基于PLC的化工過程液位自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范建宏,吳 豪

(中策橡膠集團(tuán)股份有限公司 浙江 杭州 310020)

0 引言

在輪胎制造中,硫化工藝的液位控制是非常重要的。硫化是輪胎制造過程中的關(guān)鍵步驟,通過加熱輪胎模具中的橡膠混合料,使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成具有所需硬度和彈性的輪胎胎面和側(cè)面。在硫化過程中,液位控制對于確保產(chǎn)品質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性至關(guān)重要[1-2]。傳統(tǒng)的手動(dòng)液位控制方法存在人為誤差和效率低下的問題,需要不斷的人工干預(yù)和調(diào)整。為了解決這些問題,自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,其中可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)作為一種靈活可靠的控制設(shè)備在化學(xué)工藝中得到廣泛應(yīng)用。盡管PLC在化學(xué)工藝控制中具有潛力,但目前還缺乏針對液位控制的全面研究和實(shí)施方案。在許多化學(xué)工藝中,液位控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性對于生產(chǎn)過程的成功運(yùn)行至關(guān)重要。因此,開發(fā)一種基于PLC的液位自動(dòng)控制系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)、可靠和靈活的液位控制,對于提高化學(xué)工藝的效率和安全性具有重要意義。

為了解決傳統(tǒng)手動(dòng)液位控制方法存在的問題,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種基于PLC的化學(xué)工藝液位自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過該系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)液位的實(shí)時(shí)監(jiān)測、精確控制和自動(dòng)調(diào)整,提高生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和效率。同時(shí),本研究還將討論該系統(tǒng)在化學(xué)工藝中的可行性和有效性,為工業(yè)界提供一種先進(jìn)的液位控制解決方案。

1 液位控制的理論與方法

1.1 液位控制的重要性

液位控制在輪胎硫化過程中的重要性在于確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性、工藝的穩(wěn)定性、能源的高效利用和生產(chǎn)的安全性。合理的液位控制策略可以提高生產(chǎn)效率、降低成本,并確保輪胎硫化過程的質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展。

傳統(tǒng)手動(dòng)液位控制方法通常依賴于操作員的經(jīng)驗(yàn)和觀察,但是人工操作容易受到主觀因素的影響,導(dǎo)致液位控制的不準(zhǔn)確性;手動(dòng)調(diào)整液位需要大量人力和時(shí)間,限制了生產(chǎn)過程的效率和靈活性;針對快速變化的工藝條件,手動(dòng)控制方法反應(yīng)遲緩且難以應(yīng)對復(fù)雜的反饋關(guān)系。

1.2 自動(dòng)控制的基本原理

自動(dòng)液位控制通過利用反饋控制原理,基于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋信息進(jìn)行調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)液位的精確控制。常用的自動(dòng)控制理論包括比例—積分—微分控制(proportion integral differential, PID)、模糊控制和模型預(yù)測控制等。其中PID控制是最常用和經(jīng)典的控制方法之一[3-4],其數(shù)學(xué)模型如式(1)所示:

(1)

式(1)中,u(t)為控制器輸出,e(t)為液位誤差,Kp、Ki、Kd分別為比例、積分和微分系數(shù)。PID控制通過調(diào)整這些系數(shù),實(shí)現(xiàn)對液位控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度的調(diào)節(jié)。

1.3 PLC的概述

PLC是一種專用的計(jì)算機(jī)控制設(shè)備,廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域。PLC具有高度可編程性、實(shí)時(shí)性和可靠性的特點(diǎn),適用于各種復(fù)雜的工業(yè)過程控制[5-6]。在液位控制中,PLC可以實(shí)時(shí)獲取液位傳感器的測量數(shù)據(jù),并通過控制算法計(jì)算出相應(yīng)的控制信號,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器控制液面[7-8]。

2 基于PLC的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示,該系統(tǒng)包括監(jiān)控層、控制層和現(xiàn)場層。監(jiān)控層由一些計(jì)算機(jī)組成,控制層使用PLC,現(xiàn)場層包括壓力傳感器、溫度傳感器、現(xiàn)場智能儀表、變送器、執(zhí)行器等。監(jiān)控層與控制層通過TCP/IP通信[9],控制層與現(xiàn)場層通過Profibus DP通信[10]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

監(jiān)控層由計(jì)算機(jī)組成,用于實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示液位控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。監(jiān)控層通過TCP/IP協(xié)議與PLC通信,獲取PLC中液位控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),包括設(shè)定液位、實(shí)際液位、控制信號等。監(jiān)控層將采集到的數(shù)據(jù)顯示在界面上,以便操作員實(shí)時(shí)了解液位控制的情況。同時(shí),監(jiān)控層還可以根據(jù)設(shè)定的報(bào)警條件,對液位異常情況進(jìn)行報(bào)警提示,以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

控制層采用PLC,負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)液位控制算法的計(jì)算和控制信號的生成。根據(jù)監(jiān)控層提供的設(shè)定液位和實(shí)際液位數(shù)據(jù),控制層通過內(nèi)部的控制算法計(jì)算出相應(yīng)的控制信號,如閥門開度或泵的轉(zhuǎn)速。控制層將計(jì)算得到的控制信號輸出到執(zhí)行器,通過調(diào)整執(zhí)行器的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對液位的精確控制。

現(xiàn)場層包括壓力傳感器、溫度傳感器、現(xiàn)場智能儀表、變送器、執(zhí)行器等設(shè)備,用于實(shí)時(shí)感知和調(diào)節(jié)化學(xué)工藝中的物理參數(shù)?，F(xiàn)場層的壓力傳感器和溫度傳感器等設(shè)備負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集液位控制過程中的物理參數(shù),如液位高度、液體溫度等?，F(xiàn)場層通過Profibus DP協(xié)議與PLC通信,將采集到的傳感器數(shù)據(jù)傳輸給PLC,供控制層進(jìn)行液位控制計(jì)算和決策。執(zhí)行器根據(jù)PLC發(fā)送的控制信號,控制閥門或泵等裝置的狀態(tài),以調(diào)整液位高度。

監(jiān)控層與控制層之間通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和顯示,以及對液位異常情況的報(bào)警處理;控制層與現(xiàn)場層之間通過Profibus DP協(xié)議進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)控制信號的傳輸。

2.2 液位傳感器選擇

該系統(tǒng)采用差壓式液位傳感器來進(jìn)行液位測量[11-13]。該類傳感器是一種常用于液位測量的傳感器,它通過測量液體所產(chǎn)生的壓力差來確定液位高度,如圖2所示。

圖2 液位壓差傳感器原理

其工作原理基于斯托克斯定律和浮力原理。差壓式液位傳感器包括2個(gè)連接在不同高度的測量裝置,一般分別安裝在液體容器的底部和頂部。液體的壓力隨著液位的變化而改變,傳感器通過測量2個(gè)測量裝置之間的壓力差來確定液位高度。差壓傳感器可以通過公式(2)計(jì)算液位高度:

(2)

式(2)中,H表示液位高度,ΔP表示2個(gè)測量裝置之間的壓力差,ρ表示液體的密度,g表示重力加速度。

差壓式液位傳感器可以適用于不同液位高度的測量,具有較寬的測量范圍、較高的測量精度,能夠快速響應(yīng)液位的變化,并且對溫度、介質(zhì)密度等因素的變化具有較強(qiáng)的抗干擾能力,能夠穩(wěn)定地測量液位。

2.3 PLC控制算法設(shè)計(jì)

假設(shè)液位傳感器輸出的液位測量值為Lmeasure,目標(biāo)液位設(shè)定值為Lset,控制算法通過調(diào)節(jié)執(zhí)行器的工作狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)液位的控制。

首先,計(jì)算液位偏差e,表示實(shí)際液位測量值與目標(biāo)液位設(shè)定值之間的差異如式(3)所示:

e=Lset-Lmeasure

(3)

比例控制時(shí),根據(jù)偏差e計(jì)算比例控制輸出信號uP,該信號與偏差成正比,用于控制執(zhí)行器的工作狀態(tài)如式(4)所示:

uP=Kp·e

(4)

式(4)中,Kp是比例控制增益參數(shù),用于調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

積分控制時(shí),根據(jù)偏差的積分值計(jì)算積分控制輸出信號uI,該信號與偏差的累積值成正比,用于消除偏差的積分效應(yīng)和提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性如式(5)所示:

(5)

式(5)中,Ki是積分控制增益參數(shù),用于調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)對持續(xù)偏差的補(bǔ)償能力。

將比例控制輸出信號和積分控制輸出信號相加,得到最終的控制信號ucontrol如式(6)所示:

ucontrol=uP+uI

(6)

根據(jù)控制信號ucontrol調(diào)節(jié)執(zhí)行器的工作狀態(tài),以使液位逐漸接近目標(biāo)液位設(shè)定值。通過不斷地對比實(shí)際液位測量值與目標(biāo)液位設(shè)定值,控制算法實(shí)時(shí)調(diào)整控制信號,使得液位在設(shè)定范圍內(nèi)穩(wěn)定控制。

算法流程如圖3所示,控制步驟如下:

圖3 程序控制流程圖

(1)開始;

(2)讀取目標(biāo)液位設(shè)定值Lset;

(3)讀取液位傳感器輸出的實(shí)際液位測量值Lmeasure;

(4)計(jì)算液位偏差e=Lset-Lmeasure;

(5)計(jì)算比例控制輸出信號uP=Kp·e,其中Kp是比例控制增益參數(shù);

(8)計(jì)算控制信號合成ucontrol=uP+uI;

(9)調(diào)節(jié)執(zhí)行器的工作狀態(tài),以使液位逐漸接近目標(biāo)液位設(shè)定值;

(10)延時(shí)一段時(shí)間,等待液位調(diào)節(jié)反應(yīng);

(11)返回步驟(3),循環(huán)執(zhí)行液位測量和控制操作;

(12)結(jié)束。

3 分析與討論

PLC自動(dòng)控制液位系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性,在液位控制方面具有明顯的優(yōu)勢。但在實(shí)際應(yīng)用過程中需要注意系統(tǒng)的維護(hù)和調(diào)整,以保證系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

該系統(tǒng)基于PLC實(shí)現(xiàn),使其具有高可靠性和穩(wěn)定性;液位傳感器采用差壓式傳感器,可以滿足一般場景下的精度要求;通過控制閥門開度實(shí)現(xiàn)液位控制,具有較好的控制效果。相比傳統(tǒng)的手動(dòng)控制方式,該系統(tǒng)具有更高的自動(dòng)化水平和穩(wěn)定性;PLC控制算法也具有較好的可調(diào)性和可重復(fù)性,可廣泛應(yīng)用于化工、制藥、食品等領(lǐng)域的液位控制。

但是,該系統(tǒng)也存在諸多缺點(diǎn):

(1)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)需要一定的技術(shù)水平和成本投入。

(2)該系統(tǒng)對環(huán)境和工藝參數(shù)的變化比較敏感,需要進(jìn)行定期維護(hù)和調(diào)整。

(3)PLC控制算法需要針對具體系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,否則控制效果會(huì)受到影響。

4 結(jié)語

綜上所述,本文討論了基于PLC的化工自動(dòng)液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,探索了在硫化過程中液位控制的應(yīng)用。通過差壓式液位傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測液位,PLC控制算法調(diào)節(jié)執(zhí)行器工作狀態(tài),系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制和穩(wěn)定調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)具有高可靠性、實(shí)時(shí)性和響應(yīng)性能,并具備良好的擴(kuò)展性和兼容性。分析表明了該系統(tǒng)在液位控制方面的優(yōu)越性,為化工領(lǐng)域的液位控制提供了一種可行且有效的解決方案。因此,系統(tǒng)的維護(hù)和調(diào)整仍需特別關(guān)注,以保證系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。未來的工作可進(jìn)一步優(yōu)化控制算法和系統(tǒng)架構(gòu),提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和控制精度,以滿足不同化工過程中的液位控制需求。