摘 要：對常用的固體流量計(jì)量方法進(jìn)行了分析，提出一種基于失重法新的流量動(dòng)態(tài)獲取算法，采用PID算法實(shí)現(xiàn)了加料流量的自動(dòng)控制；針對某化工行業(yè)固體物料添加要求，提出一種應(yīng)用PLC及VC++軟件的精密微量加料控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制。實(shí)現(xiàn)了固體物料小流量加料的檢測和控制問題。

關(guān)鍵詞：失重算法；固體流量計(jì)量；PID控制；PLC；VC++

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.262

1 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)中，有很多地方需要對粉末狀或小顆粒狀散狀固體物料的流量進(jìn)行準(zhǔn)確的測量和控制，如化工行業(yè)中的原料配置。固體流量測量與液體流量測量相比有一定難度和特殊性[1]。目前常用的固體物料的質(zhì)量流量檢測方法有：失重式、沖板式和皮帶秤式。沖板式流量檢測適用于大流量且精度較低，一般檢測流量范圍300kg/h。皮帶秤方式同樣適用于大流量的物料檢測。兩者均難實(shí)現(xiàn)微小流量的測量，無法適用于微小流量物料添加[2]。

失重式計(jì)量是九十年代開始應(yīng)用于工業(yè)過程稱重連續(xù)計(jì)量的，其優(yōu)點(diǎn)突出，得到越來越多的應(yīng)用，但也大都用于較大流量場合。目前國內(nèi)對固體小流量精確測量及控制方法研究未見報(bào)道。在某化工行業(yè)中連續(xù)定量添加固體小顆粒添加劑，添加量根據(jù)產(chǎn)能確定，范圍為10～50g/min，屬于微量添加，要求添加的誤差2g/min。此處加料流量小且精度要求高。本研究針對以上要求設(shè)計(jì)了基于失重式的微量加料控制系統(tǒng)，較好的實(shí)現(xiàn)固體物料小流量測量及自動(dòng)控制。

2 系統(tǒng)原理

失重式計(jì)量原理：將料斗及給料機(jī)構(gòu)作為整個(gè)秤體，通過儀表或上位機(jī)不停對秤體進(jìn)行重量信號(hào)的采樣，計(jì)算出重量在單位時(shí)間的變化比率作為瞬時(shí)流量，再通過各種軟硬件的技術(shù)處理，得出可以作為控制對象的“實(shí)際流量”；然后通過控制給料機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)給料流量[3]。

本加料系統(tǒng)基于失重式原理設(shè)計(jì)，由給料設(shè)備、稱重傳感器、信號(hào)采集器、控制系統(tǒng)幾部分構(gòu)成。

系統(tǒng)工作過程如下：稱重傳感器及信號(hào)采集器采集設(shè)備總體的重量信號(hào)，將信號(hào)傳到控制器中計(jì)算出“瞬時(shí)流量”，控制器調(diào)節(jié)給料機(jī)電機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)流量的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

給料機(jī)為雙螺旋給料機(jī)，通過變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對流量的調(diào)節(jié)。螺旋給料設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，雙螺旋結(jié)構(gòu)保證了給料均勻度及控制的線性度。本研究根據(jù)加料量，確定了螺旋尺寸，進(jìn)行加料設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行加工樣機(jī)。

信號(hào)采集器實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的采集及數(shù)字化，將數(shù)字信號(hào)傳送的PLC系統(tǒng)中。

控制系統(tǒng)由PLC控制器及上位機(jī)控制軟件組成，采用了SIMNEN PLC做主控制器，實(shí)現(xiàn)了重量信號(hào)采集、流量計(jì)算、閉環(huán)控制功能。上位機(jī)控制軟件采用VC++軟件編寫，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、參數(shù)設(shè)置及加料歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢等功能。

3 流量信號(hào)獲取與控制

在本系統(tǒng)中，物料流量的動(dòng)態(tài)獲取非常重要。本文從傳感器選型、信號(hào)采集器設(shè)計(jì)及軟件算法方面進(jìn)行了綜合考慮，保證流量的計(jì)算的精度及實(shí)時(shí)性。并在流量獲取的基礎(chǔ)上基于改進(jìn)的PID算法，實(shí)現(xiàn)了對流量的閉環(huán)控制。

3.1 重量信號(hào)采集

稱重傳感器采用高精度稱重傳感器，從根本上保證采樣值的精度，傳感器量程的選擇按照公式：

傳感器量程=（設(shè)備重量+最大稱重重量）+傳感器數(shù)量×（0.6～0.65）

此化工流程屬于防爆場合，因此添加設(shè)備電機(jī)必須采用變頻防爆電機(jī)，導(dǎo)致設(shè)備本身重量為30多公斤，無法再減小；根據(jù)公式選擇稱重傳感器的量程為30Kg。稱重精度要求2g，因此數(shù)字采集器至少有40000個(gè)刻度值的分辨率，信號(hào)采集器為自主研發(fā)，設(shè)計(jì)前置放大電路實(shí)現(xiàn)了對微V級(jí)信號(hào)的精確放大測量。稱重傳感器輸出為mv信號(hào)，一般最大輸出為30-40mV，易受射頻干擾，因此將信號(hào)采集器安裝在稱重傳感器旁邊，縮短了mv信號(hào)的傳輸距離；將稱重信號(hào)以通訊方式傳給PLC控制系統(tǒng)，有效了避免了模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸過程中的干擾問題。

重量信號(hào)是后期流量獲取的基礎(chǔ)，因此數(shù)字采集器中利用軟件算法中對重量采集信號(hào)進(jìn)行了滑動(dòng)均值濾波，減少了重量信號(hào)的一些偶然誤差。

3.2 失重式流量獲取算法

失重式計(jì)算流量存在的缺點(diǎn)如下：1） 加料期間無法測量流量； 2）對外部干擾敏感，如震動(dòng)及信號(hào)干擾。本文設(shè)計(jì)算法有效避免以上2個(gè)缺點(diǎn)。

失重法測流量常用的流量獲取算法如圖2所示。

T ：采樣周期 t：采用間隔 ΔW：采用周期內(nèi)的重量變化值 N：采用次數(shù)

某一采樣時(shí)刻的流量。流量值。本算法中失重信號(hào)ΔW的計(jì)算很重要，此處加料速度為10～50g/min，一般取采樣周期T=1min，采樣時(shí)間間隔t=10S，因此失重信號(hào)ΔWmin=1～5g、ΔWmax=10～50g，失重信號(hào)占傳感器量程的比例極小，失重信號(hào)及其微弱，極容易受到干擾。干擾來自兩個(gè)方面，第一，設(shè)備本身及安裝平臺(tái)導(dǎo)致會(huì)設(shè)備有一定震動(dòng)，震動(dòng)使重量信號(hào)采集的產(chǎn)生波動(dòng)。第二，變頻器等強(qiáng)電設(shè)備對傳感器模擬量信號(hào)有干擾，也會(huì)影響重量信號(hào)的采集。當(dāng)流量很小時(shí)，實(shí)際的重量信號(hào)是鋸齒狀下降的，影響到計(jì)算結(jié)果。 在取樣間隔內(nèi)的，重量信號(hào)的波動(dòng)幅度甚至?xí)笥讦min，如果失重信號(hào)ΔW=W1N-W11會(huì)造成誤差累計(jì)，導(dǎo)致誤差成倍放大[4]。由于以上原因，利用上述公式無法獲取準(zhǔn)確的流量信號(hào)，即使我們對流量信號(hào)進(jìn)行多次平滑濾波后，效果仍然不理想。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種新的流量獲取方法，將曲線擬合引入到流量計(jì)算中。以固定時(shí)間間隔t對重量信號(hào)進(jìn)行采樣，然后取N個(gè)重量信號(hào)進(jìn)行曲線擬合，擬合后的直線的斜率既是所求的流量。N個(gè)重量信號(hào)隨著新的采樣值遞推，重復(fù)計(jì)算。

本算法避免了單個(gè)ΔW的計(jì)算，消除了誤差積累，并且可以通過采集次數(shù)N的控制達(dá)到流量的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，又實(shí)現(xiàn)了流量計(jì)算的實(shí)時(shí)性。通過工業(yè)試驗(yàn)證明本算法有效克服了由于設(shè)備震動(dòng)、重量信號(hào)的偶然誤差對流量信號(hào)的干擾。當(dāng)設(shè)備添料時(shí)，本系統(tǒng)流量值取前N次流量值的均值，待加料完畢后，重新利用算法進(jìn)行運(yùn)算。

3.3 添加流量閉環(huán)控制

控制對象為物理添加流量，控制算法基于增量式PID算法，并根據(jù)本控制對象特性進(jìn)行了一定的改進(jìn)。失重式測量的原理，決定了流量計(jì)算存在一定的滯后，本控制對象有一定的時(shí)滯特性，因此在進(jìn)行流量自動(dòng)控制時(shí)，控制周期T=3*（流量計(jì)算周期）。為了避免系統(tǒng)震蕩及縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，本系統(tǒng)還采取如下措施：① 預(yù)先試驗(yàn)獲取流量與頻率的分段關(guān)系式，為控制器輸出設(shè)定初值，然后再通過PID控制器的輸出進(jìn)行精確控制。②限定了PID輸出的最大調(diào)整量。③多PID控制器；當(dāng)流量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，采用粗PID調(diào)節(jié)；當(dāng)接近時(shí)，采用細(xì)PID調(diào)節(jié)。利用該算法實(shí)現(xiàn)了流量自動(dòng)定值控制，工業(yè)應(yīng)用控制效果如下圖3所示。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制器采用了西門子S7-300系列PLC，PLC軟件采用STL語句編寫。PLC系統(tǒng)的程序主流程結(jié)構(gòu)圖，如圖4。

程序在主循環(huán)OB1實(shí)現(xiàn)了程序初始化、失重流量計(jì)算、PID控制計(jì)算、變頻控制、重量報(bào)警及加料控制等功能。重量信號(hào)的采集，利用Modbus主站庫函數(shù)，PLC作為主站，同采集器進(jìn)行Modbus通訊，實(shí)現(xiàn)重量原始信號(hào)的定時(shí)采集。重量原始信號(hào)為0～65536之間的數(shù)字量信號(hào)，利用標(biāo)定系數(shù)，將重量原始信號(hào)轉(zhuǎn)換為重量信號(hào)，并將重量信號(hào)存儲(chǔ)到DB塊中。流量信號(hào)計(jì)算，利用DB塊中存儲(chǔ)的重量信號(hào)，編寫擬合算法實(shí)現(xiàn)流量信號(hào)獲取。流量控制算法是編寫了雙增量式PID控制算法，實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)控制。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用VC++軟件編寫，數(shù)據(jù)庫采用了ACCESS數(shù)據(jù)庫。軟件的程序框架基于并行結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)并行，軟件主要功能包括：加料過程監(jiān)控、PLC數(shù)據(jù)采集、傳感器標(biāo)定、加料數(shù)據(jù)保存查詢等功能。程序框架如圖5所示。

VC++軟件同PLC通訊是通過PODAVE實(shí)現(xiàn)的，RODAVE提供動(dòng)態(tài)連接庫給上位機(jī)中的高級(jí)語言編程器，使得上位機(jī)對plc中包括M， T， C， I/O各存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。通過調(diào)用庫函數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)對DLL中函數(shù)的調(diào)用。

5 試驗(yàn)及結(jié)論

加料系數(shù)已制造樣機(jī)，在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行添加試驗(yàn)，加量準(zhǔn)確平穩(wěn)，加料平均誤差2g/min，控制效果良好，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

試驗(yàn)結(jié)論：

（1） 本文提出的基于失重法的動(dòng)態(tài)流量算法，較好的解決了失重算法容易受到干擾的問題。（2）本項(xiàng)研究基于某實(shí)際工藝場合設(shè)計(jì)的精密加料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了加料流量精確獲取及自動(dòng)控制，達(dá)到了加料精度要求，加料誤差1g/min。（3）加料系統(tǒng)加料精度高、穩(wěn)定、操作方便、可靠且成本較低，同樣適用于其他小流量的粉末或顆粒固體物料的連續(xù)添加場合，具有較大的應(yīng)用潛力和推廣價(jià)值。

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作者簡介：王春好（1981-），男，碩士，研究方向：機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真，主要從事國際工程管理工作。