双闭环流量比值控制系统设计

目录

1.前言 (1)

2.总体方案设计 (2)

2.1方案比较 (2)

2.2 方案论证 (3)

2.3 方案选择 (3)

3.硬件部分设计 (4)

3.1 三菱FX系列PLC (4)

3.2 耐腐蚀泵 (5)

3.3西门子MM440变频器 (5)

3.3 计量螺旋 (6)

4.PLC控制系统设计 (8)

4.1 输入和输出 (8)

4.2设定参数数据存储器地址 (8)

4.3 变频器调节 (8)

4.4 PID控制 (8)

5.系统功能 (10)

6.设计总结 (12)

6.1 结论 (12)

6.2 心得体会 (12)

7.致谢 (13)

8.参考文献 (14)

1.前言

工业生产过程中，要求两种或多种物料成一定比例关系，一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，甚至产生生产事故，所以严格控制其比例，对于安全生产来说是十分重要的。

尤其在化工生产中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行化学反应，如果比例失调，轻则造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生人身伤害，给企业带来较大的损失。例如氨分解工艺中的氨分解炉，入炉煤气和空气应保持一定的比例，否则将使燃烧反应不能正常进行，而煤气和空气比例超过一定的极限将会引起爆炸。比值控制的目的就是为了实现几种物料符合一定比例关系，以使安全生产正常进行。

实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统,称为比值控制系统.由于

过程工业中大部分物料都是以气态,液态或混合的流体状态在密闭管道,容器中进行能

量传递与物质交换,所以保持两种或几种物料的比例实际上是保持两种或几种物料的流量比例关系,因此比值控制系统一般是指流量比值控制系统.

在需要保持比值关系的两种物料中,必有一种物料处于主导地位,这种物料称之为主物料,表征这种物料的参数称之为主动量。由于在生产过程控制中主要是流量比值控制系统,所以主动量也称为主流量,用F1表示；而另一种物料按主物料进行配比,在控制过程中随主物料而变化；因此称为从物料,表征其特性的参数称为从动量或副流量,用F2表示。一般情况下,总是把生产中主要物料定为主物料。在有些场合,以不可控物料定为主物料,用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值关系。比值控制系统就是要实现副流量F2与主流量F1成一定比值关系,满足如下关系式:K=F2/F1，式中K为副流量与主流量的流量比值。

在实际的生产过程控制中,比值控制系统除了实现一定比例的混合外,还能起到在

扰动影响到被控过程质量指标之前及时控制的作用.而且当最终质量指标难于测量,变

送时,可以采用比值控制系统,使生产过程在最终质量达到预期指标下安全正常地进行,因为比值控制具有前馈控制的实质。

本文主要针对化学工业上硫酸钾的生产，介绍了一种双闭环流量比值控制系统，利用该系统，通过检测氯化钾的流量来控制硫酸的流量，使之流量比值稳定，由此得到合格的产品和安全的生产过程。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.总体方案设计

2.1方案比较

比值控制系统在实际生产中，可以根据实际情况选择不同的控制方案，比值系统的类型主要有开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统几种。

方案一：

根据比值系统的类型来设计生产硫酸钾的控制系统，由单闭环控制系统原理设计的系统框图如图2.1所示。

图2.1 KCL-H?SO?单闭环流量比值控制系统原理图

方案二：

在单闭环控制系统基础上，增加一个主流量闭环控制系统，单闭环比值控制系统就成为双闭环比值控制系统，则可设计出硫酸钾生产的双闭环流量比值控制系统，其方框图如图2.2所示。

图2.2 KCL-H?SO?双闭环流量比值控制系统原理图

2.2 方案论证

就所设计的两种方案的方框图来看，明显可以看出方案二较之于方案一更加复杂，选用的设备也更多，但对于实际生产，生产效率和质量十分重要，因此对系统的稳定性和精确度要求较高，下面就这些因素对两个方案进行论证。

方案一的单闭环流量比值控制系统，与串级控制系统很相似，但功能很是不同。可以见得，系统中没有主对象和主调节器，这是单闭环比值控制系统在结构上与串级不同的地方，串级中的副变量是调节变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，而比值中，副流量不会影响主流量，这是两者之间本质上的区别。

经过分析，当系统处于稳态时，比值关系是比较精确的；在动态过程中，比值关系相对而言不够精确。另外，如果主流量处于不变的状态，副流量控制系统又相当于一个定值控制系统。

方案二的双闭环流量比值控制系统，是在主流量也需要控制的情况下，增加一个主流量闭环控制系统构成的，由于增加了主流量闭环控制系统，主流量得以稳定，从而使得总流量能保持稳定。

双闭环比值控制系统主要应用于总流量需要经常调整（即工艺负荷提降）的场合。如果没有这个要求，两个单独的闭环控制系统也能使两个流量保持比例关系，仅仅在动态过程中，比例关系不能保证。

2.3 方案选择

通过前面方案的论证可知，单闭环流量比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料间的比值要求较精确的生产过程。而双闭环流量比值控制系统适用于主副流量扰动频繁，负荷变化较大，同时保证主、副物料总量恒定的生产过程。

设计针对控制对象，主流量选择为氯化钾液体，而副流量则选择是硫酸液体，实际生产中，由于这两种化学成分并不十分稳定，因而可能造成扰动频繁，并且属于负荷变化较大。

经过分析，选择方案二的双闭环流量比值控制系统来设计该生产控制系统。

3. 硬件部分设计

3.1 三菱FX 系列PLC

针对氯化钾与硫酸流量比值控制系统是采用由三菱Fx 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。下面先对三菱Fx 系列PLC 进行简单的介绍和选取。

FX 系列PLC 是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F 、F1、F2系列PLC 产品。其中FX2是1991年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC ，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S 、FX1S 、FX0N 、FX1N 、FX2N 、FX2NC 等系列PLC ，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。 1.FX 系列PLC 型号的说明：

FX 系列PLC 型号的含义如下：

图3.1 FX 系列PLC 型号的含义图解

其中系列名称：如0、2、0S 、1S 、ON 、1N 、2N 、2NC 等。 2.单元类型: M──基本单元

E──输入输出混合扩展单元 Ex──扩展输入模块 EY──扩展输出模块 3. 输出方式： R──继电器输出 S──晶闸管输出 T──晶体管输出 4. 特殊品种

D──DC 电源，DC 输出

A1──AC 电源，AC （AC100~120V ）输入或AC 输出模块

单元类型

输入输出总点数 系列名称

特殊品种 输出方式

FX

H──大电流输出扩展模块

V──立式端子排的扩展模块

C──接插口输入输出方式

F──输入滤波时间常数为1ms的扩展模块

如果特殊品种一项无符号，为AC电源、DC输入、横式端子排、标准输出。

例如FX2N－32MT－D表示FX2N系列，32个I/O点基本单位，晶体管输出，使用直流电源，24V直流输出型。

三菱FX2N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。

根据三菱FX2N系列PLC的这些特点，将这种PLC作为本控制系统的编程控制器，对其进行编程，完成系统的相关功能。

3.2 耐腐蚀泵

IHF单级单吸式氟塑料合金化工离心泵（简称IHF离心泵）是按国际标准并结合非金属泵的工艺设计制造。泵体采用金属外壳内衬聚全氟乙丙烯（F46），泵盖、叶轮和轴套均用金属嵌件外包氟塑料整体烧结压制而成，轴封采用外装式先进的波纹管机械密封，静环选用99.9%氧化铝陶瓷（或氮化硅），动环采用四氟填充材料，其耐腐耐磨密封性极好。泵的进出口均采用铸钢体加固，以增强了泵的耐压性。实际使用显示，该泵具有耐腐、耐磨、耐高温、不老化、机械强度高、运转平稳、结构先进合理、密封性能严格可靠、拆卸检修方便、使用寿命长等优点。适用温度：-50℃~150℃，当使用温度超过120℃时，泵叶轮需采用耐高温材料。适宜连续输送任意浓度的强酸、强碱、有机溶剂、强氟化剂等高危液态化学介质，当输送固体颗粒含量5%左右的液态腐蚀性介质时，需配套耐腐耐磨机械密封。若对泵扬程要求不高的工况，建议选用1450转/分低转速电机，可大大延长泵的使用寿命。

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IHF6550-60型氟塑料离心泵，泵进口直径65mm;出口直径50mm;叶轮名义直径16Omm;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MM43O型水泵专用变频器，该变频器带内置A级滤波器。

本设计中采用耐腐蚀泵作为对象控制器，用来输送硫酸液体。

3.3西门子MM440变频器

西门子MICROMASTER 440 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。该系列有多种型号，额定功率范围从120W 到200kW 恒定（转矩CT 控制方式），或者可达250kW

（可变转矩VT控制方式），供用户选用。

本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT ）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。

MICROMASTER 440 具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。由于MICROMASTER 440 具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。

MICROMASTER 440 既可用于单机驱动系统，也可集成到‘自动化系统’中。

本控制系统中，化学物质氯化钾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38OVAC，额定输出功率5.5kw，额定输出电流，3.2A。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。

3.3 计量螺旋

本设计中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)。

LSC型螺旋计量螺旋根据工艺要求对经过螺旋输送机的物料进行流量、流向的控制，并实现计量管理，以满足生产工艺要求，实现自动化。

其工作原理是：物料由进料口经叶轮螺旋输送至落料口的时候，安装螺旋输送机下面的电子称重装置，主要由称重杠杆、称重传感器等组成，称重传感器检测到物料重量并产生一个正比于称重杠杆载荷的电压信号，同时，安装于螺旋输送机尾部的速度传感器检测到螺旋输送机主轴的速度信号。两种信号重量信号与速度信号被积算器接收，经积分运算后得出瞬时流量值和累计重量值。

系统构成及特点为：

1、密封结构，减少粉尘外扬；

2、动态计量与螺旋输送物料相结合；

3、变频调速运行稳定，可靠（可选）；

4、电子自动几俩功能标定系数，自动调零；

5、动态零点非线性输出特性进行跟踪；

6、数字式脉冲发生器，提供可靠准确速度信号。

检定精度：±1%

氯化钾粉体进入料仓后，在振动器的作用下进人螺旋输送机，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。复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一计量螺旋输出流量(给料量)，kg/S;K一称重系数;q一螺旋内粉体的线负荷，kg/m;V一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3.2所示计量螺旋示意图。

图3.2 计量螺旋示意图

4.PLC控制系统设计

4.1 输入和输出

氯化钾称重装置、硫酸电磁流量计的输出均为4—20mA信号，分别送到模拟量输入单元FX2N-4AD的电流输入1、电流输入2。模拟量输入单元FX2N-4AD有4个12位模拟量输人通道，输人量程可以是电流信号(4—20mA)或电压信号(-10—OV)。转换速率为1sms/通道或者6ms/通道(高速)。

计量螺旋和硫酸泵都采用变频调速系统，两台变频器的控制信号来自PLC系统的模拟量输出单元FX2N-4DA。FX2N-4DA有12位4通道，输出量程可以是电流信号(4—20mA)或这电压信号(-10—+1OV)。转换速度为4通道2.1ms在程序中占用8个I/O点。

4.2设定参数数据存储器地址

1.计量螺旋给料量即氧化钾流量设定值:DlDO，2个字，8位BCD码。

2.氯化钾/硫酸流量比值系数:03DZ/DgDS。

3.氯化钾实际流量值存储器地址:M500，16位二进制码。

4.硫酸实际流量值存储器地址:M501，16位二进制码。

5.16级增益数据存储器地址:第1级~第10级:D100一D109，D130~D139。

6.16级积分时间常数数据存储器地址:第1级~第10级:D110一Dl19，D140一D149。4.3 变频器调节

使用MM43O变频器控制泵类负载时，需要注意起始频率，防止闭环控制系统在突加给定时，流量出现过大的超调和震荡。在管道和泵的规格确定之后，相应的流量起始频率也就确定了。

在本系统中，频率大于19Hz之后才有流量输出。针对变频调速泵的这种特性，在系统调试时应首先进行开环试验，测出泵的频率-流量特性曲线。根据测出的起始频率来制定控制算法。在起始频率以下，采用开环控制模式，变频器的输入信号为斜坡函数，即线形渐增电压信号。待达到起始频率建立起流量之后，再转入闭环控制模式。对于闭环控制模式，又分为比例(P)控制和比例积分(Pl)控制两种模式。首先运行比例控制，当实际流量接近设定流量时，再转入比例积分控制模式。采用多模态控制后，消除了流量的大幅度波动，改善了流量的跟随性能并消除了稳态误差。

4.4 PID控制

FX2N系列PLC具有PID控制指令，各参数的作用及设定如下所示：

PID D200设定值SV，参数起始字，二进制数据

D201输入字，流量反馈数据，二进制数据

D500控制参数

D500采样周期T （1—32767ms）

D501动作方向(ACT)

D502输入滤波常数a（0—99%）

D503比例增益Kp （1—32767%）

D504积分时间Ti （0—32767ms）*100

D505微分增益Kd （0—100%）

D506微分时间Td （0—32767）*10ms

其中，

D503(比例增益Kp):8000(BCD码)左右，P小则超调大，震荡次数多。

D504(积分时间Ti):根据‘误差数据’(D50)，将积分Ti分为10级，在运行过程中自动地调用相应的积分Ti，达到既响应快又抑制超调的目的。在突加给定的情况下，最大超调量小于5%。

D506(微分时间Td):4000(BCD码)左右。

5.系统功能

本设计中，对于化工生产中利用氯化钾和硫酸产生化学反应产生硫酸钾，设计一个过程控制系统来控制整个生产过程。经过前面分析和各部分软硬件的设计，根据双闭环流量比值系统的设计思想，采用双闭环比值控制方案。最终设计出来了一个KCL—H?SO?双闭环流量比值控制系统，原理图如图5.1所示。

图5.1 KCL—H?SO?双闭环流量比值控制系统原理图

由图5.1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Q?，与比值系数Kl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。

从系统结构分析，原料KCL和H?SO?从左向右进给，其中KCL为粉体状，作为主流量，从左向右进给时，先经过主变送器检测流量，将结果送入比值器中，主变送器将反馈输入主控制器，通过控制器对螺旋输送机变频器进行调节，从而达到控制主流量的结果。而计量螺旋对其进行称重，而同时与之相连的螺旋输送机变频器对螺旋中的物料流量采用比例微分积分控制检测输出量，使KCL的输出量准确的跟随输入量，并消除静差和扰动，使系统更加稳定。另外，H?SO?作为副流量，且为液体流量，从左向右进给时，

同样先经过专用变送器的测定，结果进入比值器，计算比值关系，使之与设定值匹配，变送器将反馈的结果输入副控制器，副控制器通过控制硫酸泵变频器，达到控制副流量的目的，硫酸泵变频器通过硫酸泵变频调节，改变转速，使通过他的流量得到有效的控制。

通过上面的流程叙述，充分显示了KCL—H?SO?双闭环流量比值控制系统的系统功能，即是分别通过两个传感变送器对主副流量进行检测，通过各自调节器，使主副流量以恒定的比值持续稳定的输出以满足生产需要。

6.设计总结

6.1 结论

流量比值控制系统在实际生产中应用十分广泛，它能使系统稳定，精确地输出，更能实现自动化控制，是过程控制系统的一个典型。本设计针对化工生产中利用粉体氯化钾与硫酸混合的化学反应产生硫酸钾生产工业用硫酸钾的控制，对其设计了双闭环流量比值控制系统，将粉体氯化钠作为主流量，硫酸作为副流量进行设计，设计中用到了多个硬件设备，并基于PLC的编程基础实现过程的自动控制。

在本系统中，根据流量闭环控制系统的误差大小，将比例系数和积分时间常数各分为10级，在运行过程中能够自动地调用合适的比例系数和积分时间常数，这种控制能够兼顾跟随性和抗扰性，实现了既响应快又抑制超调的目标，达到了很好的效果。

经过设计系统，能够证明该系统具有结构简单、稳态误差小、控制精度高等优点。在实际生产中有很强的实用性。

6.2 心得体会

在老师的悉心指导和同学帮助下，我完成了此次设计，在这其中，收获颇多，在查阅相关资料的同时，增长了不少知识，学到了一些书本以外的应用性的东西。设计过程中，了解了一些从前没有多少接触的硬件设备，比如有耐腐蚀泵，计量螺旋，硫酸泵变频器等，也深化了对PLC的一些知识的学习，从设计过程中收获了很多，受益匪浅。

通过这次设计，增加了我对控制系统设计的兴趣，同时也感觉到自身学习方面的不足，因此还应多请教老师和寻求同学帮助，以提高自己。我相信有了这次设计的收获，下次一定会做得更好。

7.致谢

在整个设计过程中，遇到了不少难以解决的困难，十分感谢邱晓初指导老师帮助我解决了许多问题,正因为邱老师大量心血的注入才让我能顺利的完成设计。同时也相当感谢设计过程中帮助过我的同学，我每一步的前进都与这些热心的同学分不开。

8.参考文献

[1]曹立学.基于组态软件的计算机液位串机控制系统设计 [J]工业控制计算机，2008

[2]韩军,冯辉. 双闭环比值控制系统应用实例[J].宁夏石油化工, 2004

[3]曹立学.基于组态软件的流量比值控制系统设计[J]仪器仪表标准化与计量, 2009

[4]王再英，刘淮霞，陈毅静.过程控制系统与仪表[M].北京：机械工业出版社，2006

[5]厉玉鸣.化工仪表及自动化[M].北京：化学工业出版社，1998

[6]丁轲轲.自动测量技术[M].北京：中国电力出版社，2004

[7]王俊杰.检测技术与仪表[M].武汉：武汉理工大学出版社,2001

[8]吴勤勤.控制仪表及装置[M].北京：化学工业出版社，2002