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

0 引言

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。

1 改造前皮帶稱重系統(tǒng)

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

2 改造后皮帶稱重系統(tǒng)

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 系統(tǒng)改造的關(guān)鍵技術(shù)

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

4 皮帶秤自動(dòng)化系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性

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。

5 結(jié)束語

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。

［1］侯志林.過程控制與自動(dòng)化儀表.機(jī)械工業(yè)出版社，2004

［2］費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理.機(jī)械工業(yè)出版社，2003

［3］Schneider.Modicon Concept V2.1編程軟件培訓(xùn)資料，2009

［4］王慶河.寬量程、高準(zhǔn)確度、數(shù)字變頻調(diào)速電子皮帶秤的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.計(jì)量技術(shù)，2004（5）

［5］王慶河.數(shù)據(jù)處理中的幾種常用數(shù)字濾波算法.計(jì)量技術(shù)，2003（4）

10.3969／j.issn.1000－0771.2013.4.13