（控制理论与控制工程专业论文）生产用碱溶液智能配比系统的设计与实现.pdf

_ _ _ _ 。1 1 。 学位论文的主要创新点 f y 1 7 7 3 0 型百1 一、系统采用多模态控制、智能变比值控制、智能p i d 组态控制等智 能控制策略，实现既响应快又无超调、无振荡的极佳控制效果。 二、系统采用硬测量与软测量相结合的技术手段，实现了软硬测量的 数据融合。 摘要 纺织印染工艺中，针织物丝光过程会产生废碱液污染，但是丝光水沈淡碱液 含碱量较少，大多数企业不回用，造成浪费的同时也污染了环境。而且，目前国 内配碱液普遍采用手工配制的方法，难以满足连续生产的需要。 为了实现能源的再利用和生产的需要，本文将回收处理后的淡碱液混合浓碱 配制规定浓度的碱液再用于丝光过程，实现碱溶液流量、液位和浓度的在线控制。 本文在原有人工系统的基础上作了改进，给出了一种基于欧姆龙c j l 系列p l c 和 触摸屏的控制方案，并重点分析了p l c 软硬件设计，通过对系统软硬件设计，集 中控制浓、淡碱的流量比、各碱罐的液位以及碱液浓度，采用智能控制策略，实 现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止，进而达到自动精确配液， 及时输送的目的。并且由上位机完成生产状态监控，数据采集、记录和处理的功 能。最后对系统现场调试和遇到的问题进行了详细说明。 本文设计的基于p l c 控制的自动配液系统工艺简单，可操作性强，大大降低 了工人的劳动强度，实现生产过程自动化，减少不必要的劳力。此淡碱液回用系统 能达到企业节能降耗的目的，并能带来良好的环境效益和经济效益。 关键词：碱溶液浓度；智能变参数控制；多模态控制；比值控制 a bs t r a c t i np r i n t i n ga n dd y e i n gp r o c e s s ，i tw i l lc o s tp o l l u t i o no fu n u s e dl y e h o w e v e r ，i t c o n t a i n ss ol i t t l ea l k a l it h a tm o s te n t e r p r i s e sw o n tr e u s ea n dw a s t et o om u c h w h a t s m o r e ，d o s i n gs y s t e m sa r ea l w a y sd o n eb yh a n di no u rc o u n t r ya tp r e s e n t ，w h i c hc a n t m e e tt h en e e d so fp r o d u c t i o n i no r d e rt om a k et h eb e s tu s eo fe n e r g ya n dt om e e tt h en e e d so fp r o d u c t i o n ，t h i s p a p e rh a si n t r o d u c e dt h ep r o c e s so fm i xo fl i g h tl y ea n dd e n s el y e ，w h o s ep r o d u c t i o n c a nb eu s e da g a i n ，s ot h a ti m p l e m e n t i n gt h eo n - t i m ec o n t r o lo ft h ef l u x ，l o c a t i o na n d d e n s i t yo fl y e s ob a s i n go nt h ep r i m a r ys y s t e m ，t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e do nt h e o m r o nc j1p l ca n dt o u c hp a n e li sa d o p t e da n dt h eh a r d w a r e & s o f t w a r ed e s i g ni s a n a l y z e d ，a n dt h ef l u xo fl i g h ta n dd e n s el y ea n dl o c a t i o no ft h ep o t s f l u i dc a nb e c o n t r o l l e db yd e s i g n i n go ft h eo m r o nc j1p l c t h i ss y s t e mi m p l e m e n t st h es e t t i n g a n dp r o b l e md i a g n o s i n go ft r a n s d u c e r sp a r a m e t e r s ，a sw e l la st h es t a r t - u pa n dh a l to f t h em o t o r s ，s oa st oa c h i e v et h ea i mo fa u t o m a t i ca n de x a c td o s i n ga n df e e d i n gi nt i m e b e s i d e s ，t h ec o n n e c t i n go fi p ca n dp l ca c c o m p l i s h e si n s p e c t i n ga n dt h ec o l l e c t i o n ， n o t i n ga n dd e a l i n gw i t ho fd a t a t h ef i e l dd e b u ga n dp r o b l e m sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a t l a s t t h i sa u t o m a t i cd o s i n gs y s t e mi ss i m p l ea n dw e l l d o n e ，i th i g h l yi m p l e m e n t st h e a u t o m a t i z a t i o no ft h ep r o c e s s ，a n dt h ee f f i c i e n c ya n dt h es e c u r i t yp e r f o r m a n c eh a sb e e n h i 曲l ya d v a n c e d ，w h i c hg a i n e ds om a n ye c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：d e n s i t yo fl y e ；i n t e l l i g e n tc o n t r o lo fv a r i a b l ep a r a m e t e r s ；d i v e r s i f i e d m o d u l ec o n t r o l ；r a t i oc o n t r 0 1 目录 第一章绪论1 1 il 课题的来源和背景1 1 2 课题的目的和意义2 1 3 丝光工艺简介2 1 4 国内外碱液配制系统的发展情况4 1 5 系统设计内容和主要工作。5 第二章系统工作机理分析7 2 1 配碱站工艺要求和工艺流程7 2 1 1 系统工艺要求7 2 1 2 系统工艺流程图7 2 2 控制系统工作原理9 2 2 1 流量比值控制系统9 2 2 2 液位控制系统1 2 2 2 3 碱液浓度测量方法的选取1 5 第三章系统总体结构设计和硬件配置1 7 3 1 系统总体结构设计1 7 3 2 系统硬件组成与选型1 8 3 3 系统硬件性能和工作原理1 9 3 3 1p l c 模块1 9 3 3 2 流量传感器2 2 3 3 3 液位传感器2 4 3 3 4 浓度传感器2 4 3 3 5 耐腐蚀泵2 5 3 3 6m m 4 3 0 变频器2 7 3 3 7p w s 6 8 0 0 型触摸屏2 8 第四章系统p l c 的软件设计与实现。2 9 4 1c j l 系列p l c 的编程语言介绍2 9 4 2c j l 系列p l c 的程序结构介绍2 9 4 3c j l 系列p l c 的编程软件简介3 0 4 4p l c 系统的组成与设置3 1 4 4 1p l c 系统组成与硬件连接3 l 4 4 2p l c 系统输入、输出单元的设置3 2 4 4 3 流量比值系数设定4 0 4 5p l c 的程序设计4 1 4 5 1 系统控制要求分析。4 1 4 5 2 系统控制方案讨论4 2 4 5 3 软件系统部分参数地址分配4 3 4 5 4 控制系统p l c 程序设计4 4 4 5 5 部分程序解释4 7 4 6p l c 系统调试4 9 4 6 1 变频器的调试4 9 4 6 2 变频调速泵的调试5 2 4 6 3 系统调试一5 3 第五章系统触摸屏的软件设计与实现5 7 5 1 触摸屏及其软件简介5 7 5 2 配液控制系统监控画面的设计5 9 第六章系统上位机软件的设计6 3 6 1 上位机控制系统的组成6 3 6 1 1c o n t r o l l e rl i n k 网络及其功能6 4 6 1 2c o n t r o l l e rl i n k 板卡的设置与测试6 5 6 2 工控组态软件在系统中的应用。6 5 6 2 1 组念软件简介。6 5 6 2 2 组态软件实现的功能6 6 6 2 3 组态王监控系统的实现一6 7 6 3 应用效果6 8 第七章总结6 9 7 1 系统运行效果6 9 7 2 课题完成过程中遇到的问题6 9 7 3 课题创新点6 9 参考文献7 l 攻读硕士学位期问发表论文和参加科研情况说明7 3 致 射7 5 第一章绪论 1 1 课题的来源和背景 第一章绪论弟一早珀t 匕 本课题是天津市科技支撑计划项目“染整工艺碱回收系统”的子课题：回 收后淡碱液的循环利用丝光用碱溶液自动配制和浓度在线检测系统，其实 践单位是山东某纺织印染企业。研究内容主要是在了解和参考染整工艺碱溶液 性能和配制的基础上，尝试给出一种合适的丝光用碱溶液自动配制系统和浓度 在线检测方案。 随着加入w t o ，我国纺织工业有了很大的发展，已成为世界纺织服装的制 造中心，这为我国纺织工业的可持续发展奠定了良好的产业基础和发展空间。 但是，总的来说，我国的纺织行业还处在初级发展阶段，而染整业又是我国纺 织工业中最薄弱的环节，出口的印染产品绝大多数为中低档产品，染整工艺的 自动化程度不高，精度不够，同时印染设备属于高耗能、重污染装备，这些都 使得印染产业的能耗量在纺织业首屈一指，对能源质量的需求标准高，尤其是 印染的高耗水量。由于中国特别是长江以北地区水资源的全面短缺，取水成本 正在急剧、持续地上升。 同时，印染废水的排放也在很大程度上对环境造成了污染。在我国的工业 废水中，印染废水占比例较大，在全国排行第六，而且这种废水很难处理。据 统计，我国印染厂每年排放废水1 0 5 亿吨左右，占整个纺织工业废水排放量的 8 0 。随着污水排放标准日趋提高，而目前废水治理的工艺技术相对落后，国内 许多印染企业虽积极投资治理，但由于成本费用高昂，依然“望污兴叹”。据有 关调查表明，印染废水的治理率不足3 0 。例如，丝光工艺处理后都有大量的 淡碱液排出，其浓度在6 左右。这些淡碱液除了小部分可以用于其它工序外， 其余大部分都被当作废水排出，这不仅增加了污水处理的难度，同时也造成了 严重的资源浪费。近年来，我国已明确提出要建设和谐社会，环境保护是建立 人与自然和谐的关键，因此节能减排应成为每个企业生产的一个重要目的。国 家政府已充分认识到印染工业废水对环境造成的不良影响，国家循环经济和绿 色化生产指令的举措之一就是要从印染废液中回收有用物质，以避免重蹈发达 国家印染业因污染而衰退的覆辙。 在此背景下，为了尽快实现印染企业节能减排的目的，促进纺织行业的健 康发展，从而加快我国建设节约型社会的步伐，天津市科技部报批并注资了“染 天津l ：业人学项十学位论文 整工艺碱回收系统”这个项目，以更好地实现资源的合理利用。 1 2 课题的目的和意义 淡碱回用是现代纺织厂生产过程中节能降耗不可缺少的环节，其作用有： 第一，淡碱液的瞬间集中排放不仅达不到排放标准而且会增加污水处理难度， 淡碱回用工艺有利于减少环境污染，提高社会效益；第二，烧碱作为丝光过程 的必需原料，淡碱液直接排放会造成不必要的浪费，若进行回收利用能减少企 业的生产成本，增加经济效益。 为此，本文研究了山东某印染公司的淡碱回用系统，即利用回收处理后的 淡碱配制出用于丝光作用的碱溶液配制系统。这里的配液是指将丝光过程产生 并经回收处理后的淡碱液和一定浓度的烧碱按一定比例进行混合，再给丝光及 其它工艺过程配制出规定浓度碱液的过程。公司原有的方案是进行人工配液， 即主要由人工操作完成淡碱和浓碱的配比。这样不仅浪费了人力，而且配液过程 的效率也不高。本文设计的基于p l c 控制的自动配碱液系统工艺简单，可操作 性强，可以大大降低工人的劳动强度，实现生产过程自动化，减少不必要的劳 力，以达到企业节能、降耗、减排的目的，并带来良好的环境效益和经济效益。 同时，配液也是工业生产中经常用到的环节。但在大多数生产过程中，投 资者由于某些原因往往忽略了这一环节的自动控制，造成目前这一环节仍有采 用人工控制的状况。人工控制虽也能满足控制要求，但却浪费了人力，增加了 工人的劳动强度。虽然本文中的自动配液方案是以该公司的碱液配制系统为背 景设计的，但其具有通用性，也可应用在化工、医药等其它生产工艺中。 1 3 丝光工艺简介 丝光是染整前处理工艺中的一道工序。所谓前处理工艺，就是指棉、麻、 毛、丝、化纤及其混纺织物在染色、印花、整理之前，利用化学和物理方法， 除去坯布上含有的天然杂质以及在纺织过程中施加的浆料和沾上的油污，为染 色、印花和整理等后加工提供优质的半成品。因此，丝光对产品质量起着重要 作用，绝大部分棉及其混纺织物在进行染色和印花加工前都需进行丝光处理n 1 。 通常，丝光是指棉及其混纺织物在经纬向都受到一定张力的情况下，用浓 烧碱( n a o h ) 或其它化学药品处理，以改变棉纤维的结构和形态，从而达到改 善纤维性能的加工过程，有明显的增加光泽、提高棉布强力和定形作用。丝光 工艺是使棉纤维在浓烧碱的作用下生成碱纤维，并且纤维发生了不可逆的剧烈 第一章绪论 膨胀。其主要原因是：由于钠离子体积小，不仅能进入纤维的无定形区，而且 还能进入纤维的部分结晶区；同时钠离子又是一种水化能力很强的离子，钠离 子周围有很多的水分子，其水化层很厚。当钠离子进入纤维内并与纤维结合时， 大量的水分子也被带入，因而引起纤维的剧烈膨胀。一般来说，随着碱液浓度 的提高，与纤维结合的钠离子数就增多，水化程度就提高，因而纤维的膨胀程 度也相应增大。当烧碱浓度增大到一定的程度后，水全部以水化状态存在，此 时若再继续提高烧碱的浓度，对每个钠离子来说，能结合到的水分子数量有减 小的趋势，即离子的水化层变薄，因而纤维的膨胀程度反而减小憎1 。 丝光工艺条件不同所获得的丝光效果是不一致的，多年来为了达到丝光的 理想效果，实现丝光工艺的高效，国内外有关方面均作了大量试验研究和探讨。 影响丝光效果的因素很多，主要是烧碱的浓度、温度、作用时间，丝光时的张 力和丝光后去碱等。本文主要就碱浓度作一下说明。 碱浓度是影响丝光效果的主要因素之一，因为只有当碱液浓度达到某一临 界值时，才能引起棉纤维的剧烈膨化，目前丝光时碱浓度一般控制在 2 4 0 2 8 0 9 l ，由于碱浓度在1 5 0 1 8 0 9 l 时，丝光钡值已有较大提高，因此对某 些丝光要求不太高的品种可采用这种浓度进行丝光，以提高染色性能，这种丝 光工艺常被称作“半丝光”。 丝光工艺处理后的淡碱浓度在8 0 9 l 左右，直接排放会造成严重的环境污 染，可以经过沉淀、过滤、蒸发等回收工序后输送到碱站，配制成所需浓度的 碱溶液，一部分供退浆、煮炼等工序使用，一部分又返回到丝光机与浓碱自动 调配后供丝光过程使用。 工作液碱浓度配比计算公式为 x = ( z - b ) ( a - b ) x1 0 0 y = 1 一x ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) 式中，x 供应浓碱占需配工作液碱浓度的比例； r 供应淡碱占需配工作液碱浓度的比例； a 供应浓碱碱浓； b 供应淡碱碱浓； z 需配工作液碱浓。 例如，已知供应浓碱浓度为3 6 0 9 l ，供应淡碱浓度为8 0 9 l ，需配工作液碱 浓度为2 3 0 9 l ，求x 、y 。 将上述碱浓度值代入配比公式，得： 天津i ：业人学硕十学位论文 x 2 ( 2 3 0 8 0 ) ( 3 6 0 8 0 ) x1 0 0 = 5 3 6 y = 1 5 3 6 = 4 6 4 因此，如配制l l 浓度3 0 2 3 0 9 l 浓度的工作液，则需3 6 0 9 l 的浓碱0 5 3 6l ， 8 0 9 l 的淡碱0 4 6 4l 。 1 4 国内外碱液配制系统的发展情况 目前大部分自动配液控制系统的构成主要有三种方法： 第一种是采用工业计算机作为控制器，传感器信号通过a d 数据采集卡进入 计算机，其它信号通过计算机上的d i d o 卡处理；人机交互界面采用计算机显示 界面或专门开发的薄膜面板、l e d 数显等。这种方法控制程序用v b 或v c 等语言编 写。具有算法丰富，数据库功能强大，人机交互性能好等特点。但缺点是控制 软件为各个厂家专门开发，兼容性能不好，同时系统的再开发能力和对开关量 的处理能力都比较差。另外计算机的稳定性和可靠性也有待提高。 第二种方法采用的控制器为单片机。这种方法控制程序用汇编语言编写， 具有成本低廉、设备可靠性高以及操作简单等特点。但还是有兼容性能、再开 发能力差的缺点。另外这种方法较适合于单台设备的控制，对于复杂的系统难 以处理。 第三种方法是采用可编程控制器( p l c ) 作为系统控制器，传感器信号通过 p l c 的a i 模块进入p l c 主机，其它信号通过d i d o 模块处理；人机交互界面采用触 摸屏、l e d 数显等。这种方法控制程序用梯形图等p l c 编程语言编写。具有算法 丰富，可靠性能高，开关量的处理能力强及人机交互性能好等特点。但缺点是 数据储存和处理的能力较差。 对于本课题来说，新配液控制系统需要根据企业设备和工艺现况来构成并 需尽可能的利用旧系统中的设备和元器件。对于人机交互方式，厂家提出改造 后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于操作人员迅速掌握。从企 业的要求可以看出新控制系统的可靠性要高，人机交互界面友好，应具备数据 储存能力。 因此，采用p l c 作为现场控制器的方案应是首选方案，当然成本要比单片机 高，但从可靠性、稳定性、生产的连续性和现场修改程序、修改参数等方面来 综合考虑，采用p l c 的性价比要优于单片机的方案。 第一章绪论 1 5 系统设计内容和主要工作 公司目前采用的碱液配制系统主要采用人工控制，该配液过程是将浓碱和 回收处理后的淡碱按一定比例进行配比的过程。系统工艺中，低位储罐中的浓 碱和淡碱通过离心泵注入到高位储罐中，储液罐带有液位计。在配液过程中，工 人根据高位储罐中已添加的浓碱量以及浓碱与淡碱的比例关系计算出该注入的 淡碱量，并根据液位计测出的液位，添加淡碱直至达到所需液位，则配液完成。各 储液罐的液位控制系统用p l c 来集中控制和检测液位，并进行记录和报警。这种 需要人工监控的配液系统不仅浪费了人力，而且由于系统的限制，在配制过程 中浓碱和淡碱不能一起注入到高位储罐中进行混合，只能在配制完成后将碱液 送到车间用于生产，大大降低了工作效率。根据该公司的要求，希望能够克服 现有的配液系统需要人工完成和效率低的缺陷，不仅能在配制过程中直接送到 车间使用，还能对配液的全部数据以及生产线的其它参数进行记录，并有故障 诊断和报警的功能。 因此，本文尝试将旧系统做一下改进，尽可能地采用原有设备，并在原有 系统基础上设计出一个新的自动配碱液系统用于循环利用回收后的淡碱。新系 统通过对欧姆龙c j l 系歹i j p l c 软件的设计，实现液位、流量、浓度的测量，集中 控制浓、淡碱的流量比、调整槽的碱液浓度以及各储液槽的液位，使碱液能够 自动配制完成并能在配制的过程中送到车间使用。并且由上位机和该p l c 相连完 成生产状态监控，数据采集、记录和处理的功能，把计算机数据处理功能强， 存储容量大和p l c 通用性好、可靠性高及逻辑控制功能强的特点结合起来，进而 达到精确配制，及时输送的目的。 新系统具备以下几个功能特点： 1 浓碱、淡碱流量在线自动检测，比值自动调节，碱液浓度自动监控； 2 多槽液位监控，液面检测报警； 3 系统采用变频调速技术用于碱液流量调节，实现节能： 4 友好、方便的操作界面，采用液晶显示多种工艺参数、实时曲线； 5 标准通信接口，可将工艺数据储存到上位机中。 本文所做的主要工作： 1 对丝光工艺及回收后碱液的特性和配制方法进行系统的理论研究； 2 研究碱液自动配比系统的工作原理； 3 确定系统的总体控制方案，针对方案进行系统硬件设计，包括p l c 、触摸屏、 传感器等控制元件的设计、选型和性能分析； 4 对p l c 、触摸屏进行软件的设计开发工作； 犬津i ：业人学硕十学何论文 5 上位机系统方案设计，包括计算机、板卡、组念软件的选型和设计等； 6 对系统进行调试，必要的数据记录并总结一些经验，为将来系统的进一步研 究和开发提供理论和实践依据。 第二章系统i ：作机理分析 第二章系统工作机理分析 2 1 配碱站工艺要求和工艺流程 2 1 1 系统工艺要求 作为本课题的实践单位，山东华纺股份有限公司采用的是传统的人工配液 方式。公司原有系统的主要问题是自动化程度不高，碱溶液浓度要靠人工操作 控制的方法进行确定，操作过程复杂，随机误差比较大；而且由于浓碱溶液对 皮肤有很强的腐蚀性，调配过程过多的人工因素会增加安全隐患。 针对前述缺点，本课题的研究目标就是尝试提出一种快速高效的碱溶液自 动配制和浓度在线检测的控制方案。 1 整个控制系统采用智能化控制方式，代替以前人工操作的方式，操作员 只需通过参数设置单元设置参数，然后控制系统就可以自动运行。 2 传感器检测当前流量、浓度、液位信号，并且传递给控制单元，控制单 元做出判断并发出指令，这些指令用于控制阀门的开关和变频器，从而实现将 浓度、液位维持在一定数值上的目的。 新系统的工艺要求如下： 1 工艺上要求浓碱、淡碱自动保持一定比例关系，配比同时进入车间使用； 2 碱液流量动态过程中最大超调量不大于3 ，液位最大超调量不大于1 ； 3 液位控制精度为o 1 ，即储罐液位额定高度6 0 0 0 m m ，误差不大于6 r a m ； 4 碱溶液浓度控制精度为1 ； 5 具有水位过高、过低报警和故障提示用户的功能； 6 系统要求用户能够直观地了解现场设备的工作状态及水位的变化； 7 系统要求用户能自行设置水位高低，并能远程控制变频器启停。 2 1 2 系统工艺流程图 系统工艺流程图如下所示。 大泮i ：业人学硕十学伊沦文 1 # 轧车 2 # 轧：乍 卜一液位传感器 4 液位传感器 2 一密度式浓度传感器 5 一液位传感器 图2 - 1 配料站工艺流程示意图 3 一复合式光学传感器 6 一温度传感器 第二章系统1 ：作机理分析 2 2 控制系统工作原理 2 2 1 流量比值控制系统 1 流量控制系统 流量控制系统由储液罐、阀门、离心泵、交流异步电动机、变频器、电磁 流量计及混合罐等组成。系统示意图如图2 2 所示，其原理图如图2 - 3 所示， 方框图如图2 - 4 所示。 图2 - 2 流量控制系统示意图 图2 3 流量控制系统原理图 图2 - 4 流量控制系统方框图 f o 犬津i 。业人学硕十学位论文 2 变频调速原理 1 ) 异步电动机的基本工作原理 当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产 生一个旋转磁场，该磁场的速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位 于该旋转磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子的绕组中产生相应的感应 电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力即转 矩，使转子跟随旋转磁场旋转。这就是异步电动机的基本工作原理呤1 。 异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速。定子绕组产生 旋转磁场后，转子导条将切割定子旋转磁场的磁力线，由此产生感应电流，转 子导条中的感应电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，由电磁力产生的电磁 转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n 。的转速旋转。一般电动机的实际转速n 。低于 定子旋转磁场的转速n 。因为如果n = n 。，转子导条与定子旋转磁场就没有相对 运动，不会产生电磁转矩，所以转子的实际转速n 。必然小于旋转磁场的同步转 速n 。 异步电动机的同步转速由电动机的磁极对数和电源频率所决定。其同步转 速可以表示为： 6o 厂 以= l p 式中，p 为磁极对数，f 为电源频率。设s 为异步电机的转差率， 刀一，l 。 s = o ，l ( 2 - 1 ) 可以表示为： ( 2 - 2 ) 若以i q 。表示异步电动机的实际转速，并以同步转速i q 为基准，则其实际转 速可以表示为： ：6 0 f ( 1 - s ) ：以i ( 1 - s 1 ) t , 2 - 3 、)巩= = 以i ) p 当电动机为空载时，转差率s 基本上为零，实际转速基本等于同步转速； 而当电动机为满负载时，则转差率一般在1 至1 0 的范围内，实际转速与同步 转速有一定的差距。由式2 3 可知，改变交流电源频率，即可以改变电动机转 速，实现对异步电动机进行调速控制的目的，并且电动机的同步转速和电源频 率成正比的关系。因此，如果有一个可以任意改变频率的电源，即可以通过改 变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。实际上，通过变频器可以任 意改变电源输出频率从而调节电机转速，实现无级调速。 第二章系统l ：作机理分析 商用 电源 频率变换 装咒 ( 变频器) 图2 5异步电动机的变频调速控制原理图 2 ) 异步电动机变频调速的基本原则 恒转矩变频调速 保持输出转矩一定，即定子的端电压和电源频率之比为常数。 恒最大转矩变频调速 保证电机的感应电势和电源频率之比为常数。 恒功率变频调速 保证定子的端电压和电源频率的开方之比为常数 3 双闭环流量比值控制系统 1 ) 双闭环流量比值控制系统结构的分析和设计 系统要求储罐中的淡碱和浓碱分别经离心泵注入混合罐中，并且淡碱与浓 碱应自动地保持一定的比例关系( 比值系数设为k ) ，即构成浓碱一淡碱比值控 制系统，当浓碱流量增加或减少时，淡碱流量也将随之按设定比例增加或者减 少。该流量比值控制系统由储液罐、阀门、离心泵、交流异步电动机、变频器、 电磁流量计等组成。控制系统原理图如图2 - 6 所示。在本系统中，浓碱处于主 导地位，称此物料为主物料或主动量。淡碱跟随主物料而变化，故称为从物料。 浓 淡 浓碱泵检测2 图2 - 6 浓碱一淡碱双闭环流量比值控制系统原理图 浓碱f 。 淡碱f 2 天津l ：业人学硕十学位论文 工艺上要求淡碱流量与浓碱流量成比例即成比值关系，淡碱流量应跟随浓 碱流量。控制系统方框图如图2 7 所示。这是双闭环流量比值控制系统。 设定 图2 7 浓碱一淡碱双闭环流量比值控制系统方框图 f f 2 第一个闭环控制系统是主流量浓碱本身构成的流量闭环控制系统，当设置 确定后，通过闭环调节作用，消除扰动的影响，使浓碱的流量稳定在设定值上， 主流量闭环控制系统属于恒值控制系统。 第二个闭环控制系统是副流量淡碱闭环控制系统，其输入量是经过检测与 变送后的浓碱流量信号与比值系数k 的乘积。淡碱副流量闭环控制系统由控制 器2 、变频器2 、淡碱泵以及电磁流量计2 等组成。副流量闭环控制系统属于跟 随系统，即淡碱的流量要跟随浓碱的流量。 2 2 2 液位控制系统 储罐的液位是指密封储罐中液体液面的高度。由于各储罐中均装有碱溶液， 各储罐中碱溶液过多会有溢出的危险，过少则会影响正常的生产，系统将不能 正常运行，轻则停产，重则会造成重大的伤亡事故。因此，为了对盛放碱液的 各储液罐进行液位控制，各储罐中均需装有液位传感器，实时检测储罐中碱溶 液的液位并传给p l c ，在正常生产过程中，如果液位过高，p l c 将发出信号关 闭阀门；如果液位过低，p l c 将打开阀门向储罐中注入碱液，以保证生产的正 常运行。 1 液位控制系统结构的分析和设计 储液灌的液位控制系统由储液罐、液位传感器变送器、液位控制器、变频 器、电动机、离心泵及管路等组成。该系统的组成如图2 8 所示，结构框图如 图2 - 9 所示。液位控制器对液位设定值与液位变送器信号之差( 即误差信号e ) 进行运算处理，并将控制信号传送到变频器。变频器输出使电动机驱动离心泵 图2 - 9 液位控制系统结构框图 2 液位控制系统数学模型的建立 液位控制系统的结构图如图2 1 0 所示。 天津1 ：业人学硕十学伉论文 干扰f o 图2 1 0 液位控制系统结构图 其中，电动机和离心泵的简化传递函数为： g l 卜南 ( 2 _ 4 ) 液位对象的传递函数为： g 0 ( 垆篙 ( 2 - 5 ) 式中，t o = r c ，t 。为液位对象( 或称为过程) 的时间常数，r 为阀门的液阻( 阻 力系数) ，c 为液位对象的液容( 容量系数) ，c = a ，a 为储液罐的截面积；l ( o 为液位对象的放大系数，k 。= r ；t 为等效纯时延时间，取决于离心泵出口至储液 罐的管路长度和建立流量的起始频率。 液位变送器的简化传递函数为： g 拶) _ 缶 ( 2 - 6 ) 式中，t 为变送器的等效时间常数，k 。为等效放大系数。 储液罐的输出流量f 0 是对液位h 的干扰量，若f o 大于f ；，则液位无法控制， 故f 。小于f ；是液位控制的前提。 对于图2 - 1 0 所示的液位控制系统，在忽略t 、t 。、和t 的情况下，系统的 固有开坏传递函数简化为： g 0 1 ( s ) = k 。j k l + k i ( 2 7 ) 这就是液位控制系统的简易数学模型，其为一阶惯性环节。p i d 控制器可 采用p i 控制器，在液位设定信号为阶跃函数时，系统无稳态误差。 对于液位控制系统，若输出流量f 。增大，导致液位h 下降，液位变送器检 增大，离心泵的输出流量f ；增大，使得液位h 回升到设定值。 2 2 3 碱液浓度测量方法的选取 测定溶液浓度一般有三种方法： 1 折射法 光学浓度变送器是运用光学原理：光线折射的临界角随浓度的变化而变化， 被测溶液折射率与其浓度有关，且成线性正比关系( 除部分溶液不成线性外) ， 当光线经过两种物质界面时发生折射( 或反射) ，仪器应用临界角，使光线发射 到光电池，光通过周期的波长随溶液的密度变化而变化，光电池的输出信号办 相应变化，从而达到测量溶液浓度的目的h 1 。 2 电导法 工业电导变送器是通过测量溶液电导率来间接测量离子浓度的流程仪表， 它可以在线连续检测工艺过程中水溶液的浓度。电解质溶液与金属导体一样是 电的良导体。因此，电流流过电解质时，必有电阻作用，且符合欧姆定律。但 液体的电阻温度特性与金属导体相反，其温度特性是负数。为区别于金属导体， 电解质溶液的导电能力用电导或电导率表示，电导是电阻的倒数。在电解质溶 液中，单位体积内所含离子浓度越大，离子化合价越高，离子迁移速度越快， 则电导率越大。在0 8 范围内，酸碱盐溶液浓度与电导率成比例关系，因此， 检测溶液的电导率就可计算出酸碱盐的浓度晴1 。 测量溶液的电导率有常规的电极类电导率计和电磁浓度计，前者的电极易 发生极化作用，在电极表面形成双电层或在电极附近溶液的浓度发生变化，而 且电极易被污染或结垢，使其测量准确性大大降低，甚至无法测量，尤其在强 腐蚀性和高浓度溶液中更加突出；而电磁浓度计是一种非接触式测量，只要用 合适的耐腐蚀材料将测量部件密封起来，就可避免电极腐蚀、极化等问题。 3 密度法 密度法是确定溶液浓度或者悬浮物浓度最为直接的方法，一般用于测量高 浓度碱液。液体密度是指在同一温度和压力下，液体密度和水密度之比，常以 4 c 为标准温度。在实际应用中，也可以标出温度比，如1 5 2 ( 2 0 l o ) 表 示温度为2 0 c 某物质的密度和i o 。c 的水的密度之比。密度单位除采用g l 外， 还可以采用浓度( ) 和波美度。物质的密度是指单位体积物质的质量。 在查阅多方资料、理解碱溶液浓度的测量方法后，经过和该厂工作人员交 流，我们了解到该厂常用的碱溶液浓度是1 0 0 - 2 6 0 9 l ，对应的碱液质量百分比 大津i ：业人学硕十学何论文 浓度为9 9 9 2 1 4 4 。如前所述，一般来说碱溶液的电导率随着浓度的增大而 升高，但当浓度增加到一定数值( 大概8 ) 后电导率开始随着浓度增加而减小， 所以两者关系是多值、非线性的。所以，制造一种测量范围包括所有这些点的 电导率仪表是不可能的。同时，经过查阅相关资料得知，测定高浓度碱液通常 采用密度法测定。所以，我们决定采用密度法测量碱溶液的浓度。 密度法是根据阿基米德定律检测出被测溶液的密度，尤其对那些不具备导 电性能，或导电性能不强，或电导率曲线出现拐点、电导率出现双值的溶液， 是实现溶液浓度检测的最佳选择。 第二章系统总体乡占构设计和硬仆配置 第三章系统总体结构设计和硬件配置 3 1 系统总体结构设计 根据厂家的要求和目前生产线的具体情况，并结合目前先进配液系统的设 计方案，确定了以下总体设计思路。 1 配液控制系统总体上由流量比值控制系统、碱液槽液位控制系统和调整 槽浓度控制系统组成。 2 整个自动控制部分以p l c 为核心来实现，以变频器、电磁阀、离心泵为 执行机构，以电磁流量传感器、液位传感器和密度式浓度传感器为反馈装置， 触摸屏作为人机交互界面构成新配液控制系统。 3 一台上位计算机通过通讯网络与p l c 相连，用于生产线的监控和配液数 据的记录和处理。 新配液控制系统中的流量比值控制系统由淡浓碱槽、阀门、离心泵、交流 异步电动机、变频器、电磁流量计等组成，碱槽的液位控制系统由碱槽、压力 式液位传感器、液位控制器( p l c ) 、变频器、离心泵以及管路等组成，调整槽 的浓度控制系统由调整槽、密度式浓度传感器、p l c 等组成。淡碱与浓碱的流 量比值控制、液位和浓度由p l c 控制完成，系统通过控制淡碱和浓碱的流量比 来控制所得混合碱溶液的浓度，所有传感器信号输入到p l c 的a d 模块，由p l c 根据各种传感器的状态通过编制好的程序控制输出，采用p l c 输出的模拟信号 作为变频器控制端的输入信号，从而控制电机转速大小，并且向p l c 反馈自身 的工作状态信号，当故障发生时能够向p l c 发出报警信号。由于变频调速是通 过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速 到低速都可以保持有限的转差功率，因此具有高效率、高范围、高精度的调速 性能。 触摸屏作为人机操作界面与p l c 通过通讯接口相连，操作人员在触摸屏上 编制好的界面输入设定浓度、流量、比值等参数，设定的参数通过通讯电缆进 入p l c 作为系统工作的条件。在自动运行状态下，流量传感器和液位传感器将 检测信号传递给p l c ，p l c 对这些信号进行分析和处理，然后发出控制指令去 控制变频器输入信号大小，调节碱溶液流量大小和液位高度。同时将当前的运 行状态在触摸屏上显示。当然，还可以通过触摸屏上编制的开关和指示灯等进 行手动操作和监控系统的工作过程。 大津i ：业人学硕十学何论文 上位机和p l c 等通过r s 4 8 5 通讯方式相连。利用组念软件与p l c 进行通讯 联系，实时获取p l c 中的各种数据。在组态软件中编制的人机交互界面显示由 p l c 中得到的生产线工作情况、配液系统工作状况，储存配液历史数据、生产 线工作情况历史数据等。其总体框图见图3 - 1 。 3 2 系统硬件组成与选型 图3 - 1 控制系统结构图 根据用户要求，在满足工艺指标的前提下尽可能降低成本。为此，设计了 控制系统由o m r o n 公司生产的c j l 系列可编程控制器及其扩展模块、p w s 6 8 0 0 型触摸屏、i h f6 55 0 1 6 0 型氟塑料耐腐蚀泵、m m 4 3 0 型变频器、威尔泰公司的 x e 系列电磁流量计、压力式液位变送器和传感器、全浸浮子式密度传感器和带 阀位信号的电磁气动两位阀及其他周边元器件等组成。系统框图如图3 2 所示。 第三章系统总体结构设计和硬什配置 图3 - 2 控制系统框图 下面对各个主要模块的性能和特点分别进行分析介绍。 3 3 系统硬件性能和工作原理 3 3 1p l c 模块 在上述系统中，可编程逻辑控制器p l c 是设计的核心，是系统运转的主控 单元，p l c 的正确选择与使用直接关系到系统的功能和性能，我们选用了o m r o n c j l 系列的p l c 。 1 p l c 的基本结构 可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而 设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、 顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输 入输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备， 都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 可编程序控制器主要有c p u 模块、输入模块、输出模块、编程装置和电源 组成，其结构示意图如图3 - 3 所示吣3 。 大泮l ：业人学硕十学位论文 图3 - 3 可编程序控制器示意图 1 ) c p u 模块 在可编程序控制器控制系统中，c p u 模块不断地采集输入信号，执行用户 程序，刷新系统的输出，统一命令和协调整个p l c 控制系统的工作过程。c p u 模块工作电压一般是d c 5 v 。c p u 模块主要由微处理器( c p u 芯片) 和存储器组成。 2 ) i 0 模块 输入模块和输出模块简称i o 模块，是联系外部现场和c p u 模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号。数字量输入模块用来接收从按钮、选 择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的 数字量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器 提供的连续变化的模拟量电流电压信号。 输出模块用来发送输出信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、 电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来 控制调节阀、变频器等执行装置。 i o 模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。 3 ) 编程装置 编程装置是p l c 不可缺少的一部分，用来生成用户程序，并对