定量給料系統(tǒng)的設計-基于PLC配料

定量給料機是對散狀物料進行連續(xù)稱量給料的理想設備，是集輸送、稱重計量和定量控制為一體的高科技產(chǎn)品，是根據(jù)我國現(xiàn)有工藝工況改進后的新一代產(chǎn)品，它以技術先進、穩(wěn)定可靠、性價比高、經(jīng)久耐用而著稱。能適應各種生產(chǎn)環(huán)境，對各種塊、粒狀物料（如石灰石、鐵粉、粘土）和粉狀物料（如粉煤灰、水泥）等進行連續(xù)給料、計量，為各種工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)控制、管理提供準確的計量數(shù)據(jù)。配有RS485上位機通訊接口，可與中央控制機組成DCS系統(tǒng)。 調速式定量給料機是我公司在消化吸收德國申克DEL型定量給料機的先進技術，結合國內建材行業(yè)使用稱重設備的實際情況，進行國產(chǎn)化設計成功的一種集多種先進技術于一體的新型產(chǎn)品。它與微機、負荷傳感器、速度傳感器組合成微機控制配料系統(tǒng)或定量給料秤。該系統(tǒng)組成后，其主要性能達到國際八十年代后期的先進水平，可對各種塊、粒狀非粘結性物料進行計量和定量給料控制，廣泛用于水泥、礦山、化工、冶金、能源、糧食等工業(yè)部門。而定量給料機中定量給料系統(tǒng)是最為關鍵的設計。針對傳統(tǒng)控制中存在的自動化程度低的問題，開發(fā)研制了基于PLC的PID控制算法的物料定量給料系統(tǒng)計量裝置，能夠有效的滿足工業(yè)物料定量給料過程的實際情況，下文闡述了該控制系統(tǒng)的結構及PLC的硬件組成;根據(jù)工藝過程的技術要求，從控制系統(tǒng)的硬件配置到應用程序的設計。應用結果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、運行可靠、人機界面直觀靈活，控制系統(tǒng)實現(xiàn)的各項功能均滿足工藝要求，取得了良好的應用效果。 

定量給料系統(tǒng)的設計：
在生產(chǎn)領域中，各種原料之間的配比精度對生產(chǎn)過程的穩(wěn)定和產(chǎn)品的質量、產(chǎn)量有重要的影響。定量給料系統(tǒng)已廣泛應用于水泥建材、冶金化工、電力煤炭等行業(yè)粉體連續(xù)輸料的流量測量與定量給料的工業(yè)環(huán)節(jié)，如水泥廠人窯煤粉的定量給料及輸送就是一個典型的例子，其供料過程中的穩(wěn)定性、均勻性等問題是影響計量精度的主要因素。由于它用途廣泛，對提高給料系統(tǒng)的自動化程度就有著重要的現(xiàn)實意義。 

定量給料系統(tǒng)是根據(jù)國內外智能配料系統(tǒng)的發(fā)展狀況和趨勢，結合企業(yè)提出的具體要求的基礎上設計的配料系統(tǒng)計量裝置;它采用可編程序控制器作為整個控制系統(tǒng)的核心，具有原理先進、結構簡單、給料均勻可靠、測量準確等特點。 

1 系統(tǒng)結構及設計 

可編程控制器在機電一體化產(chǎn)品中應用范圍極廣，其主要特點是:工作可靠、可與工業(yè)現(xiàn)場信號直接輸人輸出連接、組合靈活、編程容易、安裝簡單、維修方便、運行迅速，為繼電器邏輯控制所望塵莫及。 

該計量裝置控制對象和參數(shù)多，工作條件惡劣，且要求具有一定的管理功能，為提高系統(tǒng)的可靠性，便于維護 ，擬采用以可編程控制器為核心，以觸摸屏計算機作為交互界面，配以各種輸人輸出專用模塊和專用信號調理電路組成一個完整的控制系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)測控時序 

系統(tǒng)在料位最低點①時，控制輸出裝料生成指令，裝料閥接受打開指令后打開，系統(tǒng)進人體積給料期。經(jīng)過一個時間延遲后，裝料閥全部打開，并發(fā)出裝料閥全開反饋信號給控制系統(tǒng)，經(jīng)過一個設定的時間延遲后，硫化空氣打開，系統(tǒng)進人快速加料階段。當物料加到料位最高點④時，稱重系統(tǒng)檢測到料斗滿料信號而輸出裝料閥關閉指令，裝料閥接受指令開始關閉，系統(tǒng)運行到裝料閥全關點⑤時，輸出蝶閥關閉信號，到此系統(tǒng)裝料過程結束，進人出料階段。經(jīng)過一段穩(wěn)定時間后系統(tǒng)運行到重量給料開始點⑥，此時體積給料結束，系統(tǒng)進人到重量給料階段，測量和控制周期開始，持續(xù)到給定的下一個料位最低時，系統(tǒng)又發(fā)出裝料控制的指令。以此循環(huán)交替進行給料作業(yè)。 
 

在點②處裝料閥全開、點③處硫化空氣閥打開①-⑤為系統(tǒng)加料周期，同時裝料和出料;⑤-①為出料周期，系統(tǒng)只有出料;①-⑥為體積測量方式，此時出料量只是速度控制;⑥-①為重量測量方式，測量和控制的階段。 

1.2 計最裝置電氣控制系統(tǒng) 

計量裝置電氣控制系統(tǒng)由上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)兩部分構成。 

1.2.1 上位機系統(tǒng) 

觸摸屏計算機作為上位機，主要實現(xiàn)監(jiān)督控制級和管理級的功能。及時處理用戶的輸人指令并顯示運行信息。由于觸摸屏計算機自帶了與PLC通信的功能，而不用編寫專用的通信程序，只要設計良好的界面，使用十分方便。 

1.2.2 下位機系統(tǒng) 

下位機系統(tǒng)主要由以下幾部分組成: 

① 可編程控制器。可編程控制器是下位機系統(tǒng)的控制中心，一方面擔負著與上位機的通信功能;另一方面根據(jù)上位機的指令，控制各執(zhí)行機構的動作?？紤]到系統(tǒng)的負載情況和控制的需要，選用了三菱公司的FR -540 -5.5K-CH的變頻器。其輸出額定功率為9.1 kV，適應的電機為5.5 kW。控制方式為柔性PWM (V/F控制)。運行頻率的輸出控制由模擬量進行(0一5 V)，此模擬量值由PLC的2D/A模塊給定。 

② 接收調理電路。接收現(xiàn)場傳送來的差分信號并將其轉換成開關信號后送給PLC的高速計數(shù)器計數(shù)。 

③ 轉速檢測模數(shù)轉換電路。將電機運行的速度轉換成數(shù)字量送給PLC。 

④ 電參數(shù)檢測功能模塊。將電機運行的電流、功率、效率等轉換成數(shù)字量并經(jīng)銘5接口送給PLC和上位機。 

⑤ 數(shù)模轉換功能模塊。將經(jīng)PLC計算后的轉速控制數(shù)據(jù)轉換成模擬信號送給變頻器以控制下料電機的轉速，從而達到給料量控制的目的。 

⑥ 重量檢測模塊。稱重傳感器是傳統(tǒng)的電阻應變式壓力傳感器，采用的是ET一3型壓力傳感器。但其輸出范圍只有0一21.6 m V(供電電壓為直流12V ),輸出電阻為351 Sl，無法直接采樣進行A/D變換。采用了AD623芯片將此信號放大50倍。 

1.3 機械本體與機電接口 

現(xiàn)場 部 分 主要是機電一體化的執(zhí)行機構，主要包括機械本體、動力部分、測量傳感部分、執(zhí)行機構、驅動部分等要素，各要素之間通過接口相聯(lián)系。 

① 加料電磁閥及蝶閥。由PLC的輸出繼電器的閉、合，來控制加料電磁閥的通斷，通過該執(zhí)行機構實現(xiàn)料斗中物料間隙自動加人。 

② 測量傳感部分。對系統(tǒng)運行中所需要的重量信息進行檢測，變成電信號，經(jīng)信號調理電路處理后以差分信號發(fā)送到控制室。 

③ 粉料輸送螺旋及驅動機構。它是系統(tǒng)的主要執(zhí)行機構，通過它的運行，實現(xiàn)物料的進給。該螺旋主軸以變頻電動機為動力，通過一級擺線針輪減速器減速后拖動主軸運行，變頻電動機的運轉速度由變頻器控制。 

④ 粉料壓實及驅動機構。它是系統(tǒng)物料的主要執(zhí)行機構，通過它的運行，實現(xiàn)物料的壓實。該機構以電動機為動力，通過二級擺線針輪減速器減速后拖動壓料機構運行。 

2 可編程控制器PID算法[5] 

PID 控 制 具有原理簡單、使用方便、適應性強、魯棒性強等特點，計量裝置利用PLC的控制計算能力取代模擬調節(jié)器，直接通過數(shù)字運算，使被調量保持在給定值。系統(tǒng)PID算法如下:
式中:EVn為當前偏;Dn為微分運算值;EVn-1為前一次偏差;Dn_1為上一次微分運算值;SV為設定值;KP為比例常數(shù);PVn為當前采樣值;α為輸人濾波常數(shù);PVnf為當前濾波輸人值;Ts為采樣時間;PVnf-2為前一次當前濾波輸人值;T1為積分時間;PVnf-2為前二次當前濾波輸人值;Td為微分時間;△MV為操作值的變化;KD為微分增益;MVn為當前輸出操作值。 

當前濾波器輸入值PVnf大于設定值時，執(zhí)行正作用PID算法，反之執(zhí)行反作用PID算法。 

PID指令的許多參數(shù)都可以由用戶根據(jù)自己的需要設置或設定，從控制開始到PID循環(huán)達到裝置控制要求的困難是找到一個好的控制起始點。調節(jié)PID值時一定要保證操作的安全性，以避免對設備的損壞。對FX2 N系列PLC可以進行預調節(jié)以便為PID控制過程快速賦初值。一個簡單的方法就是每次改變固定比例的參數(shù)值，如每次增加或減少10%。 

3 結束語 

計量裝置根據(jù)人機工程學的原理進行計量裝置界面設計，采用彩色液晶顯示和專門的機柜設計，以保證操作的方便和正確;以PLC為控制中樞，以螺旋輸送等為物料的推進器，配以相關的執(zhí)行驅動器件，使系統(tǒng)可自動運行。整個系統(tǒng)給料量進行閉環(huán)控制，采用面向對象的編程方法，和面向過程的編程方法相結合，進行優(yōu)化的接口和流程設計，可以方便地進行功熊擴展;并且具有遠程通信接口，在需要時可以組成網(wǎng)絡，以適應工廠現(xiàn)代化發(fā)展的需要，配料精度達到0.5%級。該裝置已在企業(yè)應用，運行狀況良好。 


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