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)實驗和實踐運行,，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。
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而設(shè)計的,，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),，當設(shè)置確定后，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)作用,，消除擾動的影響,，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
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,、計量螺旋,、電磁流量計等組成。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
?。?）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(nèi),。i/o型連接器可以降低接線成本，節(jié)約接線時間,。i/o點數(shù)可以擴展到256點,，最多可以連接4個特殊功能模塊。
（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,；揚程32m；電機功率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)動電機功率為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。
?。?）西門子mm440變頻器,。粉體在螺旋內(nèi)的流動速度是由電機編碼器輸出脈沖來間接計算的,如果電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性不好,將影響計量螺旋的正常工作。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）計量螺旋,。氯化鉀是粉粒狀物料(簡稱粉體),。計量螺旋是對粉體進行輸送、動態(tài)計量和流量控制的設(shè)備,。本設(shè)計采用萬息得公司的lsc型計量螺旋(螺旋電子稱),。
氯化鉀粉體進入料倉后，在振動器的作用下進入螺旋輸送機,，氯化鉀粉體沿螺旋槽向出料口方向前進,。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,，安裝在電機非負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的高速計數(shù)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(tǒng)的主動量,。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—稱重系數(shù)；q—螺旋內(nèi)粉體的線負荷,，kg/m,；v—螺旋內(nèi)粉體流動速度，m/s ,。
粉體在計量螺旋內(nèi)沿螺旋形軌跡運動,，不便于直接檢測流動速度v，通常是使用編碼器檢測電機的轉(zhuǎn)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(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)變化時也不會影響測量結(jié)果,。因此,，只需經(jīng)普通水標定后，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,，所以電磁流量計是一種真正的體積流量計。本設(shè)計采用的是廣東萬山自動化儀表有限公司wsdq型電磁流量計,。
3.2 plc控制系統(tǒng)設(shè)計
氯化鉀稱重裝置,、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i/o點。
（1）設(shè)定參數(shù)數(shù)據(jù)存儲器地址
計量螺旋給料量即氯化鉀流量設(shè)定值：d1 d0,，2個字,，8位bcd碼。
氯化鉀/硫酸流量比值系數(shù)：d3 d2/d9 d8,。
氯化鉀實際流量值存儲器地址：m500,，16位二進制碼。
硫酸實際流量值存儲器地址：m501,，16位二進制碼,。
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變頻器控制泵類負載時,，需要注意起始頻率，防止閉環(huán)控制系統(tǒng)在突加給定時,，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)試時應(yīng)首先進行開環(huán)試驗,，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,。首先運行比例控制,，當實際流量接近設(shè)定流量時，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，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，二進制數(shù)據(jù)
d201 輸入字,，流量反饋數(shù)據(jù),，二進制數(shù)據(jù)
d500 控制參數(shù)
d500 采樣周期t 1～32767ms d501 動作方向（act）
d502 輸入濾波常數(shù)a 0～99% d503 比例增益kp 1～32767%
d504 積分時間ti （0～32767-
ms）*100 d505 微分增益kd 0～100%
d506 微分時間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（積分時間ti）：根據(jù)‘誤差數(shù)據(jù)’（d50），將積分ti分為10級,，在運行過程中自動地調(diào)用相應(yīng)的積分ti,，達到既響應(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)和積分時間常數(shù)各分為10級，在運行過程中能夠自動地調(diào)用合適的比例系數(shù)和積分時間常數(shù),，這種控制能夠兼顧跟隨性和抗擾性,，實現(xiàn)了既響應(yīng)快又抑制超調(diào)的目標，達到了很好的效果,。