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| 配料系統(tǒng)在反應(yīng)釜中應(yīng)用及控制 | 2020-01-20 |
| 前言 工業(yè)工程中對于稱重的監(jiān)測和控制過程，其目的是利用PLC來實(shí)現(xiàn)過程配料控制。目前，PLC使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動配料系統(tǒng)控制，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，涉及到所有與自動檢測、自動配料系統(tǒng)控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域。PLC通過模擬量I/O模塊和A/D、D/A模塊實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，并對模擬量進(jìn)行閉環(huán)控制。 配料系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 配料系統(tǒng)主要是控制流過反應(yīng)釜油漆的稱重，由于配料系統(tǒng)對控制要求不高，故配料系統(tǒng)采用單回路控制，被控對象為油漆的稱重，控制量為油漆泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，防爆電子秤選用PLC和配料系統(tǒng)變頻器,傳感變送器選用電磁稱重傳感變送器，執(zhí)行器選用油漆泵。 配料系統(tǒng)可分為：控制機(jī)構(gòu)、信號檢測變送機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分，具體為： (l)控制機(jī)構(gòu)：配料系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)包括電子秤(PLC)和配料系統(tǒng)變頻器兩個部分。電子秤是整個稱重控制配料系統(tǒng)的核心。電子秤直接對配料系統(tǒng)中的稱重信號進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即油漆泵電機(jī))進(jìn)行控制；配料系統(tǒng)變頻器是對油漆泵電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤防爆電子秤送來的控制信號改變油漆泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。(2)信號檢測變送機(jī)構(gòu)：在配料系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括反應(yīng)釜油漆稱重信號，其中油漆稱重信號是配料系統(tǒng)控制配料系統(tǒng)的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入PLC時，需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一個油漆泵電機(jī)組成，它用于將油漆供入反應(yīng)釜，通過配料系統(tǒng)變頻器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制反應(yīng)釜油漆稱重的目的。 稱重控制配料系統(tǒng)以供油漆出口反應(yīng)釜油漆稱重為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口反應(yīng)釜的實(shí)際稱重跟隨設(shè)定的油漆稱重。設(shè)定的油漆稱重可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。 油漆稱重控制配料系統(tǒng)通過安裝在反應(yīng)釜上的稱重儀表實(shí)時地測量參考點(diǎn)的油漆稱重，檢測反應(yīng)釜出油漆稱重，并將其轉(zhuǎn)換為4-20mA的電信號，此檢測信號是實(shí)現(xiàn)油漆稱重恒定的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為配料系統(tǒng)變頻器的輸入信號，控制配料系統(tǒng)變頻器的輸出頻率，從而控制油漆泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制反應(yīng)釜中的油漆稱重，實(shí)現(xiàn)油漆稱重恒定。 配料系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 防爆電子秤的選型 由于PLC防爆電子秤具有抗干擾能力強(qiáng)，擴(kuò)展模塊組合方便、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)，該控制配料系統(tǒng)采用PLC作為防爆電子秤。由于油漆稱重配料控制配料系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少因此，我們選用SiemensS7-200系列PLC，該系列PLC結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，具有較高的性價(jià)比，廣泛適用于一些小型控制配料系統(tǒng)。根據(jù)控制配料系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，并考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此，CPU選用SiemensCPU224，其開關(guān)量輸出為10點(diǎn)，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入為14點(diǎn)，輸入形式為+24V直流輸入。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn)1個，模擬量輸出點(diǎn)1個，所以需要選擇擴(kuò)展模塊，模擬量擴(kuò)展模塊選用SiemensEM235，該模塊有4個模擬量輸入通道，1個模擬量輸出通道。 配料系統(tǒng)變頻器的選型 由于配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中PLC選擇的是SiemensS7-200型號，為了方便PLC和配料系統(tǒng)變頻器之間的通信，我們選擇SiemensMicroMaster440配料系統(tǒng)變頻器。它是用于三相交流電動機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。MicroMaster440配料系統(tǒng)變頻器的輸出功率為0.75~90KW，適用于要求高、功率大場合，恰好其輸出信號能作為75KW的油漆泵電機(jī)的輸入信號。另外該配料系統(tǒng)變頻器可以通過RS-485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設(shè)備之間的通信。 稱重模塊的選型 稱重儀表用于檢測反應(yīng)釜中的油漆稱重，常裝設(shè)在泵站的出油漆口，稱重模塊和稱重轉(zhuǎn)換器是將油漆管中的油漆稱重變化轉(zhuǎn)變?yōu)?~20mA的模擬量信號，作為模擬輸入模塊(A/D模塊)的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用4~20mA輸出稱重轉(zhuǎn)換器。根據(jù)以上的分析，配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用電磁稱重模塊SHLDG、電磁稱重轉(zhuǎn)換器SHLDZ-1實(shí)現(xiàn)稱重的檢測、顯示和變送。稱重表測量范圍0-0.6m3/h，精度1.0；轉(zhuǎn)換器輸出4~20mA電流信號，送給與CPU224連接模擬量模塊EM235，作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號。 執(zhí)行器的選型 油漆泵電機(jī)的選型基配料系統(tǒng)原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使電機(jī)常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的電機(jī)必須與配料系統(tǒng)用油漆量的變化幅度相匹配。配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求為：電機(jī)額定功率0.37KW,額定轉(zhuǎn)速為2800r/min。根據(jù)配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求確定采用1臺SFL型油漆泵電機(jī)（電機(jī)功率0.37KW）。SFL型低噪音生活給油漆泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高5%以上；采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低(室外噪音60分貝)、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，油漆力模型，性能更可靠。它可以輸送清油漆及理化性質(zhì)類似于油漆的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排油漆、鍋爐給油漆、空調(diào)冷卻配料系統(tǒng)、消防給油漆等。因此配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇電機(jī)功率為0.37KW的SFL系列油漆泵電機(jī)1臺。 控制規(guī)律的選擇 PID控制是連續(xù)控制配料系統(tǒng)中技術(shù)、應(yīng)用泛的控制方式。具有理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優(yōu)點(diǎn)。配料系統(tǒng)控制配料系統(tǒng)采用PID控制規(guī)律。 (1)比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制配料系統(tǒng)偏差信號的作用，偏差e(t)一旦產(chǎn)生，防爆電子秤立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差，具有快速性，但不能消除配料系統(tǒng)偏差，配料系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)Kp的增大而減少，比例系數(shù)過大將導(dǎo)致配料系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)積分環(huán)節(jié)：表明防爆電子秤的輸出與偏差持續(xù)的時間有關(guān)。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，直到配料系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高配料系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，易引起配料系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強(qiáng)，易引起配料系統(tǒng)振蕩。(3)微分環(huán)節(jié)：對偏差信號的變化趨勢做出反應(yīng)，并能在偏差信號變得太大之前，在配料系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快配料系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快配料系統(tǒng)響應(yīng)時間，改善配料系統(tǒng)的動態(tài)特性。 結(jié)語 配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于PLC的稱重控制主要實(shí)現(xiàn)的是對工業(yè)油漆稱重的控制，該配料系統(tǒng)用電磁稱重傳感變送單元測量將標(biāo)準(zhǔn)稱重信號送至模擬量輸入模塊，然后送入CUP與給定值進(jìn)行比較，將差值進(jìn)行PID運(yùn)算，結(jié)果通過模擬量輸出模塊送至配料系統(tǒng)變頻器控制油漆泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)稱重。該配料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基配料系統(tǒng)的功能，由于時間及設(shè)備的限制，沒能進(jìn)行設(shè)備的組裝和調(diào)試，只是利用了MATLAB進(jìn)行PID參數(shù)的整定，仿真出了階躍響應(yīng)曲線。另外該配料系統(tǒng)還缺少個上位機(jī)來對控制過程參數(shù)進(jìn)行設(shè)定以及對控制過程進(jìn)行監(jiān)控。在后續(xù)的開發(fā)過程中將進(jìn)行改進(jìn)。 | |
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