摘? 要: 采用STD5000系列工業控制計算機,研制了用于粘油的定量灌裝控制裝置。介紹了該裝置的硬件配置、現場配套儀表選型及“滑油”灌裝工藝。通過模仿人手動灌裝經驗,提出了實現高精度定量灌裝的閥門智能控制算法。基于該控制算法,實現了增強裝置通用性的參數組態方法。

　　關鍵詞: 定量灌裝? 智能控制? 參數組態? STD工控機

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　　STD總線是一種國際流行的工業控制微型計算機標準總線,由于其具有小板結構、高度的模塊化、嚴格的標準化、廣泛的兼容性、面向I/O的設計、高可靠性的特點,所以非常適合工業控制應用^[1]。粘油具有的粘度高、管道摩阻大的特性限制了常規自動灌裝控制裝置在粘油灌裝中的應用。為此,筆者采用一臺北京康拓工業電腦公司生產的STD5000系列V20工控機作為主機,一臺PC機作為開發平臺,研制了用于粘油的定量灌裝自動控制裝置。

1 系統總體結構

　　系統總體結構如圖1所示。

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　　灌裝系統為減少粘油流動摩阻,采用了油路管道加熱帶加熱管壁,從而使粘油成為“滑油”的方式,而非沿用傳統的高架罐整體攪拌加熱方式。管壁加熱,降低了能耗,減少了升溫等待時間,但在管道中心附近油的粘度仍較大,因此,系統閥門選用了適于高粘度使用場合的微型電動調節球閥[2]。為便于維護,現場檢測控制弱電信號,如稱重儀、閥位反饋等,均通過每個灌裝桶位對應的顯示操作器轉接,再進入工控機。在圖1所示的結構中,灌裝自動控制流程為:通過控制機監控畫面,操作人員鍵入操作員口令,控制機確認正確后,再鍵入所需灌裝的總桶數,確認正確后,即可進入灌裝控制流程。控制機首先啟動油路管道加熱器,并實時檢測泵入口及灌裝出口油路油溫,當加熱達到預定溫度范圍內的溫度時,控制機聲音提示操作員;之后,檢測現場油桶對位準備是否就緒,若就緒,則立刻讀入稱重儀重量值,并保存,此時的重量值即油桶皮重;然后,開泵、開閥,實時檢測并顯示油重、溫度及泵閥工作狀態,根據控制算法控制灌裝過程;最后,當預置桶裝置到達時,關閉泵閥,機械手吊移重桶,同時累計已灌裝的總桶數,若已裝桶數達到預定總桶數,則停止灌裝過程,若未到,則重復上述的灌裝流程。

　　該灌裝控制機可同時控制6個油桶的定量灌裝。主要的現場配套儀表有:

　　·稱重儀:6個,測量范圍0～300kg,輸出信號4～20mA;

　　·溫度檢測:3個,測溫范圍-30°C～70°C,輸出信號4～20mA;

　　·微型電動調節球閥:6個,開關控制輸出觸點電壓為交流220V。當開觸點通電時,閥門開度增大;當關觸點通電時,閥門開度減小;當二者均斷電時,閥位保持;二者均通電則為非法操作。閥位反饋輸出信號為4～20mA。

2 系統硬件實現

　　系統硬件結構包括兩個部分:基本硬件配置、I/O接口和外部信號電源[3],如圖2所示。

　　圖中,I/O接口分配如表1所示。

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3 軟件設計關鍵技術處理

3.1 軟件功能

　　裝置軟件編程語言選用了結構化程序語言Turbo C2.0,具有圖形顯示,采用彈出式菜單操作方式。軟件功能模塊包括4大部分:系統幫助、參數組態、系統監控及系統診斷。

3.2 閥門智能控制

　　為實現高精度的粘油定量灌裝,筆者采用仿人智能控制的思想,通過對人手動灌裝控制經驗的總結及模仿,閥門開關過程采用了梯形圖控制方式及實時的沖量誤差修正,如圖3所示。

　　圖中,W為每桶油重設定灌裝量,W_p為第一次關閥控制點,W_s為第二次關閥控制點,V_H為閥門開度高限,V_L為閥門開度低限。

　　設Y₀為閥門開控制信號狀態,Y_n為閥門關控制信號狀態,V為閥門開度,W_x為油的凈重量,則圖3所示的閥門控制算法為:

　　在式(9)中,E為沖量誤差修正值。從圖3可見,由于閥門最后關閉存在一定的滯后時間,因此會造成一定油量的過沖,即存在一定量的沖量誤差。為減少沖量誤差,筆者在控制算法式(9)中引入了沖量誤差修正值E。當第二次關閥后閥位反饋V≤0.05(閥位零位誤差),且稱重儀此時每秒的重量變化率為零時,稱重儀重量(W)減去第二次關閥時刻的稱重儀重量(W_s),即為沖量的大小。前一次發油結束后的沖量,即為后一次發油的沖量誤差修正值E的大小。該方法簡單有效地消減了沖量誤差。

　　在式(10)中,F_max為灌裝工藝流程設定的最大流速(kg/s),t_max為閥門最大行程時間(s)。

3.3 參數組態

　　從前述的式(1)到式(10)中可見,控制算法中有不少的參數,如稱重儀量程低限W_min及量程高限W_max、閥門開度高限V_H及低限V_L、每桶油重設定灌裝量W、灌裝工藝流程設定的最大流速F_max,閥門最大行程時間t_max;此外,還有溫度檢測所需的溫度變送器量程低限T_min及量程高限T_max、溫度控制所需的高限溫度TH及低限溫度TL等參數。它們將隨管道口徑、儀表量程、油品及桶大小等的不同而不同。如何增強軟件的通用性,以適應現場的不同應用情況,是提高裝置通用性及可靠性的關鍵之一。為此,軟件設計采用了密碼權限控制的參數組態方法,如表2所示。

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　　當現場工藝及配套儀表確定后,操作員即可通過控制機參數組態功能,將參數鍵入如表1所示的參數組態表,并以數據文件的方式存入電子盤。當控制機進入系統監控時,則首先打開數據文件,將數據讀入參數組態結構數組變量中。采用參數組態的方法,將數據參數與程序分離,避免了軟件的現場修改,增強了軟件的現場適應性。

　　綜上所述,粘油定量灌裝自動控制裝置,通過采用STD工業控制機,引入仿人智能控制思想及參數組態方法等,有效地提高了裝置的可靠性及控制精度,增強了裝置的適應性及易用性。特別是通過“滑油”灌裝的工藝方式,降低了加熱能耗。該裝置已在多個軍用油庫推廣應用。

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參考文獻

1 魏慶福.STD總線工業控制機的設計與應用.北京:科學出版社,1992

2 明賜東.調節閥應用.成都:四川科學技術出版社,1989

3 STD5000系列工業控制機使用手冊.北京康拓工業電腦公司