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在化工和醫(yī)藥等工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)中, 將各種原料按一定配比投入反應(yīng)釜進(jìn)行反應(yīng)的過程是極為常見的, 其典型裝置如圖 1所示。 圖中控制閥 1控制物料 1, 控制閥 2 控制物料 2,反應(yīng)釜中的物料質(zhì)量由電子秤進(jìn)行測(cè)量。 在傳統(tǒng)的老企業(yè)中, 這種系統(tǒng)的控制閥往往是人工手動(dòng)的, 控制精度得不到保證, 物料配比不精確, 嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量。 尤其是噸位較高, 產(chǎn)量較大的系統(tǒng), 輸送流體物料的管道較大, 手動(dòng)控制閥門已嚴(yán)重影響生產(chǎn)質(zhì)量, 急需一種簡便的自動(dòng)控制方式來精確控制配比投料。 針對(duì)這樣的問題, 設(shè)計(jì)了一種利用慢進(jìn)值和提前量進(jìn)行控制的系統(tǒng), 在實(shí)際工程應(yīng)用中表明, 該系統(tǒng)控制精確, 操作方便, 實(shí)用性強(qiáng)。

1 控制誤差分析

分析原手動(dòng)控制系統(tǒng)精度差的原因, 有以下兩點(diǎn):

1. 1 管道流動(dòng)的動(dòng)態(tài)誤差

當(dāng)管道中的流體通過控制閥流進(jìn)反應(yīng)釜時(shí), 電子秤反映的讀數(shù)除了釜中流體質(zhì)量外, 流入反應(yīng)釜的流體沖擊力也將影響質(zhì)量讀數(shù)。 因?yàn)榱黧w的沖擊力, 將使電子秤測(cè)量得到的值大于反應(yīng)釜中實(shí)際的流體質(zhì)量, 從而使手動(dòng)控制產(chǎn)生誤差, 這種誤差往往造成欠控制 。 而且流速越大, 這種動(dòng)態(tài)誤差也越大。

1. 2 控制閥動(dòng)作滯后誤差

實(shí)際的控制系統(tǒng)中, 控制閥離反應(yīng)釜有一定距離, 控制閥動(dòng)作后, 已過控制閥但尚未進(jìn)入反應(yīng)釜的一段流體也將流入反應(yīng)釜中。 由于這段流體在控制閥動(dòng)作時(shí)并未在電子秤上反映, 所以, 閥門的動(dòng)作也并未考慮這部分流體 , 從而造成閥門動(dòng)作滯后誤差, 這種誤差往往造成過控制。 另外, 手動(dòng)閥門動(dòng)作速度緩慢也是造成過控制的原因之一。 而且管道越大, 流速越大, 這種滯后誤差也越大。

實(shí)際上, 在手動(dòng)控制時(shí), 上述這些欠控制和過控制并不能由人為精確掌握而加以消除, 操作人員只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從原理上盡量減小它。 例如: 為了減小流動(dòng)動(dòng)態(tài)誤差, 在被控制流體量快到時(shí), 可事先關(guān)小閥門開度以降低進(jìn)入反應(yīng)釜的流速; 為了減小閥門動(dòng)作滯后誤差, 盡可能準(zhǔn)確地估計(jì)閥后管道的容量作提前控制, 加速閥門動(dòng)作速度等。 正是利用了這樣的思路, 設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制系統(tǒng)。 前一種措施稱為慢進(jìn)值,后一種措施稱為提前量, 利用它們可使控制系統(tǒng)的性能大大改善。

2 控制系統(tǒng)的組成

測(cè)量控制系統(tǒng)由傳感器及其測(cè)量電路、MCS -51 系列單片機(jī)、鍵盤輸入電路、LED 顯示器、控制量輸出及驅(qū)動(dòng)電路、控制閥門組成。 為了減小管道流動(dòng)的動(dòng)態(tài)誤差, 投料進(jìn)口控制閥由大閥和小閥并聯(lián)而成, 如圖 2 所示。

3 控制系統(tǒng)工作原理

等角分布于反應(yīng)釜下面的 3 個(gè)稱重傳感器將反應(yīng)釜內(nèi)的流體質(zhì)量信號(hào)通過測(cè)量電路送給處理機(jī), 計(jì)算得到的流體質(zhì)量 X 顯示于顯示器中。 鍵盤設(shè)定系統(tǒng)可以設(shè)定多個(gè)設(shè)定點(diǎn), 每一個(gè)設(shè)定點(diǎn)可以設(shè)置設(shè)定值S, 慢進(jìn)值 M 和提前量 T 。輸出控制量 K L 和 K s 分別通過邏輯驅(qū)動(dòng)電路控制進(jìn)料大閥F L 和進(jìn)料小 F s 開啟和關(guān)閉。

控制量 K L 和 K s 的邏輯電平( 高電平 H 和低電平 L) 與設(shè)定值之間的關(guān)系為:

X

K L =H( 大閥開)

K s =H( 小閥開)S －M≤X

K L =L( 大閥開) K s=H( 小閥開) X ≥S －T :

K L =L( 大閥關(guān)) K s=L( 小閥關(guān))

當(dāng)反應(yīng)釜中的流體質(zhì)量 X 遠(yuǎn)小于設(shè)定值 S 時(shí), 控制量K L 和K s 同時(shí)輸出高電平, 大小進(jìn)口閥同時(shí)打開快速進(jìn)料。

當(dāng) X 增加到比較接近設(shè)定值 S 時(shí)( 與設(shè)定值 S 的差距S -M 為多少才算是比較接近, 可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)或經(jīng)驗(yàn), 通過調(diào)整 M 確定), 關(guān)閉大進(jìn)口閥, 由小進(jìn)口閥慢速進(jìn)料, 以減少流動(dòng)動(dòng)態(tài)誤差。 也就是說, 有質(zhì)量為 M 的流體是僅通過小進(jìn)口閥慢速進(jìn)入反應(yīng)釜的, 這正是慢進(jìn)位 M 的意義。

當(dāng) X 快達(dá)到設(shè)定值 S 時(shí)( 與設(shè)定值 S 的差距 S -T 為多少才算是快達(dá)到可根據(jù)閥后到反應(yīng)釜之間管道的容量, 通過調(diào)節(jié) T 確定) , 提前關(guān)閉所有進(jìn)口閥。當(dāng)關(guān)閉閥門后管道中的流體繼續(xù)流入反應(yīng)釜時(shí), 正好達(dá)到設(shè)定值 S 。 所以, 提前量是提前關(guān)閉所有進(jìn)口閥量,也就是閥后的管道容量加上關(guān)閉閥門需延遲的時(shí)間內(nèi)通過閥門的流體量之和?？筛鶕?jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)定提前量 T 。

顯然, 如果提前量 T 大于慢進(jìn)值M , 則根據(jù)上述邏輯關(guān)系, 慢進(jìn)值將不起作用。 實(shí)踐證明, 對(duì)于進(jìn)口管道比較小的系統(tǒng), 不設(shè)慢進(jìn)值也能起到較好的控制作用。

4 實(shí)際應(yīng)用

將該控制系統(tǒng)用于一化工廠的 2000kg 反應(yīng)釜, 電子秤的分辯率為 1kg ,量程為 5000kg, 在各設(shè)定點(diǎn)上進(jìn)行試驗(yàn), 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定慢進(jìn)值為 5kg, 提前量為 3kg, 試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示。

以 設(shè)定點(diǎn)為 1300kg, 其控制過 程: 當(dāng)投入量遠(yuǎn)小 于1300kg, 大小進(jìn)料閥同時(shí)打開, 快速進(jìn)料, 進(jìn)料達(dá)到 1295kg時(shí), 關(guān)閉大進(jìn)料閥, 由小進(jìn)料閥慢速進(jìn)料, 進(jìn)料達(dá)到 1297kg時(shí), 關(guān)閉所有進(jìn)口閥。當(dāng)閥后管道中的流體繼續(xù)流入反應(yīng)釜時(shí), 正好達(dá)到設(shè)定值 1300kg 。

從表 1 的結(jié)果可以看出, 和手工控制方式比較, 該系統(tǒng)達(dá)到了較好的控制精度, 完全能滿足生產(chǎn)配比投料的需要,提高了產(chǎn)品質(zhì)量, 而且該系統(tǒng)操作方便, 適應(yīng)性強(qiáng)。 對(duì)于不同的生產(chǎn)過程, 只需根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)或運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),修改幾個(gè)參數(shù) M 和 T 等就能達(dá)到目的。

5 討論

本系統(tǒng)在實(shí)際的使用中已經(jīng)取得了很好的效果, 在條件許可時(shí), 還可以在系統(tǒng)中增加變頻調(diào)速裝置。 控制系統(tǒng)以PLC 為控制核心, 采用 VVVF( 變頻器) 和 SMC( 智能馬達(dá)控制器) 來控制進(jìn)料過程, 能夠?qū)崿F(xiàn)降低能耗和精確控制。 具體的方法是將傳感器的變化值, 轉(zhuǎn)化為 4 mA ～ 20 mA 的速度給定指令信號(hào), 反饋給變頻器, 變頻器通過比較轉(zhuǎn)速輸出量與 PLC 程控速度給定之間的大小, 自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)料電機(jī)的轉(zhuǎn)速, 實(shí)現(xiàn)進(jìn)料計(jì)量的轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制, 達(dá)到保證系統(tǒng)工藝參數(shù)在正常范圍內(nèi)變化的目的。 變頻器輸出的模擬量, 設(shè)定點(diǎn)信號(hào)全部進(jìn)入 PLC 系統(tǒng), 形成閉環(huán)控制, 同時(shí)實(shí)現(xiàn)相關(guān)聯(lián)鎖功能。 采用變頻器的系統(tǒng)還可以設(shè)置就地和遠(yuǎn)方兩種控制途徑。 就地控制是在變頻器處通過變頻器面板進(jìn)行操作或應(yīng)急處理。遠(yuǎn)方控制分為遠(yuǎn)方手動(dòng)和遠(yuǎn)方自動(dòng)兩種方式。在遠(yuǎn)方手動(dòng)方式下, 操作員通過進(jìn)料程控 PLC 系統(tǒng)的 CTR系統(tǒng)手動(dòng)給定信號(hào), 調(diào)節(jié)變頻器。 遠(yuǎn)方自動(dòng)方式下, 轉(zhuǎn)速給定是在 PLC 系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)節(jié)運(yùn)算, 輸出給變頻器, 調(diào)節(jié)進(jìn)料電機(jī)的速度, 使系統(tǒng)參數(shù)跟隨給定值變化。 這樣的系統(tǒng)可以極大地加快化工生產(chǎn)現(xiàn)代化的發(fā)展, 有利于化工生產(chǎn)管理和計(jì)量技術(shù)上一個(gè)新臺(tái)階。

 

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