基于PLC的化工過程液位自動化控制系統(tǒng)設計

范建宏,吳 豪

(中策橡膠集團股份有限公司 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)生化學反應,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和調(diào)整。為了解決這些問題,自動控制技術(shù)應運而生,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備在化學工藝中得到廣泛應用。盡管PLC在化學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施方案。在許多化學工藝中,液位控制的穩(wěn)定性和準確性對于生產(chǎn)過程的成功運行至關(guān)重要。因此,開發(fā)一種基于PLC的液位自動控制系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)精準、可靠和靈活的液位控制,對于提高化學工藝的效率和安全性具有重要意義。

為了解決傳統(tǒng)手動液位控制方法存在的問題,設計和實現(xiàn)一種基于PLC的化學工藝液位自動控制系統(tǒng)。通過該系統(tǒng),可以實現(xiàn)液位的實時監(jiān)測、精確控制和自動調(diào)整,提高生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和效率。同時,本研究還將討論該系統(tǒng)在化學工藝中的可行性和有效性,為工業(yè)界提供一種先進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)手動液位控制方法通常依賴于操作員的經(jīng)驗和觀察,但是人工操作容易受到主觀因素的影響,導致液位控制的不準確性;手動調(diào)整液位需要大量人力和時間,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,手動控制方法反應遲緩且難以應對復雜的反饋關(guān)系。

1.2 自動控制的基本原理

自動液位控制通過利用反饋控制原理,基于系統(tǒng)的實時反饋信息進行調(diào)整,以實現(xiàn)液位的精確控制。常用的自動控制理論包括比例—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),實現(xiàn)對液位控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應速度的調(diào)節(jié)。

1.3 PLC的概述

PLC是一種專用的計算機控制設備,廣泛應用于自動化控制領域。PLC具有高度可編程性、實時性和可靠性的特點,適用于各種復雜的工業(yè)過程控制[5-6]。在液位控制中,PLC可以實時獲取液位傳感器的測量數(shù)據(jù),并通過控制算法計算出相應的控制信號,驅(qū)動執(zhí)行器控制液面[7-8]。

2 基于PLC的液位控制系統(tǒng)設計

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)控層由一些計算機組成,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)總體設計圖

監(jiān)控層由計算機組成,用于實時監(jiān)測和顯示液位控制系統(tǒng)的運行狀態(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)的實時數(shù)據(jù),包括設定液位、實際液位、控制信號等。監(jiān)控層將采集到的數(shù)據(jù)顯示在界面上,以便操作員實時了解液位控制的情況。同時,監(jiān)控層還可以根據(jù)設定的報警條件,對液位異常情況進行報警提示,以保證系統(tǒng)的安全運行。

控制層采用PLC,負責實現(xiàn)液位控制算法的計算和控制信號的生成。根據(jù)監(jiān)控層提供的設定液位和實際液位數(shù)據(jù),控制層通過內(nèi)部的控制算法計算出相應的控制信號,如閥門開度或泵的轉(zhuǎn)速?？刂茖訉⒂嬎愕玫降目刂菩盘栞敵龅綀?zhí)行器,通過調(diào)整執(zhí)行器的狀態(tài),實現(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)行器等設備,用于實時感知和調(diào)節(jié)化學工藝中的物理參數(shù)?，F(xiàn)場層的壓力傳感器和溫度傳感器等設備負責實時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。現(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,供控制層進行液位控制計算和決策。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)議進行通信,實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的采集和顯示,以及對液位異常情況的報警處理;控制層與現(xiàn)場層之間通過Profibus DP協(xié)議進行通信,實現(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)計算液位高度:

(2)

式(2)中,H表示液位高度,ΔP表示2個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的抗干擾能力,能夠穩(wěn)定地測量液位。

2.3 PLC控制算法設計

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

首先,計算液位偏差e,表示實際液位測量值與目標液位設定值之間的差異如式(3)所示:

e=Lset-Lmeasure

(3)

比例控制時,根據(jù)偏差e計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)的響應速度。

積分控制時,根據(jù)偏差的積分值計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液位設定值。通過不斷地對比實際液位測量值與目標液位設定值,控制算法實時調(diào)整控制信號,使得液位在設定范圍內(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)讀取目標液位設定值Lset;

(3)讀取液位傳感器輸出的實際液位測量值Lmeasure;

(4)計算液位偏差e=Lset-Lmeasure;

(5)計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液位設定值;

(10)延時一段時間,等待液位調(diào)節(jié)反應;

(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。但在實際應用過程中需要注意系統(tǒng)的維護和調(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現(xiàn)液位控制,具有較好的控制效果。相比傳統(tǒng)的手動控制方式,該系統(tǒng)具有更高的自動化水平和穩(wěn)定性;PLC控制算法也具有較好的可調(diào)性和可重復性,可廣泛應用于化工、制藥、食品等領域的液位控制。

但是,該系統(tǒng)也存在諸多缺點:

(1)系統(tǒng)實現(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,需要進行定期維護和調(diào)整。

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

4 結(jié)語

綜上所述,本文討論了基于PLC的化工自動液位控制系統(tǒng)的設計方案,探索了在硫化過程中液位控制的應用。通過差壓式液位傳感器實時監(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、實時性和響應性能,并具備良好的擴展性和兼容性。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。未來的工作可進一步優(yōu)化控制算法和系統(tǒng)架構(gòu),提高系統(tǒng)的自動化水平和控制精度,以滿足不同化工過程中的液位控制需求。