西門(mén)子mm440變頻器。粉體在螺旋內的流動(dòng)速度是由電機編碼器輸出脈沖來(lái)間接計算的,如果電機轉速穩定性不好,將影響計量螺旋的正常工作。為此,采用德國西門(mén)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。為了穩定螺旋軸的轉速并計算粉體流速，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(chēng)編碼器模板)和編碼器。

?。?）計量螺旋。氯化鉀是粉粒狀物料(簡(jiǎn)稱(chēng)粉體)。計量螺旋是對粉體進(jìn)行輸送、動(dòng)態(tài)計量和流量控制的設備。本設計采用萬(wàn)息得公司的lsc型計量螺旋(螺旋電子稱(chēng))。

　 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，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(chēng)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)，安裝在電機非負載軸端的編碼器檢測螺旋軸旋轉的周數和速度，編碼器輸出脈沖傳送到plc的高速計數單元。經(jīng)cpu單元運算處理后，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，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的主動(dòng)量。粉體流量(給料量)表達式為：

　 q=k·q·v (1)

　 式中，q—計量螺旋輸出流量(給料量)，kg/s；k—稱(chēng)重系數；q—螺旋內粉體的線(xiàn)負荷，kg/m；v—螺旋內粉體流動(dòng)速度，m/s 。

　 粉體在計量螺旋內沿螺旋形軌跡運動(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的轉速，再換算出流速v。如圖3所示計量螺旋示意圖。

圖3 計量螺旋示意圖

　 （5）電磁流量計。電磁流量計廣泛用于測量導電的液體和液固兩相流體的體積流量，測量結果與流體的溫度、粘度、密度、壓力及液固成分比無(wú)關(guān)，電導率在較大范圍內變化時(shí)也不會(huì )影響測量結果。因此，只需經(jīng)普通水標定后，就可以用來(lái)測量其他導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，所以電磁流量計是一種真正的體積流量計。本設計采用的是廣東萬(wàn)山自動(dòng)化儀表有限公司wsdq型電磁流量計。

　 3.2 plc控制系統設計

　 氯化鉀稱(chēng)重裝置、硫酸電磁流量計的輸出均為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）。轉換速率為15ms/通道或者6ms/通道（高速）。

　計量羅旋和硫酸泵都采用變頻調速系統，兩臺變頻器的控制信號來(lái)自plc系統的模擬量輸出單元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）。轉換速度為4通道2.1ms在程序中占用8個(gè)i/o點(diǎn)。

　 （1）設定參數數據存儲器地址

計量螺旋給料量即氯化鉀流量設定值：d1 d0，2個(gè)字，8位bcd碼。
氯化鉀/硫酸流量比值系數：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級增益數據存儲器地址：第1級～第10級：d100～d109,d130～d139。
16級積分時(shí)間常數數據存儲器地址：第1級～第10級：d110～d119,d140～d149。

　 （2）變頻器調節

　 使用mm430變頻器控制泵類(lèi)負載時(shí)，需要注意起始頻率，防止閉環(huán)控制系統在突加給定時(shí)，流量出現過(guò)大的超調和震蕩。在管道和泵的規格確定之后，相應的流量起始頻率也就確定了。在本系統中，頻率大于19hz之后才有流量輸出。針對變頻調速泵的這種特性，在系統調試時(shí)應首先進(jìn)行開(kāi)環(huán)試驗，測出泵的頻率-流量特性曲線(xiàn)。根據測出的起始頻率來(lái)制定控制算法。在起始頻率以下，采用開(kāi)環(huán)控制模式，變頻器的輸入信號為斜坡函數，即線(xiàn)形漸增電壓信號。待達到起始頻率建立起流量之后，再轉入閉環(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。首先運行比例控制，當實(shí)際流量接近設定流量時(shí)，再轉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態(tài)誤差。

　 （3）pid控制

fx2nc系列plc具有pid控制指令，
pid d200 設定值sv，參數起始字，二進(jìn)制數據
d201 輸入字，流量反饋數據，二進(jìn)制數據
d500 控制參數
d500 采樣周期t 1～32767ms d501 動(dòng)作方向（act）
d502 輸入濾波常數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小則超調大，震蕩次數多。
d504（積分時(shí)間ti）：根據‘誤差數據’（d50），將積分ti分為10級，在運行過(guò)程中自動(dòng)地調用相應的積分ti，達到既響應快又抑制超調的目的。在突加給定的情況下，最大超調量小于5%。
d506(微分時(shí)間td)：4000（bcd碼）左右。

4 結束語(yǔ)

　在本系統中，根據流量閉環(huán)控制系統的誤差大小，將比例系數和積分時(shí)間常數各分為10級，在運行過(guò)程中能夠自動(dòng)地調用合適的比例系數和積分時(shí)間常數，這種控制能夠兼顧跟隨性和抗擾性，實(shí)現了既響應快又抑制超調的目標，達到了很好的效果。