基于PLC的自動滴液機精密滴定控制技術(shù)

賴 明 ，紀躍波

(集美大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

基于PLC的自動滴液機精密滴定控制技術(shù)

賴 明 ，紀躍波

(集美大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

在印染和紡織行業(yè)中，為了探究如何更快速更精確地控制染色劑滴定的精度，就如何自動控制滴液機的精密滴定作了初步的探討.基于伺服控制原理，設(shè)計了滴液機的PLC自動滴定控制系統(tǒng)，電子稱與PLC之間的自由通訊以及滴定控制算法，并進行了滴定試驗.通過試驗分析可知：在閉環(huán)控制算法中，經(jīng)多環(huán)節(jié)閉環(huán)控制，可使得滴定精度達到±0.01 g.

滴液機；PLC；伺服系統(tǒng)；自由口通訊；閉環(huán)控制算法

0 引言

在醫(yī)學(xué)、印染、化工等行業(yè)中早期的取液和滴液是以人工重復(fù)操作實現(xiàn)的，滴定精度難于保證.隨后對手工滴定裝置進行改裝，在手工控制部分加上機械、電磁控制裝置，如空氣截流閥、電磁閥等，雖提高了滴定精度，但此類滴定管的最大缺點是較難實現(xiàn)準確關(guān)閉，且無法實現(xiàn)無級調(diào)節(jié).之后出現(xiàn)了許多硬件控制的自動滴定儀，如記錄式電位滴定儀、微分電位滴定儀等，迅速取代了傳統(tǒng)的手工滴定裝置，雖有一定的準確度和精密度，但終點的檢測誤差是硬件控制電位滴定精度的一個極限因子，對滴定精度有較大的影響[1-2].

隨著電子計算機以及自動滴定技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,采用小型(或微型) 電子計算機或微處理機控制的自動滴定系統(tǒng)日益增多，數(shù)字滴定管得到了廣泛應(yīng)用，其以電機驅(qū)動注射器的結(jié)構(gòu)原理構(gòu)成，易實現(xiàn)無級調(diào)節(jié),能夠接受計算機的指令,控制每一次的輸送劑量，最高的精度可達到±0.01mL.在計算機控制的自動滴定系統(tǒng)中,通過數(shù)字滴定管與其他軟硬件的結(jié)合，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動實時采集、平衡電位滴定、自動滴液和補液、滴定劑增量動態(tài)調(diào)整和滴定終點自動檢測與判別、最小二乘法平滑微分曲線等技術(shù)，這些技術(shù)的應(yīng)用有效地解決了硬件控制自動滴定儀所存在的問題，并且顯著提高了滴定精度[3].

在印染和紡織行業(yè)中，染色劑的配置是先通過控制滴液機快速滴定，獲得一定質(zhì)量的染料，再進行混合拼色處理，因此對滴液機所采取的速度和位移的控制至關(guān)重要，其影響著滴定的精度，從而影響染色劑的成色品質(zhì)和生產(chǎn)效率.PLC作為運動控制單元，具有應(yīng)用廣泛、設(shè)計簡單可靠、維護方便等優(yōu)勢.為此本文擬設(shè)計開發(fā)一種基于PLC伺服控制的滴液機的自動滴定技術(shù)，采用伺服控制和多環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制，以期達到既定的滴定精度和滴定效率.

1 滴定基本系統(tǒng)

自動滴定系統(tǒng)如圖1所示.

PLC發(fā)出的脈沖數(shù)與編碼器檢測的位置反饋脈沖數(shù)同時送入伺服驅(qū)動器，比較這兩種脈沖并確定偏差，按一定控制規(guī)律運算后得到的校正信號作為速度控制器的給定，經(jīng)電流調(diào)節(jié)與功率放大，使運動機構(gòu)朝消除偏差的方向運動[4-5].系統(tǒng)工作原理為：伺服電機的正反旋轉(zhuǎn)通過絲桿轉(zhuǎn)化為平行夾的往復(fù)直線運動，平行夾用于夾取注射器活塞，通過活塞的壓縮或抽空，實現(xiàn)滴定管的注液和吸液.電子稱將液體實際質(zhì)量反饋給PLC，PLC根據(jù)目標設(shè)定值與實際質(zhì)量值的偏差,產(chǎn)生校正信號,以驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)一定角度進行補液，調(diào)節(jié)過程持續(xù)進行直到控制對象的實際質(zhì)量與目標質(zhì)量之間的偏差處于允許的誤差范圍之內(nèi).

本文所用滴液機由廈門瑞比精密機械有限公司提供，簡圖如圖2所示.

2 控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)硬件由臺達ASD-A0221-AB系列伺服控制器、ECMA-C30602ES伺服電機、增量型脈沖編碼器(分辨率為10000ps/r)、永宏FBS-40mctPLC組成，系統(tǒng)硬件原理如圖3所示.

1)在系統(tǒng)中，利用PLC的高速脈沖輸出端Y0(脈沖數(shù))和Y1(脈沖方向)，分別與伺服驅(qū)動器CN1的41引腳和37引腳連接，通過FUN140高速脈沖輸出指令輸出脈沖.脈沖指令的輸出使用集電極開路方式送至伺服驅(qū)動器，最大輸入脈沖頻率為200 kHz.

2)交流伺服驅(qū)動器集成了位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)等多種調(diào)節(jié)控制功能.其具有多種控制模式，如位置模式、速度模式、扭矩模式等，通過改變對應(yīng)的參數(shù)來實現(xiàn)不同的控制功能.由于需要精確的控制平行夾的速度和位置，而選用Pt位置控制模式，該模式通過PLC產(chǎn)生的脈沖來控制伺服電機的轉(zhuǎn)動，脈沖數(shù)決定伺服電機的轉(zhuǎn)角(即平行夾的移動距離)，脈沖頻率決定伺服電機的轉(zhuǎn)速[6-7].選擇將伺服電機作為推動注射器的動力,最大的優(yōu)點是可以依靠調(diào)節(jié)脈沖頻率來實現(xiàn)無級變速,因此這種滴液機的注液速度在較寬的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),能實現(xiàn)快速吸液與慢速滴定.

3 電子稱與PLC的通訊

滴定注射過程中必須能實時測量所滴液體的質(zhì)量，才能對滴定精度進行控制.本設(shè)計所用Precisa XS 6250C型電子稱，其量程為0～6250 g,分辨率為0.01 g，以ASCII碼形式進行傳輸，具有RS232通訊功能，與PLC的連接不需進行協(xié)議轉(zhuǎn)換,響應(yīng)時間短.

3.1 通訊設(shè)計

PLC與電子稱之間采用串行半雙工通訊,通訊格式為ASCII碼，通訊協(xié)議為自由口協(xié)議，即將永宏P(guān)LC作為主站，根據(jù)從站的通訊格式來編寫通訊傳輸數(shù)據(jù)格式，以保證通訊格式的一致性.只有符合從站設(shè)備的數(shù)據(jù)格式，設(shè)備才能識別主站發(fā)送出來的命令要求，再根據(jù)命令來進行數(shù)據(jù)處理、做響應(yīng)回復(fù)等工作.因此，將PLC作為主站發(fā)送控制信號,電子稱作為從站響應(yīng)PLC的信號并作出相應(yīng)的動作[8-10].

電子稱的數(shù)據(jù)以ASCII碼值的形式返回給PLC，數(shù)據(jù)傳送形式選用print輸出即在每次稱量時,先由PLC對電子稱發(fā)送大寫字母“T”信號，即電子稱去皮清零，延遲1～2 s后對電子稱發(fā)送大寫字母“PRT”信號，電子稱將凈重值返回給PLC.在注液過程中，PLC就能夠?qū)崟r地獲得電子稱返回的滴落至容器內(nèi)液體的質(zhì)量.

FUN151通訊聯(lián)機指令具有MD0～MD3 4種工作模式，本設(shè)計中使用MD1模式即自由協(xié)議主動模式，該模式提供永宏P(guān)LC主動與具有RS232/RS485通訊端口的智能型外圍設(shè)備聯(lián)機.將電子稱和PLC的波特率均設(shè)為9600 bit/s、數(shù)據(jù)位為7位、停止位為1位、校驗位為偶校驗.

在FUN151的SR寄存器空間內(nèi)，建立可以直觀有效的對PLC所發(fā)送數(shù)據(jù)進行編寫的通訊表格，如圖4所示，根據(jù)發(fā)送的信號將通訊模式置為“0”或“1”，即只傳出信息或傳出后接受信息.在“通訊命令編輯”中，命令的輸入可以使用十進制、十六進制和字符來表示，若用字符表示，則需用單引號引起來，以表示字符的ASCII碼.如在“通訊命令編輯”欄中輸入十進制80,82,84,13,10,則表示“PRT”信號.表格起始地址輸入與FUN151的SR起始地址一致,表格容量設(shè)定一般為動態(tài)分配，這樣在添加命令時系統(tǒng)會自動分配空間，使用空間不能與程序其他地方重復(fù)使用.

3.2 PLC接收數(shù)據(jù)處理

表1 PLC數(shù)據(jù)接收表Tab．1 DataacquisitionofPLC接收寄存器ReceiveresisterASCII碼ASCIIcode對應(yīng)十進制值CorrespondingdecimalD10032spD10143+D10232spD10332spD10432spD10532spD106491D107502D10846．D109513D110513D11132spD112103g

電子稱與PLC通訊成功后，電子稱返回給PLC的質(zhì)量值按位分別儲存于FUN151中的“指令運作起始緩存器”WR中，如表1所示接收質(zhì)量為12.33g.

因注射腔容量有限，將試驗過程中滴定質(zhì)量控制在30 g之內(nèi)，且D98—D104(空格和+)、D108(小數(shù)點)、D111(空格)、D112(單位g)中的ASCII碼值是固定不變的儲存于對應(yīng)的寄存器中，只有D106、D107、D109、D110這4個寄存器中的值隨著所滴定液體質(zhì)量變化而變化.因此，需對所接收數(shù)據(jù)進行處理，將質(zhì)量值完整的儲存于一個寄存器中，才能進行之后的數(shù)據(jù)調(diào)用和偏差的比較計算.

按(∑Mn×10n+1)/100對接收數(shù)據(jù)進行處理，即保留D105、D106、D107、D109、D110這5個寄存器中的ASCII碼值并進行相關(guān)處理，電子稱只能讀取到小數(shù)點后2位小數(shù).

n取3、2、1、0、-1，M3表示十位上對應(yīng)十六進制碼，M0表示小數(shù)點后第一位對應(yīng)十六進制碼，M-1表示小數(shù)點后第二位對應(yīng)的十六進制碼.

空格對應(yīng)的ASCII碼值為32，將接收到的ASCII與32進行比較，若不大于則為空格，舍棄；若大于則為有用數(shù)據(jù)，進行下一步處理，最后將所得質(zhì)量值轉(zhuǎn)換為浮點數(shù).具體處理過程如圖5所示.

4 系統(tǒng)實驗與分析

4.1 滴定常量的確定

由于滴定頭不能接觸燒杯內(nèi)溶液，受液滴表面張力影響，在小體積發(fā)送滴定劑時，會有液滴懸掛于滴定頭上，小體積液滴則不掉入燒杯內(nèi)，體積較大液滴則在自重力作用下，掉入燒杯內(nèi)，使得實際滴定量和測量結(jié)果不符，影響結(jié)果的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的準確性.

確定一滴球狀液滴的質(zhì)量以及所需發(fā)送的脈沖數(shù)等滴定常量，通過改變脈沖個數(shù)和脈沖頻率重復(fù)滴定一滴水滴，實驗液體為水，得出如下結(jié)果：

1)在密閉環(huán)境下進行實驗，實驗溫度為25 ℃，避免輕微的震動對讀取電子稱數(shù)據(jù)的影響.滴定裝置能順利的滴下一滴液滴所需發(fā)送的脈沖數(shù)約為120～150個，脈沖頻率為80～150 Hz.一旦脈沖數(shù)低于100時，則液滴無法正常滴落，需累加一次，而當脈沖數(shù)達到350以上時，會滴落2滴液滴，且一滴液滴的質(zhì)量約為0.03g.

2)當液滴是在機械慣性和沖擊的作用下滴落時，液滴質(zhì)量為0.02g.

3)1 g水滴至少需發(fā)送4000個脈沖.

因絲桿導(dǎo)程Ph=5mm,平行夾走動一個導(dǎo)程所需的脈沖數(shù)為10000,滴定管的內(nèi)徑d=2.5mm,通過實驗分析，發(fā)送一滴水滴的脈沖的為120～150個，則依據(jù)(120-150)/10000×Ph×π/4d2×10-3計算得到一滴水滴質(zhì)量值為0.0294375～0.0367969g.

計算結(jié)果與實驗結(jié)果的偏差為-0.0067969～+0.0005625，符合要求.

4.2 滴定控制算法

在滴定管內(nèi)徑為2.5mm，一滴液滴質(zhì)量為0.03 g的條件下，為了達到±0.01g的精度，考慮通過算法來實現(xiàn).若偏差Δm=0.02、0.03、0.04 g，則補充一滴液滴即可；若偏差較大，則調(diào)用子程序，補充若干液滴，直到將偏差控制在0.02、0.03、0.04 g，這時再低速補充一滴液滴即可.圖6為滴定控制流程圖，其中0.06、0.04、0.02 g為偏差的比較值.

4.3 滴定控制實驗

整個滴定過程分2個步驟進行，步驟1大量快速注液，逼近目標值；步驟2低速微量滴定達到目標值.在兩步驟間設(shè)有若干秒的時間間隔，在脈沖發(fā)送完成后即自動停止電機，延遲若干秒進行偏差計算后再進入下一步的微量滴定,這樣有利于減輕液體波動對電子稱讀數(shù)的影響，待完全靜止后電子稱再將實際值m1傳送給PLC.

因注射管容積有限，需讓滴液機吸取一定量的液體才能進行之后的注射，預(yù)先設(shè)置好電機的反轉(zhuǎn)頻率和脈沖數(shù)，控制電機反轉(zhuǎn)即可.因整個試驗裝置無法處于一個完全密閉的環(huán)境內(nèi)，吸取液體時注射腔內(nèi)會混入大量空氣，而電機的高速轉(zhuǎn)動使機臺產(chǎn)生一定程度的震動，這些都會對滴定精度產(chǎn)生一定的影響.

以初次滴定10 g液體為例說明：滴定10 g液體需發(fā)送40000個脈沖，受注射腔內(nèi)空氣影響,在目標脈沖值發(fā)送完后，Δm=-2.8～-1.8 g，遠大于0.06 g，由于脈沖頻率較高，電機轉(zhuǎn)速較快，且瞬間停止了電機的轉(zhuǎn)動，對整個系統(tǒng)沖擊較大，致使有3～5滴液滴在慣性沖擊下滴落，因慣性滴落的液滴不影響步驟2的補液，故忽略不計.但因偏差過大，且電機頻率低于80 Hz(此頻率不能超過80 Hz，否則會有液滴懸掛于滴定頭并在重力作用下滴落)，該過程非常耗時而效率低下，在第二次及之后的重復(fù)注射10 g液體的過程中，因注射腔內(nèi)的大部分空氣已被排出，步驟1完成之后m1可達到9.8～9.92 g,其包括因慣性沖擊作用下滴落的液滴，而此時只需進行低速微量補液即可使得滴定精度達到±0.01g.在滴定過程中不計算偏差，指定脈沖數(shù)發(fā)送完成之后再進行偏差的比較計算，以避免脈沖數(shù)的累加.

經(jīng)多次試驗和調(diào)試，在-0.25 g<Δm<-0.08 g時,偏差較小，給定320～1000個脈沖低速運行，補充若干滴液滴即可，使Δm控制在±0.01 g內(nèi)，則該范圍稱為最優(yōu)偏差范圍.

為了減輕空氣對吸液后的初次滴定的影響，提高初次滴定效率，減小注液耗時，將整個滴定過程調(diào)整為以下3步：①大量快速注液；②中速補液；③微量滴定.在每個步驟間，仍設(shè)置若干秒的延遲.中速補液(頻率在1500～2000 Hz)可使吸液后的初次注液所得的過大的偏差快速的調(diào)整到最優(yōu)偏差范圍之內(nèi).經(jīng)過3個步驟的注液，效率有較大提升，但在步驟2電機停止時會有2～4滴液滴因慣性沖擊而下，時常會使偏差超過精度要求.因此，為了減小注射腔內(nèi)空氣，慣性沖擊對滴定的影響，而又兼顧滴定精度和滴定效率.對步驟①作如下處理：1)初次注液只注射目標值的整數(shù)部分m’，而留出小數(shù)部分質(zhì)量用于中速補液.2)在大量注液后所得偏差中扣除0.08 g的余量再進行第二次中速補液，對應(yīng)電機頻率設(shè)定在1500～2000 Hz.則初始脈沖數(shù)發(fā)送完成之后的偏差Δm=m-m1-0.08.以注射m=10.87 g為例說明，對應(yīng)脈沖頻率設(shè)定為25000 Hz,首先以整數(shù)部分10 g所需脈沖數(shù)40000進行大量快速注射，因空氣和慣性沖擊的影響得到m1=9.6～9.9g；延遲若干秒后以滴定(10.87-m1-0.08)g所需脈沖數(shù)進行中速注射，對應(yīng)脈沖頻率設(shè)定為1500 Hz,該過程用時不超過5 s.經(jīng)過以上2個步驟的注液，Δm就處于最優(yōu)控制范圍，再延遲若干秒后，進行微量補液，對應(yīng)脈沖頻率設(shè)定為80 Hz,從而使得偏差Δm=±0.01g.

在實際生產(chǎn)中，每種染料對應(yīng)一個滴定裝置，滴定管在不同的染料瓶中吸取染料后，通過三軸工作臺移動到配色盤中進行配比.為避免滴定裝置在返回原位置的過程中將滴定管內(nèi)的微量殘留液滴甩出，在滴定完成后，控制電機以1000 Hz的頻率反轉(zhuǎn)一定角度吸收微量殘留液滴至注射器內(nèi).

5 結(jié)束語

經(jīng)大量試驗表明，通過綜合運用偏差的閉環(huán)控制、多環(huán)節(jié)滴定、預(yù)留偏差余量補液、殘液控制等方法，能有效地降低注射腔內(nèi)混合空氣及慣性沖擊對滴定精度的影響，準確地將滴定精度控制在±0.01g內(nèi)，該方法已被應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，為實現(xiàn)染色劑的精確配比提供了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ).

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(責任編輯 陳 敏 英文審校 陳 武)

The PLC-Based Control Technology of Titration Precision for Automatic Dropping Machine

LAI Ming，JI Yue-bo

(School of Mechanical and Energy Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China)

In order to control the titration precision of staining agent for the printing and dyeing industry more quickly and accurately,The application of PLC-based servo control system in automatic dropping machine to improve its titration precision was preliminarily investigated.According to the principle of servo control the basic configuration of the titration precision control,the free communication between electronic scale and PLC,and the titration control algorithm were designed. The relevant experiments were carried out and analyzed.Experimental results showed that with the repeatedly closed loop control the control algorithm could make the titration precision reach ±0.01 g

automatic dropping machine；PLC；servo system；free-port communication；closed loop control algorithm

2013-06-28

2013-09-02

福建省自然科學(xué)基金資助項目(2013J01200)

賴明(1989—)，男，碩士生，主要研究方向為機電一體化技術(shù).通訊作者：紀躍波(1969—)，男，教授，博士，碩導(dǎo).從事機電一體化與計算機測控技術(shù)方向研究.E-mail：ybji@jmu.edu.cn.

1007-7405(2014)02-0137-06

TP 271.4

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