精密微量加料系統設計

摘 要：對常用的固體流量計量方法進行了分析，提出一種基于失重法新的流量動態獲取算法，采用PID算法實現了加料流量的自動控制；針對某化工行業固體物料添加要求，提出一種應用PLC及VC++軟件的精密微量加料控制系統的設計與研制。實現了固體物料小流量加料的檢測和控制問題。

關鍵詞：失重算法；固體流量計量；PID控制；PLC；VC++

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

1 引 言

在工業生產中，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行準確的測量和控制，如化工行業中的原料配置。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。兩者均難實現微小流量的測量，無法適用于微小流量物料添加[2]。

失重式計量是九十年代開始應用于工業過程稱重連續計量的，其優點突出，得到越來越多的應用，但也大都用于較大流量場合。目前國內對固體小流量精確測量及控制方法研究未見報道。在某化工行業中連續定量添加固體小顆粒添加劑，添加量根據產能確定，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計了基于失重式的微量加料控制系統，較好的實現固體物料小流量測量及自動控制。

2 系統原理

失重式計量原理：將料斗及給料機構作為整個秤體，通過儀表或上位機不停對秤體進行重量信號的采樣，計算出重量在單位時間的變化比率作為瞬時流量，再通過各種軟硬件的技術處理，得出可以作為控制對象的“實際流量”；然后通過控制給料機構來調節給料流量[3]。

本加料系統基于失重式原理設計，由給料設備、稱重傳感器、信號采集器、控制系統幾部分構成。

系統工作過程如下：稱重傳感器及信號采集器采集設備總體的重量信號，將信號傳到控制器中計算出“瞬時流量”，控制器調節給料機電機頻率實現流量的閉環調節。

給料機為雙螺旋給料機，通過變頻器控制電機轉速實現對流量的調節。螺旋給料設備運行平穩，雙螺旋結構保證了給料均勻度及控制的線性度。本研究根據加料量，確定了螺旋尺寸，進行加料設備機械結構設計，并進行加工樣機。

信號采集器實現傳感器信號的采集及數字化，將數字信號傳送的PLC系統中。

控制系統由PLC控制器及上位機控制軟件組成，采用了SIMNEN PLC做主控制器，實現了重量信號采集、流量計算、閉環控制功能。上位機控制軟件采用VC++軟件編寫，實現了設備的遠程自動控制、參數設置及加料歷史數據存儲及查詢等功能。

3 流量信號獲取與控制

在本系統中，物料流量的動態獲取非常重要。本文從傳感器選型、信號采集器設計及軟件算法方面進行了綜合考慮，保證流量的計算的精度及實時性。并在流量獲取的基礎上基于改進的PID算法，實現了對流量的閉環控制。

3.1 重量信號采集

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=（設備重量+最大稱重重量）+傳感器數量×（0.6～0.65）

此化工流程屬于防爆場合，因此添加設備電機必須采用變頻防爆電機，導致設備本身重量為30多公斤，無法再減??；根據公式選擇稱重傳感器的量程為30Kg。稱重精度要求2g，因此數字采集器至少有40000個刻度值的分辨率，信號采集器為自主研發，設計前置放大電路實現了對微V級信號的精確放大測量。稱重傳感器輸出為mv信號，一般最大輸出為30-40mV，易受射頻干擾，因此將信號采集器安裝在稱重傳感器旁邊，縮短了mv信號的傳輸距離；將稱重信號以通訊方式傳給PLC控制系統，有效了避免了模擬信號遠距離傳輸過程中的干擾問題。

重量信號是后期流量獲取的基礎，因此數字采集器中利用軟件算法中對重量采集信號進行了滑動均值濾波，減少了重量信號的一些偶然誤差。

3.2 失重式流量獲取算法

失重式計算流量存在的缺點如下：1） 加料期間無法測量流量； 2）對外部干擾敏感，如震動及信號干擾。本文設計算法有效避免以上2個缺點。

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：采用周期內的重量變化值 N：采用次數

某一采樣時刻的流量。流量值。本算法中失重信號ΔW的計算很重要，此處加料速度為10～50g/min，一般取采樣周期T=1min，采樣時間間隔t=10S，因此失重信號ΔWmin=1～5g、ΔWmax=10～50g，失重信號占傳感器量程的比例極小，失重信號及其微弱，極容易受到干擾。干擾來自兩個方面，第一，設備本身及安裝平臺導致會設備有一定震動，震動使重量信號采集的產生波動。第二，變頻器等強電設備對傳感器模擬量信號有干擾，也會影響重量信號的采集。當流量很小時，實際的重量信號是鋸齒狀下降的，影響到計算結果。 在取樣間隔內的，重量信號的波動幅度甚至會大于ΔWmin，如果失重信號ΔW=W1N-W11會造成誤差累計，導致誤差成倍放大[4]。由于以上原因，利用上述公式無法獲取準確的流量信號，即使我們對流量信號進行多次平滑濾波后，效果仍然不理想。

本系統設計一種新的流量獲取方法，將曲線擬合引入到流量計算中。以固定時間間隔t對重量信號進行采樣，然后取N個重量信號進行曲線擬合，擬合后的直線的斜率既是所求的流量。N個重量信號隨著新的采樣值遞推，重復計算。

本算法避免了單個ΔW的計算，消除了誤差積累，并且可以通過采集次數N的控制達到流量的準確性及穩定性，又實現了流量計算的實時性。通過工業試驗證明本算法有效克服了由于設備震動、重量信號的偶然誤差對流量信號的干擾。當設備添料時，本系統流量值取前N次流量值的均值，待加料完畢后，重新利用算法進行運算。

3.3 添加流量閉環控制

控制對象為物理添加流量，控制算法基于增量式PID算法，并根據本控制對象特性進行了一定的改進。失重式測量的原理，決定了流量計算存在一定的滯后，本控制對象有一定的時滯特性，因此在進行流量自動控制時，控制周期T=3*（流量計算周期）。為了避免系統震蕩及縮短調節時間，本系統還采取如下措施：① 預先試驗獲取流量與頻率的分段關系式，為控制器輸出設定初值，然后再通過PID控制器的輸出進行精確控制。②限定了PID輸出的最大調整量。③多PID控制器；當流量與設定值偏差較大時，采用粗PID調節；當接近時，采用細PID調節。利用該算法實現了流量自動定值控制，工業應用控制效果如下圖3所示。

4 控制系統設計

4.1 PLC系統設計

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系統的程序主流程結構圖，如圖4。

程序在主循環OB1實現了程序初始化、失重流量計算、PID控制計算、變頻控制、重量報警及加料控制等功能。重量信號的采集，利用Modbus主站庫函數，PLC作為主站，同采集器進行Modbus通訊，實現重量原始信號的定時采集。重量原始信號為0～65536之間的數字量信號，利用標定系數，將重量原始信號轉換為重量信號，并將重量信號存儲到DB塊中。流量信號計算，利用DB塊中存儲的重量信號，編寫擬合算法實現流量信號獲取。流量控制算法是編寫了雙增量式PID控制算法，實現流量自動控制。

4.2 上位機軟件設計

上位機軟件采用VC++軟件編寫，數據庫采用了ACCESS數據庫。軟件的程序框架基于并行結構，實現了多任務并行，軟件主要功能包括：加料過程監控、PLC數據采集、傳感器標定、加料數據保存查詢等功能。程序框架如圖5所示。

VC++軟件同PLC通訊是通過PODAVE實現的，RODAVE提供動態連接庫給上位機中的高級語言編程器，使得上位機對plc中包括M， T， C， I/O各存儲區中的數據進行讀寫。通過調用庫函數的方法，實現對DLL中函數的調用。

5 試驗及結論

加料系數已制造樣機，在工業現場進行添加試驗，加量準確平穩，加料平均誤差2g/min，控制效果良好，各項參數均達到了設計的目標。

試驗結論：

（1） 本文提出的基于失重法的動態流量算法，較好的解決了失重算法容易受到干擾的問題。（2）本項研究基于某實際工藝場合設計的精密加料系統，實現了加料流量精確獲取及自動控制，達到了加料精度要求，加料誤差1g/min。（3）加料系統加料精度高、穩定、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添加場合，具有較大的應用潛力和推廣價值。

參考文獻：

[1]彭踐.散狀固體的流量測量[J].自動化與儀表，2003，18（02）：10-11.

[2]章世秀，丁永前.固體顆粒料質量流量測量技術現狀分析及設想[J].中國農機化學報，2004（05）：52-53.

[3]劉銀華.失重法自動配料系統的設計[J].中國有色冶金，2004（04）：84—86，92.

[4]陳耕，楊國強.失重秤原理及波動原因分析[J].銅業工程，2011， （06）：59-62.

作者簡介：王春好（1981-），男，碩士，研究方向：機械系統設計、仿真，主要從事國際工程管理工作。