傳統(tǒng)皮帶秤的自動化改造

陳權(quán)權(quán) 王慶河 龐杰林 房英翠

（濟南鋼鐵集團公司，濟南250101）

傳統(tǒng)皮帶秤的自動化改造

陳權(quán)權(quán) 王慶河 龐杰林 房英翠

（濟南鋼鐵集團公司，濟南250101）

介紹一項利用生產(chǎn)工藝過程自動化控制系統(tǒng)對傳統(tǒng)皮帶秤系統(tǒng)實施自動化改造的方案。其核心理念是：以生產(chǎn)過程控制器替代傳統(tǒng)稱重二次儀表，以人性化、網(wǎng)絡(luò)化的計算機軟件界面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)場二次儀表校準系統(tǒng)，從而將皮帶秤配料系統(tǒng)融入生產(chǎn)自控系統(tǒng)，實現(xiàn)配料秤系統(tǒng)的計算機自動化，提高了皮帶秤稱重的系統(tǒng)性、可維護性、準確性和可靠性。

傳統(tǒng)稱重二次儀表；過程控制器；自動化；準確性

0 引言

我公司各生產(chǎn)廠配料皮帶秤多采用模擬稱重傳感器外接稱重二次儀表，由二次儀表轉(zhuǎn)化為流量傳輸上位顯示的方式，這種稱重系統(tǒng)優(yōu)點在于系統(tǒng)簡單、安裝方便和靈活性強，但也有其固有的缺點：稱重傳感器毫伏值遠傳抗干擾能力差、失真率高等；稱重二次儀表維護量大、故障率高、采購備件成本高、不易操作，并且存在長期使用穩(wěn)定性和準確性都明顯下降等缺點。針對這種情況我們決定對部分配料皮帶稱重系統(tǒng)實施改造，利用現(xiàn)場自動化控制系統(tǒng)的控制器取代二次表頭，在稱重傳感器外側(cè)增加低成本高穩(wěn)定性的變送放大單元將稱重毫伏電壓轉(zhuǎn)化成標準4～20mA環(huán)路電流，從而實現(xiàn)小信號無損遠傳。

1 改造前皮帶稱重系統(tǒng)

改造前，稱重傳感器的0～10mV稱重信號傳遞給稱重二次表，經(jīng)二次表轉(zhuǎn)化為流量值，該流量值信號以4～20mA的形式傳給PLC或DCS，由連接PLC或DCS的計算機進行上位軟件顯示，示意圖如圖1。

圖1 改造前皮帶稱重系統(tǒng)示意圖

2 改造后皮帶稱重系統(tǒng)

如圖2所示，改造后，以信號放大器和過程控制器替代稱重二次表，PID控制輸出經(jīng)過程控制器計算給出。

圖2 改造后皮帶稱重系統(tǒng)示意圖

3 系統(tǒng)改造的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 控制器參與流量控制

傳統(tǒng)稱重系統(tǒng)中，流量的校準和控制是由稱重二次表完成，過程控制器只參與接收流量值并進行上位顯示。該自動化改造實現(xiàn)過程控制器參與流量控制，將傳統(tǒng)的皮帶秤納入過程自動控制體系中。

3.2 稱重信號放大器

該自動化改造以稱重信號放大器取代傳統(tǒng)稱重二次表，信號放大器安裝在配料秤現(xiàn)場，解決了毫伏值稱重信號遠距離傳輸受工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境干擾大的問題，提高了稱重控制系統(tǒng)采集信號的穩(wěn)定性和可靠性。

稱重放大器必須參照傳感器的規(guī)格參數(shù)選定，具備為傳感器提供恒定供橋電壓功能?；竟δ芫邆?～10mV轉(zhuǎn)4～20mA，轉(zhuǎn)換精度在0.1%以內(nèi)。

3.3 零點校對和斜率校準的上下位程序設(shè)計

3.3.1 程序概述

本稱重系統(tǒng)上、下位程序編程方式因控制器不同而有所區(qū)別，本文主要講述編程框架思想和一些重要算法。核心編程在下位控制器中完成，主要有信號濾波、零點校對、斜率校準和PID控制四部分組成。

3.3.2 稱重信號的軟件濾波處理

由于配料工藝要求信號穩(wěn)定、波動幅度小，而稱重傳感器檢測信號的波動比較大，原有的稱重系統(tǒng)由于二次稱重儀表對信號已經(jīng)進行處理，可以輸出相對較穩(wěn)定的流量電流信號；改造后的系統(tǒng)由于稱重信號經(jīng)放大器直接進入控制器的模擬量輸入模塊，未對信號波動進行處理，所以要對稱重信號實施必要的軟件濾波。

綜合比較工控系統(tǒng)常用的數(shù)字濾波算法，本系統(tǒng)采用10次均值加權(quán)實時濾波。順次取當前值及之前10個稱重信號值做平均得出當前值，本次濾波值與上次濾波值再做加權(quán)相加得出濾波后的稱重值Mfilted

式中，Mn為控制器每次采樣值；x為加權(quán)值。

3.3.3 傳感器零點電流值校對

傳感器零點是皮帶秤在空載的狀況下，傳感器的稱重信號值。由于工況不同，不同的皮帶秤具有不同的零點，所以需要對零點進行校對，傳統(tǒng)皮帶秤的零點校對是由稱重二次表中完成，在改造之后該功能需要在控制器中編程完成。程序算法如下：

式中，I零點為零點電流值；Tz為校零時間；I為傳感器實時測量對應(yīng)電流值。

3.3.4 流量斜率校準

校準斜率是表征稱重傳感器稱量值對應(yīng)實際流量的一個參數(shù)，需要將稱重信號值與實際流量值作比較才能得出。同樣，這個稱量斜率的校準也需要在程序中完成。程序算法如下：

式中，Snew為校準后新斜率；M校準為程序校準前的原斜率Sold累積值；M實際為理想實際值，可以為鏈碼或者實物值。

3.3.5 PID控制程序

如圖1所示PID控制功能在改造前由二次稱重儀表實現(xiàn)流量控制；如圖2流量的PID控制功能由控制器編程實現(xiàn)，普通的過程控制器的下位編程軟件通常都集成常規(guī)的PID模塊，在編程中調(diào)用，設(shè)定P、I、D參數(shù)以及其他關(guān)鍵參數(shù)，即可實現(xiàn)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。也可以編程自定義PID模塊實現(xiàn)給定控制。

如圖3為常規(guī)PID模塊的功能示意圖。該計算模塊主要由比例○P、積分?和微分?組成。其中SP為設(shè)定值；PV為測量值；Err為測量值與設(shè)定值偏差；KP，KI，KD分別為比例、積分和微分系數(shù)；YP為比例計算輸出；YI為積分計算輸出；YD為微分計算輸出；Yman為手／自動模式；Bias為輸出偏置值；Y為PID合成計算輸出值。

PID計算公式：

式中，d t為掃描周期；TD為微分時間；下標（new）為當前掃描周期值；下標（old）為上一個掃描周期值。

圖3 PID模塊示意圖

4 皮帶秤自動化系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性

由于過程控制器的測量精度和控制準確性都遠遠高出普通稱重二次表，用過程控制器取代稱重二次表后，配料秤的準確性也有了顯著的提升。通過實物校準對比，稱重的準確度由先前1%～5%提升至0.5%～1%；通過調(diào)整PID控制參數(shù)，流量控制精度和穩(wěn)定性也得到加強，流量的幅值穩(wěn)定控制在給定值2%～5%上下浮動，完全達到工藝的控制要求。

5 結(jié)束語

以上對傳統(tǒng)皮帶秤的自動化改造方案是建立在生產(chǎn)現(xiàn)場自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)皮帶秤融入過程控制體系中，利用原有鋪設(shè)線路和設(shè)備，節(jié)約了成本。本次改造提高了皮帶秤信息自動化水平和過程控制精準度，有效地降低了維護成本，為工業(yè)生產(chǎn)過程自動化改造提供很實用的范例，具有一定的推廣應(yīng)用前景。

［1］侯志林.過程控制與自動化儀表.機械工業(yè)出版社，2004

［2］費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理.機械工業(yè)出版社，2003

［3］Schneider.Modicon Concept V2.1編程軟件培訓資料，2009

［4］王慶河.寬量程、高準確度、數(shù)字變頻調(diào)速電子皮帶秤的設(shè)計與應(yīng)用.計量技術(shù)，2004（5）

［5］王慶河.數(shù)據(jù)處理中的幾種常用數(shù)字濾波算法.計量技術(shù)，2003（4）

10.3969／j.issn.1000－0771.2013.4.13