空氣炮與料位計(jì)聯(lián)合控制系統(tǒng)的可行性分析

韓晉軍

（青島泰德汽車(chē)軸承股份有限公司，山東 青島 266041）

1 緒論

1.1 課題研究背景及意義

空氣炮又名空氣助流器、破拱器、清堵器，是以突然噴出的壓縮氣體的強(qiáng)烈氣流，以超過(guò)一馬赫（音速）的速度直接沖入貯存散體物料的閉塞故障區(qū)，這種突然釋放的膨脹沖擊波，克服物料靜摩擦，使容器內(nèi)的物料又一次恢復(fù)流動(dòng)?？諝馀谑且环N清潔、無(wú)污染、低耗能的理想清堵吹灰設(shè)備，現(xiàn)有四個(gè)化堿稱過(guò)渡倉(cāng)，化堿除塵料倉(cāng)，布袋除塵料倉(cāng)和包裝料倉(cāng)均采用KT型空氣炮，但是在日常使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)幾個(gè)弊端。

（1）空氣炮有自動(dòng)功能，能夠根據(jù)設(shè)定的時(shí)間定時(shí)清堵，但是料倉(cāng)若長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有物料，則會(huì)浪費(fèi)壓縮空氣，并造成硬件的無(wú)效磨損，減少硬件的使用壽命。

（2）為了避免上述弊端，可以采用現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作，但是需要操作工人去現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)空氣炮，增加了勞動(dòng)量。

（3）有時(shí)候并不會(huì)多個(gè)料倉(cāng)同時(shí)進(jìn)料，但是空氣炮的循環(huán)控制是囊括所有料倉(cāng)空氣炮的，造成了壓縮空氣的浪費(fèi)。

（4）空氣炮的功能設(shè)置比較簡(jiǎn)單，靈活性不大，若采用自動(dòng)功能，即使料倉(cāng)內(nèi)物料很少，不會(huì)造成堵塞，也會(huì)按照設(shè)定的時(shí)間清堵，這樣容易造成過(guò)多粉料被除塵抽走，并且會(huì)對(duì)包裝下料稱造成沖擊，容易造成沖稱，影響稱的穩(wěn)定性。

鑒于上述問(wèn)題，若能夠根據(jù)實(shí)況對(duì)空氣炮采取更加靈活的控制，不僅能夠減少設(shè)備磨損、壓縮空氣的浪費(fèi)，還能夠減少壓縮氣流對(duì)包裝稱的影響，減少除塵對(duì)粉料的過(guò)多抽取。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)料倉(cāng)上均有物料變送器（料位計(jì)），市場(chǎng)上的料位計(jì)輸出比較統(tǒng)一，為4～20mA電流或者1～5V電壓標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，能夠與空氣炮控制盤(pán)的PLC進(jìn)行通信，通過(guò)PLC控制空氣炮的工作。

1.2 課題研究主要工作

若要完成對(duì)空氣炮的靈活控制，需要從以下幾個(gè)方面著手。

（1）現(xiàn)場(chǎng)空氣炮PLC控制程序的更改。

（2）料位計(jì)信號(hào)與空氣炮PLC的通訊。

（3）配套電路的設(shè)計(jì)。

2 工作原理及流程簡(jiǎn)述

2.1 系統(tǒng)工作原理

空氣炮與料位計(jì)聯(lián)合控制系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成。

第一部分是料位計(jì)信號(hào)的采集。大多數(shù)料位計(jì)以4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)為輸出信號(hào)，供DCS使用，如果同時(shí)接DCS和供PLC使用會(huì)造成電壓信號(hào)的衰減，對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性造成較大影響，因此料位計(jì)輸出信號(hào)需要接一入兩出的直流信號(hào)隔離變送器，將單股電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩個(gè)一樣的電壓信號(hào)，分別接DCS和PLC模擬輸入端子。

第二部分是料位信號(hào)的處理。直流信號(hào)隔離器輸送過(guò)來(lái)的電壓信號(hào)通過(guò)PLC的模擬輸入端子輸入到PLC內(nèi)部，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)字，然后通過(guò)PLC內(nèi)部的比較指令，與空氣炮的啟動(dòng)閾值作比較然后輸出，決定空氣炮的起停。

2.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作過(guò)程如下。

假設(shè)料倉(cāng)高度為3米，料位計(jì)安裝在倉(cāng)頂，選用0～5米的測(cè)量范圍，精度為0．25%，效果圖如圖1。

圖1 安裝效果圖

設(shè)定物料4m，即滿倉(cāng)時(shí)，物料計(jì)輸出20mA電流信號(hào)；物料為0m時(shí)，物料計(jì)輸出為4mA電流信號(hào)，物料高度和料位計(jì)輸出電流信號(hào)成正比?？諝馀诟叨仍O(shè)為2m，當(dāng)料倉(cāng)內(nèi)物料超過(guò)2m時(shí)，PLC控制空氣炮開(kāi)啟，按照預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔開(kāi)始清堵，當(dāng)物料高度低于2m時(shí)，空氣炮停止清堵工作。工作流程圖如圖2。

圖2

3 控制系統(tǒng)硬件配置

空氣炮與料位計(jì)聯(lián)合控制系統(tǒng)硬件主要由二線制儀表、直流信號(hào)隔離變送器、空氣炮控制盤(pán)本身的硬件（PLC、繼電器等電氣部件）以及空氣炮炮體構(gòu)成。料位計(jì)根據(jù)料位高度變動(dòng)相應(yīng)的電流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)一入二出的直流信號(hào)隔離變送器一分為二，一股送至DCS，另一股送至空氣炮操作盤(pán)內(nèi)PLC的模擬信號(hào)輸入端。

模擬拓展模塊選擇的是OMRON公司的CPM1A-MAD02-CH模擬輸入輸出，該模塊有三組電流電壓輸入和一組電流電壓輸出。

這里選擇的是2號(hào)和3端子作為一組4～20mA電流信號(hào)輸入，1號(hào)端子短接。圖3接線圖中，00端子是電壓輸入端子，01是電流輸入端子，這里將電壓輸入短接。

該輸入模塊的輸入模擬量與對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)如圖3，分辨率為1/256。

圖3 電流電壓輸入對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

空氣炮與料位計(jì)聯(lián)合控制系統(tǒng)的軟件有兩部分，第一部分是修改的原有空氣炮主體程序，第二部分是新增的模擬量采集程序。

4.1 模擬量采集程序

空氣炮操作盤(pán)中的CPM1A系列PLC只要輸入000CH和輸出010CH，按照該系列PLC規(guī)則，新增模擬量模塊輸入通道為001CH、002CH、003CH，輸出模塊為011CH。在程序執(zhí)行的第一個(gè)循環(huán)過(guò)程中，通過(guò)梯形圖程序?qū)⒎秶a寫(xiě)入模擬量I/O單元的輸出來(lái)自指定I/O信號(hào)范圍，一旦指定了范圍代碼，模擬I/O單元便立即開(kāi)始裝換模擬I/O值，將裝換后的數(shù)字量存入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。模擬量范圍代碼設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 模擬量范圍代碼設(shè)置表

料位計(jì)輸出的為4～20mA電流信號(hào)，因此范圍代碼可在FF06和FF07中選擇一個(gè)。

設(shè)定范圍代碼之后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)提取出來(lái)。

4.2 模擬量與設(shè)定值比較程序

設(shè)定空氣炮在物料高度達(dá)到2米時(shí)開(kāi)始工作，由數(shù)學(xué)模型推出此時(shí)料位計(jì)輸出的電流為12mA，由圖3-3得知，12mA經(jīng)過(guò)A/D變換之后對(duì)應(yīng)的十六位數(shù)值是80H，這就是空氣炮開(kāi)始工作的閾值。

將模擬I/O采集來(lái)的數(shù)值與該閾值作比較，來(lái)決定空氣炮的輸出狀態(tài)。

4.3 原空氣炮程序修改

為了實(shí)現(xiàn)料位計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)空氣炮的控制以及對(duì)空氣炮的分布控制，需要對(duì)原程序做修改。將自動(dòng)啟動(dòng)模式中添加料位控制常開(kāi)觸點(diǎn)，并且各空氣炮單獨(dú)控制。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

通過(guò)料位計(jì)與空氣炮聯(lián)合控制系統(tǒng)，能夠?qū)諝馀趯?shí)現(xiàn)自動(dòng)、高效、節(jié)能控制，避免了資源浪費(fèi)和不必要的噪音污染，減少了操作人員的勞動(dòng)量，避免了料倉(cāng)堆料結(jié)塊現(xiàn)象，防止操作人員外力清堵造成的料倉(cāng)變形以及進(jìn)一步加重堵料的情況，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制。

5.2 展望

料位計(jì)對(duì)空氣炮的控制完全是自動(dòng)的，但是沒(méi)有哪個(gè)自動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)永久無(wú)差錯(cuò)的運(yùn)行下去，因此可以在原空氣炮的基礎(chǔ)上連接遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)一步提高控制的準(zhǔn)確性，并且可以遠(yuǎn)程控制空氣炮的開(kāi)啟，增加人為操作的便利性。