陳權(quán)權(quán) 王慶河 龐杰林 房英翠
(濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)公司,濟(jì)南250101)
傳統(tǒng)皮帶秤的自動(dòng)化改造
陳權(quán)權(quán) 王慶河 龐杰林 房英翠
(濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)公司,濟(jì)南250101)
介紹一項(xiàng)利用生產(chǎn)工藝過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)皮帶秤系統(tǒng)實(shí)施自動(dòng)化改造的方案。其核心理念是:以生產(chǎn)過程控制器替代傳統(tǒng)稱重二次儀表,以人性化、網(wǎng)絡(luò)化的計(jì)算機(jī)軟件界面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)二次儀表校準(zhǔn)系統(tǒng),從而將皮帶秤配料系統(tǒng)融入生產(chǎn)自控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)配料秤系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化,提高了皮帶秤稱重的系統(tǒng)性、可維護(hù)性、準(zhǔn)確性和可靠性。
傳統(tǒng)稱重二次儀表;過程控制器;自動(dòng)化;準(zhǔn)確性
我公司各生產(chǎn)廠配料皮帶秤多采用模擬稱重傳感器外接稱重二次儀表,由二次儀表轉(zhuǎn)化為流量傳輸上位顯示的方式,這種稱重系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)簡(jiǎn)單、安裝方便和靈活性強(qiáng),但也有其固有的缺點(diǎn):稱重傳感器毫伏值遠(yuǎn)傳抗干擾能力差、失真率高等;稱重二次儀表維護(hù)量大、故障率高、采購備件成本高、不易操作,并且存在長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都明顯下降等缺點(diǎn)。針對(duì)這種情況我們決定對(duì)部分配料皮帶稱重系統(tǒng)實(shí)施改造,利用現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的控制器取代二次表頭,在稱重傳感器外側(cè)增加低成本高穩(wěn)定性的變送放大單元將稱重毫伏電壓轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)4~20mA環(huán)路電流,從而實(shí)現(xiàn)小信號(hào)無損遠(yuǎn)傳。
改造前,稱重傳感器的0~10mV稱重信號(hào)傳遞給稱重二次表,經(jīng)二次表轉(zhuǎn)化為流量值,該流量值信號(hào)以4~20mA的形式傳給PLC或DCS,由連接PLC或DCS的計(jì)算機(jī)進(jìn)行上位軟件顯示,示意圖如圖1。
圖1 改造前皮帶稱重系統(tǒng)示意圖
如圖2所示,改造后,以信號(hào)放大器和過程控制器替代稱重二次表,PID控制輸出經(jīng)過程控制器計(jì)算給出。
圖2 改造后皮帶稱重系統(tǒng)示意圖
3.1 控制器參與流量控制
傳統(tǒng)稱重系統(tǒng)中,流量的校準(zhǔn)和控制是由稱重二次表完成,過程控制器只參與接收流量值并進(jìn)行上位顯示。該自動(dòng)化改造實(shí)現(xiàn)過程控制器參與流量控制,將傳統(tǒng)的皮帶秤納入過程自動(dòng)控制體系中。
3.2 稱重信號(hào)放大器
該自動(dòng)化改造以稱重信號(hào)放大器取代傳統(tǒng)稱重二次表,信號(hào)放大器安裝在配料秤現(xiàn)場(chǎng),解決了毫伏值稱重信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸受工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾大的問題,提高了稱重控制系統(tǒng)采集信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性。
稱重放大器必須參照傳感器的規(guī)格參數(shù)選定,具備為傳感器提供恒定供橋電壓功能?;竟δ芫邆?~10mV轉(zhuǎn)4~20mA,轉(zhuǎn)換精度在0.1%以內(nèi)。
3.3 零點(diǎn)校對(duì)和斜率校準(zhǔn)的上下位程序設(shè)計(jì)
3.3.1 程序概述
本稱重系統(tǒng)上、下位程序編程方式因控制器不同而有所區(qū)別,本文主要講述編程框架思想和一些重要算法。核心編程在下位控制器中完成,主要有信號(hào)濾波、零點(diǎn)校對(duì)、斜率校準(zhǔn)和PID控制四部分組成。
3.3.2 稱重信號(hào)的軟件濾波處理
由于配料工藝要求信號(hào)穩(wěn)定、波動(dòng)幅度小,而稱重傳感器檢測(cè)信號(hào)的波動(dòng)比較大,原有的稱重系統(tǒng)由于二次稱重儀表對(duì)信號(hào)已經(jīng)進(jìn)行處理,可以輸出相對(duì)較穩(wěn)定的流量電流信號(hào);改造后的系統(tǒng)由于稱重信號(hào)經(jīng)放大器直接進(jìn)入控制器的模擬量輸入模塊,未對(duì)信號(hào)波動(dòng)進(jìn)行處理,所以要對(duì)稱重信號(hào)實(shí)施必要的軟件濾波。
綜合比較工控系統(tǒng)常用的數(shù)字濾波算法,本系統(tǒng)采用10次均值加權(quán)實(shí)時(shí)濾波。順次取當(dāng)前值及之前10個(gè)稱重信號(hào)值做平均得出當(dāng)前值,本次濾波值與上次濾波值再做加權(quán)相加得出濾波后的稱重值Mfilted
式中,Mn為控制器每次采樣值;x為加權(quán)值。
3.3.3 傳感器零點(diǎn)電流值校對(duì)
傳感器零點(diǎn)是皮帶秤在空載的狀況下,傳感器的稱重信號(hào)值。由于工況不同,不同的皮帶秤具有不同的零點(diǎn),所以需要對(duì)零點(diǎn)進(jìn)行校對(duì),傳統(tǒng)皮帶秤的零點(diǎn)校對(duì)是由稱重二次表中完成,在改造之后該功能需要在控制器中編程完成。程序算法如下:
式中,I零點(diǎn)為零點(diǎn)電流值;Tz為校零時(shí)間;I為傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)應(yīng)電流值。
3.3.4 流量斜率校準(zhǔn)
校準(zhǔn)斜率是表征稱重傳感器稱量值對(duì)應(yīng)實(shí)際流量的一個(gè)參數(shù),需要將稱重信號(hào)值與實(shí)際流量值作比較才能得出。同樣,這個(gè)稱量斜率的校準(zhǔn)也需要在程序中完成。程序算法如下:
式中,Snew為校準(zhǔn)后新斜率;M校準(zhǔn)為程序校準(zhǔn)前的原斜率Sold累積值;M實(shí)際為理想實(shí)際值,可以為鏈碼或者實(shí)物值。
3.3.5 PID控制程序
如圖1所示PID控制功能在改造前由二次稱重儀表實(shí)現(xiàn)流量控制;如圖2流量的PID控制功能由控制器編程實(shí)現(xiàn),普通的過程控制器的下位編程軟件通常都集成常規(guī)的PID模塊,在編程中調(diào)用,設(shè)定P、I、D參數(shù)以及其他關(guān)鍵參數(shù),即可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。也可以編程自定義PID模塊實(shí)現(xiàn)給定控制。
如圖3為常規(guī)PID模塊的功能示意圖。該計(jì)算模塊主要由比例○P、積分?和微分?組成。其中SP為設(shè)定值;PV為測(cè)量值;Err為測(cè)量值與設(shè)定值偏差;KP,KI,KD分別為比例、積分和微分系數(shù);YP為比例計(jì)算輸出;YI為積分計(jì)算輸出;YD為微分計(jì)算輸出;Yman為手/自動(dòng)模式;Bias為輸出偏置值;Y為PID合成計(jì)算輸出值。
PID計(jì)算公式:
式中,d t為掃描周期;TD為微分時(shí)間;下標(biāo)(new)為當(dāng)前掃描周期值;下標(biāo)(old)為上一個(gè)掃描周期值。
圖3 PID模塊示意圖
由于過程控制器的測(cè)量精度和控制準(zhǔn)確性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出普通稱重二次表,用過程控制器取代稱重二次表后,配料秤的準(zhǔn)確性也有了顯著的提升。通過實(shí)物校準(zhǔn)對(duì)比,稱重的準(zhǔn)確度由先前1%~5%提升至0.5%~1%;通過調(diào)整PID控制參數(shù),流量控制精度和穩(wěn)定性也得到加強(qiáng),流量的幅值穩(wěn)定控制在給定值2%~5%上下浮動(dòng),完全達(dá)到工藝的控制要求。
以上對(duì)傳統(tǒng)皮帶秤的自動(dòng)化改造方案是建立在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,將傳統(tǒng)皮帶秤融入過程控制體系中,利用原有鋪設(shè)線路和設(shè)備,節(jié)約了成本。本次改造提高了皮帶秤信息自動(dòng)化水平和過程控制精準(zhǔn)度,有效地降低了維護(hù)成本,為工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化改造提供很實(shí)用的范例,具有一定的推廣應(yīng)用前景。
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