外旋式紙漿濃度變送器的改進與應用

石春鶴 陳冠魁 韓曉微

(1.沈陽大學信息工程學院,遼寧沈陽,110044； 2. 丹東東方測控技術(shù)股份有限公司,遼寧丹東,118002)

紙漿濃度變送器是一種紙漿濃度測量裝置,該裝置通過敏感元件與紙漿之間的相對運動將濃度變化轉(zhuǎn)變?yōu)榱刈兓?再用隨動系統(tǒng)跟蹤測量力矩變化,從而達到實時測量紙漿濃度的目的。制漿造紙過程中使用的紙漿濃度變送器有很多種,外旋式紙漿濃度變送器是其中之一。它是由驅(qū)動電機、連接軸、信號發(fā)生器和轉(zhuǎn)子敏感檢測元件組成。將外旋式紙漿濃度變送器安裝到專門的取樣桶內(nèi),使其轉(zhuǎn)子敏感檢測元件與紙漿相接觸,電機按設定轉(zhuǎn)速驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),同時信號發(fā)生器輸出相應的脈沖信號。轉(zhuǎn)子敏感檢測元件與紙漿產(chǎn)生的摩擦力會影響驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩,當紙漿濃度不同時,轉(zhuǎn)子敏感檢測元件與紙漿的摩擦力發(fā)生變化,從而使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化,變送器送出的電信號也隨之變化,從而測量出紙漿濃度。這種測量方式的測量精度和穩(wěn)定性較好,便于觀察,維修維護簡便,且性價比較高,因而，在造紙工業(yè)得到廣泛應用。

傳統(tǒng)的外旋式紙漿濃度變送器在使用中存在一些缺點,如測速精度、標定方式、干擾補償?shù)葐栴}都會影響紙漿濃度的測量精度。本課題對傳統(tǒng)外旋式紙漿濃度變送器在測量算法和標定方式上進行了改進,增加了干擾補償功能,使測量精度大大提高。同時，介紹了改進后的外旋轉(zhuǎn)式紙漿濃度變送器的組成結(jié)構(gòu)、算法、標定方式和干擾補償方法。

1 外旋式紙漿濃度變送器測量原理與系統(tǒng)組成

1.1外旋式紙漿濃度變送器測量原理

紙漿懸浮液在容器內(nèi)流動時,在剪切應力較小和運動速度較低的情況下,紙漿纖維對管壁的摩擦力比纖維之間的摩擦力大,因此,管壁附近的紙漿不運動,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的運動阻力是由各層纖維之間的摩擦力決定的。若紙漿濃度越大,紙漿各層纖維之間的交織越好,摩擦力就越大于水的阻力。

紙漿懸浮液運動時,根據(jù)轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時的制動力矩可確定紙漿濃度[1]。

圖1為外旋式紙漿濃度變送器葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩與紙漿濃度的關(guān)系。由圖1可以看出,紙漿濃度大于1.5%,甚至高于2%時,轉(zhuǎn)矩與紙漿濃度才接近直線關(guān)系。紙漿濃度大于1.5%后,3種紙漿的曲線基本重合。當紙漿濃度升高時,紙漿濃度變送器敏感元件葉片轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩相應增大,但此力矩會導致葉片轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降。這些為紙漿濃度測量提供了理論依據(jù)。

1.2外旋式紙漿濃度變送器結(jié)構(gòu)

外旋式紙漿濃度變送器主要由交流電機、編碼器、連接軸、旋轉(zhuǎn)葉片組成。交流電機穩(wěn)定可靠、價格低廉、故障率極低。編碼器輸出信號一般為1000P/R以上,比傳統(tǒng)的編碼盤高十幾倍,可以得到很高的轉(zhuǎn)速檢測精度。信號處理控制部分由PLC、變頻器、觸摸屏構(gòu)成。PLC強大的控制及計算能力在實際應用中得到充分發(fā)揮,紙漿濃度測量中的數(shù)學模型可由PLC指令編程全部實現(xiàn)。PLC、變頻器、編碼器、驅(qū)動電機構(gòu)成閉環(huán)恒速系統(tǒng)，確保準確測量紙漿濃度。外旋式紙漿濃度變送器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.3外旋式紙漿濃度變速器測量算法與系統(tǒng)標定

圖3為外旋式紙漿濃度變送器測量原理示意圖。變送器葉片轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時敏感元件檢測到紙漿濃度變化,反映到轉(zhuǎn)子軸的制動力矩發(fā)生變化,其驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速相應地也會發(fā)生變化,因此,驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速隨紙漿濃度變化而變化。

為了提高系統(tǒng)的控制性能,對偏差e(見圖3)采用傳統(tǒng)的PID控制算法,算式如下:

(1)

1.3.1濃度測量算法

為了在控制器中運行該控制函數(shù),必須將連續(xù)函數(shù)量化為偏差的定期樣本,隨后計算輸出?？刂破鬟\算以式(2)為基礎：

(2)

式(2)中共有3項，第一項為比例項，第二項為積分項，第三項為微分項。積分項為全部偏差項的函數(shù),從第一個樣本至當前樣本。微分項是當前樣本和前一個樣本的函數(shù),而比例項僅是當前樣本的函數(shù)。在控制器中,既不可能、也沒有必要存儲所有的偏差項樣本。因為從第一個樣本開始,每次對偏差取樣時控制器都必須計算輸出值,僅需存儲前一個偏差項和前一個積分項數(shù)值。由于控制器計算結(jié)果的重復性,可在任何取樣時間對公式進行簡化。簡化后的公式為：

Mn=Kcen+(Kien+Mx)+Kd(en-en-1)

(3)

系統(tǒng)選用PLC為控制核心,計算回路輸出值時,還需對公式(3)進一步修改,修改后公式為：

(4)

式中，Mn為取樣時間n的回路輸出計算值；Kc為回路增益；en為設定值與檢測值的偏差；Ts為回路取樣時間,min；Ti為積分時間,min；Mx為取樣時間n-1的積分項數(shù)值；Td為回路微分階段(也稱為微分時間或速率),min；PVn為取樣時間n的檢測數(shù)值；PVn-1為取樣時間n-1的檢測數(shù)值。

1.3.2動態(tài)標定

(1)標定方法

將外旋式紙漿濃度變送器安裝到模擬的紙漿流送裝置上,啟動漿泵使紙漿在漿池與測量桶之間循環(huán)運動。分次向漿池內(nèi)加入濃度20%以上的高濃紙漿,使?jié){池中紙漿濃度逐漸升高,每次加入高濃紙漿且漿池內(nèi)漿濃穩(wěn)定后,取漿樣手工檢測紙漿實際濃度(以下稱為“紙漿實際濃度”),在取樣的同時記錄外旋式紙漿濃度變送器的測量電壓(見表1)。由于條件限制,紙漿濃度最大達到4%左右。

將表1中的測量電壓對紙漿實際濃度做圖(見圖4)。由圖4可知,測量電壓與紙漿實際濃度高度線性相關(guān)。只需將測量電壓標定為濃度(即紙漿測量濃度),即可達到利用紙漿濃度變送器直接讀取紙漿濃度測量值的目的。

表1 紙漿實際濃度與外旋式紙漿濃度變送器測量的電壓

設紙漿測量濃度為y,測量電壓為x,則紙漿測量濃度與測量電壓可由式(5)表示。

y=a+bx

(5)

標定的目的就是通過實驗數(shù)據(jù)求出式(5)中的最佳斜率b和截距a。

對滿足線性關(guān)系的一組等精度測量數(shù)據(jù)(xn,yn),假定自變量xn的誤差可以忽略,則在相同xn下,測量點yn和直線上的點a+bxn的偏差dn如下：

d1=y1-a-bx1

d2=y2-a-bx2

?

dn=yn-a-bxn

解得：

(6)

(7)

將求出的a和b帶入式(5)即可得到紙漿濃度變送器測量濃度與測量電壓間的回歸方程。

(2)實際計算

根據(jù)表1中的7組測量數(shù)據(jù),由式(6)和式(7)計算得：

a=0.667,b=0.509

將a、b代入式(5)得到標定后的紙漿濃度測量回歸方程：

y=0.667+0.509x

(8)

將表1中的測量電壓代入式(8)中進行計算,得出紙漿測量濃度(見表2)；該回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2為0.9991,說明使用該回歸方程計算得到的紙漿濃度測量值與紙漿實際濃度高度線性相關(guān)。由表2可知,由改進后的外旋式紙漿濃度變送器得到的紙漿濃度測量值與紙漿實際濃度非常接近,經(jīng)計算得到其絕對誤差S絕為0.02%,相對誤差S相為0.56%,誤差很小。

表2 紙漿濃度測量值與紙漿實際濃度對比

2 外旋式紙漿濃度變送器調(diào)試

2.1系統(tǒng)調(diào)試

由圖3可知,紙漿濃度發(fā)生變化時,驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速n隨之變化,轉(zhuǎn)速的這一變化立即由編碼器檢測到(即PV值)并送至PLC,在PLC中與速度設定值(即SV值,在PLC的PID操作中稱為SP)比較后得到偏差e,再對e進行PID運算產(chǎn)生新的MV(Mn)。Mn是數(shù)字量值,經(jīng)PLC濃度換算子程序計算得出當前濃度,同時Mn由數(shù)模(D/A)模塊轉(zhuǎn)換成4～20 mA模擬信號輸送至變頻器,向其發(fā)送新的、合適的頻率設定值。使驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速快速平滑地回到設定值。在本課題設計中,未采用轉(zhuǎn)速來轉(zhuǎn)換成紙漿濃度,而是采用PID輸出值轉(zhuǎn)換成紙漿濃度。雖然兩者都可用以轉(zhuǎn)換成紙漿濃度,但其意義與效果卻完全不同。

首先,設定外旋式紙漿濃度變送器驅(qū)動電機變頻器中的電機控制模式,由于濃度變送器電機的轉(zhuǎn)矩與接觸濃度變送器葉片的紙漿濃度具有線性關(guān)系,因此,可選擇恒轉(zhuǎn)矩(V/F)模式。此模式可選擇固定電壓V,當頻率F變化時意味著轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化。所以,為紙漿濃度變送器驅(qū)動電機設定合理的轉(zhuǎn)速,變頻器就會輸出相應的頻率驅(qū)動電機按設定值運轉(zhuǎn)。

其次,在PLC的PID向?qū)е性O定輸入回路的設定值(SP)為0～500,過程變量值(PV)0～416,回路輸出值0～32000,其他回路參數(shù)如比例增益、取樣時間、積分時間、微分時間均隨實際操作時現(xiàn)場的系統(tǒng)狀況而定。圖5為PLC的 PID控制面板操作畫面之一。

圖5 調(diào)整前PID調(diào)節(jié)控制面板操作畫面

圖6 調(diào)整前紙漿濃度變送器實時趨勢圖

圖7 調(diào)整后PID調(diào)節(jié)控制面板操作畫面

圖8 調(diào)整后紙漿濃度變送器實時趨勢圖

PID調(diào)節(jié)控制面板是PLC整定PID參數(shù)的有效工具。一般情況下,PID參數(shù)首先按經(jīng)驗數(shù)據(jù)輸入,再根據(jù)趨勢圖中曲線運行狀況更改參數(shù),直到過程變量曲線趨近設定曲線(近似與重合),參數(shù)整定完成并更新PLC,將整定的PID參數(shù)寫入PLC相關(guān)數(shù)據(jù)存儲區(qū)。圖5中設定值為100,取樣時間1 s,增益為-0.5,積分時間0.03 min,微分時間為0。趨勢圖顯示劇烈振蕩,說明增益過大,積分時間太短。圖6中曲線1為紙漿濃度變送器電機轉(zhuǎn)速曲線,曲線2為紙漿濃度曲線,曲線3為變頻器頻率設定曲線。通過這些曲線可以清晰地看出PID參數(shù)是不匹配(未整定好)的,引起系統(tǒng)振蕩。

經(jīng)多次調(diào)整后,將增益調(diào)整為-0.08,積分時間調(diào)整為0.1 min,其他不變,PID調(diào)節(jié)控制面板如圖7所示。趨勢圖中過程變量曲線趨近設定曲線,輸出值曲線也基本穩(wěn)定,表明參數(shù)整定合理。將參數(shù)寫入PLC,退出PID調(diào)節(jié)控制面板。改變PID參數(shù)后紙漿濃度測量系統(tǒng)檢測趨勢圖見圖8。圖8為10 min的趨勢圖,紙漿濃度變送器電機平均轉(zhuǎn)數(shù)為99.3 r/min,標準差為3.218 r/min；變頻器頻率設定平均值為6.30 V,標準差為0.0087 V；紙漿濃度測量值的平均值為3.9%,10 min內(nèi)的標準差為0.0045%,測量精度較高。因此,與采用電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換相比,采用PID輸出值轉(zhuǎn)換成紙漿濃度對提高系統(tǒng)測量精度和測量性能更有益處。

2.2干擾補償

實際生產(chǎn)中,生產(chǎn)現(xiàn)場對外旋式紙漿濃度變送器的外來干擾較多,如環(huán)境溫度、管道壓力等均會對測量結(jié)果造成影響。本研究對能夠引起測量誤差、不能忽略的干擾都采取了有效補償。

一般情況下,環(huán)境溫度發(fā)生變化時,紙漿濃度變送器的測量電壓會隨溫度的改變而變化(見圖9),導致紙漿濃度測量值的改變,測量精度下降。如紙漿溫度在35.0～46.5℃范圍內(nèi)變化時,紙漿實際濃度為2.58%,儀器測量濃度的相對誤差的標準差為0.021%。因此，為了補償環(huán)境溫度的影響，在紙漿濃度變送器上安裝了溫度傳感器。

圖9顯示了紙漿濃度變送器測量電壓與溫度的關(guān)系。由圖9可知,溫度與測量電壓之間有一定變化規(guī)律,因此，采用最小二乘法對紙漿濃度測量值進行補償,補償后的紙漿濃度測量值與40℃時的紙漿濃度測量值的相對誤差的標準差僅為0.0011%,比補償前的0.021%大幅降低。圖10為經(jīng)過補償?shù)臏y量電壓與紙漿濃度測量值的關(guān)系。從圖10可知,補償后測量電壓變化區(qū)間很窄。

圖9 環(huán)境溫度對測量電壓的影響

此外,對由于管道壓力變化而引起的紙漿濃度測量值的測量誤差也進行了補償,即在測量桶紙漿入口處安裝壓力(漿位)傳感器,用設定壓力與測量壓力的差值去分析、計算對紙漿濃度的補償參數(shù)。

3 結(jié) 語

介紹了改進后的外旋式紙漿濃度變送器,闡述了該變送器的工作原理、系統(tǒng)組成、測量算法及其標定和實驗情況。在紙漿流送系統(tǒng)的運行實踐證明,改進后的外旋式紙漿濃度變送器設計合理；由于增加了多種干擾補償,由其紙漿濃度測量值與紙漿實際濃度非常接近,測量效果較好。

參 考 文 獻

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