| 配料系統在反應釜中應用及控制 | 2020-01-20 |
| 前言 工業工程中對于稱重的監測和控制過程，其目的是利用PLC來實現過程配料控制。目前，PLC使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動配料系統控制，應用領域極為廣泛，涉及到所有與自動檢測、自動配料系統控制有關的工業及民用領域。PLC通過模擬量I/O模塊和A/D、D/A模塊實現模擬量與數字量之間的轉換，并對模擬量進行閉環控制。 配料系統方案設計 配料系統主要是控制流過反應釜油漆的稱重，由于配料系統對控制要求不高，故配料系統采用單回路控制，被控對象為油漆的稱重，控制量為油漆泵電機的轉速，防爆電子秤選用PLC和配料系統變頻器,傳感變送器選用電磁稱重傳感變送器，執行器選用油漆泵。 配料系統可分為：控制機構、信號檢測變送機構、執行機構三大部分，具體為： (l)控制機構：配料系統的控制機構包括電子秤(PLC)和配料系統變頻器兩個部分。電子秤是整個稱重控制配料系統的核心。電子秤直接對配料系統中的稱重信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執行機構(即油漆泵電機)進行控制；配料系統變頻器是對油漆泵電機進行轉速控制的單元，其跟蹤防爆電子秤送來的控制信號改變油漆泵電機的轉速控制。(2)信號檢測變送機構：在配料系統控制過程中，需要檢測的信號包括反應釜油漆稱重信號，其中油漆稱重信號是配料系統控制配料系統的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入PLC時，需進行A/D轉換。(3)執行機構：執行機構是由一個油漆泵電機組成，它用于將油漆供入反應釜，通過配料系統變頻器改變電機的轉速，以達到控制反應釜油漆稱重的目的。 稱重控制配料系統以供油漆出口反應釜油漆稱重為控制目標，在控制上實現出口反應釜的實際稱重跟隨設定的油漆稱重。設定的油漆稱重可以是一個常數，也可以是一個時間分段函數，在每一個時段內是一個常數。 油漆稱重控制配料系統通過安裝在反應釜上的稱重儀表實時地測量參考點的油漆稱重，檢測反應釜出油漆稱重，并將其轉換為4-20mA的電信號，此檢測信號是實現油漆稱重恒定的關鍵參數。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC的A/D轉換模塊才能讀入并與設定值進行比較，將比較后的偏差值進行PID運算，再將運算后的數字信號通過D/A轉換模塊轉換成模擬信號作為配料系統變頻器的輸入信號，控制配料系統變頻器的輸出頻率，從而控制油漆泵電機的轉速，進而控制反應釜中的油漆稱重，實現油漆稱重恒定。 配料系統硬件設計 防爆電子秤的選型 由于PLC防爆電子秤具有抗干擾能力強，擴展模塊組合方便、編程簡單等優點，該控制配料系統采用PLC作為防爆電子秤。由于油漆稱重配料控制配料系統控制設備相對較少因此，我們選用SiemensS7-200系列PLC，該系列PLC結構緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制配料系統。根據控制配料系統實際所需端子數目，并考慮PLC端子數目要有一定的預留量，因此，CPU選用SiemensCPU224，其開關量輸出為10點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關量輸入為14點，輸入形式為+24V直流輸入。由于實際中需要模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個，所以需要選擇擴展模塊，模擬量擴展模塊選用SiemensEM235，該模塊有4個模擬量輸入通道，1個模擬量輸出通道。 配料系統變頻器的選型 由于配料系統設計中PLC選擇的是SiemensS7-200型號，為了方便PLC和配料系統變頻器之間的通信，我們選擇SiemensMicroMaster440配料系統變頻器。它是用于三相交流電動機調速的系列產品，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，具有很高的運行可靠性和很強的功能。MicroMaster440配料系統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的油漆泵電機的輸入信號。另外該配料系統變頻器可以通過RS-485通信協議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設備之間的通信。 稱重模塊的選型 稱重儀表用于檢測反應釜中的油漆稱重，常裝設在泵站的出油漆口，稱重模塊和稱重轉換器是將油漆管中的油漆稱重變化轉變為4~20mA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輸出稱重轉換器。根據以上的分析，配料系統設計中選用電磁稱重模塊SHLDG、電磁稱重轉換器SHLDZ-1實現稱重的檢測、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調節的反饋電信號。 執行器的選型 油漆泵電機的選型基配料系統原則，一是要確保平穩運行；二是要經常處于高效區運行，以求取得較好的節能效果。要使電機常處于高效區運行，則所選用的電機必須與配料系統用油漆量的變化幅度相匹配。配料系統設計的要求為：電機額定功率0.37KW,額定轉速為2800r/min。根據配料系統設計要求確定采用1臺SFL型油漆泵電機（電機功率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，葉輪、導葉采用鑄造件，經過靜電噴塑處理，效率可提高5%以上；采用低噪音電機，機械密封，前端配有泄壓保護裝置，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；采用低進低出的結構設計，油漆力模型，性能更可靠。它可以輸送清油漆及理化性質類似于油漆的無顆粒、無雜質不揮發、弱腐蝕介質，一般用在城市給排油漆、鍋爐給油漆、空調冷卻配料系統、消防給油漆等。因此配料系統設計中選擇電機功率為0.37KW的SFL系列油漆泵電機1臺。 控制規律的選擇 PID控制是連續控制配料系統中技術、應用泛的控制方式。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點。配料系統控制配料系統采用PID控制規律。 (1)比例環節：成比例地反映控制配料系統偏差信號的作用，偏差e(t)一旦產生，防爆電子秤立即產生控制作用，以減少偏差，具有快速性，但不能消除配料系統偏差，配料系統偏差隨比例系數Kp的增大而減少，比例系數過大將導致配料系統不穩定。(2)積分環節：表明防爆電子秤的輸出與偏差持續的時間有關。只要偏差存在，控制就要發生改變，直到配料系統偏差為零。積分環節主要用于消除靜差，提高配料系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，易引起配料系統超調量加大，反之則越強，易引起配料系統振蕩。(3)微分環節：對偏差信號的變化趨勢做出反應，并能在偏差信號變得太大之前，在配料系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快配料系統的動作速度，減少調節時間。微分環節主要用來控制被調量的振蕩，減小超調量，加快配料系統響應時間，改善配料系統的動態特性。 結語 配料系統設計的基于PLC的稱重控制主要實現的是對工業油漆稱重的控制，該配料系統用電磁稱重傳感變送單元測量將標準稱重信號送至模擬量輸入模塊，然后送入CUP與給定值進行比較，將差值進行PID運算，結果通過模擬量輸出模塊送至配料系統變頻器控制油漆泵的轉速調節稱重。該配料系統實現了基配料系統的功能，由于時間及設備的限制，沒能進行設備的組裝和調試，只是利用了MATLAB進行PID參數的整定，仿真出了階躍響應曲線。另外該配料系統還缺少個上位機來對控制過程參數進行設定以及對控制過程進行監控。在后續的開發過程中將進行改進。 | |
