淺析排污計量表在自動(dòng)配料控制系統中的應用

1、引言
電磁流量計系列排污計量表是一種根據法拉第電磁感應定律來(lái)測量館內導電介質(zhì)體積流量的感應式儀表，采用單片機嵌入式技術(shù)，實(shí)現數字勵磁，同時(shí)在電磁流量計上采用CAN現場(chǎng)總裁，技術(shù)達到國內領(lǐng)先水平。電磁流量計在滿(mǎn)足現場(chǎng)顯示的同時(shí)，還可以輸出4-20mA電流信號供記錄、調節和控制用，現已廣泛地應用于化工、環(huán)保、冶金、醫藥、造紙、給排水等工業(yè)技術(shù)和管理部門(mén)。
在自動(dòng)配料系統中，目前應用較多流量計就是排污計量表和渦輪流量計，排污計量表因為測量管體中無(wú)阻流件，更加適合于流體介的自動(dòng)定量配料。據本公司的客戶(hù)案例統計，渦輪流量計用于半自動(dòng)化的定量控制中更多一點(diǎn)。本文探計的是排污計量表在自動(dòng)化配料控制系統中的應用。液體介質(zhì)的原料的運輸傳送以及供給計量通常都需要在生產(chǎn)過(guò)程中安裝排污計量表以實(shí)現精確計量和控制的目的。如何實(shí)現自動(dòng)化配料供給的功能，首先需要通過(guò)高清電影標定排污計量表的測量精度，再通過(guò)大量的的試驗數據的統計得到一個(gè)較為理想的線(xiàn)性關(guān)系，同進(jìn)找出電機頻率與流量之間的波動(dòng)聯(lián)系，以此建立一個(gè)數據關(guān)系模型。再利用動(dòng)態(tài)模糊控制作為其核心控制算法，準確地控制液態(tài)原料的供給。
排污計量表是根據法拉第電磁感應定律制成，用來(lái)測量導電液體體積流量的儀表。目前已廣泛地被應用于工業(yè)過(guò)程?中各種導電液體的流量測量，如各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)；各種漿液流量測量，形成了獨特的應用領(lǐng)域。在自動(dòng)配料系統中，通過(guò)控制電機運行頻率來(lái)控制流量的大小。其應用的準確度對企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量、原料的消耗以及經(jīng)濟效益等有直接的影響。排污計量表作為液態(tài)原料的計量裝置，隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展而不斷提高其計量準確度和應用范圍。而流量計計量是極其復雜的動(dòng)態(tài)計量，其準確度會(huì )受很多因素影響，如：流體的導電性、非軸對稱(chēng)、電極襯里附著(zhù)物的影響、電機運行的穩定性、排污計量表安裝的位置、勵磁的技術(shù)、信號線(xiàn)的長(cháng)度以及外界干擾等。
排污計量表在調試期間常會(huì )遇到一些故障，如顯示波動(dòng)、精度下降、儀表?yè)p壞等，一經(jīng)排除，以后相同條件下不會(huì )再出現。究其原因主要有儀表本身元器件損壞引起故障、有選用不當、安裝不妥、環(huán)境條件、流體特性等因素造成故障；在正常運行期間若出現故障，則一般由流量傳感器內壁附著(zhù)層、雷電打擊以及環(huán)境條件變化等因素引起。日常工作中時(shí)刻注意這些故障，并很好地加以排除解決，排污計量表就能夠發(fā)揮它應有的作用。本文在排污計量表正常工作的基礎上，利用其與工控機、變頻器及電機組成自動(dòng)控制系統，以模糊控制作為其核心控制算法來(lái)研究電機頻率變化時(shí)對應流量的變化關(guān)系，以達到提高準確控制流量的目的。
2、排污計量表的靜態(tài)標定
排污計量表在出廠(chǎng)時(shí)經(jīng)過(guò)檢定，在實(shí)際運行中實(shí)時(shí)流量能同步的顯示在其表頭上，但在自動(dòng)供料系統中我們需要在工控機上也實(shí)時(shí)顯示其流量，并以此進(jìn)行調控，這就需要我們把排污計量表本身的流量信息及時(shí)地傳送到工控機上。而排污計量表的輸出信號為4—20 mA的電流信號，工控機的采集卡只能檢測0—10 V的電壓信號，故在排污計量表的信號輸出端串接一個(gè)小于500 Q的電阻用以將電流信號轉換成電壓信號¨1供采集卡采集。表1為排污計量表信號輸出端串接一個(gè)200 Q電阻后，排污計量表在電機運行于不同頻率時(shí)其本身測量的流量值和采集卡所采集的數值。由表1可知。排污計量表的波動(dòng)與采集卡所采集的數值有較好的一致性，滿(mǎn)足實(shí)際使用需求。

3、排污計量表在自動(dòng)配料系統中的應用
3．1 排污計量表在自動(dòng)配料系統中的作用
在自動(dòng)配料系統中，液態(tài)原料的供給同樣是按配方的比例進(jìn)行。我們希望在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中流量都按一個(gè)常量進(jìn)行供給，而實(shí)際中即使電機固定在某個(gè)固定頻率，其流量依然不是一個(gè)常量，如圖l中記錄的為固定頻率下排污計量表的測量值。如果人為的進(jìn)行干預，其滯后性及精確度都得不到保證，這勢必影響產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)的效率。而采用工控機根據排污計量表的實(shí)際流量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控與調節，能讓流量穩定在很小的范圍內，這無(wú)疑大大提高了自動(dòng)供料系統的精度與效率㈨。

3．2流量的自動(dòng)控制及模糊控制思想
電磁流鼉計實(shí)時(shí)地測量生產(chǎn)過(guò)程中的液態(tài)原料供給，工控機根據其提供的信號對變頻器的頻率進(jìn)行調整從而實(shí)現流量的調節。流量的自動(dòng)控制不僅要達到規定時(shí)間內總量的供給，更重要的是要保證生產(chǎn)過(guò)程中瞬時(shí)流量的配比需求。在生產(chǎn)過(guò)程中，排污計量表計量的流量如圖2所示。

在工作時(shí)間r內我們期望排污計量表測量的信號Y(t)為一常量，這也是生產(chǎn)過(guò)程配方比例中所期望的，而由圖1中我們知道Y(t)受各種因素的影響而不停的波動(dòng)。在工作時(shí)間內對Y(t)積分可得到流量的累積￡：


實(shí)際生產(chǎn)中流量一直在某個(gè)區域內波動(dòng)，且其動(dòng)態(tài)特性不易掌握。從上面的理論中我們能夠讓誤差△￡盡可能的小，這樣距我們所需要的理論值％就越接近。而減小誤差需要我們把n取的盡可能大，也就是在生產(chǎn)時(shí)間內劃分更多的周期去調節流量。當工控機根據排污計量表傳送回來(lái)的信號發(fā)出調節變頻器工作頻率的指令后，電機調整功率到排污計量表的實(shí)際測量為一個(gè)工作周期，我們知道從指令發(fā)送到實(shí)際測量值返回有一個(gè)較大的滯后，如果調節的周期時(shí)間小于流量計本身的一個(gè)工作周期，那么顯然不可能達到減小誤差的目的。利用模糊控制思想H。，在控制程序中我們把流量的波動(dòng)區域劃分為±缸×Yo，Yo-t-O．3，Yo±0．5四個(gè)區域，其中缸為可調節的誤差范圍，生產(chǎn)中我們取0．015，流量區域劃分的單位均為t／h。針對不同的區域采取不同的調整方案。具體流程如圖3所示。圖中變量Rel表示實(shí)際測量的流量，變量Idea表示理論流量。

4、試驗結果分析
模糊控制對數學(xué)模型難以獲取、動(dòng)態(tài)特性不易掌握等控制對像有較理想的控制效果，在其模糊法則和決策中干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱。排污計量表信號在進(jìn)入工控之前采用均值濾波以及中值濾波后才交給控制算法處理，盡量降低干擾帶來(lái)的波動(dòng)。采取不同的調節周期對實(shí)時(shí)的控制也很大，周期太短對流量的調節太頻繁，這樣容易導致流量的波動(dòng)劇烈，若調節周期過(guò)長(cháng)則容易導致累積誤差大。經(jīng)過(guò)反復實(shí)驗最后我們采取以周期為10 s，以上面劃分的四個(gè)區域來(lái)減小流量波動(dòng)帶來(lái)的誤差，其中當流量波動(dòng)超過(guò)0．5 t／h時(shí)，采取周期為20 s、頻率4-1 Hz的調節方法，這樣能夠更好避整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中其誤差控制在0．15％以?xún)?。如圖4所示為采取周期為10 S的調節，在波動(dòng)較大時(shí)采用20 S的調節；圖5所示為取周期為5 s的調節，在波動(dòng)較大時(shí)采用10 s的調節。

模糊控制的基本思想是利用計算機來(lái)實(shí)現人的控制經(jīng)驗，任何工業(yè)過(guò)程都比較容易得到其定性認識，而由此出發(fā)就比較容易建立語(yǔ)言控制規則。在自動(dòng)配料系統中我們應用其對排污計量表的控制雖然取得了較理想的結果，不僅在工作時(shí)間內以總量的控制準確同時(shí)保證了在生產(chǎn)過(guò)程中按產(chǎn)品配方比例的控制。但如何獲得模糊規則及隸屬函數，這在目前完全憑經(jīng)驗來(lái)進(jìn)行，以及如何保證模糊系統的穩定性這些都是需要我們繼續研究并且提高。

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