数控流量比值控制系统设计

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。