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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釜進行反應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,反應釜中的物料質(zhì)量由電子秤進行測量。 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的, 控制精度得不到保證, 物料配比不精確, 嚴重影響了產(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, 手動控制閥門已嚴重影響生產(chǎn)質(zhì)量, 急需一種簡便的自動控制方式來精確控制配比投料。 針對這樣的問題, 設(shè)計了一種利用慢進值和提前量進行控制的系統(tǒng), 在實際工程應用中表明, 該系統(tǒng)控制精確, 操作方便, 實用性強。

1 控制誤差分析

分析原手動控制系統(tǒng)精度差的原因, 有以下兩點:

1. 1 管道流動的動態(tài)誤差

當管道中的流體通過控制閥流進反應釜時, 電子秤反映的讀數(shù)除了釜中流體質(zhì)量外, 流入反應釜的流體沖擊力也將影響質(zhì)量讀數(shù)。 因為流體的沖擊力, 將使電子秤測量得到的值大于反應釜中實際的流體質(zhì)量, 從而使手動控制產(chǎn)生誤差, 這種誤差往往造成欠控制 。 而且流速越大, 這種動態(tài)誤差也越大。

1. 2 控制閥動作滯后誤差

實際的控制系統(tǒng)中, 控制閥離反應釜有一定距離, 控制閥動作后, 已過控制閥但尚未進入反應釜的一段流體也將流入反應釜中。 由于這段流體在控制閥動作時并未在電子秤上反映, 所以, 閥門的動作也并未考慮這部分流體 , 從而造成閥門動作滯后誤差, 這種誤差往往造成過控制。 另外, 手動閥門動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。

實際上, 在手動控制時, 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)驗從原理上盡量減小它。 例如: 為了減小流動動態(tài)誤差, 在被控制流體量快到時, 可事先關(guān)小閥門開度以降低進入反應釜的流速; 為了減小閥門動作滯后誤差, 盡可能準確地估計閥后管道的容量作提前控制, 加速閥門動作速度等。 正是利用了這樣的思路, 設(shè)計了自動控制系統(tǒng)。 前一種措施稱為慢進值,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

測量控制系統(tǒng)由傳感器及其測量電路、MCS -51 系列單片機、鍵盤輸入電路、LED 顯示器、控制量輸出及驅(qū)動電路、控制閥門組成。 為了減小管道流動的動態(tài)誤差, 投料進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

等角分布于反應釜下面的 3 個稱重傳感器將反應釜內(nèi)的流體質(zhì)量信號通過測量電路送給處理機, 計算得到的流體質(zhì)量 X 顯示于顯示器中。 鍵盤設(shè)定系統(tǒng)可以設(shè)定多個設(shè)定點, 每一個設(shè)定點可以設(shè)置設(shè)定值S, 慢進值 M 和提前量 T 。輸出控制量 K L 和 K s 分別通過邏輯驅(qū)動電路控制進料大閥F L 和進料小 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))

當反應釜中的流體質(zhì)量 X 遠小于設(shè)定值 S 時, 控制量K L 和K s 同時輸出高電平, 大小進口閥同時打開快速進料。

當 X 增加到比較接近設(shè)定值 S 時( 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)實際系統(tǒng)或經(jīng)驗, 通過調(diào)整 M 確定), 關(guān)閉大進口閥, 由小進口閥慢速進料, 以減少流動動態(tài)誤差。 也就是說, 有質(zhì)量為 M 的流體是僅通過小進口閥慢速進入反應釜的, 這正是慢進位 M 的意義。

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

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

4 實際應用

將該控制系統(tǒng)用于一化工廠的 2000kg 反應釜, 電子秤的分辯率為 1kg ,量程為 5000kg, 在各設(shè)定點上進行試驗, 根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定慢進值為 5kg, 提前量為 3kg, 試驗結(jié)果如表 1 所示。

以 設(shè)定點為 1300kg, 其控制過 程: 當投入量遠小 于1300kg, 大小進料閥同時打開, 快速進料, 進料達到 1295kg時, 關(guān)閉大進料閥, 由小進料閥慢速進料, 進料達到 1297kg時, 關(guān)閉所有進口閥。當閥后管道中的流體繼續(xù)流入反應釜時, 正好達到設(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, 適應性強。 對于不同的生產(chǎn)過程, 只需根據(jù)實際系統(tǒng)或運行經(jīng)驗,修改幾個參數(shù) M 和 T 等就能達到目的。

5 討論

本系統(tǒng)在實際的使用中已經(jīng)取得了很好的效果, 在條件許可時, 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( 智能馬達控制器) 來控制進料過程, 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, 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, 自動調(diào)節(jié)進料電機的轉(zhuǎn)速, 實現(xiàn)進料計量的轉(zhuǎn)速自動控制, 達到保證系統(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)定點信號全部進入 PLC 系統(tǒng), 形成閉環(huán)控制, 同時實現(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行操作或應急處理。遠方控制分為遠方手動和遠方自動兩種方式。在遠方手動方式下, 操作員通過進料程控 PLC 系統(tǒng)的 CTR系統(tǒng)手動給定信號, 調(diào)節(jié)變頻器。 遠方自動方式下, 轉(zhuǎn)速給定是在 PLC 系統(tǒng)中進行調(diào)節(jié)運算, 輸出給變頻器, 調(diào)節(jié)進料電機的速度, 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)管理和計量技術(shù)上一個新臺階。

 

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