一种流量比值控制系统设计剖析

1 引言

在生产过程中，凡是将两种或两种以上的物料量自动地保持一定比例关系的控制系统，就称为比值控制系统。在化工行业中，流量控制是非常重要的。本文主要介绍了一种流量比值控制系统，经实验和实践运行，证明该系统具有结构简单、稳态误差小、控制精度高等优点。

2 工作原理

比值控制有开环比值控制、单闭环比值控制和双闭环比值控制三种类型。开环比值控制是最简单的控制方案。单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的缺点而设计的，这种方案的不足之处是主流量没有构成闭环控制。本系统采样双闭环比值控制方案。

图1 kcl-h2so4双闭环流量比值控制系统原理图

由图1所示，第一个闭环控制系统是主流量氯化钾本身构成的流量闭环控制系统，当设置确定后，通过闭环调节作用，消除扰动的影响，使氯化钾的流量稳定在设定值上，主流量闭环控制系统属于恒值控制系统。第二个闭环控制系统是副流量硫酸闭环控制系统，其输入量是经过检测与变送后的氯化钾流量信号q1与比值系数k1的乘积。硫酸副流量闭环控制系统由副控制器1、硫酸泵变频器、硫酸泵以及检测点2/变送器2等组成。副流量闭环控制系统属于跟随系统。

3 流量比值控制系统设计

3.1 流量比值控制系统构成

氯化钾与硫酸流量比值控制系统是由三菱fx2nc系列plc、耐腐蚀泵、西门子mm440变频器、计量螺旋、电磁流量计等组成。流量比值控制系统方框图如图2所示。

图2 流量比值控制系统方框图

（1）三菱fx2nc系列plc。fx2nc系列plc具有很高的性能体积比和通信功能，可以安装到比标准的plc小很多的空间内。i/o型连接器可以降低接线成本，节约接线时间。i/o点数可以扩展到256点，最多可以连接4个特殊功能模块。

（2）耐腐蚀泵。硫酸属于腐蚀性介质，输送泵必须采用耐腐蚀泵。本系统采用ihf 6550-160型氟塑料离心泵，泵进口直径65mm；出口直径50mm；叶轮名义直径160mm；转速2900r/nin，流量25m3/h；扬程32m；电机功率5.5kw。硫酸泵采用变频调速。对于泵类设备，应选用水泵类专用变频器。ihf6550-160型氟塑料离心泵的驱动电机功率为5.5kw，选用西门子公司mm430型水泵专用变频器，该变频器带内置a级滤波器。

（3）西门子mm440变频器。粉体在螺旋内的流动速度是由电机编码器输出脉冲来间接计算的，如果电机转速稳定性不好，将影响计量螺旋的正常工作。为此，采用德国西门子公司mm440型矢量控制变频器，电源电压380vac，额定输出功率5.5kw，额定输出电流13.2a。为了稳定螺旋轴的转速并计算粉体流速，采用带速度编码器的矢量控制方式。变频器需要增加脉冲编码器脉冲处理模板（简称编码器模板）和编码器。

（4）计量螺旋。氯化钾是粉粒状物料（简称粉体）。计量螺旋是对粉体进行输送、动态计量和流量控制的设备。本设计采用万息得公司的lsc型计量螺旋（螺旋电子称）。

氯化钾粉体进入料仓后，在振动器的作用下进入螺旋输送机，氯化钾粉体沿螺旋槽向出料口方向前进。在出料口下方的称量装置传感器将检测到的重量信号传送到plc的模拟量输入单元。同时，安装在电机非负载轴端的编码器检测螺旋轴旋转的周数和速度，编码器输出脉冲传送到plc的高速计数单元。经cpu单元运算处理后，得到氯化钾粉体的流量值和累积重量值，由模拟量输出单元输出控制信号，控制变频器和变频电机，从而控制氯化钾粉体的流量。氯化钾流量是流量比值控制系统的主动量。粉体流量（给料量）表达式为：

q=k·q·v （1）

式中，q—计量螺旋输出流量（给料量），kg/s；k—称重系数；q—螺旋内粉体的线负荷，kg/m；v—螺旋内粉体流动速度，m/s 。

粉体在计量螺旋内沿螺旋形轨迹运动，不便于直接检测流动速度v，通常是使用编码器检测电机的转速，再换算出流速v。如图3所示计量螺旋示意图。

图3 计量螺旋示意图

（5）电磁流量计。电磁流量计广泛用于测量导电的液体和液固两相流体的体积流量，测量结果与流体的温度、粘度、密度、压力及液固成分比无关，电导率在较大范围内变化时也不会影响测量结果。因此，只需经普通水标定后，就可以用来测量其他导电性液体或液固二相流体介质的流量，而不需附加任何修正，所以电磁流量计是一种真正的体积流量计。本设计采用的是广东万山自动化仪表有限公司wsdq型电磁流量计。

3.2 plc控制系统设计

氯化钾称重装置、硫酸电磁流量计的输出均为4～20ma信号，分别送到模拟量输入单元fx2n-4ad的电流输入1、电流输入2。模拟量输入单元fx2n-4ad有4个12位模拟量输入通道，输入量程可以是电流信号（4～20ma）或电压信号（-10～10v）。转换速率为15ms/通道或者6ms/通道（高速）。

计量罗旋和硫酸泵都采用变频调速系统，两台变频器的控制信号来自plc系统的模拟量输出单元fx2n-4da。fx2n-4da有12位4通道，输出量程可以是电流信号（4～20ma）或这电压信号（-10～+10v）。转换速度为4通道2.1ms在程序中占用8个i/o点。

（1）设定参数数据存储器地址

计量螺旋给料量即氯化钾流量设定值：d1 d0，2个字，8位bcd码。

氯化钾/硫酸流量比值系数：d3 d2/d9 d8。

氯化钾实际流量值存储器地址：m500，16位二进制码。

硫酸实际流量值存储器地址：m501，16位二进制码。

16级增益数据存储器地址：第1级～第10级：d100～d109，d130～d139。

16级积分时间常数数据存储器地址：第1级～第10级：d110～d119，d140～d149。

（2）变频器调节

使用mm430变频器控制泵类负载时，需要注意起始频率，防止闭环控制系统在突加给定时，流量出现过大的超调和震荡。在管道和泵的规格确定之后，相应的流量起始频率也就确定了。在本系统中，频率大于19hz之后才有流量输出。针对变频调速泵的这种特性，在系统调试时应首先进行开环试验，测出泵的频率-流量特性曲线。根据测出的起始频率来制定控制算法。在起始频率以下，采用开环控制模式，变频器的输入信号为斜坡函数，即线形渐增电压信号。待达到起始频率建立起流量之后，再转入闭环控制模式。对于闭环控制模式，又分为比例（p）控制和比例积分（pi）控制两种模式。首先运行比例控制，当实际流量接近设定流量时，再转入比例积分控制模式。采用多模态控制后，消除了流量的大幅度波动，改善了流量的跟随性能并消除了稳态误差。

（3）pid控制

fx2nc系列plc具有pid控制指令，

pid d200 设定值sv，参数起始字，二进制数据

d201 输入字，流量反馈数据，二进制数据

d500 控制参数

d500 采样周期t 1～32767ms d501 动作方向（act）

d502 输入滤波常数a 0～99% d503 比例增益kp 1～32767%

d504 积分时间ti （0～32767-

ms）*100 d505 微分增益kd 0～100%

d506 微分时间td （0～32767）*10ms

d503（比例增益kp）：8000（bcd码）左右，p小则超调大，震荡次数多。

d504（积分时间ti）：根据‘误差数据’（d50），将积分ti分为10级，在运行过程中自动地调用相应的积分ti，达到既响应快又抑制超调的目的。在突加给定的情况下，最大超调量小于5%。

d506（微分时间td）：4000（bcd码）左右。

4 结束语

在本系统中，根据流量闭环控制系统的误差大小，将比例系数和积分时间常数各分为10级，在运行过程中能够自动地调用合适的比例系数和积分时间常数，这种控制能够兼顾跟随性和抗扰性，实现了既响应快又抑制超调的目标，达到了很好的效果。