双盘冷却器喷水冷却控制系统.doc

上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪 论双盘冷却器喷水冷却控制系统的研究及应用第一章 绪 论在各种化学粘结砂蓬勃发展的今天，粘土湿型砂铸造工艺因其成本低、效率高，目前在造型工艺中仍占有重要地位01。目前，美国钢铁铸件中，用粘土湿型砂制造的占80%以上；日本钢铁铸件中，用粘土湿型砂制造的占73%以上。各种新工艺的实施，使粘土湿型砂在铸造生产中的地位更加重要，也使粘土湿型砂面临许多新的问题。热砂问题、膨润土的恢复塑性问题尤为突出。而最好的解决途径是通过双盘冷却器的搅拌、喷水、鼓风冷却。1.1 课题背景无锡一汽铸造有限公司是一汽集团卡车发动机铸件在华东地区的重要生产基地，主要生产气缸体、气缸盖等技术含量较高的铸件。铸造生产工艺采用粘土湿型砂作为造型材料，运用了世界上先进的“气流预紧实压实”的静压造型技术，冲天炉、电炉的双联熔炼可以生产包括灰铁、球铁、蠕铁等各种牌号的铸件，年产合格铸件5万吨。1.1.1 砂处理工艺流程在所有的生产工艺流程中，粘土湿型砂处理系统是最初的环节，也是最为重要的环节之一，其中包括了回用砂的回用处理、新砂及辅助材料的加入、型砂的混制和型砂性能的监控等。在实际系统中采用SIMPSON双盘冷却器对从静压造型线来的热回用砂进行加水冷却，冷却后的回用砂随后中转到贮砂料仓备用，最后和需补加的新砂、膨润土、煤粉等附加料一起加入混砂机进行型砂的混制。砂处理工艺流程如图1-1所示。图1-1 砂处理系统工艺流程图Fig.1-1 process flow diagram of sand system1.1.2 粘土湿型砂回用砂的控制要点配制粘土湿型砂时，回用砂用量一般都在90%以上，如果对回用砂的处理不当，无论怎样加强混砂，无论添加什么辅助材料，都不能得到好的型砂02 03。所以，对回用砂进行有效的处理，是保证型砂质量的前提。一、回用砂温度的控制热砂问题是粘土湿型砂铸造必须面对的关键问题。型砂温度太高，铸件容易产生夹砂、表面粗糙、冲砂、气孔等铸造缺陷03。热砂对铸件质量的负面影响，主要由于以下几个方面：（1）由于热砂使水分蒸发，混砂时进入的回用砂水分波动很大，混砂机添加水分的计算很大程度受上一批料的影响，因此将难以控制型砂的性能；（2）将热型砂送往造型机的过程中，由于水份损失，型砂性能改变，造型时实际上用的型砂，其性能与混砂时控制的性能差别很大；（3）造型时，热型砂的水分容易在铸模表面上凝结，型砂粘模，虽然造型主机自动喷洒脱模剂，但还是经常要人工清理，影响生产节拍；（4）合型后，热砂的水分蒸发，凝结在冷的芯子上，会使芯子的强度降低，铸件也易于产生气孔等铸造缺陷；（5）回用砂贮存在砂斗中备用，热砂容易粘附在砂斗壁上，即使使用旋转料仓仍然解决不了搁料问题，使系统中的型砂只有一部分循环使用，导致这部分型砂周转快、温度又会进一步提高，使热砂问题更为严重。二、回用砂水分的控制进入混砂的回用砂水分太低，对混砂质量的影响可能并不亚于砂温过高。铸型浇注以后，由于热金属的影响，很多砂粒表面上的土-水粘结膜都脱水干燥了，加水使其吸水恢复塑性是很不容易的。回用砂的水分越低，混成砂的综合质量就越差。因此进入混砂机的回用砂，水分只能比混成砂略低一点。所以双盘冷却器除了实现降低热砂温度以外，更为重要的是保证回用砂一定的含水百分比。这样，从砂冷却到进入混砂机还有一段相当长的时间，水可以充分润湿回用砂砂粒表面上的膨润土。型砂中的膨润土和水在混砂机进一步得到调制，型砂的性能就更为稳定一致。1.1.3 双盘冷却器原喷水冷却控制系统存在的问题无锡一汽铸造有限公司在一期改造中引进了美国SIMPSON公司制造的MC-150型双盘冷却器，其喷水冷却控制系统主要由工业控制计算机、检测模块、加水机构三大部分组成，而PLC系统主要控制鼓风、搅拌、卸砂等机械运行系统。采用高精度测湿传感器来采集实时湿度，采用J型热电偶检测实时温度，单片机根据实时湿度和温度来控制喷水量，通过控制粗、中、细加水电磁阀的开启组合，而得到不同的加水量。鼓风机在双盘冷却器入口的送风量恒定，为了使热砂的温度能迅速降低，就要求在很短的时间内能带走足够的水蒸汽，因此鼓风机一直处于全速运行，相对应的出口顶部的抽风量也处于最大的状态。该双盘冷却器已经高强度运行七年多，喷水冷却控制系统运行比较可靠，经过冷却后的回用砂温度得到较大幅度的降低、水分控制能较稳定地控制在一定范围内。但是相对越来越高的工艺要求来说，这台双盘冷却器还是存在以下一些问题：（1）加水机构有粗加水、中加水、细加水三种控制阀，但都是开关量控制阀，按照组合排列也只有七种组合，无法实现无级调速，所以精度很难到达要求。（2）当入口处热砂的温度很高时，冷却后砂的温度可能在容许范围内，但还相对较高，这样在带式输送机的输送过程中，水分还要进一步蒸发，因此湿度的设定值需要略为增加，而这个需要工人根据经验自己调节。（3）无法根据实际温度和湿度调节冷却风量，当外界热砂温度相对较低，有时甚至是冷砂时，鼓风机和抽风机仍然要全速运行，浪费大量的电能。（4） 由于长时间高强度运行，有些控制模块经常出现问题，目前通过购买备件的方法来维护喷水冷却控制系统的正常运行，但是备件价格昂贵，维修成本很高。1.2课题研究的目的和意义归根到底，双盘冷却器喷水、鼓风冷却装置关键的核心技术是它的控制系统，因此对控制系统的研究无疑具有一定的重要性。1.2.1 课题研究的目的本课题研究的目的是对该双盘冷却器进行喷水冷却控制系统的全新改造。该系统自成体系，对原有双盘冷却器的机械和其控制部分没有特殊要求，采用先进的PID、模糊控制技术和高精度的传感器检测技术，使系统操作简单、可靠性高、稳定性好并易于维护。综合以上该设备存在的问题，在保证设备运行稳定可靠的前提下，进一步提高实时响应速度，水分控制精度保证在更小波动的范围内，从原来的%波动缩小到%以内；温度控制能保证在入口回用砂在80以下的情况下，出口的砂温能够降低到50以下，从而满足越来越高的工艺要求。同时，通过建立冷却风量与旧砂温度湿度的模糊关系规则，使冷却风量根据实际的温度湿度得以实时改变，节约电能。1.2.2 课题研究的意义国内在喷水冷却控制系统上的研究比较落后，国外的先进设备虽然具有很大的优势，但仍然具有较大的开发空间。对该控制系统进行创新开发，本课题的研究有着十分重要的社会意义。目前，模糊控制在PLC中的实际应用还很少，尤其在国内设备的自动控制设计中。本系统结合模糊数学基础原理，采用模糊控制在PLC中的应用来控制喷水冷却系统，具有一定的技术开发意义。国内近年的机械制造业复苏很快，铸造企业需要大量的冷却热砂设备。国内开发的设备可以进一步节约维护、检修成本。回用砂温度湿度的控制为后续的混砂工艺提供了良好的保证，最终铸造缺陷将大幅度降低。同时，智能化的控制节约了电能的消耗。因此，本课题的研究具有重要的经济意义。对现场工艺进行调研，对重要的工艺参数进行数学建模分析，对喷水和鼓风冷却进行智能控制，从而最终保证了良好的控制效果。该系统的全新控制研究获得了成功，这对双盘冷却器在国内的开发并推广具有积极的意义。1.3 国内外研究现状双盘搅拌冷却器，能在短时间内在刮板的强烈搅拌下，使热砂从进口处向出口处转移，通过加水、鼓风、抽风，促使水分蒸发以达到降温的目的0405，同时对回用砂有一定的再生、预混作用，使其成为对粘土砂系统回用砂进行冷却的最佳装置之一。国内外对双盘冷却器及其控制系统进行了大量的研究。1.3.1 国外研究现状国外双盘冷却器喷水冷却控制系统的核心部分一般选用单片机组成的控制仪，系统采集旧砂的温度和湿度，当运送中的旧砂温度升高到预设数值，便启动恒压水泵及不同的加水电磁阀往冷却设备内喷水。通常根据双盘转子电机的功率传感器来检测是否有砂，并且检测到砂层必须达到一定的厚度时，才对热砂进行喷水冷却处理。由于完全摆脱了与冷却室恶劣环境的直接或间接接触，其稳定性、可靠性都相当高。同时，根据转子驱动功率来调节卸砂门的开口大小，始终维持冷却室内砂层的厚度，既保证了砂层冷却的时间使温度得以降低，水分得以调节，又能使旧砂连续式通过冷却室，提高了砂冷却处理的效率。但是这些控制系统大都采用不同通径的电磁阀组合来完成喷水过程，这种脉冲式的喷水方式对水分的控制无法缩到更小的波动范围内。即使是国外的先进控制系统，仍大都停留在对加水这一过程的控制上，虽然也考虑了鼓风对其冷却的不可或缺的作用，但鼓风机的风量和风压是靠人工改变风机进口前的蝶阀来调节的，电机始终在全压全速地运行。这样就造成入口处砂温较低，仅仅需要控制水分要求时，浪费了大量电能。更为重要的是，没有对冷却后旧砂的输送过程中水分的损耗没有作任何考虑，使得进入混砂机的旧砂水分没有达到最佳的设定范围。对具体铸造企业的回用砂输送流程进行调研分析，建立数学模型，并融入到控制系统中是十分有必要的。1.3.2 国内研究现状长期以来，国内设计制造的双盘冷却器大都缺少一套可靠适用的加水装置，所以降温效果不理想，影响了双盘冷却器的推广使用06。从国内开发研制的喷水冷却控制系统来讲，总体发展水平比较落后，同欧美等先进国家相比，存在较大的差距。由于缺乏可靠的水分检测传感器和对水分的控制方法，难以完成对滞后、复杂、时变湿度系统的控制，造成水分的波动范围很大，对混砂这一后续流程极为不利。为保证只有在冷却室内有料的前提下才进行喷水，国内的控制系统一般采用料位传感器来检测是否有砂，但由于冷却内环境十分恶劣，无论是机械式还是电子式的，使用寿命都很短，而且故障率很高、经常误发信号，从而造成水分的添加失去控制。在国内的控制系统中，几乎没有对冷却室卸砂这一环节进行控制，这样就会由于进料口砂层的波动而造成冷却室内的砂层变化很大，对喷水的控制无法提供一个相对稳定的外部条件，造成水分控制波动也相当大。1.4 课题主要研究内容针对国内外双盘冷却器喷水冷却控制系统的现状和发展方向，对静压造型线回用砂输送流程进行调研分析，建立湿度实时控制值数学模型，采用先进的数据采集和控制技术来实现双盘冷却器的最佳性能是本课题研究的主要内容。1.4.1 主要性能指标在喷水、鼓风冷却控制系统改造后，为了使双盘冷却器的运行能够更好地满足工艺要求，必须达到以下主要性能指标：（1）双盘冷却器冷却回用砂的最大批处理量为150吨/小时，在保证双盘转子驱动功率恒定的情况下，使回用砂在冷却室内的处理时间达72秒钟以上。（2）直行程电动调节水阀入口和出口间的压差为0.15MPa，最大喷水量为5700kg/h，加水量基本误差在2.5%内。（3）温度控制能保证在入口回用砂在80以下的情况下，出口的砂温能够降低到50以下。在最恶劣的情况下，入口回用砂在100时，出口的砂温能降低到60以下。（4）回用砂湿度即含水百分比能从原来的%波动缩小到%以内；回用砂湿度能根据出口砂温度大小，进行因水分蒸发而必须的补偿控制，使回用砂在到达混砂机时的湿度能控制在1.8%之间。（5）鼓风机的额定功率为55kw，最大风量50000m3/h，为保证双盘内风口不会出现堵塞现象，最小风量不低于35000 m3/h。抽风机的最大风量为60000m3/h，并且抽风量始终按照鼓风量的120%运行。1.4.2 主要研究内容本课题从以下几个方面对双盘冷却器控制技术进行了研究，并对现有的SIMPSON公司MC-150型双盘冷却器进行了冷却控制系统的全面改进。（1） 对喷水冷却控制系统系统的各组成部分的选择方案进行分析，比较各种可选方案的特点，对湿度传感器、温度传感器的选型、测温点位置选择等进行调研，确定喷水冷却控制系统的硬件组成。 （2） 由于湿度的控制范围相比温度的控制范围狭窄得多，而且对后续混砂流程也更为重要，因此采用根据湿度偏差的大小自动分离积分作用的PID算法，该算法易于实现，实时性很强，并且易于在PLC中实现。（3） 通过试验的方法，在不同温度段，通过一定的输送周期后，对冷却后回用砂水分的蒸发损耗进行测量。通过建立数学模型，运用猜测函数的方法对各试验数据进行处理，得出湿度的希望控制值与实时温度的函数表达式。对实时不同温度的情况下，自动更改湿度设定值，从而达到更为理想的控制范围，因此PID设定的湿度值是一个随温度变化而变化的随动量。（4） 对PID的参数进行整定，首先利用课题中广泛应用的扩充响应曲线法初步确定PID控制器的参数，然后现场进行闭环调试，获得相对最佳的控制效果。（5） 运用模糊控制对鼓风机和抽风机的运转频率进行控制。双盘冷却器进口处热砂的温度波动范围比较大，根据课题经验，针对冷却室内的砂温和湿度而进行模糊控制。（6） 用WINCC组态软件开发双盘冷却器喷水冷却控制系统的人机界面，通过上位机实现监测实时湿度和温度值、实时鼓风机和抽风机的运行速度等。第 59 页 共 59 页上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 喷水冷却控制系统的硬组成第二章 喷水冷却控制系统方案及硬件组成多高温度的砂算是热砂？通过研究型砂温度对其性能稳定性的影响、温度对膨润土-水系统流变性的影响以及型砂温度与铸件质量的关系，得到了一致的结论，即：为保证型砂的性能稳定，温度应保持在50以下03。2.1 最大加水量的测算目前，型砂冷却装置的品种、规格很多，主要有冷却滚筒、双盘冷却器和冷却沸腾床等，都是利用水分蒸发冷却型砂。最大加水量不但是使温度能够降低到一定范围以下、湿度均一的保证，而且它的测算是电动调节水阀的重要选型依据。2.1.1 计算依据 这部分要好好整合一下。使型砂冷却，最有效的办法是加水，但是，简单的加水，效果是很差的。一定要吹入大量空气使水分蒸发，才能有效地冷却。以下，给出一个简略的计算比较：（1） 简单加水简单加水即仅将水洒在热砂的表面。假设热砂的温度为50，此时1吨热砂中加入1%（即10Kg）温度为20的水，设最终砂和水的共同温度为。因为 （2-1）式（2-1）中：水的比热容，型砂的比热容，M1、M2、t1、t2 ？将、。代入式（2-1），可以得到 （2-2）解式（2-2）得48.7，即温度降低了1.3。（2）强迫散热如果不是简单地加水，在加水同时搅拌热砂并吹风。使1吨砂中的水分蒸发1%（10kg），能带走的热量为： （2-3）式（2-3）中：。？水的蒸发热是： ？此时却可使砂温降低（）以上的分析表明：简单地向皮带机上加水或向砂堆洒水，冷却效果是很差的。即使加水后向砂表面吹风，也不能有多大的改善。加水后，要使水在型砂中分散均匀，然后向松散的砂吹风，使水分迅速蒸发，同时将蒸汽排除。公式引用、参数计算要严密、完整，表达要规范。你文中理论水平、学术意义太欠缺，要注意加强这方面的意识。请认真仔细地看一看！2.1.2 加水量的计算按照每小时双盘冷却器处理砂的能力150吨计算，假设在最恶劣条件下，入口砂的温度高达100，湿度仅为0.2%，为了能使冷却后砂的温度达60，湿度达2%，在一小时内的加水量需要分两部分计算。第一部分，冷却后留在砂中的水分增加的质量为（吨）而另外一部分就是水分蒸发并被鼓风机带走的那部分。1吨砂在最恶劣情况下需蒸发水分20才能使温度达到60以下，因此这部分水的质量为（吨）综合以上两部分，水的质量流量为5700，也就是水的体积流量为5.7。W2的计算没有与“使1吨砂中的水分蒸发1%，可使砂温降低24.5”这个概念挂起钩来。 ？2.2 喷水冷却控制系统方案设计本课题中，喷水冷却控制系统的主控系统由西门子S7-30 PLC组成，模拟采集系统主要包括温度和湿度测量传感器，执行机构主要包括加水电动调节水阀、鼓风机和抽风机变频器。这三大部分即为喷水冷却控制系统的主要硬件。图2-1为喷水冷却控制系统结构示意图。喷水装置设有稳压水箱、恒压水泵、电动调节水阀及加水喷头。图2-1 喷水冷却控制系统结构示意图Fig.2-1 sketch design of spray control system选用西门子S7-300型PLC作为主控系统，其中数字输入模块监测现场的各开关量信号。如：当转子电机功率达到一定值，砂层厚度达到要求时发送信号至数字输入模块；在喷头前级加入流量监测装置，如果喷头堵塞，将发送堵塞信号至数字输入模块。数字输出模块控制现场的各开关量电气元件，如：控制开关量水阀，保证系统不会造成在非正常断电时电动调节水阀无法运行到零位而使加水失去控制。模拟输入模块采集入口处砂温、冷却室砂温、出口处砂温、冷却室砂湿度、转子电机功率、鼓风机负载电流、电动调节水阀阀芯位置反馈、卸砂门电动执行机构位置反馈等模拟量。各模拟信号的输入方式、通道、量程卡设置参见表2-1所列。模拟输出模块输出4-20mA模拟电流信号分别控制电动调节水阀、鼓风机变频器、抽风机变频器等。各模拟输出信号的输出方式、通道、量程卡的设置参见表2-2所列。2.3 喷水冷却控制系统的硬件配置硬件配置方面主要包括主控系统、输入输出系统和直行程电动调节水阀等执行机构，下面将分别介绍三大硬件组成部分的各技术参数、选型和安装要求等。2.3.1 主控系统的配置与选型SIEMENS S7-300 PLC采用模块式结构，适用于中等性能的控制要求。CPU模块、信号模块和功能模块的组合能满足各种领域的自动控制任务。当系统规模扩大和更为复杂时，可以增加模块，对PLC进行扩展 09。本课题中，S7-300 PLC的具体配置如下：（1） 电源模块 PS307 5A，输入230V AC/1A，输出24V DC/5A（2） 中央处理单元CPU315-2DP（3） 数字量输入模块SM321（4） 数字量输出模块SM322（5） 模拟量输入模块SM331（AI8 x 12Bit）（6） 模拟量输入模块SM331（AI8 x 12Bit）（7） 模拟量输出模块SM332（AO4 x 12Bit）电源模块（PS）总是在安装机架的最左边，CPU模块紧靠电源模块，本课题中按照上面所列顺序从左往右挂在DIN标准的安装导轨上。背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。背板总线集成在模块上，模块通过U形总线连接器相连10。模拟量输入输出模块的信号种类用安装在模块侧面的量程卡来设置，量程卡安装在模拟量输入模块的侧面，每两个通道为一组，共用一个量程卡。本课题中需两块模拟输入模块和一块模拟输出模块，其地址和量程卡的设置如表2-1和表2-2所示。表2-1 SM331地址功能分配表Table 2-1 address and function assignments of SM331 module地址输入方式功能说明通道通道组PIW288湿度传感器双盘冷却器冷却室砂湿度通道0-10，量程卡APIW292PT100双盘冷却器冷却室温度通道2-31，量程卡APIW296PT100双盘冷却器出口砂温度通道4-52，量程卡APIW300PT100双盘冷却器入口砂温度通道6-73，量程卡APIW304功率传感器搅拌电机负载功率通道0-10，量程卡CPIW308电流传感器鼓风机负载电流通道2-31，量程卡CPIW312电阻电位器卸砂门电动推杆反馈电阻通道4-52，量程卡APIW316电流4-20mA电动调节水阀位置反馈通道6-73，量程卡C表2-2 SM332地址功能分配表Table 2-2 address and function assignments of SM332 module地址输出方式功能说明通道输出类型PQW320电流加水机构比例水阀通道0I（4-20mA）PQW322电流鼓风机变频器模拟输入端通道1I（4-20mA）PQW324电流抽风机变频器模拟输入端通道2I（4-20mA）PQW326备用备用通道3不激活2.3.2 控制信号的输入输出系统控制信号的输入输出系统主要介绍温度传感器、湿度传感器、鼓风机变频控制、卸砂门控制和加水调节阀控制等。一、湿度传感器回用砂的湿度通过高精度测湿传感器来检测，直接安装在双盘冷却中，湿度测量的准确性、稳定性直接影响到喷水冷却系统的可靠性07。如果湿度传感器固定安装在冷却室某位置，可能因为砂层流动时出现的死角而影响测量的准确性，因此为了能够真实反映实际砂层的湿度值，测试点需要多点测量。在实际解决过程中，把两位式湿度传感器的两个探头分别固定在两个转子上，在两个转子做8字状相对转动时，始终保持一定的距离。又由于探头的旋转，引出测量导线也需要相对旋转，因此安装在冷却室顶部的湿度传感器内部装有轴承可以旋转，通过银触头的转动把测量的信号值传送到PLC的模拟输入模块。图2-2 电阻与湿度的关系曲线Fig.2-2 the curve of relation between Resistor and Moisture本课题选用德国Michenfelder Elektrotechnik公司生产的MY015C型湿度传感器。它采用的是电阻法测湿原理，利用了被测物质的电学性质，电阻R与湿度M之间的关系如图2-2所示。在区域I范围内，随着含水量的增加，电阻R呈对数减少。因此，通过测定电阻值，就能测定水份含量，其测量精度达0.015%。二、温度传感器PT100传感器利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温。其测量范围为-200+850，A级精度允许偏差值为（0.150.002t），热响应时间小于30秒。由于PT100传感器具有精度高、抗振动、稳定性好、结构简单以及安装容易等特点，比较适合温度不高的工业现场。采用PT100可以无须温度变送器直接接入SM331模拟输入模块，简化了设计。温度传感器的测量位置有三处：（1）进料口附近检测砂温，检测热回用砂的温度；（2）检测双盘冷却器顶部抽风口温度，反映双盘室内温度变化情况；（3）出料口附近检测砂温，能够反馈回用砂降温情况。三、鼓风机变频器为了缩小加水冷却后回用砂的温度湿度的波动范围，提高其运行曲线的平滑性，无须在进口处砂温度较低的情况下鼓风机仍然高速运行，这样还可以节约能源。根据冷却室回用砂温度湿度对冷却风量进行模糊控制，PLC输出模拟量电流信号到变频器的模拟输入端子上，从而控制变频器的输出频率。变频器距离PLC较远，通过线路间的分布电容和分布电感产生的干扰信号电流在模块的输入阻抗上将产生较高的干扰电压。远程传送模拟量电压信号时抗干扰能力很差，因此采用模拟量电流信号作为远程传送。本课题选用LENZE EVF8225型变频器，额定功率（1.5倍过载）55kw，额定电流110A，输出频率0.1480Hz，动态响应速度为3060ms/1000rpm。该型号变频器有两个模拟量输入端，各项性能指标均满足设计要求。四、卸砂门的控制卸砂门的开启度大小由电动推杆控制，通过PID调节，把负载功率作为设定比较值，实时控制开口大小。卸砂门不断浮动，使冷却室砂层的厚度始终维持在合适的范围内，以达到精确控制的目的。(a)功率因素与负载的关系曲线 (b) 电流与负载的关系曲线 (c) 功率与负载的关系曲线图 2-3 功率因素、电流、功率与负载的关系曲线图08Fig.2-3 the curve of relation between load and power factor, amps, power图2-3为功率因素、电流、功率与负载的关系曲线图。当电机开始承受负载时，功率因素迅速增加，而电流不能明显改变，直到电机达到50%的负载额定值。功率是线性变化的，因此负载功率比负载电流更能线性地反映真实负载。五、加水调节阀的控制加水调节阀是控制系统中最为重要的执行机构。经过PID程序处理，PLC输出420mA的模拟直流电流信号到伺服电机控制的输入端，控制比例水阀的开口量，从而控制加水量的大小。其取代开关量电磁阀的脉冲加水，控制精度得到大幅提高。加水量调节阀的选型、结构、参数及其控制等在2.3.3中详细介绍。2.3.3 直行程电动调节水阀一、电动调节水阀的参数计算及选型 此段问题很多、太乱，好好理一理。调节阀的流通能力Kv值，是调节阀的重要参数，它反映流体通过调节阀的能力，也就是调节阀的容量。根据调节阀流通能力Kv值的计算，就可以确定选择调节阀的口径。根据调节阀口径计算指南进行液体（不可压缩流体）的Kv值计算。要计算Kv值，必须先确定调节阀水流是否符合非阻塞流条件。（1） 非阻塞流的判别。非阻塞流的判别式： （2-4）式（2-4）中：P阀入口和出口间的压差，即P1-P2，MPa；液体压力恢复系数，查调节阀的参数表可以获得；P1阀入口取压点测得的绝对压力，MPa；液体临界压力比系数；PV阀入口温度饱和蒸汽压（绝对压力），MPa；实际课题中，阀入口取压点测得的绝对压力P1为0.2 MPa，阀出口取压点测得的绝对压力P2为0.05 MPa，因此阀入口和出口间的压差为0.15 MPa。查阅调节阀参数表，直通单座调节阀的压力恢复系数为0.9；设阀的入口处水的温度为30，则饱和蒸汽压PV为MPa，临界压力PC = 22.064MPa。由以上数据，可以计算出：所以，属于非阻塞流。（2） 计算Kv值。计算公式：或 （取其中一个可以吗？） （2-5）式（2-5）中：QL液体体积流量，；液体密度，kg/m3；P2阀出口取压点测得的绝对压力，MPa；PC热力学临界压力（绝对压力），MPa；液体质量流量，；所以，。根据计算，选定大禹泵阀制造公司生产的直行程电动调节水阀，型号为ZDY-16P，公称通径DN=20mm，阀座直径dn=15mm。阀芯行程16mm，允许压差1.6MPa，基本误差达2.5%。二、电动调节水阀的结构和性能直通单座阀为无底盖上导向结构，它只有一个阀座和一个柱塞形阀芯，具有开关性能好、泄露量小、流量特性准确、可调比大的特点。图2-4 电动调节水阀的结构示意图Fig.2-4 structure of proportional valve 图2-4为电动调节水阀的结构示意图，阀体按照流体力学低流阻原理进行设计，线性直通阀体具有相等的内部横截面积，压降损失少，流体流动稳定。阀芯和阀座之间采用精度密封，更换阀芯和阀座，可获得要求的流量特性与流量系数，提高了控制阀的使用性能。不同的阀芯形状会得到不同的流量特性图，如图2-5所示，流量特性有三大类：（1）等百分比特性：是控制系统中最常用的特性，在不同的阀门开度，它控制流量的变化率也是不同的，随着开度的增大，控制流量的变化率也随之增至最大。在控制系统中该特性可补偿被控对象的非线性，从而使控制系统更稳定。（2）线性特性：阀门开度控制流量变化率是不变的。（3）快开特性：以最小的阀门开度便能使流量达到最大，打开阀门最快速是它的特点，所以适合用作开关控制。根据以上流量特性，结合本课题的水阀控制要求，选用线性特性的阀芯。图2-5 不同的阀芯形状的流量特性图Fig.2-5 flow character with different valve rod shape三、电动调节水阀的控制系统ZDYP超小型单座电动调节水阀是电子式一体化直行程电动调节水阀，采用电动执行机构。控制部分采用DY-JSF-01精小型电动执行器伺服放大器，如图2-6所示。伺服放大器由主板和驱动板构成，其控制原理是：接受标准的420mA DC电流输入控制信号，并与电动执行器阀位反馈的电阻信号在放大器内进行比较，根据偏差控制执行器伺服电机正转或反转，使阀芯作相应移动，改变阀门的开度，与输入控制信号所要求的开度始终保持相等，达到调节阀门准确停位，实现对水流量的调节。图2-6 DY-JSF-01伺服放大器系统接线图Fig.2-6 wiring diagram of DY-JSF-01 servo amplifier system伺服放大器同时还输出一个与输入信号隔离的、与执行器的位移相对应的420mA DC阀位反馈输出信号，它与调节阀门的实际开度相对应，可送给计算机或调节器，用作阀位的显示。伺服放大器可对输出阀位进行上下限位，可根据工艺的要求将阀位限定在所要求的范围。同时还具有断线保护功能，当输入信号断线或小于正常值时，伺服放大器停止自动跟踪，阀门将自动到达安全的停位位置，同时故障灯点亮。四、电动调节水阀的安装执行机构可以安装在不使电机倒置的任何一个位置，电动调节水阀最好是正立垂直安装在管道上。在确定直行程电动调节水阀的安装位置时，要考虑阀门调试、维修的方便，预留一定的空间以便调试或检修时移走外罩壳。驱动器必须予以保护，防止漏水而损坏内部控制板、驱动板和电机。电动调节水阀在安装至管道之前，应清除管道内污物，焊锡等杂质，以免运行时发生卡滞和损坏阀芯、阀座。在调试时，还必须在考虑维修需要的同时保证原管路系统的正常运行，图2-7为电动调节水阀在管路中的连接示意图。图2-7 电动调节水阀在管路中的连接示意图Fig.2-7 schematic of proportional valve pipeline上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 基于PID控制原理的旧砂温度湿度控制软件设计第三章 基于PID控制原理的旧砂温度湿度控制的软硬件设计温度湿度属于模拟量，必须通过传感器、变送器等转换成标准的电信号，由模拟输入模块转换成PLC的CPU可以处理的数字信号。经过程序处理后，由模拟输出模块转换成标准的电信号后传给执行器施加到受控对象身上，完成相应的动作。3.1 PID在PLC上的实现算法模拟量闭环控制常用的较好方法之一是PID控制，对连续函数进行离散化处理后，通过PLC程序进行喷水量PID调节来实现对旧砂湿度的控制。3.1.1 PID控制PID是比例（P）、积分（I）、微分（D）的意思。标准PID的控制值是与偏差（设定值与实际值之差）、偏差对时间的积分、偏差对时间的微分三者之和成正比的13，用公式表示即为： （3-1）式（3-1）中：控制值，？（单位）偏差，？Ti积分时间常数，？Td微分时间常数，？放大倍数（比例系数），？比例调节具有稳态误差，为解决此问题，可在比例调节的基础上引入积分调节。积分调节的原理是将湿度偏差相对于时间而进行积分，并将结果加在偏差信号上使比例区移动，积分环节持续不断地调节比例区直至稳态误差的消除。虽然积分作用的加入可以消除稳态误差，但会产生较大的超调，其原因是积分环节在实际湿度达到比例区下限时已开始动作，当湿度达到设定点时，已将比例区移至较高位置，这样就会造成湿度值的过量，导致较大的超调出现。为了减少“比例+积分”调节过程中产生的超调，可加入微分调节，形成“比例+积分+微分”控制。微分控制根据湿度变化的速度来控制调节量，具有预先调节控制器输出至预期需求的功能，它减少了用于控制器响应过程某一变化的时间滞后，起到提前调节的作用，有助于防止设定点的超调或欠调。3.1.2 PID算式的离散化由于式（3-1）用于连续函数的PID控制，如果在PLC控制系统中使用，必须将其作离散化处理，用相应的数值计算来代替这里的积分、微分14。离散化连续函数的处理方法是：用矩形法数值积分来近似代替上式中的连续积分；用一阶向后差分近似代替上式中的微分部分，即 （3-2）式（3-2）中：Ts采样周期，？（单位）采样时刻的湿度偏差，？采样时刻的湿度偏差，？假设积分初始值为0，那么离散后的公式为： （3-3）式（3-3）中：第kTs时刻的控制输出值，？式（3-3）的计算仅仅是加减乘除等基本运算，用PLC目前强大的算术运算指令完全可以进行，从而求出不同时刻，即第时刻的控制值。如果采用增量式PID控制，则离散化的公式为： （3-4）对式（3-4）进一步进行简化：设积分常数，微分常数，比例常数，则最终的简化式为： （3-5） （3-6）式？即为。 ， 可。3.1.3 PID控制程序实现根据上面所列公式，绘制PID控制的离散算法框图如图3-1所示，并以此为依据进行程序设计。图3-1 PID控制的离散算法框图Fig.3-1 frame structure of PID control discrete arithmetic对此图应作必要的简略说明3.2 湿度实时控制值数学模型的建立由于回用砂的湿度受温度的影响很大，所以必须根据温度对湿度值进行修正。可以通过试验的方法，对冷却后回用砂在不同温度段通过一定的输送周期下水分的蒸发损耗进行测量，通过建立数学模型，得出湿度的希望控制值与实时温度的函数表达式。因此PID设定的湿度值是一随温度变化而变化的随动量。3.2.1 现场数据测试现场数据的测试和分析主要包括两个部分：型砂湿度在输送周期下的损耗量和湿度传感器输出电阻与湿度的对应关系。一、型砂湿度在输送周期下的损耗量实验仪器：SGS双盘红外线烘干器，物理天平，水银温度计。双盘红外线烘干器用于铸造用原砂、型砂、芯砂含水量的测定，对含有水分的砂子进行快速烘干，承砂盘表面温度达110170，烘干时间：58分钟。测量型砂湿度的方法：通过称量承砂盘里含水型砂烘干前后的质量，计算出水分的蒸发量，从而得出型砂的含水量百分比，也就是型砂的湿度。表3-1 型砂湿度测量记录表Table 3-1 measure value of the sand moisture批料开始实验温度开始测定湿度最终测定温度最终测定湿度湿度损耗值A602.05%401.77%0.28%B552.02%381.80%0.22%C502.02%361.84%0.18%D451.97%331.82%0.15%E401.93%311.81%0.12%F351.88%281.78%0.10%G301.86%251.77%0.09%H251.88%221.80%0.08%I201.86%201.78%0.08%为了能够测出各需要的实验数据，对表3-1的内容进行了设计和取值。为了能够尽可能接近冷却后型砂的输送环境，取砂样进行保存时，保证批料有一定的堆放厚度。先对被测热砂进行冷却，达到开始测量温度时，测出批料的湿度；然后把剩余砂样在20左右的实验室里敞开保存1小时后，盖上密封盖，并继续保存2小时；最后取底层砂样进行温度和湿度的测量。二、湿度传感器输出电阻与湿度的对应关系实验仪器：电阻箱、湿度传感器。由于现场的单片机采用电导率，用标准电阻箱输入不同电阻，和仪表显示电导率的各数据进行比较，找出其对应关系，从而最终得到输出电阻和湿度的对应关系。测量记录如表3-2所示。表3-2 湿度电导率和电阻之间的对应关系表Table 3-2 corresponding value between moisture conductance and resistor电阻湿度电导率电阻湿度电导率电阻湿度电导率300109.7140037.1250020.6400103.8150034.7260019.850088.5160032.5270018.960077.0170030.7280018.270068.0180029.0290017.580060.9190027.4300016.990055.1200026.0310016.3100050.0210024.8320015.7110045.8220023.6330015.1120042.6230022.5340014.6130039.8240021.5350014.1现场采集的湿度传感的电阻在湿度为1.8%左右时的阻值为500-800欧姆左右，需要把这个电阻输入到PLC的模拟输入模块来进行控制，但由于西门子的模拟输入模块最大的电阻采集范围只能是0-600欧姆，而湿度传感器的电阻在湿度低于1.8%时要超过此范围，所以把采集的电阻和一个600欧姆的固定电阻并联后接进模拟输入模块，然后在PLC中进行数据处理和转换。3.2.2 湿度控制设定值数学模型冷却后型砂在不同温度段在一定的输送周期下水分的蒸发损耗是不同的。通过以上测量数据，观察各分段函数，运用猜测函数的方法对各试验数据进行处理，得出湿度控制设定值与实时温度的函数表达式。图3-1 湿度损耗与温度的猜测函数Fig.3-1 imaginary function between moisture wasting and temperature由图3-1可以看出，曲线接近于一条抛物线，运用课题数学方法，可以把猜测函数方程设定为：。为了简化函数表达式，可以假设，温度为20时， ；当温度为25时，；当温度为30时，依次类推。由于求出抛物线的方程只需要两个测试数据，观察曲线位置，由于现场处理的温度范围绝大部分在3540之间，尽可能让这部分的湿度损耗值的计算值与测试值接近，因此取测试数据点（0，0.08）和（4，0.12），从而求出猜测函数的表达式为：计算该猜测函数的其他计算值与测试值的误差，可以看出，在5560区间，误差较大，因此这个区间考虑特殊处理，在PLC程序中，作湿度损耗补偿。设温度为T时，型砂湿度控制值为M%，先对温度T进行以下转换处理：IF T60 THEN T=60；T=(T-20)/5工艺要求最终进入混砂机的型砂湿度为1.8%，所以M的函数表达式为： （3-7）由测试表3-2，在温度为35时，2.1%的湿度对应电导率为78，2.0%的湿度对应电导率为72，1.9%的湿度对应电导率为67，1.8%的湿度对应电导率为64。实际冷却处理过程中，绝大部分湿度都控制在此范围。分析以上数据，采用分段函数处理较为合适。已经由猜测函数求出了式3-7中的湿度M%，则对应电导率G的函数表达式为： （3-8）由于湿度控制值的范围在1.8%2.1%之间，因此只需对500800欧姆这个范围进行数据转换处理就足够了。同样采用分段函数的处理方法，把电导率G进行分区，求出对应湿度传感器的电阻的函数表达式： （3-9）最后得出输入到PLC模拟模块的电阻的函数表达式： （3-10）这也就是最终得到湿度的实时控制设定值。3.3模拟控制信号的输入与输出本课题中模拟控制信号输入主要包括旧砂温度和湿度的电阻模拟量信号以及电动调节阀反馈电流模拟量信号，而控制信号输出主要是模拟输出模块输出至电动调节阀控制端的电流模拟量信号。3.3.1 旧砂温度湿度的信号采集S7-300的模拟量输入模块SM331用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号。SM331可以直接连接不带附加放大器的温度传感器，这样可以省去温度变送器，不但节约了硬件成本，控制系统的结构也更加紧凑。图3-2 PT100和湿度传感器的接线图Fig.3-2 wiring diagram of PT100 and moisture sensor图3-2为PT100和湿度传感器与SM331模块的接线图，模块的各个通道可以分别使用电流输入、电压输入或者电阻输入，并选用不同的量程。本课题中选用的SM331模块订货号为6ES7 331-7KF02-0AB0，分辨率为12位，采用电阻输入方式。模拟量输入模块的输入信号类别由安装在模块侧面的量程卡来设置，每两个通道为一个组，共用一个量程卡，6ES7 331-7KF02-0AB0模块有8个通道，因此有4个量程卡，具体设置参阅表2-1。在硬件组态工具中，温度PT100传感器选择测量方式为RT，具体类型选择为Pt100 Std.，量程卡设置在A位置；湿度传感器选择测量方式为R-4L，具体测量范围选择600ohm，量程卡设置在A位置。模拟量转换是顺序执行的，每个模拟量通道的输入信号是依次、轮流转换的。为了减少巡检时间，应使用STEP7软件中的硬件组态工具（Hardware conFig.）将未使用的模拟量输出通道选择“不激活”，在硬件上还需要将为用未使用的通道的输入端子端接，这样剩下的输入值可