1 引言
在生產過程中，凡是將兩種或兩種以上的物料量自動地保持一定比例關系的控制系統，就稱為比值控制系統。在化工行業中，流量控制是非常重要的。本文主要介紹了一種流量比值控制系統，經實驗和實踐運行，證明該系統具有結構簡單、穩態誤差小、控制精度高等優點。
2 工作原理
比值控制有開環比值控制、單閉環比值控制和雙閉環比值控制三種類型。開環比值控制是最簡單的控制方案。單閉環比值控制系統是為了克服開環比值控制方案的缺點而設計的，這種方案的不足之處是主流量沒有構成閉環控制。本系統采樣雙閉環比值控制方案。
圖1 kcl-h2so4雙閉環流量比值控制系統原理圖
由圖1所示，第一個閉環控制系統是主流量氯化鉀本身構成的流量閉環控制系統，當設置確定后，通過閉環調節作用，消除擾動的影響，使氯化鉀的流量穩定在設定值上，主流量閉環控制系統屬于恒值控制系統。第二個閉環控制系統是副流量硫酸閉環控制系統，其輸入量是經過檢測與變送后的氯化鉀流量信號q1與比值系數k1的乘積。硫酸副流量閉環控制系統由副控制器1、硫酸泵變頻器、硫酸泵以及檢測點2/變送器2等組成。副流量閉環控制系統屬于跟隨系統。
3 流量比值控制系統設計
3.1 流量比值控制系統構成
氯化鉀與硫酸流量比值控制系統是由三菱fx2nc系列plc、耐腐蝕泵、西門子mm440變頻器、計量螺旋、電磁流量計等組成。流量比值控制系統方框圖如圖2所示。
圖2 流量比值控制系統方框圖
（1）三菱fx2nc系列plc。fx2nc系列plc具有很高的性能體積比和通信功能，可以安裝到比標準的plc小很多的空間內。i/o型連接器可以降低接線成本，節約接線時間。i/o點數可以擴展到256點，最多可以連接4個特殊功能模塊。
（2）耐腐蝕泵。硫酸屬于腐蝕性介質，輸送泵必須采用耐腐蝕泵。本系統采用ihf 6550-160型氟塑料離心泵，泵進口直徑65mm；出口直徑50mm；葉輪名義直徑160mm；轉速2900r/nin，流量25m3/h；揚程32m；電機功率5.5kw。硫酸泵采用變頻調速。對于泵類設備，應選用水泵類專用變頻器。ihf6550-160型氟塑料離心泵的驅動電機功率為5.5kw,選用西門子公司mm430型水泵專用變頻器，該變頻器帶內置a級濾波器。
（3）西門子mm440變頻器。粉體在螺旋內的流動速度是由電機編碼器輸出脈沖來間接計算的,如果電機轉速穩定性不好,將影響計量螺旋的正常工作。為此,采用德國西門子公司mm440型矢量控制變頻器，電源電壓380vac，額定輸出功率5.5kw，額定輸出電流13.2a。為了穩定螺旋軸的轉速并計算粉體流速，采用帶速度編碼器的矢量控制方式。變頻器需要增加脈沖編碼器脈沖處理模板(簡稱編碼器模板)和編碼器。
（4）計量螺旋。氯化鉀是粉粒狀物料(簡稱粉體)。計量螺旋是對粉體進行輸送、動態計量和流量控制的設備。本設計采用萬息得公司的lsc型計量螺旋(螺旋電子稱)。
氯化鉀粉體進入料倉后，在振動器的作用下進入螺旋輸送機，氯化鉀粉體沿螺旋槽向出料口方向前進。在出料口下方的稱量裝置傳感器將檢測到的重量信號傳送到plc的模擬量輸入單元。同時，安裝在電機非負載軸端的編碼器檢測螺旋軸旋轉的周數和速度，編碼器輸出脈沖傳送到plc的高速計數單元。經cpu單元運算處理后，得到氯化鉀粉體的流量值和累積重量值，由模擬量輸出單元輸出控制信號，控制變頻器和變頻電機，從而控制氯化鉀粉體的流量。氯化鉀流量是流量比值控制系統的主動量。粉體流量(給料量)表達式為：
q=k·q·v (1)
式中，q—計量螺旋輸出流量(給料量)，kg/s；k—稱重系數；q—螺旋內粉體的線負荷，kg/m；v—螺旋內粉體流動速度，m/s 。
粉體在計量螺旋內沿螺旋形軌跡運動，不便于直接檢測流動速度v，通常是使用編碼器檢測電機的轉速，再換算出流速v。如圖3所示計量螺旋示意圖。
圖3 計量螺旋示意圖
（5）電磁流量計。電磁流量計廣泛用于測量導電的液體和液固兩相流體的體積流量，測量結果與流體的溫度、粘度、密度、壓力及液固成分比無關，電導率在較大范圍內變化時也不會影響測量結果。因此，只需經普通水標定后，就可以用來測量其他導電性液體或液固二相流體介質的流量，而不需附加任何修正，所以電磁流量計是一種真正的體積流量計。本設計采用的是廣東萬山自動化儀表有限公司wsdq型電磁流量計。
3.2 plc控制系統設計
氯化鉀稱重裝置、硫酸電磁流量計的輸出均為4～20ma信號，分別送到模擬量輸入單元fx2n-4ad的電流輸入1、電流輸入2。模擬量輸入單元fx2n-4ad有4個12位模擬量輸入通道，輸入量程可以是電流信號（4～20ma）或電壓信號（-10～10v）。轉換速率為15ms/通道或者6ms/通道（高速）。
計量羅旋和硫酸泵都采用變頻調速系統，兩臺變頻器的控制信號來自plc系統的模擬量輸出單元fx2n-4da。fx2n-4da有12位4通道，輸出量程可以是電流信號（4～20ma）或這電壓信號（-10～+10v）。轉換速度為4通道2.1ms在程序中占用8個i/o點。
（1）設定參數數據存儲器地址
計量螺旋給料量即氯化鉀流量設定值：d1 d0，2個字，8位bcd碼。
氯化鉀/硫酸流量比值系數：d3 d2/d9 d8。
氯化鉀實際流量值存儲器地址：m500，16位二進制碼。
硫酸實際流量值存儲器地址：m501，16位二進制碼。
16級增益數據存儲器地址：第1級～第10級：d100～d109,d130～d139。
16級積分時間常數數據存儲器地址：第1級～第10級：d110～d119,d140～d149。
（2）變頻器調節
使用mm430變頻器控制泵類負載時，需要注意起始頻率，防止閉環控制系統在突加給定時，流量出現過大的超調和震蕩。在管道和泵的規格確定之后，相應的流量起始頻率也就確定了。在本系統中，頻率大于19hz之后才有流量輸出。針對變頻調速泵的這種特性，在系統調試時應首先進行開環試驗，測出泵的頻率-流量特性曲線。根據測出的起始頻率來制定控制算法。在起始頻率以下，采用開環控制模式，變頻器的輸入信號為斜坡函數，即線形漸增電壓信號。待達到起始頻率建立起流量之后，再轉入閉環控制模式。對于閉環控制模式，又分為比例（p）控制和比例積分（pi）控制兩種模式。首先運行比例控制，當實際流量接近設定流量時，再轉入比例積分控制模式。采用多模態控制后，消除了流量的大幅度波動，改善了流量的跟隨性能并消除了穩態誤差。
（3）pid控制
fx2nc系列plc具有pid控制指令，
pid d200 設定值sv，參數起始字，二進制數據
d201 輸入字，流量反饋數據，二進制數據
d500 控制參數
d500 采樣周期t 1～32767ms d501 動作方向（act）
d502 輸入濾波常數a 0～99% d503 比例增益kp 1～32767%
d504 積分時間ti （0～32767-
ms）*100 d505 微分增益kd 0～100%
d506 微分時間td （0～32767）*10ms
d503（比例增益kp）：8000（bcd碼）左右，p小則超調大，震蕩次數多。
d504（積分時間ti）：根據‘誤差數據’（d50），將積分ti分為10級，在運行過程中自動地調用相應的積分ti，達到既響應快又抑制超調的目的。在突加給定的情況下，最大超調量小于5%。
d506(微分時間td)：4000（bcd碼）左右。
4 結束語
在本系統中，根據流量閉環控制系統的誤差大小，將比例系數和積分時間常數各分為10級，在運行過程中能夠自動地調用合適的比例系數和積分時間常數，這種控制能夠兼顧跟隨性和抗擾性，實現了既響應快又抑制超調的目標，達到了很好的效果。