1  引言 

在生產(chan) 過程中，凡是將兩(liang) 種或兩(liang) 種以上的物料量自動地保持一定比例關(guan) 係的控製係統，就稱為(wei) 比值控製係統。在化工行業(ye) 中，流量控製是非常重要的。本文主要介紹了一種流量比值控製係統，經實驗和實踐運行，證明該係統具有結構簡單、穩態誤差小、控製精度高等優(you) 點。

2  工作原理
    
比值控製有開環比值控製、單閉環比值控製和雙閉環比值控製三種類型。開環比值控製是最簡單的控製方案。單閉環比值控製係統是為(wei) 了克服開環比值控製方案的缺點而設計的，這種方案的不足之處是主流量沒有構成閉環控製。本係統采樣雙閉環比值控製方案。



                        圖1  kcl-h2so4雙閉環流量比值控製係統原理圖
   
由圖1所示，第一個(ge) 閉環控製係統是主流量氯化鉀本身構成的流量閉環控製係統，當設置確定後，通過閉環調節作用，消除擾動的影響，使氯化鉀的流量穩定在設定值上，主流量閉環控製係統屬於(yu) 恒值控製係統。第二個(ge) 閉環控製係統是副流量硫酸閉環控製係統，其輸入量是經過檢測與(yu) 變送後的氯化鉀流量信號q1與(yu) 比值係數k1的乘積。硫酸副流量閉環控製係統由副控製器1、硫酸泵變頻器、硫酸泵以及檢測點2/變送器2等組成。副流量閉環控製係統屬於(yu) 跟隨係統。
            
3  流量比值控製係統設計
    
3.1 流量比值控製係統構成
   
氯化鉀與(yu) 硫酸流量比值控製係統是由三菱fx2nc係列plc、耐腐蝕泵、西門子mm440變頻器、計量螺旋、電磁流量計等組成。流量比值控製係統方框圖如圖2所示。



                                 圖2  流量比值控製係統方框圖
 
（1）三菱fx2nc係列plc。fx2nc係列plc具有很高的性能體(ti) 積比和通信功能，可以安裝到比標準的plc小很多的空間內(nei) 。i/o型連接器可以降低接線成本，節約接線時間。i/o點數可以擴展到256點，最多可以連接4個(ge) 特殊功能模塊。
   
（2）耐腐蝕泵。硫酸屬於(yu) 腐蝕性介質，輸送泵必須采用耐腐蝕泵。本係統采用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(yi) 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。對於(yu) 泵類設備，應選用水泵類專(zhuan) 用變頻器。ihf6550-160型氟塑料離心泵的驅動電機功率為(wei) 5.5kw,選用西門子公司mm430型水泵專(zhuan) 用變頻器，該變頻器帶內(nei) 置a級濾波器。
  
（3）西門子mm440變頻器。粉體(ti) 在螺旋內(nei) 的流動速度是由電機編碼器輸出脈衝(chong) 來間接計算的,如果電機轉速穩定性不好,將影響計量螺旋的正常工作。為(wei) 此,采用德國西門子公司mm440型矢量控製變頻器，電源電壓380vac，額定輸出功率5.5kw，額定輸出電流13.2a。為(wei) 了穩定螺旋軸的轉速並計算粉體(ti) 流速，采用帶速度編碼器的矢量控製方式。變頻器需要增加脈衝(chong) 編碼器脈衝(chong) 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(ti) )。計量螺旋是對粉體(ti) 進行輸送、動態計量和流量控製的設備。本設計采用萬(wan) 息得公司的lsc型計量螺旋(螺旋電子稱)。
   
氯化鉀粉體(ti) 進入料倉(cang) 後，在振動器的作用下進入螺旋輸送機，氯化鉀粉體(ti) 沿螺旋槽向出料口方向前進。在出料口下方的稱量裝置傳(chuan) 感器將檢測到的重量信號傳(chuan) 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的周數和速度，編碼器輸出脈衝(chong) 傳(chuan) 送到plc的高速計數單元。經cpu單元運算處理後，得到氯化鉀粉體(ti) 的流量值和累積重量值，由模擬量輸出單元輸出控製信號，控製變頻器和變頻電機，從(cong) 而控製氯化鉀粉體(ti) 的流量。氯化鉀流量是流量比值控製係統的主動量。粉體(ti) 流量(給料量)表達式為(wei) ：
   
q=k·q·v            (1)
   
式中，q—計量螺旋輸出流量(給料量)，kg/s；k—稱重係數；q—螺旋內(nei) 粉體(ti) 的線負荷，kg/m；v—螺旋內(nei) 粉體(ti) 流動速度，m/s 。
   
粉體(ti) 在計量螺旋內(nei) 沿螺旋形軌跡運動，不便於(yu) 直接檢測流動速度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。電磁流量計廣泛用於(yu) 測量導電的液體(ti) 和液固兩(liang) 相流體(ti) 的體(ti) 積流量，測量結果與(yu) 流體(ti) 的溫度、粘度、密度、壓力及液固成分比無關(guan) ，電導率在較大範圍內(nei) 變化時也不會(hui) 影響測量結果。因此，隻需經普通水標定後，就可以用來測量其他導電性液體(ti) 或液固二相流體(ti) 介質的流量，而不需附加任何修正，所以電磁流量計是一種真正的體(ti) 積流量計。本設計采用的是廣東(dong) 萬(wan) 山自動化儀(yi) 表有限公司wsdq型電磁流量計。
   
3.2 plc控製係統設計
   
氯化鉀稱重裝置、硫酸電磁流量計的輸出均為(wei) 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(ge) 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(wei) 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係統，兩(liang) 台變頻器的控製信號來自plc係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(wei) 4通道2.1ms在程序中占用8個(ge) i/o點。
   
（1）設定參數數據存儲(chu) 器地址
   
            計量螺旋給料量即氯化鉀流量設定值：d1 d0，2個(ge) 字，8位bcd碼。
            氯化鉀/硫酸流量比值係數：d3 d2/d9 d8。
            氯化鉀實際流量值存儲(chu) 器地址：m500，16位二進製碼。
            硫酸實際流量值存儲(chu) 器地址：m501，16位二進製碼。
            16級增益數據存儲(chu) 器地址：第1級～第10級：d100～d109,d130～d139。
            16級積分時間常數數據存儲(chu) 器地址：第1級～第10級：d110～d119,d140～d149。#p#分頁標題#e#
   
（2）變頻器調節
   
使用mm430變頻器控製泵類負載時，需要注意起始頻率，防止閉環控製係統在突加給定時，流量出現過大的超調和震蕩。在管道和泵的規格確定之後，相應的流量起始頻率也就確定了。在本係統中，頻率大於(yu) 19hz之後才有流量輸出。針對變頻調速泵的這種特性，在係統調試時應首先進行開環試驗，測出泵的頻率-流量特性曲線。根據測出的起始頻率來製定控製算法。在起始頻率以下，采用開環控製模式，變頻器的輸入信號為(wei) 斜坡函數，即線形漸增電壓信號。待達到起始頻率建立起流量之後，再轉入閉環控製模式。對於(yu) 閉環控製模式，又分為(wei) 比例（p）控製和比例積分（pi）控製兩(liang) 種模式。首先運行比例控製，當實際流量接近設定流量時，再轉入比例積分控製模式。采用多模態控製後，消除了流量的大幅度波動，改善了流量的跟隨性能並消除了穩態誤差。

（3）pid控製
   
            fx2nc係列plc具有pid控製指令，
            pid  d200    設定值sv，參數起始字，二進製數據                
            d201    輸入字，流量反饋數據，二進製數據
            d500    控製參數
            d500 采樣周期t  1～32767ms           d501  動作方向（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小則超調大，震蕩次數多。
            d504（積分時間ti）：根據‘誤差數據’（d50），將積分ti分為(wei) 10級，在運行過程中自動地調用相應的積分ti，達到既響應快又抑製超調的目的。在突加給定的情況下，最大超調量小於(yu) 5%。
           
d506(微分時間td)：4000（bcd碼）左右。  
            
4  結束語 
    
在本係統中，根據流量閉環控製係統的誤差大小，將比例係數和積分時間常數各分為(wei) 10級，在運行過程中能夠自動地調用合適的比例係數和積分時間常數，這種控製能夠兼顧跟隨性和抗擾性，實現了既響應快又抑製超調的目標，達到了很好的效果。