摘 要： 介紹了灌漿機(jī)系統(tǒng)中水泥計量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制方式和PLC程序的設(shè)計，提出了由PLC控制步進(jìn)電機(jī)的方法，并在PLC控制過程中加入反饋環(huán)節(jié)。
關(guān)鍵詞： 水泥計量 螺旋輸送機(jī) PLC 步進(jìn)電機(jī)
灌漿機(jī)是海洋工程中用來生產(chǎn)、儲存和澆灌泥漿的機(jī)電一體化設(shè)備。其工作過程是將一定比例的水泥、水和添加劑投入到混煉器中進(jìn)行強(qiáng)制性攪拌，將攪拌好的泥漿儲存在攪拌器中，待泥漿泵灌漿。在整個灌漿機(jī)系統(tǒng)中，水泥等原料的計量系統(tǒng)是重要設(shè)備之一，它關(guān)系到泥漿生產(chǎn)效率和泥漿質(zhì)量。水泥是固態(tài)粉狀物料，流動起來流量不穩(wěn)定，而且疏松程度也變化很大。如何實(shí)現(xiàn)精確快捷計量是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。水泥計量通常分為二種方式：靜態(tài)測量和動態(tài)測量。動態(tài)測量因具有計量誤差小、計量速度快的優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞，如德國PF公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子計量秤[1]，但其價格昂貴，只是在精度要求很高計量中用到。在這方面國內(nèi)也作了很多研究，如對水泥的流動過程進(jìn)行分析并建立了數(shù)學(xué)模型，但是實(shí)際計量過程中要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)起來很困難。從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性出發(fā)，針對灌漿機(jī)的水泥計量，本文設(shè)計了一種既結(jié)構(gòu)簡單又計量精度高的計量系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
水泥計量系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)由三部分構(gòu)成：水泥緩沖罐、水泥計量斗和螺旋輸送機(jī)。水泥裝進(jìn)水泥緩沖罐后，就等待PLC發(fā)出計量開始的命令。螺旋輸送機(jī)是添料機(jī)構(gòu)，用到此處的優(yōu)點(diǎn)有：(1)比水泥僅靠重力下降填料穩(wěn)定，計量可靠性高；(2)水泥填料的進(jìn)度容易控制；(3)傳動比較簡單，步進(jìn)電機(jī)加聯(lián)軸器就可實(shí)現(xiàn)。水泥計量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中：
(1)水泥緩沖罐。計量水泥開始前暫時將水泥存放在罐中。其出口的錐度角小于60deg，且出口的橫截面積大于最大橫截面積的1/2。這樣水泥不容易成拱，而且螺旋輸送機(jī)的填充系數(shù)比較穩(wěn)定。
(2)LS小型螺旋輸送機(jī)。它是利用螺旋旋轉(zhuǎn)而推移物料的連續(xù)輸送設(shè)備，其螺距布置均勻，在出料口布置二個旋向相反的葉片，有利于水泥的輸出。
(3)水泥計量進(jìn)口蝶閥和驅(qū)動氣缸。蝶閥選用DN200，公稱壓力1Mpa；二位五通電磁閥連接氣缸，由PLC控制。在計量開始時打開蝶閥，計量完后關(guān)上，防止螺旋輸送機(jī)由于不確定因素而漏料，影響計量。
(4)稱重傳感器。在水泥計量斗的同一截面上布置三個稱重傳感器。該傳感器為電阻應(yīng)變式，采用S型剪切設(shè)計，具有高靈敏度輸出、多層介質(zhì)密封、高可靠性等特點(diǎn)。三個傳感器的輸出信號與所稱的重量成線性關(guān)系，采用橋路聯(lián)接，經(jīng)變送器的放大、整流后輸出4mA～20mA電流。
(5)水泥計量斗。由三個稱重傳感器懸空吊起，是計量水泥的載體。
(6)水泥計量出口蝶閥和驅(qū)動氣缸。蝶閥DN300，公稱壓力1.25Mpa，氣缸的控制設(shè)備與進(jìn)口的氣缸相同。
(7)氣動振動器。水泥是顆粒粉狀物，計量完放出后，難免會有遺留物留在水泥計量斗的內(nèi)側(cè)壁，而且不清除會越積越多，嚴(yán)重影響了水泥計量。氣動振動器固定在水泥計量斗的外側(cè)壁，靠振動使水泥落下。
(8)PLC。整個灌漿機(jī)的控制系統(tǒng)采用的是德國Siemens 公司的S7－300系列PLC，在計量系統(tǒng)中要用到數(shù)字輸入輸出模塊和模擬輸入模塊。
(9)步進(jìn)電機(jī)。本設(shè)計選用三相六拍的工作方式，在這種控制方式下工作，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性較好，螺旋輸送機(jī)送料的分辨率較高[3]。
2 計量控制
水泥計量的過程分為粗秤和精秤二個階段。計量開始，步進(jìn)電機(jī)(螺旋輸送機(jī))以速度Vmax運(yùn)轉(zhuǎn)，螺旋輸送機(jī)添料進(jìn)度較大，當(dāng)計量到所需要重量的90％時開始精秤，這時PLC控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，螺旋輸送機(jī)的添料速度也隨之下降，水泥計量斗稱的重量越來越接近需要量，其中螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速與水泥計量斗計量值的關(guān)系如圖2所示。圖中M為一次計量需要的水泥量，△為控制裕量。當(dāng)水泥計量斗稱到100％M－△時，PLC發(fā)出停止計量的指令，關(guān)閉上蝶閥，停止步進(jìn)電機(jī)及螺旋輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，填料過程結(jié)束。水泥計量斗已稱的量加上水泥落差質(zhì)量σ即為計量值。把螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速下降的斜率設(shè)計為
是考慮到計量快要結(jié)束前，螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，而且越接近結(jié)束時轉(zhuǎn)速越低，當(dāng)接近等于零時，就不會有進(jìn)料，水泥計量斗也就不會達(dá)到要結(jié)束計量時的重量，使計量過程無限拖延。本文的設(shè)計就是避免在計量要完成時螺旋輸送機(jī)的填料為零，仍要有一定的速度，只是當(dāng)計量結(jié)束時應(yīng)立刻停止，這樣的計量要求步進(jìn)電機(jī)可以完全實(shí)現(xiàn)。
水泥計量系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示。
LS型螺旋輸送機(jī)是水泥計量系統(tǒng)的填料機(jī)構(gòu)，其輸送量的計算公式為：
(1)式中，影響螺旋輸送機(jī)輸送的變量是螺旋轉(zhuǎn)速V，充填系數(shù)Ka取值一般在0.52~0.7之間。在水泥計量系統(tǒng)中，要考慮水泥落差（H），也就是計算在關(guān)閉上蝶閥后，從蝶閥開始落到水泥計量斗內(nèi)水泥堆頂?shù)母叨?。在關(guān)閉上蝶閥時，由圖2可得螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速為：
要達(dá)到100％M的計量，就要使Δ+σ=0.1M，從而就可得到控制裕度的公式為：
由(5)式可知，設(shè)定的控制裕量Δ與很多因素相關(guān)，而且要在計量前就計算出來。其中充填系數(shù)Kα是個不確定量，要作一些試驗(yàn)調(diào)整Kax，以適應(yīng)不同松散程度的水泥計量，一般Ka取0.6時適應(yīng)的范圍更廣，這樣也就可以確定粗秤時的速度Vmax。
本計量系統(tǒng)采用PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)，這樣會大大減少系統(tǒng)設(shè)計的工作量，不存在各個接口信號的匹配問題，從而提高系統(tǒng)的可靠性。整個控制系統(tǒng)由PLC和步進(jìn)電機(jī)組成。作為一種工業(yè)控制計算機(jī)，PLC不僅僅可用于開關(guān)邏輯控制，還可用于閉環(huán)過程控制，而且可以由PLC的控制程序完成不同控制系統(tǒng)的不同指令脈沖控制器的任務(wù)。要實(shí)現(xiàn)上述功能，所選PLC應(yīng)滿足二個特性要求：一是要有實(shí)時刷新功能，使輸出信號的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高，以充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個系統(tǒng)的快速性；二是PLC本身的輸出口應(yīng)該采用大功率晶體管，以滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動要求。S7-300系列PLC處理速度較快，執(zhí)行一個基本指令的速度僅為2μs ，其普通的晶體管輸出口的響應(yīng)速度可以達(dá)數(shù)千赫茲，故可以直接控制步進(jìn)電機(jī)。
3 計量程序設(shè)計
計量程序流程如圖4所示。
整個灌漿機(jī)控制系統(tǒng)選用S7-300系列PLC編程控制，水泥計量部分為其一子程序。由步進(jìn)電機(jī)的控制原理可知：步進(jìn)電機(jī)要轉(zhuǎn)動，必須有電脈沖，而且必須按一定的順序加在電機(jī)繞組上，才能按規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，要在編制的程序中產(chǎn)生脈沖，并按設(shè)計的順序發(fā)出脈沖。該計量程序總體功能可概括為以下幾點(diǎn)：
(1)運(yùn)行方式控制功能。在計量程序中產(chǎn)生六拍時序脈沖，然后環(huán)形分配脈沖，這樣步進(jìn)電機(jī)就可按照三相六拍的方式運(yùn)行。PLC是以定時器T600生成一定頻率脈沖驅(qū)動輔助繼電器M30.1，連續(xù)不斷地進(jìn)行移位處理來完成這一功能的。步進(jìn)電機(jī)采用三相六拍的工作方式，即A－AB－B－BC－C－CA連續(xù)循環(huán)的變化，在PLC程序中接通順序?yàn)椋?/p>
(2)頻率控制功能。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率能夠進(jìn)行變化，以控制螺旋輸送機(jī)的送料速度符合設(shè)計要求。根據(jù)計算結(jié)果改變定時器T600的設(shè)定值，以產(chǎn)生不同頻率的脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
(3)自動校秤功能。在正式計量開始前，要對水泥計量斗進(jìn)行去除毛重處理，在計算中都是以計量斗的凈重參與運(yùn)算，而且在每次測量前由于所處環(huán)境因素等的變化，都要進(jìn)行校秤。
4 結(jié) 論
本文針對灌漿機(jī)的水泥計量屬于粉狀顆粒物的計量這一特性，提出了步進(jìn)電機(jī)控制螺旋輸送機(jī)分階段地為水泥計量斗配料的設(shè)計方法，并對此計量系統(tǒng)加入閉環(huán)反饋控制，同時對水泥落差進(jìn)行誤差補(bǔ)償，很好地解決了動態(tài)測量中落差控制的問題。在水和添加劑計量系統(tǒng)的配合下，本系統(tǒng)能快捷準(zhǔn)確地進(jìn)行原料配比，生產(chǎn)出較高質(zhì)量的泥漿。
參考文獻(xiàn)
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