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菱镁板生产线测控系统设计 李洪星( 控制理论与控制工程) 指导教师：张朝晖( 教授) 耿艳峰( 副教授) 摘要 菱镁板是一种性能优良的建筑材料。传统的菱镁板生产主要是半手动、 半机械化方式，工人劳动强度大，污染大，生产效率低，且质量难以保证。 为此，本课题采用传感器、可编程控制器、控制电机、快开阀等测控 设备，设计了一种封闭式自动化生产流程。整个测控系统能够控制氧化镁、 卤水等菱镁板原料的输送，与母料的精确混配，以及搅拌和出料的自动化， 并能够在控制柜上显示现场各生产设备的工作状况。整个控制系统运行平 稳，基本实现了预定目标。 本文分析了菱镁板的生产工艺特点，介绍了部分测控设备的选型依据， 对粉末计量、配比、高粘度介质输送等技术关键进行了讨论，设计了批量 处理的流程，开发了梯形图控制软件，分析了测控系统调试中遇到的问题， 并有针对性的提出了部分改进建议。 该测控系统现已投入使用，成功应用于菱镁板的全自动化生产。为相 关建筑材料的全自动化生产系统设计进行了一次有益的尝试。 关键词建筑材料高粘度介质自动生产线计量搅拌p l c t h e d e s i g no fm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o l s y s t e mi n p r o d u c t i o nl i n eo ff 饧l l b o a r d s l i h o n g x i n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gz h a o - h u ia n da s s o c i a t ep r o f e s s o rg e n g y a n - f e n g a b s t r a c t t h ew a l l b o a r di sak i n do fe x c e l l e n tc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l t h et r a d i t i o n a l p r o d u c t i o nd e p e n d so i ls e m i m e c h a n i z a t i o n , i nw h i c hm a s s i v em a np o w e ri s n e e d e d ，w o r k e r sl a b o ri n t e n s i t yi sh i g h s e r i o u sp o l l u t i o ne x i s t s ，t h ee f f i c i e n c yi s l o w , a n dt h eq 1 1 a l i 谚i sd i f f i c u l tt 0g u a r a n t e e d t h e r e f o r e ，a na u t o m a t i cm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gp r o c e s sw i t hs e n s o r s p l c s ，c o n t r o lm o t o r s 。q u i c kv a l v e si na l le n c l o s u r eo p e r a t i o ni sd e v e l o p e d u n d e rt h e s y s t e m ，t h om a g n e s i aa n d t h es o l u t i o no fh a l o i da n dt h e s u p p l e m e n t a r ym a t e r i a l sc a nb et r a n s p o r t e d ，a l ls o r t so fm a t e r i a l sc a nb e m e a s u r e da c c u r a t e l y , t h em i x i n ga n ds t i r r i n ga r ec a r r i e da c c o r d i n gt os p e c i f i c l o g i c s t h ee q u i p m e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sa r es h o w e di nt h ec o n s o l e s t h e e n t i r ec o n t r o l s y s t e m m o v e m e n ti s s t e a d y ，b a s i c a l l y h a sa c h i e v e dt h e p r e d e t e r m i n e dt a 唱e t i nt h i s p a p e r , t h ep r o c e s sf e a t u r e s ，t h ed e t e r m i n a t i o no fm e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n gp a r a m e t e r s , a n dt h ea r r a n g e m e n t so fs y s t e mh a v eb e e ne l a b o r a t e d e s p e c i a l l y t h e t e c h n i q u e s o fp o w d e r m e t e r i n g ，m i x i n g ，v i s c o u s m e d i a t r a n s f e r r i n gh a v eb e e nd i s c u s s e d 。t h ec o n t r o ls c h e m eh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，a n d t h el a d d e rs o f t w a r e sh a sb e e nd e v e l o p e d f i n a l l y , s o m ep r o b l e m sm e ti nt h e c o m m i s s i o n i n gh a v eb e e na n a l y z e da n ds o m ea d v i c ew e r eb r o u g h tf o r w a r dt o i m p r o v eo nt h i sp r o b l e m s t h i so b s e r v a t i o na n dc o n t r o l s y s t e mh a sa l r e a d yb e e np u t i n t ou s e s u c c e s s f u l l yi nt h ee n t i r e l ya u t o m a t e dp r o d u c t i o no fw a l l b o a r d i ti sah e l p f u l a t t e m p tf o rt h ec o r r e l a t e db u i l d i n gm a t e r i a li nt h ed e s i g no f a ne n t i r ea u t o m a t e d p r o d u c t i o ns y s t e m k e y w o r d s c o n s t r u c t i o nm a t e r i a l s ，v i s c o u sm a t e r i a l ，a u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n e ， m e t e r i n g ，m i x i n g ，p l c 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 一| 年r 只1 7b f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：查! 茎堡加；年月l7 日 翮躲绍牛蒯年，月，7 日 中f f 订i 人学( 华东) 硕论文第1 窜前= 第1 章前言 1 1 课题的来源及研究意义 本研究课题泉源f 胜利行油管理局。目前国内菱镁板生产线原材料搅 拌大多数采用人工加科，机械搅拌，每次配料时，工人需称量各种原材料 的质譬，将这几种原料放入罐中搅拌，待其混合均匀后再送到菱镁扳生产 流水线卜成掣，工人的劳动强度大，效率低，且质肇不稳定；在原料的运 输和搅拌过程中不程度的存在粉尘污染，对职工健康造成不利。 本文的研究目的足在原料的运输、搅拌、放料环节实现全自动化，保 证箨种强材 配比的准确性，因此产品质垦得到了保证：在生产过程中工 人不接钍原材料，不会对职工的健康造成不利，符合环保要求；自动化生 广也极人的提高了生产效率，降低了工人的劳动强度，提高了企业的经济 效益。 1 2 菱镁板及其生产线简介 菱铰制品足由菱苦土( 一股用菱镁矿石在8 0 0 c 左右温度下煅烧所获 的轻烧、! 0 ) 和卤块( 圭要成份为g c l 2 ) 的水溶液拌合成型、养护硬化而成 的钱赝胶凝材料，又称氯氧镁水泥制品。它具有一系列的优良性能：凝结硬 化快、强度商、碱性弱、腐蚀性低、粘结力强、易与有机物结合，制成品保 温风热性能、“，加【性能都较好。因此，自1 8 6 7 年法国人s o r e l 发明该材料 以来，菱钱制品的应用越束越广泛，我国早在上世纪5 0 6 0 年代就将其应 用j 建筑抟仲、地板等方面。8 0 年代以后，使用范围进一步扩大到机械设 备的包装材料、波形瓦、门芯板、内墙装饰板、家俱饰面等方面。近年束， 由j ：j ( 优良的阻燃件，作为种良好的木材代用品，已开发出各种室内装 饰扳，f 0 受室内装饰材料r 场的青睐。 机蜮生产菱镁板材生产线有十几个工艺参数要控制，除了原材料质跫 中1 日i i 1 人中( 4 f4 、) 该卜论之第l 荤前言 指标、养护_ 1 ：艺外， 别要保h f 原材料的准确配比，只有这样爿能保证产 品质蟹的稳定。本支针对原材料的自动配料系统，通过p l c 控制，实现了原 材料的f j 础计带，a 动输送，自动搅拌，自动放料等过程，保证了配方要 求的准确性，节约了人力，届时也实现了环保要求，在建材行业的自动化 领域进行了f j 益的尝试。 图1 1 为菱镁板，产搅拌装置工艺流程简图。本装置搅拌系统的原材 科加入tr 以分为两韶分：一路是固体粉未，氧化镁由人工加到水，f 螺旋输 送机l 喂 ? 【 j ，水、严螺旋输送机l 旋转将氧化镁送至斗式提升机2 中， 斗式提升# l2 将氧化镁提升到料仓3 中，丌启螺旋下料器4 ，在振动嚣的配 合下，氧化铁进入到搅拌器5 中。一路是液体，图中6 为配好一定浓度的 l 、 夕7 j ， 1 0 1 ：螺毖砼送机2 ：斗式提升机3 ：辜 仓4 ：螺旋f 聿；器5 ：搅拌器 6 ：卤水i 岂 7 ：齿轮泉8 ：电磁流晕计9 ：快速切断阀 l o ：a 溶 液池l l ：a 计譬泵1 2 ：b 溶液池1 3 ：b 计舒泵 幽卜1 菱镁板t 产搅拌装置 艺流释图 战水，纶凶轮震7 增j 互后，流经快速切断阀9 及电磁流量汁8 ，与a 弓计譬 2 中f f i 恐人学( 华尔) 硕卜论文第1 酲前言 泵1 1 增压的自 溶液a 和b 弓计量泵1 3 增压的辅科溶液b 由混配头高速 喷出。：i 右在+ 搅拌器5 中强制混合，当四种物质达到各自所需的重量时， 停止茂轮泵7 、计泵1 i 、汁餐泵1 3 和下料器4 ，调节搅拌器5 电机频二莽， 在需要的转速下搅拌，以保证各种成分混合均匀，完成菱铁板原料的自动 配制过程。该原料绎过一定的熟化时间，由丝杠电机拖动打开搅拌器罐的 底盖，使母半| 沉到制作菱镁板的生产流水线上。 1 3 菱镁板生产线测控技术现状 侄菱镁1 = 业中，要提高产品质鼍，节约能源，改善工作环境，提高工 作放辛，提高自动化控制水、严，主要涉及到以下芒要技术环节： l 、原料的输送及加料。 本行业所涉及的固体原料属f 粉尘状态，这种粉状物料具有细度高、 容最小、易扬尘。并且随着温度、砸力和充气状态的不同变化较大，从i 面 给计譬和定鼙给抖带来较大困难，若吸入对人体造成一定伤害，必须想办 法减少传播途径，并将整个输送环节封闭。液体原料为一定浓度的卤水， 使月前，蕾将固体岗片弓水搅拌均匀，片达到规定的浓度值。 医内传统做法由机械或人工将成袋的氧化镁运到搅拌平台，然后人工 加入搅拌罐。聪外一般采用全封闭输送方式，自动控制机械加料方式，减 少污染。 2 、原料的计鞋。 为保汁产品质甚，必须要求氧化镁与卤水的准确配比，既准确计量备 自的目爷。入罐科粉的计鼍、定量给料，足保证质黾的关键因索之一，l q 此，这一课题的研究对生产有藿要的指导意义。 瞳内传统做法以成袋的氧化镁倒入搅拌罐，首先保证氧化镁的蹙，然 后使用泵扯的卤水由阀门人工控制，根掘搅拌的状态，依据经验判断卤水 中啁f ；人中( 。# 尔) 颀 论文第l 章 j 言 的用亘 ，雁以仪证准确配比。酲外方法如下：1 ) 、对f 液体采用流量计计 肇，旧环挖走j 。实现准确计翟；2 ) 、在固体粉未计最方面，采用较先进的 容器电f f 和夫蕾t 给料秤，计晕精度一般为0 矾o 1 。瑞士丌创一哈 斯动公t 】玎发了用f 粉拳 计窀的f l o w r i t 6 0 数字式流量计，敌料在重力f 流 入装有高精度称蕾传感器( s f t ) 的上部斜置测量通道，并破测量出对斜置通 逍的舌直力斥：。散料随后沆入+ f 部的垂直测鐾通道( 装有第二只s f r 称蘑传 感器) ，5 j 帑j 计算杨料产，t 的力( 代表物料速度) 。这两个传感嚣的信 弓迸入拧蠢：器。拧捌嚣杵重量( 瓦) 和速度( 屏) 两种测量力与几何参数( 通 道长度和斜度) i 纪合，得出精确的物料流量。 3 、原 袖q 搅抖。 为保汗各种原材科混合均匀，必须采用合适的搅拌方式、加料方式、 搅拌时m 嚣备释鬟拌参效。 i q 内一+ 股最用岗轮，齿圈传动，整个滚筒围绕倾斜轴线旋转，物料搅 拌较为均匀，且便f 物半 的加入与成品料的放料，缺点是搅拌罐不密封， 在搅拉土上枵中，会扬起粉尘，污染环境，对工人健康不利。困外的搅拌方 式与i q 内琅4 。参小多，仉在物车 的加入顺序上、搅拌时日j 的选择上有自己 的经验，n 墼个过程为仝封闭状念。 4 、成品芈 的轮送。 i i jj - 成品 ；的搅拌为集中搅拌方式，但现场有许多需要成品料的使用 点，所以成d 的：f ：送疗式也足必须考虑的重要问题。国内一般采用人工 提料的输送方式，虽然解决了成品辛 l 由了：秸度大难以实现自动输送的f u j 题， 但足1 ：人劳动强度丈。n 外采用泵用的方式，由f 成品料粘度大，易阻泵 且难i 。、沈，使用效果不很理想，后改进容积泵送，分段执行，效果有所改 进。 4 中e f 池人学( 乍尔) 硕卜论文第l 哿前苫 把了解，9 0 年代中期，菱镁建材制品盛行时，为提高菱镁制品制造的 自砒化水、f ，哈工大f j 动化系曾给耨加坡一家公司设计制造了三台全自动 设备，包括原料的加料、搅拌、运输到生产线，淋料，滚压成型等一系列 工序全涩实现了自动化，耗资1 0 0 力荚元，实践证明，由于此种混合成型 的母科的社度很犬，在母科的运输环节及淋料系统出现了一定的问题。 本删控系统融合嘲内与蹦外较为先进的方式及经验，在原料的运输、 混g ：、放 环节实现了全自动化，整个环节封闭控制。既节约了大景资会， 又提高了广 质肇，改善了工作环境。 1 4 菱镁板生产线测控系统设计 参见图卜l 菱镁板生产搅拌装置工艺流程图，整个生产线可以分成四 部分： l 、溶液配制：该系统由和卤水池6 、搅拌器、进水阀门及管线组成。 根据盐水罐的体积，准确计算卤片的质罨和加入水的体积，经搅拌器充分 搅 ，达到所需的溶液浓度。考虑到生产的实际情况，没有必要将此环节 纳入整个# ! ! 控系统。盐溶液配制系统采用手动操作。设计一台控制柜，完 成两台搅 # 器的启停。 2 、氧化镁原料的称琏和输送：氧化镁由人工加到料斗中，经螺键输 送扭l 送至? i 式提升机2 中，斗式提升机2 将氧化镁带入料仓3 中，丌f ； 螺如f i 器4 ，在振动器的配合f 。氧化镁进入到搅拌罐5 中原料输送系统 由科 、输送带、斗式提升机以及除尘器构成。输送器、斗式提升机、除 仑器= 行之问保持联锁关系，以防设备空运转。i e 常生产过程中，测控系 统一f l 枪z ：拯j 氧化镁原料仓内料空时，马上发出声光报警，提示工作人员 丌始拓 。轮送符运转后启动斗式提升机和除尘器。氧化镁原料仓满时， 立刻f 争j f i 输送带和斗式提升机，延时一段时h j 后关闭除尘器。氧化镁树位 v p n 4 , ；：n 人7 ( f 自、) 饭卜论文第l 荤前言 j f 常的t 膏况下，母料：忿配系统按没定的流程工作：定量的氧化镁、定量的a 料溶液、定量的b 1 溶液在p l c 控制器的控制f 按照一定的p l c 程序自动 有序的挡z ：现比的符个配科设备的运i j ：，从而实现原料的自动配制。通过 p l c ，l ， ：化饯 金惩位时键求搽作人员及时加料，氧化镁料仓高位时停 止送料装胃的远行。 3 ，母 l i 昆魁系统：该系统是整个生产线的核心部分，它包括氧化镁原 料仓、卜 器、混冠头、母料罐、搅拌机、出料装簧以及振动器。 4 、菱 l 钣t j 造系统：混配均匀的母料在机械设备上滚压成型。根掘，l 三 产r 的实际t 况，菱埙扳的制作采用半自动的控制方，弋来完成，产任务。 原 于f 铃送、碌碴系统和母 混配系统足本文所要阐述的测控系统， 该测控系统所夏完j j 芟的控制目标足实现氧化镁，卤水、辅料的输送和母料 混配过程的f i 动控制。该，l 广线测控系统能够对现场的各个生产设备的工 作情况上芏f j h ：l 拧，仃配电柜上- r 以显示各个设各的工作情况。当生产设备 发! e 故障时。能够艰掘故障t 卉况作出响应处理，如氧化镁料仓低位、下料 器变：j 嚣、a 溶液袋、b 溶液泵、搅拌机变频器、电动阀、出料装置电机发 生故静时，应该及：f j 停配辛 系统的子个设备，通过控制柜的面板指示灯缸 示响应的战障状念，时蜂口q2 发出报警，提示操作人员发生故障。当故 障消欠时，指示灯停止闪烁，配丰 系统重新自动正常工作。当除尘器、输 送器、提升卡1 发生故障时，配 i 系统j f 常工作，输送系统根据故障做出响 应处理。 1 5 本文主要工作 本文较为i f 维地介绍了整个系统的没汁、开发与调试投运等过程。其 中：第一尊介绍了菱镁扳，产工艺及上要设备，第二章对测控系统进行了 设计，第二亭叙述了对叮编程控制器的软件丌发，第四章介绍了自动测控 6 中臼l i 油人中( 乍尔) 硕卜论文第1 奄前言 系统的调试、投运过程，第五肇对全文作了总结。 7 中【日l - 泣人( f 尔) 姣卜论文第2 直测控系统设计 第2 章测控系统设计 2 1 设计内容综述 2 1 1 主要测控参数 t ：t 广过秤i f j ，为保证获f 商精度的母料，在枯水输送管线上采用1 1 靠的电磁赢键i f 和乜磁翊，通过p l c 构成闭环调节系统，保证供水精度在 1 以内。f 归r 采用精确f 科器，辅以变频控制器，实现给科的无级调速。 为保证氢化镁原料的有效供给，在料仓上设计了高低极限料位和振动器； 为防止： 装胃的电机正常工作，设计了光电接近歼关束限位。 # j 拄系统l ：爱采集4 个参数，其一为水的累计流量，通过精确计黾的 流鼍汁芷 ij # _ ! f ；其二为氧化镁酉露的测控，通过带有无级变速的f 料器 束计气：，j l 体做法足测蟹在几个同定频率每分钟的f 料餐，计算下料器每 小时的卜 i ，算出在水流毒i 累计黾昕需时m 的下料器的频率。其三为溶 液a 、b 的譬，分别通过两个计硅泵宋测量。 2 1 2 控制系统功能 l 、丁f i 动切换l 力能 j l ：专i ：f 1 f 。拧韦j l i 应跫“自动”位，通过可编程控制器( p l c ) 内t w 的程序，雄 ：i i 魁系统自动仃厂的迸行工作。而氧化镁送科系统因其使用 次数较少，对萸逆行、# f i 动操作。母料混配系统对现场定下料接近丌关、 右下 拔近丌父、流谴汁累计沆最、面板上开关位置进行采集束控制f 料 器电机、i 乜朗矧，a 计”t t l 泵、b 计琏泵、母料罐搅拌机、尼丝杠电机、右丝 杠电机、a 、b 扳础嚣的运行。谯送孝 系统中，对上f 村位计进行采定，通 过垛f 1 【f 【i 皈指1 ：灯的提j ：操作人1 5 ! 启动输送系统进行加料。 2 、j 【| ：= 序控引 本系统属r 批量控制、问歇式运行，特别适合采用可编程控制器( p l c ) 8 中目f i 油人学( 华尔) 硕卜论文第2 章测控系统设计 束控制7 产沆秤。控制单元采用松下町编程控制器f p o ，f p o 可话性岛，编 程指令# 富，足本系统的核心，接收从现场一次仪表及传感器送来的信弓， 经过处理，然后向各执行l r 【构发送控制命令，并对各种故障信号做出反应， 完成穆个系统沉程的顺序动作。 2 2 测控仪表及设备的选择与设计 该07 j 控系统昕要完成的控制目标是实现氧化镁、卤水、辅料的输送和 母料混配过柙的自动控制。後，产线测控系统能够对现场的各个! 产设备 的：i ：作t 况i 笠行监控，任配电韩乏上可以显示各个设备的工作情况。本控制 系统大多采闫逻辑丌关量控制，因此选择了p l c 作为控制器。将控制单元、 输入输出模块及操作按钮等设备装在控制柜，通过工控机编程，并将程序 通过r s 2 3 2 接 1 传输至控制器，现场设备差要有：1 、计黾泵和流量汁，分 别汁每不同液体的流量；2 、搅拌机、精确下料器、输送器，除尘器、提升 机、振动器等执行电机；3 、半l 位计，分别控制固体与液体的上、下限位。 2 2 1 最：控仪表的选择与设计 卤，k 的计鼋是本系统的关键，所以在测控仪表的选择与设计中重点进 行介绍，根据被测介质的特性，可供本系统选择的流量计有：容积式篪餐 计、质蛩式沉最计和速度式流最计等。“2 ” l 、容积式流肇计 存积式流肇汁又称定排肇流鞋计( p o s i t i v ed i s p l a c e m e n t f l o w m e t e r ) ，筒称p d 流量计或p d f ，在流量仪表中是精度最高的一类。它 利月饥械嬲爷元件把流体连续不断地分割成单个己知的体积部分，恨掘汁 毽窀逐次、曩复碴充满和排放该体积部分流体的次数束测量流量体积总量。 p d 流硪汁一一般不具有时m 毪准，为得到瞬时流量值需要另外附加测量时h j 的装嚣。常用的容积式流量计有椭圆齿轮式流量计和腰轮式流量计。 容积j 流鞋计计量精度高，荩本误差一般为上0 5 ，特殊的可达上0 2 9 中【l 1 4 , ； 、尹( 。# 尔砭 论文第2 争洲控系统设汁 或更商，通常f 1 d 贯介质或需委精确计龟的场合使用：在旋转流和管道阻 流件流速场畸受时对计黾精确度没有影响，没有前蔑直管段要求，这l 点 在现场使用中仃币耍的意义；叮用f 高粘度流体的测肇；直读式仪表，庀 需外部能源，c j 良接获得累计总畦，清晰明了，操作简便。 、 f h 容积j 浼畦汁也具有其f j 身的弱点，结构复杂、体积大、笨重、尤 其较大【】i 2 容移：式魔鬣计体积庞大，故一般只适用f 中小口径。由f 容积 式流量汁价格较贵，n 本系统要求精度不足很高，故不选用容积式流量计。 2 、质譬，汽 t i 计 以赝 0 为壮础的工业测铤( 如配比混合、分批1 日j 歇生产、流程连续，l 产) ，以质f ，l 结l 的贸易和分配汁谴，过去不得己采用体积流量辅以密度换 算来安j 见，随酋质坌沉黾仪表进入工业实月阶段，石油、化工、食品、能 源等“门纷纷以质晕沉晕仪表替代，以提高生产效率和经济效益。目i i ， 质基派f t 5 j 鞋方法以分两大类：一是质量流量日】接式测量方法，即同时测 晷流体的体积矗鐾和密度值，再计算得到流体质醢，或足刚时测量流体的 体积沉j 和泓囊、压力伍，饪用沆体密度与温变、压力之日j 的关系，计算 出流体顶 l i ；：足页? t i 流醴直接式测量方法，流体测量直接反映质黾流譬 值，j 。气 0 的，r 没、九：力和盂度等参数的变化无关。 现以：较多f f ，j 疋a 接式质量流最计， 哩奥利质疑流量计c w ( c o r i o l is m a s sf 1 0 n r c e t e r ) 是其中发眨最为迅速、用途广泛的一类。科咀奥利质爱 流鼍汁足f j j q 流体在直线运髓的fj 时处于旋转系中，产生与质黾流量成正 比的 哎利力琢理副啦的一种直接测锓质鞋流鼍的仪表。它有很多优点： 直接a j j 腹 ，：流t 彳很高的i 最精确度；可以测量的流体范围广泛，包 括高特腹的箨种液体、含有固体物的浆液、有足够密度的中高压气体；测 最管的扳；_ 小，町观作： 活动部件，测量管内无阻碍件或活动件，便f 漓 沈；对迎泷流速分白不敏感，四而无上f 游直管段要求；流最测量值对流 1 0 中r j f i 汁人中( 华尔) 硕卜论文第2 章测控系统设计 体粘度不敏感，流体密度对流键测量值的影响极微：可作多参数测黾，测 晕_ f ! ：i 譬泷譬的6 d 时町测黾流体密度，并由此派生出测量溶液中溶质所含的 浓度。 但足科甲煲利质星流量计也有不少的缺点：压力损失较大，与客积式 仪农相_ ，彳止j 型号c w 甚至比容积式仪表大，不能用f 大管径测量。目 前尚局限r1 5 0 ( 2 0 0 ) 哪以下，不能用于测鼍低密度介质如低压气体，因 为低压e 作管度值低，质鹭流鼍很小，不能达到产，l 三足够町检测的科哏奥 利力：液体【 j 含气晕超过某一界限会显著影响测量值；对外界振动千扰较 敏感，力防l 卜管道振动影响，相当一部分型号科咀奥利质量流量计的流琏 传感器，交装要求较高；大部分型号科哩奥利质肇流量计的重量和体积较大， 价格昂贵。由f 价格较贵，故本系统不选用。 3 、速度式流量计 速度式流晕测晕方法以直接测量管道内的流体速度作为流量测鼍的依 据。 于二速度式测黾方法是通过测量流体流速而测得体积流每的，因此了 解被测。气体的速度分布及其对测黾的影响十分霞要。常用的速度式流草计 有差瓜式、涡轮式、电磁式、超声波式和振动式等。由f 电磁流量计价格 便宜，精度适中，且本系统介质旱碱性，特别适用了：电磁流鼍计的精确计 襞。 电磁沉牮计之所以能在较短的时间内得到较快的发展，主要是因为它 有以卜优点：| 4 l ( 1 ) 传感嚣结构简单叮霏，没有可动部分，也没有阻碍被测介质流动 的竹流器件，不会发，e 阻塞问题。 ( 2 ) 山f 没有节流部件，被测介质在传感器的测量管内流过时几乎没 有压力损丈，仪有可忽略不计的沿程阻力。 ( 3 ) 电磁漉量计，不仅可测量单相导电性液体流量，也可测量液赋两 中闷f 油人学( t f 自、) 硪卜论文第2 章测控系统设计 相介质流氍，ll 不受破21 i 介质的温度、粘度、密度、压力、比重等物理参 数变化的影n l j 。 ( 4 ) f 皂琵圭汽牮计鼠程= 圈板宽，而且可任意改变量程。 ( 5 ) f 乜贬y i 肇计无机械顼性，反应灵敏。可以测量瞬时脉动流量，而 且线性好，i r 桁0 ：1 置信号直接用转换器线性地转换成标准信号输出。 ( 6 ) 时瞄蚀件能好。 ( 7 ) 宜装、傻j 3 维护方便，使用寿命较长。 根捌装胃的】：艺t 况及卤水的化学性质，选用了上海光华爱尔荚特 公；d7 l 广的i t 9 0 0 f 电融流量计，它足由m 9 5 0 系列传感器和t g o o f 转换器 组成的电磁漉f i 计。它的e 委特点足采用聚四氟乙烯衬甓、钛材料电极， 以及抗环境腐蚀，j ；仃狰电粉未涂层的铝质型外壳。并且能( 1 ) 用于精确测 肇电吁字久r2 0 us e r a 的液体体积沉量。( 2 ) 它的成套系统测鼍误差小f 满量稷的0 。j ，瑰：童的；赡壁范围庄0 ，5 l o m s 之问，u 以用数字拔盘弱 整设定漉i 墨值。( 3 ) 传感器安装香：管道上，而信号转换器足与传感器分斤安 装的。( 4 ) t 9 0 0 f 转换嚣供给传感器励磁线圈为咏动的直流电流，_ 日r 不进行 零点洲哆，片把电搬上：的惑心电势转换成所需受的输出信吁。测黾准确度 商。 本：气l i ；f 用r 捡洲管线中卤水溶液的流绩，并把数掘传给自动控制系 统p i ，c 。w 街水的崮度一定，涩配罐每配i 罐原 1 所需卤水的体积根掘 v = m p 一：i 求出。流f t 计将流量转换为电流值，p l c 每隔1 秒将这个电流值通 过a d 甲尢 换为数值。在p l c 内部对每次采集的数值进行累加，当其剑 一定值日i 拧老j 高轮泵的停止。冈a d 荦冗的模拟硅输入为o 2 0 m a ，选流藿 计为4 2 0 n a 。流睦毒程为0 l o 疔- 时。 2 2 2 测控设备的选择与设计 ：委的0 j 挖改备包括：计譬 仓、精确下科器、计量泵等。下面分别 1 2 中门r i 油人学( 华尔) 硕卜论文第2 章测控系统设计 f 以简要介绍。 l 、t l 牮 仓 计毓 仓足作用足存储料粉，在料仓低位时自动加料，在料仓高位时 自动停止0 ： 。计母料仓的设计，除应满足工艺和结构要求外，尚须注意 以下几点： ( 1 ) 料仓的容骚在满足工艺过程流鼍要求的条件下，以尽量小一些为 好。以保k e 物料有良好的流动性。 ( 2 ) 保i e 仑内物料稳定畅通的流入螺旋下料器最为关键。在i f 常工作 条件卜不能堵 彤仓，为此供科仓锥体部分，尽睦采用较小的锥度足必要 的，锥体母线与水甲面必角在6 j 度左右最为合适。并且，设置空气松动物 料系统和仓内加装特殊材料衬板，减小与物料间的摩擦阻力，保证物料连 续畅通的下卡 。 ( 3 ) 为傈砭料仓工作安全和系统连锁自动控制要求，根据具体工作条 件和使用婪求，处设嚣料位、防爆等测控装置和连锁控制装置。 料仓采用筒形瞬锥结构，集1 二粉储存、计龟为一体，结构紧凑，额定 储料鼍为l o 吨，每1 6 小时加粉一次，f 粉由人工直接倒入料斗，经输送 装贸将氧化镁丁粉提升至料仓，高、低料位由射频电容式物位限位开关控 制。当传感器安装f 料仓上时，探极和仓肇相当f 电容器的两个极板，由 于被抛物质的介电常数与空气不同，所以仓内物位发生变化时引起探极对 仓肇州的电容最发! l 变化，：该电容量大f 用户的设定值时，限位丌关内 的络f 乜嚣础作，输出一个开天髓达到控制( 或报警) 的目的。 2 、精确下科器0 1 粉状物料的计餐和定量给料选用螺旋输送机给料，利用变频器控制， 实现精确给料和输送，下料器的任务是根据搅拌罐的干粉需要屡。将于粉 均勺地送入搅拌罐。采用的给粉机是螺旋输送机，其原理是电动机经减速 中【日1 0 b 人中( t f 女、) 颤卜论文第2 蕈测控系统设计 器带动螺锰作转动，f 扮在螺旋体的带动下进入搅拌罐。特点足供粉均匀， 不易发乍 + 粉f i 沈，并保证了粉仓的密封性。供粉譬通过调节转速进行控 制，螺旋：送机的转速范围一段为1 2 0 1 2 0 0 转分尼右。 ( 1 ) 卜 嚣 粉沉量转速特性曲线 从理论上分析，给粉畦转速关系为线性，如图2 1 所示l 。给粉机流 蘑转速安洲曲线妇图2 1 所示2 。当螺旋输送机转速小于9 0 0 r m i n 时，给 粉机沉f t 线性增k ，转速大于9 0 0 r m i n 左右时流量不再增加，所以螺旋 输送机仃效 造范：翻实际足1 2 0 9 0 0 r m i n 。 t m 2 0 ， 2 、 | ， 。 一， r 2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0r r a i n 图2 - 1汽嚣一转速理论，实测特性曲线 ( 2 ) 叶轮给粉札负载特性曲线 通过对现场绘扮机实测，由r 在转速小f3 0 0 r m i n 及以下时，螺旋输 送系统f ： 不稳定，数抓变化很大，所测数据误笨大，所测数据己不能真实 反映螺疑 0 送机的特性，冈此测鞋数据从3 0 0 d m i n 开始，数掘如表2 - l ： 1 4 中a f 矗勺人中( # 尔) 硕卜论文第2 章测控系统设计 衷2 - 1r 科器转速与电机电流钓芙系 f 器转速 3 0 0 4 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 9 0 0 ( r i n ) 电机l 色泷 2 5 62 6 12 7 02 8 23 0 03 2 5 3 5 8 ( a ) 电机输出轴功率巴： 尸2 = 滑z ：电机轴功幸输出转铎i 的关系为： 只：堕 8 5 5 5 式中：p 2 一电机轴功率； ，8 5 5 5 r 1 = 一 p 。电t l 额定功率； ，一电机实测电流； ，。一电机空载电流； ，。一电机额定电流； 胛l 一给粉机转速； r 一滑篾电机输出转矩( 包括损耗转矩) 。 由，2 - 2 和2 3 计算得出各转速下的转矩如表2 2 所示。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 羼 中旧i ； 如人7 ( f j 、) 碾t - 论文第2 节a 1 0 控系统设汁 表2 - 2 转速与转砸的戈系 转造 3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 8 0 0 9 0 0 ( r m i n ) 转矩【、，m ) 7 2 88 1 48 8 69 4 s1 0 2 9“2 81 2 3 7 罔2 2 为实测数掘绘出曲线，在低转速时测鼍误蔗较大，所测数据很不 稳定，瞄中危线沛分恨掘曲线的变化趋势得出的。从图2 2 中町以看出， 螺旋输送札的负载 性壁平方串负载特性，但损耗转矩较大，负载转矩虽 呈平方 斟j 怙，转，随转速的= 乏化范固不大，劂此又具有恒转矩特性，所 以选抒e t t ：, - 饮捉l ：转矩持性泉选择变频器。 ( r a i n ) - ，| f ， 7891 01 11 2 t ( n 咖0 煳2 - 2f 料器负载特性 ( 3 ) 变频嚣的选只j f if m 比较向。j 1 。i g b t 的丌关速度低于功率m o s f e t ，印明显高于g t r ； i g b t 的迂卷j f 降6 dg t r 相近，但【匕功率m o s f e t 低得多：i g b t 的电流、电 压等级jg t r 于呈近，l 面比功棼、! o s f e t 高。目前，其研制水平已达4 5 0 0 v 1 1 6 虬 蝴 撇 啪 伽 枷 瑚 瑚 啪 中e j f i 油人甲( 华尔) 硕卜论文第2 章测控系统设计 0 0 0 。由于i g b t ；有上述特点，在中等功率容鼍( 6 0 0 v 以上) 的u p s 、丌关 电源及交汽电机控制用p w m 逆交器中，i g b t 已逐步替代g t r 成为核心元件。 中小犁交步r 嚣中，采用i g b t 元件的s p w m 的电压型变频器的技术已i f 常 成熟，并儿种炎多样，选择范围大，百r 靠性高，所以应首先选用此类变频 器。从下料器负载特性分忻i r 以看出，在设计中可按恒转矩负载进行考虑， 变频器控制方式采用v ，f 方式即可满足要求。 变频器的容母确定： 变频器容醢与电机容晕的匹配原则是，壹= ( 1 1 1 2 ) i 电机，电机的额定 电沉i n = 5 a ，取i = 1 1 i n 2 5 5 a p 蹙2 4 3 u t c o s o = 1 7 3 2 x3 8 0 5 5 0 8 2 = 2 9 7 k w 变频器的容黾l r 选为3 k w 。 变频器的过电流保护功能盯有效防止异物卡死给粉机时拖动电机的烧 损，跳辩后j f 发出报警，及时处理。 除以j ：保护外，还应具有过电流保护、过电压保护、欠电压保护、缺 相保护、过热保护、过电流、瞬时断电故障保护、输出端子短路保护、控 制信号断线保护等保护功能和最低限速功能。 根据以上：分折，最终选定三菱变频器氆号为：f r - e 5 4 0 3 7 k c h 。 3 、汁昂泵 ( 1 ) 计谴泵现状 j 前日外计量泵的种类包括电磁驱动式计鼍泵、机械驱动式隔膜计是 泵、液压驱动式蕊摸计量泵和机械驱动式拄塞计量泵。“” 电磁驰动计最泵由信号发! l 三器、电磁驱动装黄和泵头组成。电磁驱动 1 7 中n 4 , 池人。( 二j 、) 顶卜论文第2 摩测控系统设汁 装瓮足整台设备的恢心。它根据输入信弓的变化产尘变化的电磁引力，保 持驱动机翰的f 【线，l 复运动。此类泵的功率较低，故流量、压力范围较小。 所迂j ：j j 【i l ：要为纯净饮用水处理、废水处理、游冰池水处理，楼字冷却 系统循环水处群以及小掣锅炉循环水系统处理等。 机娥韬动； 摸汁键泵由饥械驱动装置和泵头组成。模块化的设计确保 适用f 4 q ，j 场合。机械躯动蕊膜计繁泵的特定机构决定了此类泵的规格参 数处于中等五【 ，适用f 市政水处理、废水处理、工业水处理及树脂再7 水处理苫。 液腹癸动： 谟计量泵由机械驱动装置、液压传动系统和泵头组成。液 压传动系统的引入，使计最泵能够应用于高压定量投加系统。产品的规格 参数粳羞乜口4 广，适用f f f 政水处理、废水处理、工业水处理、树脂再7 卜 水处理、i 乜站锚炉炉内循环水处理、石化及化工工艺反应过程、油田输油 管线处理及油片内加：e 等。 机 蛰础f i 摩i t 镀泉足较t 使用的计蹙泵之一，由f 存在物料泄漏， 所以亿人彩数f 二馕j 场合枝摩计l 泵己逐渐被隔摸计甓泵所取代。但杜塞计 链泵易j 络护的特性和让特的高k 性能，使其仍有一定的应用r 行场。 日内；f 琏泵兰要行液压驱动翔膜计量泵和机械驱动柱露计键泵。其中， 液压b 】骥 f 醢泉的褐摸材质要求比较岛，匿内同类村质在使用温度、强度、 抗疲劳、抗扭曲及抗龋变方匠的性能不能完全满足计鼍泵的使用要求，所 以，| i 产汲k & i 砹 f 譬泵在各种场合特别足商温、商压操作条件下的应用 较少。 j ：石化、化工行业，原油，f 采和天然气田的应用场合要求较 低，所以大醴的n 产f e 塞计醢泵铍用f 片内加注，其虽然存在一些物；f - ： 泄 漏，但足对泊气田环境不会产生危险性后果。 ( 2 ) 汁毓泵的控老j 计f ， 采的弛功装黄为直流电机，其控制见图2 3 所示。图2 3 中，直流 中i i - , f 融人中( 华尔) 硕十论文第2 章测控系统设计 电机采用的足双闭环控制回路，中控给定电庄信号m y 转化成电流信呼， 经过迷度调节嚣和电流调| i 了器的调节，产生了触发脉冲，使可控硅产生导 通角，从而给定t 乜机m 1 到通电压，使电机m 1 转动。电机m 1 的平衡可以 通过电沉比较环和转速比较环来实现。当电机m 1 的输出与中控给定 不杷? ：时，一方面电流信号通过回路反馈回去，与中控给定电流信弓反 复比较，从向使之达到f 衡，另一方面通过测速电机m 2 测出m i 的转速， 转速信e ，通过b c 路反馈回去与中控信弓比较，使之达到平衡，采用这种 控制的优点足犄度高、反应时日j 快，当泵的负载突然增加时，能在很幻的 时n c 内使之f 衡，以满足计鼍泵精确计量的需要。 图2 - 3 电机控制图 4 、混配器 混配器累月日莳较成熟的喷射技术，由数个喷嘴将水呈扇面状喷射， 在汜配罩内形成负压，提供钒化镁干粉下粉的辅助动力，增大氧化镁f 粉 与水的接姓面积，同时高速水流还能提供足够的能量打破干粉分子h j 的结 合力，利| f 粉与水的混合。 5 、搅拌装置设汁与控制 搅拌作为一种单元操作，涉及流体力学、传热、传质及化学反应等多 领域知i ，足一个相当复杂的操作过程。搅拌以使搅拌介质的各部分接近 9 中陶f - 沌人7 ( 。# 4 、) 颐 论芏第2 章测控系统设汁 均质为| i 的，操作过程中会受到许多因素的影响。但无论搅拌过程如何复 杂多变，允一4 ：足：丘过搅拌器或嚣其他f 段，使搅拌设备内的流体产7 e 适 当的淀动状态，并矗 定的流动状叁中达到各种所；蔷的搅拌目的。流动场 问题私搅抖能f i 目滢一直足搅 过程所研究的主要课题。不同操作目的的 搅拌过程需要f ：的流动场、需要供给能量的多少也不同。按照搅拌介质 的相念，搅拌过程町以分为均相系和非均相系两大类。前者为互溶液体的 搅拌，后行包托不瓦溶液体的搅拌、气一液相的搅拌和同一液相的搅拌。 当搅拌介压猫发