上海交通大學工程碩士學位論文 第一章 緒 論雙盤冷卻器噴水冷卻控制系統的研究及應用第一章 緒 論在各種化學粘結砂蓬勃發展的今天，粘土濕型砂鑄造工藝因其成本低、效率高，目前在造型工藝中仍占有重要地位01。目前，美國鋼鐵鑄件中，用粘土濕型砂制造的占80%以上；日本鋼鐵鑄件中，用粘土濕型砂制造的占73%以上。各種新工藝的實施，使粘土濕型砂在鑄造生產中的地位更加重要，也使粘土濕型砂面臨許多新的問題。熱砂問題、膨潤土的恢復塑性問題尤為突出。而最好的解決途徑是通過雙盤冷卻器的攪拌、噴水、鼓風冷卻。1.1 課題背景無錫一汽鑄造有限公司是一汽集團卡車發動機鑄件在華東地區的重要生產基地，主要生產氣缸體、氣缸蓋等技術含量較高的鑄件。鑄造生產工藝采用粘土濕型砂作為造型材料，運用了世界上先進的“氣流預緊實壓實”的靜壓造型技術，沖天爐、電爐的雙聯熔煉可以生產包括灰鐵、球鐵、蠕鐵等各種牌號的鑄件，年產合格鑄件5萬噸。1.1.1 砂處理工藝流程在所有的生產工藝流程中，粘土濕型砂處理系統是最初的環節，也是最為重要的環節之一，其中包括了回用砂的回用處理、新砂及輔助材料的加入、型砂的混制和型砂性能的監控等。在實際系統中采用SIMPSON雙盤冷卻器對從靜壓造型線來的熱回用砂進行加水冷卻，冷卻后的回用砂隨后中轉到貯砂料倉備用，最后和需補加的新砂、膨潤土、煤粉等附加料一起加入混砂機進行型砂的混制。砂處理工藝流程如圖1-1所示。圖1-1 砂處理系統工藝流程圖Fig.1-1 process flow diagram of sand system1.1.2 粘土濕型砂回用砂的控制要點配制粘土濕型砂時，回用砂用量一般都在90%以上，如果對回用砂的處理不當，無論怎樣加強混砂，無論添加什么輔助材料，都不能得到好的型砂02 03。所以，對回用砂進行有效的處理，是保證型砂質量的前提。一、回用砂溫度的控制熱砂問題是粘土濕型砂鑄造必須面對的關鍵問題。型砂溫度太高，鑄件容易產生夾砂、表面粗糙、沖砂、氣孔等鑄造缺陷03。熱砂對鑄件質量的負面影響，主要由于以下幾個方面：（1）由于熱砂使水分蒸發，混砂時進入的回用砂水分波動很大，混砂機添加水分的計算很大程度受上一批料的影響，因此將難以控制型砂的性能；（2）將熱型砂送往造型機的過程中，由于水份損失，型砂性能改變，造型時實際上用的型砂，其性能與混砂時控制的性能差別很大；（3）造型時，熱型砂的水分容易在鑄模表面上凝結，型砂粘模，雖然造型主機自動噴灑脫模劑，但還是經常要人工清理，影響生產節拍；（4）合型后，熱砂的水分蒸發，凝結在冷的芯子上，會使芯子的強度降低，鑄件也易于產生氣孔等鑄造缺陷；（5）回用砂貯存在砂斗中備用，熱砂容易粘附在砂斗壁上，即使使用旋轉料倉仍然解決不了擱料問題，使系統中的型砂只有一部分循環使用，導致這部分型砂周轉快、溫度又會進一步提高，使熱砂問題更為嚴重。二、回用砂水分的控制進入混砂的回用砂水分太低，對混砂質量的影響可能并不亞于砂溫過高。鑄型澆注以后，由于熱金屬的影響，很多砂粒表面上的土-水粘結膜都脫水干燥了，加水使其吸水恢復塑性是很不容易的。回用砂的水分越低，混成砂的綜合質量就越差。因此進入混砂機的回用砂，水分只能比混成砂略低一點。所以雙盤冷卻器除了實現降低熱砂溫度以外，更為重要的是保證回用砂一定的含水百分比。這樣，從砂冷卻到進入混砂機還有一段相當長的時間，水可以充分潤濕回用砂砂粒表面上的膨潤土。型砂中的膨潤土和水在混砂機進一步得到調制，型砂的性能就更為穩定一致。1.1.3 雙盤冷卻器原噴水冷卻控制系統存在的問題無錫一汽鑄造有限公司在一期改造中引進了美國SIMPSON公司制造的MC-150型雙盤冷卻器，其噴水冷卻控制系統主要由工業控制計算機、檢測模塊、加水機構三大部分組成，而PLC系統主要控制鼓風、攪拌、卸砂等機械運行系統。采用高精度測濕傳感器來采集實時濕度，采用J型熱電偶檢測實時溫度，單片機根據實時濕度和溫度來控制噴水量，通過控制粗、中、細加水電磁閥的開啟組合，而得到不同的加水量。鼓風機在雙盤冷卻器入口的送風量恒定，為了使熱砂的溫度能迅速降低，就要求在很短的時間內能帶走足夠的水蒸汽，因此鼓風機一直處于全速運行，相對應的出口頂部的抽風量也處于最大的狀態。該雙盤冷卻器已經高強度運行七年多，噴水冷卻控制系統運行比較可靠，經過冷卻后的回用砂溫度得到較大幅度的降低、水分控制能較穩定地控制在一定范圍內。但是相對越來越高的工藝要求來說，這臺雙盤冷卻器還是存在以下一些問題：（1）加水機構有粗加水、中加水、細加水三種控制閥，但都是開關量控制閥，按照組合排列也只有七種組合，無法實現無級調速，所以精度很難到達要求。（2）當入口處熱砂的溫度很高時，冷卻后砂的溫度可能在容許范圍內，但還相對較高，這樣在帶式輸送機的輸送過程中，水分還要進一步蒸發，因此濕度的設定值需要略為增加，而這個需要工人根據經驗自己調節。（3）無法根據實際溫度和濕度調節冷卻風量，當外界熱砂溫度相對較低，有時甚至是冷砂時，鼓風機和抽風機仍然要全速運行，浪費大量的電能。（4） 由于長時間高強度運行，有些控制模塊經常出現問題，目前通過購買備件的方法來維護噴水冷卻控制系統的正常運行，但是備件價格昂貴，維修成本很高。1.2課題研究的目的和意義歸根到底，雙盤冷卻器噴水、鼓風冷卻裝置關鍵的核心技術是它的控制系統，因此對控制系統的研究無疑具有一定的重要性。1.2.1 課題研究的目的本課題研究的目的是對該雙盤冷卻器進行噴水冷卻控制系統的全新改造。該系統自成體系，對原有雙盤冷卻器的機械和其控制部分沒有特殊要求，采用先進的PID、模糊控制技術和高精度的傳感器檢測技術，使系統操作簡單、可靠性高、穩定性好并易于維護。綜合以上該設備存在的問題，在保證設備運行穩定可靠的前提下，進一步提高實時響應速度，水分控制精度保證在更小波動的范圍內，從原來的%波動縮小到%以內；溫度控制能保證在入口回用砂在80以下的情況下，出口的砂溫能夠降低到50以下，從而滿足越來越高的工藝要求。同時，通過建立冷卻風量與舊砂溫度濕度的模糊關系規則，使冷卻風量根據實際的溫度濕度得以實時改變，節約電能。1.2.2 課題研究的意義國內在噴水冷卻控制系統上的研究比較落后，國外的先進設備雖然具有很大的優勢，但仍然具有較大的開發空間。對該控制系統進行創新開發，本課題的研究有著十分重要的社會意義。目前，模糊控制在PLC中的實際應用還很少，尤其在國內設備的自動控制設計中。本系統結合模糊數學基礎原理，采用模糊控制在PLC中的應用來控制噴水冷卻系統，具有一定的技術開發意義。國內近年的機械制造業復蘇很快，鑄造企業需要大量的冷卻熱砂設備。國內開發的設備可以進一步節約維護、檢修成本。回用砂溫度濕度的控制為后續的混砂工藝提供了良好的保證，最終鑄造缺陷將大幅度降低。同時，智能化的控制節約了電能的消耗。因此，本課題的研究具有重要的經濟意義。對現場工藝進行調研，對重要的工藝參數進行數學建模分析，對噴水和鼓風冷卻進行智能控制，從而最終保證了良好的控制效果。該系統的全新控制研究獲得了成功，這對雙盤冷卻器在國內的開發并推廣具有積極的意義。1.3 國內外研究現狀雙盤攪拌冷卻器，能在短時間內在刮板的強烈攪拌下，使熱砂從進口處向出口處轉移，通過加水、鼓風、抽風，促使水分蒸發以達到降溫的目的0405，同時對回用砂有一定的再生、預混作用，使其成為對粘土砂系統回用砂進行冷卻的最佳裝置之一。國內外對雙盤冷卻器及其控制系統進行了大量的研究。1.3.1 國外研究現狀國外雙盤冷卻器噴水冷卻控制系統的核心部分一般選用單片機組成的控制儀，系統采集舊砂的溫度和濕度，當運送中的舊砂溫度升高到預設數值，便啟動恒壓水泵及不同的加水電磁閥往冷卻設備內噴水。通常根據雙盤轉子電機的功率傳感器來檢測是否有砂，并且檢測到砂層必須達到一定的厚度時，才對熱砂進行噴水冷卻處理。由于完全擺脫了與冷卻室惡劣環境的直接或間接接觸，其穩定性、可靠性都相當高。同時，根據轉子驅動功率來調節卸砂門的開口大小，始終維持冷卻室內砂層的厚度，既保證了砂層冷卻的時間使溫度得以降低，水分得以調節，又能使舊砂連續式通過冷卻室，提高了砂冷卻處理的效率。但是這些控制系統大都采用不同通徑的電磁閥組合來完成噴水過程，這種脈沖式的噴水方式對水分的控制無法縮到更小的波動范圍內。即使是國外的先進控制系統，仍大都停留在對加水這一過程的控制上，雖然也考慮了鼓風對其冷卻的不可或缺的作用，但鼓風機的風量和風壓是靠人工改變風機進口前的蝶閥來調節的，電機始終在全壓全速地運行。這樣就造成入口處砂溫較低，僅僅需要控制水分要求時，浪費了大量電能。更為重要的是，沒有對冷卻后舊砂的輸送過程中水分的損耗沒有作任何考慮，使得進入混砂機的舊砂水分沒有達到最佳的設定范圍。對具體鑄造企業的回用砂輸送流程進行調研分析，建立數學模型，并融入到控制系統中是十分有必要的。1.3.2 國內研究現狀長期以來，國內設計制造的雙盤冷卻器大都缺少一套可靠適用的加水裝置，所以降溫效果不理想，影響了雙盤冷卻器的推廣使用06。從國內開發研制的噴水冷卻控制系統來講，總體發展水平比較落后，同歐美等先進國家相比，存在較大的差距。由于缺乏可靠的水分檢測傳感器和對水分的控制方法，難以完成對滯后、復雜、時變濕度系統的控制，造成水分的波動范圍很大，對混砂這一后續流程極為不利。為保證只有在冷卻室內有料的前提下才進行噴水，國內的控制系統一般采用料位傳感器來檢測是否有砂，但由于冷卻內環境十分惡劣，無論是機械式還是電子式的，使用壽命都很短，而且故障率很高、經常誤發信號，從而造成水分的添加失去控制。在國內的控制系統中，幾乎沒有對冷卻室卸砂這一環節進行控制，這樣就會由于進料口砂層的波動而造成冷卻室內的砂層變化很大，對噴水的控制無法提供一個相對穩定的外部條件，造成水分控制波動也相當大。1.4 課題主要研究內容針對國內外雙盤冷卻器噴水冷卻控制系統的現狀和發展方向，對靜壓造型線回用砂輸送流程進行調研分析，建立濕度實時控制值數學模型，采用先進的數據采集和控制技術來實現雙盤冷卻器的最佳性能是本課題研究的主要內容。1.4.1 主要性能指標在噴水、鼓風冷卻控制系統改造后，為了使雙盤冷卻器的運行能夠更好地滿足工藝要求，必須達到以下主要性能指標：（1）雙盤冷卻器冷卻回用砂的最大批處理量為150噸/小時，在保證雙盤轉子驅動功率恒定的情況下，使回用砂在冷卻室內的處理時間達72秒鐘以上。（2）直行程電動調節水閥入口和出口間的壓差為0.15MPa，最大噴水量為5700kg/h，加水量基本誤差在2.5%內。（3）溫度控制能保證在入口回用砂在80以下的情況下，出口的砂溫能夠降低到50以下。在最惡劣的情況下，入口回用砂在100時，出口的砂溫能降低到60以下。（4）回用砂濕度即含水百分比能從原來的%波動縮小到%以內；回用砂濕度能根據出口砂溫度大小，進行因水分蒸發而必須的補償控制，使回用砂在到達混砂機時的濕度能控制在1.8%之間。（5）鼓風機的額定功率為55kw，最大風量50000m3/h，為保證雙盤內風口不會出現堵塞現象，最小風量不低于35000 m3/h。抽風機的最大風量為60000m3/h，并且抽風量始終按照鼓風量的120%運行。1.4.2 主要研究內容本課題從以下幾個方面對雙盤冷卻器控制技術進行了研究，并對現有的SIMPSON公司MC-150型雙盤冷卻器進行了冷卻控制系統的全面改進。（1） 對噴水冷卻控制系統系統的各組成部分的選擇方案進行分析，比較各種可選方案的特點，對濕度傳感器、溫度傳感器的選型、測溫點位置選擇等進行調研，確定噴水冷卻控制系統的硬件組成。 （2） 由于濕度的控制范圍相比溫度的控制范圍狹窄得多，而且對后續混砂流程也更為重要，因此采用根據濕度偏差的大小自動分離積分作用的PID算法，該算法易于實現，實時性很強，并且易于在PLC中實現。（3） 通過試驗的方法，在不同溫度段，通過一定的輸送周期后，對冷卻后回用砂水分的蒸發損耗進行測量。通過建立數學模型，運用猜測函數的方法對各試驗數據進行處理，得出濕度的希望控制值與實時溫度的函數表達式。對實時不同溫度的情況下，自動更改濕度設定值，從而達到更為理想的控制范圍，因此PID設定的濕度值是一個隨溫度變化而變化的隨動量。（4） 對PID的參數進行整定，首先利用課題中廣泛應用的擴充響應曲線法初步確定PID控制器的參數，然后現場進行閉環調試，獲得相對最佳的控制效果。（5） 運用模糊控制對鼓風機和抽風機的運轉頻率進行控制。雙盤冷卻器進口處熱砂的溫度波動范圍比較大，根據課題經驗，針對冷卻室內的砂溫和濕度而進行模糊控制。（6） 用WINCC組態軟件開發雙盤冷卻器噴水冷卻控制系統的人機界面，通過上位機實現監測實時濕度和溫度值、實時鼓風機和抽風機的運行速度等。第 59 頁 共 59 頁上海交通大學工程碩士學位論文 第二章 噴水冷卻控制系統的硬組成第二章 噴水冷卻控制系統方案及硬件組成多高溫度的砂算是熱砂？通過研究型砂溫度對其性能穩定性的影響、溫度對膨潤土-水系統流變性的影響以及型砂溫度與鑄件質量的關系，得到了一致的結論，即：為保證型砂的性能穩定，溫度應保持在50以下03。2.1 最大加水量的測算目前，型砂冷卻裝置的品種、規格很多，主要有冷卻滾筒、雙盤冷卻器和冷卻沸騰床等，都是利用水分蒸發冷卻型砂。最大加水量不但是使溫度能夠降低到一定范圍以下、濕度均一的保證，而且它的測算是電動調節水閥的重要選型依據。2.1.1 計算依據 這部分要好好整合一下。使型砂冷卻，最有效的辦法是加水，但是，簡單的加水，效果是很差的。一定要吹入大量空氣使水分蒸發，才能有效地冷卻。以下，給出一個簡略的計算比較：（1） 簡單加水簡單加水即僅將水灑在熱砂的表面。假設熱砂的溫度為50，此時1噸熱砂中加入1%（即10Kg）溫度為20的水，設最終砂和水的共同溫度為。因為 （2-1）式（2-1）中：水的比熱容，型砂的比熱容，M1、M2、t1、t2 ？將、。代入式（2-1），可以得到 （2-2）解式（2-2）得48.7，即溫度降低了1.3。（2）強迫散熱如果不是簡單地加水，在加水同時攪拌熱砂并吹風。使1噸砂中的水分蒸發1%（10kg），能帶走的熱量為： （2-3）式（2-3）中：。？水的蒸發熱是： ？此時卻可使砂溫降低（）以上的分析表明：簡單地向皮帶機上加水或向砂堆灑水，冷卻效果是很差的。即使加水后向砂表面吹風，也不能有多大的改善。加水后，要使水在型砂中分散均勻，然后向松散的砂吹風，使水分迅速蒸發，同時將蒸汽排除。公式引用、參數計算要嚴密、完整，表達要規范。你文中理論水平、學術意義太欠缺，要注意加強這方面的意識。請認真仔細地看一看！2.1.2 加水量的計算按照每小時雙盤冷卻器處理砂的能力150噸計算，假設在最惡劣條件下，入口砂的溫度高達100，濕度僅為0.2%，為了能使冷卻后砂的溫度達60，濕度達2%，在一小時內的加水量需要分兩部分計算。第一部分，冷卻后留在砂中的水分增加的質量為（噸）而另外一部分就是水分蒸發并被鼓風機帶走的那部分。1噸砂在最惡劣情況下需蒸發水分20才能使溫度達到60以下，因此這部分水的質量為（噸）綜合以上兩部分，水的質量流量為5700，也就是水的體積流量為5.7。W2的計算沒有與“使1噸砂中的水分蒸發1%，可使砂溫降低24.5”這個概念掛起鉤來。 ？2.2 噴水冷卻控制系統方案設計本課題中，噴水冷卻控制系統的主控系統由西門子S7-30 PLC組成，模擬采集系統主要包括溫度和濕度測量傳感器，執行機構主要包括加水電動調節水閥、鼓風機和抽風機變頻器。這三大部分即為噴水冷卻控制系統的主要硬件。圖2-1為噴水冷卻控制系統結構示意圖。噴水裝置設有穩壓水箱、恒壓水泵、電動調節水閥及加水噴頭。圖2-1 噴水冷卻控制系統結構示意圖Fig.2-1 sketch design of spray control system選用西門子S7-300型PLC作為主控系統，其中數字輸入模塊監測現場的各開關量信號。如：當轉子電機功率達到一定值，砂層厚度達到要求時發送信號至數字輸入模塊；在噴頭前級加入流量監測裝置，如果噴頭堵塞，將發送堵塞信號至數字輸入模塊。數字輸出模塊控制現場的各開關量電氣元件，如：控制開關量水閥，保證系統不會造成在非正常斷電時電動調節水閥無法運行到零位而使加水失去控制。模擬輸入模塊采集入口處砂溫、冷卻室砂溫、出口處砂溫、冷卻室砂濕度、轉子電機功率、鼓風機負載電流、電動調節水閥閥芯位置反饋、卸砂門電動執行機構位置反饋等模擬量。各模擬信號的輸入方式、通道、量程卡設置參見表2-1所列。模擬輸出模塊輸出4-20mA模擬電流信號分別控制電動調節水閥、鼓風機變頻器、抽風機變頻器等。各模擬輸出信號的輸出方式、通道、量程卡的設置參見表2-2所列。2.3 噴水冷卻控制系統的硬件配置硬件配置方面主要包括主控系統、輸入輸出系統和直行程電動調節水閥等執行機構，下面將分別介紹三大硬件組成部分的各技術參數、選型和安裝要求等。2.3.1 主控系統的配置與選型SIEMENS S7-300 PLC采用模塊式結構，適用于中等性能的控制要求。CPU模塊、信號模塊和功能模塊的組合能滿足各種領域的自動控制任務。當系統規模擴大和更為復雜時，可以增加模塊，對PLC進行擴展 09。本課題中，S7-300 PLC的具體配置如下：（1） 電源模塊 PS307 5A，輸入230V AC/1A，輸出24V DC/5A（2） 中央處理單元CPU315-2DP（3） 數字量輸入模塊SM321（4） 數字量輸出模塊SM322（5） 模擬量輸入模塊SM331（AI8 x 12Bit）（6） 模擬量輸入模塊SM331（AI8 x 12Bit）（7） 模擬量輸出模塊SM332（AO4 x 12Bit）電源模塊（PS）總是在安裝機架的最左邊，CPU模塊緊靠電源模塊，本課題中按照上面所列順序從左往右掛在DIN標準的安裝導軌上。背板總線將除電源模塊之外的各個模塊連接起來。背板總線集成在模塊上，模塊通過U形總線連接器相連10。模擬量輸入輸出模塊的信號種類用安裝在模塊側面的量程卡來設置，量程卡安裝在模擬量輸入模塊的側面，每兩個通道為一組，共用一個量程卡。本課題中需兩塊模擬輸入模塊和一塊模擬輸出模塊，其地址和量程卡的設置如表2-1和表2-2所示。表2-1 SM331地址功能分配表Table 2-1 address and function assignments of SM331 module地址輸入方式功能說明通道通道組PIW288濕度傳感器雙盤冷卻器冷卻室砂濕度通道0-10，量程卡APIW292PT100雙盤冷卻器冷卻室溫度通道2-31，量程卡APIW296PT100雙盤冷卻器出口砂溫度通道4-52，量程卡APIW300PT100雙盤冷卻器入口砂溫度通道6-73，量程卡APIW304功率傳感器攪拌電機負載功率通道0-10，量程卡CPIW308電流傳感器鼓風機負載電流通道2-31，量程卡CPIW312電阻電位器卸砂門電動推桿反饋電阻通道4-52，量程卡APIW316電流4-20mA電動調節水閥位置反饋通道6-73，量程卡C表2-2 SM332地址功能分配表Table 2-2 address and function assignments of SM332 module地址輸出方式功能說明通道輸出類型PQW320電流加水機構比例水閥通道0I（4-20mA）PQW322電流鼓風機變頻器模擬輸入端通道1I（4-20mA）PQW324電流抽風機變頻器模擬輸入端通道2I（4-20mA）PQW326備用備用通道3不激活2.3.2 控制信號的輸入輸出系統控制信號的輸入輸出系統主要介紹溫度傳感器、濕度傳感器、鼓風機變頻控制、卸砂門控制和加水調節閥控制等。一、濕度傳感器回用砂的濕度通過高精度測濕傳感器來檢測，直接安裝在雙盤冷卻中，濕度測量的準確性、穩定性直接影響到噴水冷卻系統的可靠性07。如果濕度傳感器固定安裝在冷卻室某位置，可能因為砂層流動時出現的死角而影響測量的準確性，因此為了能夠真實反映實際砂層的濕度值，測試點需要多點測量。在實際解決過程中，把兩位式濕度傳感器的兩個探頭分別固定在兩個轉子上，在兩個轉子做8字狀相對轉動時，始終保持一定的距離。又由于探頭的旋轉，引出測量導線也需要相對旋轉，因此安裝在冷卻室頂部的濕度傳感器內部裝有軸承可以旋轉，通過銀觸頭的轉動把測量的信號值傳送到PLC的模擬輸入模塊。圖2-2 電阻與濕度的關系曲線Fig.2-2 the curve of relation between Resistor and Moisture本課題選用德國Michenfelder Elektrotechnik公司生產的MY015C型濕度傳感器。它采用的是電阻法測濕原理，利用了被測物質的電學性質，電阻R與濕度M之間的關系如圖2-2所示。在區域I范圍內，隨著含水量的增加，電阻R呈對數減少。因此，通過測定電阻值，就能測定水份含量，其測量精度達0.015%。二、溫度傳感器PT100傳感器利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數關系的特性來進行測溫。其測量范圍為-200+850，A級精度允許偏差值為（0.150.002t），熱響應時間小于30秒。由于PT100傳感器具有精度高、抗振動、穩定性好、結構簡單以及安裝容易等特點，比較適合溫度不高的工業現場。采用PT100可以無須溫度變送器直接接入SM331模擬輸入模塊，簡化了設計。溫度傳感器的測量位置有三處：（1）進料口附近檢測砂溫，檢測熱回用砂的溫度；（2）檢測雙盤冷卻器頂部抽風口溫度，反映雙盤室內溫度變化情況；（3）出料口附近檢測砂溫，能夠反饋回用砂降溫情況。三、鼓風機變頻器為了縮小加水冷卻后回用砂的溫度濕度的波動范圍，提高其運行曲線的平滑性，無須在進口處砂溫度較低的情況下鼓風機仍然高速運行，這樣還可以節約能源。根據冷卻室回用砂溫度濕度對冷卻風量進行模糊控制，PLC輸出模擬量電流信號到變頻器的模擬輸入端子上，從而控制變頻器的輸出頻率。變頻器距離PLC較遠，通過線路間的分布電容和分布電感產生的干擾信號電流在模塊的輸入阻抗上將產生較高的干擾電壓。遠程傳送模擬量電壓信號時抗干擾能力很差，因此采用模擬量電流信號作為遠程傳送。本課題選用LENZE EVF8225型變頻器，額定功率（1.5倍過載）55kw，額定電流110A，輸出頻率0.1480Hz，動態響應速度為3060ms/1000rpm。該型號變頻器有兩個模擬量輸入端，各項性能指標均滿足設計要求。四、卸砂門的控制卸砂門的開啟度大小由電動推桿控制，通過PID調節，把負載功率作為設定比較值，實時控制開口大小。卸砂門不斷浮動，使冷卻室砂層的厚度始終維持在合適的范圍內，以達到精確控制的目的。(a)功率因素與負載的關系曲線 (b) 電流與負載的關系曲線 (c) 功率與負載的關系曲線圖 2-3 功率因素、電流、功率與負載的關系曲線圖08Fig.2-3 the curve of relation between load and power factor, amps, power圖2-3為功率因素、電流、功率與負載的關系曲線圖。當電機開始承受負載時，功率因素迅速增加，而電流不能明顯改變，直到電機達到50%的負載額定值。功率是線性變化的，因此負載功率比負載電流更能線性地反映真實負載。五、加水調節閥的控制加水調節閥是控制系統中最為重要的執行機構。經過PID程序處理，PLC輸出420mA的模擬直流電流信號到伺服電機控制的輸入端，控制比例水閥的開口量，從而控制加水量的大小。其取代開關量電磁閥的脈沖加水，控制精度得到大幅提高。加水量調節閥的選型、結構、參數及其控制等在2.3.3中詳細介紹。2.3.3 直行程電動調節水閥一、電動調節水閥的參數計算及選型 此段問題很多、太亂，好好理一理。調節閥的流通能力Kv值，是調節閥的重要參數，它反映流體通過調節閥的能力，也就是調節閥的容量。根據調節閥流通能力Kv值的計算，就可以確定選擇調節閥的口徑。根據調節閥口徑計算指南進行液體（不可壓縮流體）的Kv值計算。要計算Kv值，必須先確定調節閥水流是否符合非阻塞流條件。（1） 非阻塞流的判別。非阻塞流的判別式： （2-4）式（2-4）中：P閥入口和出口間的壓差，即P1-P2，MPa；液體壓力恢復系數，查調節閥的參數表可以獲得；P1閥入口取壓點測得的絕對壓力，MPa；液體臨界壓力比系數；PV閥入口溫度飽和蒸汽壓（絕對壓力），MPa；實際課題中，閥入口取壓點測得的絕對壓力P1為0.2 MPa，閥出口取壓點測得的絕對壓力P2為0.05 MPa，因此閥入口和出口間的壓差為0.15 MPa。查閱調節閥參數表，直通單座調節閥的壓力恢復系數為0.9；設閥的入口處水的溫度為30，則飽和蒸汽壓PV為MPa，臨界壓力PC = 22.064MPa。由以上數據，可以計算出：所以，屬于非阻塞流。（2） 計算Kv值。計算公式：或 （取其中一個可以嗎？） （2-5）式（2-5）中：QL液體體積流量，；液體密度，kg/m3；P2閥出口取壓點測得的絕對壓力，MPa；PC熱力學臨界壓力（絕對壓力），MPa；液體質量流量，；所以，。根據計算，選定大禹泵閥制造公司生產的直行程電動調節水閥，型號為ZDY-16P，公稱通徑DN=20mm，閥座直徑dn=15mm。閥芯行程16mm，允許壓差1.6MPa，基本誤差達2.5%。二、電動調節水閥的結構和性能直通單座閥為無底蓋上導向結構，它只有一個閥座和一個柱塞形閥芯，具有開關性能好、泄露量小、流量特性準確、可調比大的特點。圖2-4 電動調節水閥的結構示意圖Fig.2-4 structure of proportional valve 圖2-4為電動調節水閥的結構示意圖，閥體按照流體力學低流阻原理進行設計，線性直通閥體具有相等的內部橫截面積，壓降損失少，流體流動穩定。閥芯和閥座之間采用精度密封，更換閥芯和閥座，可獲得要求的流量特性與流量系數，提高了控制閥的使用性能。不同的閥芯形狀會得到不同的流量特性圖，如圖2-5所示，流量特性有三大類：（1）等百分比特性：是控制系統中最常用的特性，在不同的閥門開度，它控制流量的變化率也是不同的，隨著開度的增大，控制流量的變化率也隨之增至最大。在控制系統中該特性可補償被控對象的非線性，從而使控制系統更穩定。（2）線性特性：閥門開度控制流量變化率是不變的。（3）快開特性：以最小的閥門開度便能使流量達到最大，打開閥門最快速是它的特點，所以適合用作開關控制。根據以上流量特性，結合本課題的水閥控制要求，選用線性特性的閥芯。圖2-5 不同的閥芯形狀的流量特性圖Fig.2-5 flow character with different valve rod shape三、電動調節水閥的控制系統ZDYP超小型單座電動調節水閥是電子式一體化直行程電動調節水閥，采用電動執行機構。控制部分采用DY-JSF-01精小型電動執行器伺服放大器，如圖2-6所示。伺服放大器由主板和驅動板構成，其控制原理是：接受標準的420mA DC電流輸入控制信號，并與電動執行器閥位反饋的電阻信號在放大器內進行比較，根據偏差控制執行器伺服電機正轉或反轉，使閥芯作相應移動，改變閥門的開度，與輸入控制信號所要求的開度始終保持相等，達到調節閥門準確停位，實現對水流量的調節。圖2-6 DY-JSF-01伺服放大器系統接線圖Fig.2-6 wiring diagram of DY-JSF-01 servo amplifier system伺服放大器同時還輸出一個與輸入信號隔離的、與執行器的位移相對應的420mA DC閥位反饋輸出信號，它與調節閥門的實際開度相對應，可送給計算機或調節器，用作閥位的顯示。伺服放大器可對輸出閥位進行上下限位，可根據工藝的要求將閥位限定在所要求的范圍。同時還具有斷線保護功能，當輸入信號斷線或小于正常值時，伺服放大器停止自動跟蹤，閥門將自動到達安全的停位位置，同時故障燈點亮。四、電動調節水閥的安裝執行機構可以安裝在不使電機倒置的任何一個位置，電動調節水閥最好是正立垂直安裝在管道上。在確定直行程電動調節水閥的安裝位置時，要考慮閥門調試、維修的方便，預留一定的空間以便調試或檢修時移走外罩殼。驅動器必須予以保護，防止漏水而損壞內部控制板、驅動板和電機。電動調節水閥在安裝至管道之前，應清除管道內污物，焊錫等雜質，以免運行時發生卡滯和損壞閥芯、閥座。在調試時，還必須在考慮維修需要的同時保證原管路系統的正常運行，圖2-7為電動調節水閥在管路中的連接示意圖。圖2-7 電動調節水閥在管路中的連接示意圖Fig.2-7 schematic of proportional valve pipeline上海交通大學工程碩士學位論文 第三章 基于PID控制原理的舊砂溫度濕度控制軟件設計第三章 基于PID控制原理的舊砂溫度濕度控制的軟硬件設計溫度濕度屬于模擬量，必須通過傳感器、變送器等轉換成標準的電信號，由模擬輸入模塊轉換成PLC的CPU可以處理的數字信號。經過程序處理后，由模擬輸出模塊轉換成標準的電信號后傳給執行器施加到受控對象身上，完成相應的動作。3.1 PID在PLC上的實現算法模擬量閉環控制常用的較好方法之一是PID控制，對連續函數進行離散化處理后，通過PLC程序進行噴水量PID調節來實現對舊砂濕度的控制。3.1.1 PID控制PID是比例（P）、積分（I）、微分（D）的意思。標準PID的控制值是與偏差（設定值與實際值之差）、偏差對時間的積分、偏差對時間的微分三者之和成正比的13，用公式表示即為： （3-1）式（3-1）中：控制值，？（單位）偏差，？Ti積分時間常數，？Td微分時間常數，？放大倍數（比例系數），？比例調節具有穩態誤差，為解決此問題，可在比例調節的基礎上引入積分調節。積分調節的原理是將濕度偏差相對于時間而進行積分，并將結果加在偏差信號上使比例區移動，積分環節持續不斷地調節比例區直至穩態誤差的消除。雖然積分作用的加入可以消除穩態誤差，但會產生較大的超調，其原因是積分環節在實際濕度達到比例區下限時已開始動作，當濕度達到設定點時，已將比例區移至較高位置，這樣就會造成濕度值的過量，導致較大的超調出現。為了減少“比例+積分”調節過程中產生的超調，可加入微分調節，形成“比例+積分+微分”控制。微分控制根據濕度變化的速度來控制調節量，具有預先調節控制器輸出至預期需求的功能，它減少了用于控制器響應過程某一變化的時間滯后，起到提前調節的作用，有助于防止設定點的超調或欠調。3.1.2 PID算式的離散化由于式（3-1）用于連續函數的PID控制，如果在PLC控制系統中使用，必須將其作離散化處理，用相應的數值計算來代替這里的積分、微分14。離散化連續函數的處理方法是：用矩形法數值積分來近似代替上式中的連續積分；用一階向后差分近似代替上式中的微分部分，即 （3-2）式（3-2）中：Ts采樣周期，？（單位）采樣時刻的濕度偏差，？采樣時刻的濕度偏差，？假設積分初始值為0，那么離散后的公式為： （3-3）式（3-3）中：第kTs時刻的控制輸出值，？式（3-3）的計算僅僅是加減乘除等基本運算，用PLC目前強大的算術運算指令完全可以進行，從而求出不同時刻，即第時刻的控制值。如果采用增量式PID控制，則離散化的公式為： （3-4）對式（3-4）進一步進行簡化：設積分常數，微分常數，比例常數，則最終的簡化式為： （3-5） （3-6）式？即為。 ， 可。3.1.3 PID控制程序實現根據上面所列公式，繪制PID控制的離散算法框圖如圖3-1所示，并以此為依據進行程序設計。圖3-1 PID控制的離散算法框圖Fig.3-1 frame structure of PID control discrete arithmetic對此圖應作必要的簡略說明3.2 濕度實時控制值數學模型的建立由于回用砂的濕度受溫度的影響很大，所以必須根據溫度對濕度值進行修正。可以通過試驗的方法，對冷卻后回用砂在不同溫度段通過一定的輸送周期下水分的蒸發損耗進行測量，通過建立數學模型，得出濕度的希望控制值與實時溫度的函數表達式。因此PID設定的濕度值是一隨溫度變化而變化的隨動量。3.2.1 現場數據測試現場數據的測試和分析主要包括兩個部分：型砂濕度在輸送周期下的損耗量和濕度傳感器輸出電阻與濕度的對應關系。一、型砂濕度在輸送周期下的損耗量實驗儀器：SGS雙盤紅外線烘干器，物理天平，水銀溫度計。雙盤紅外線烘干器用于鑄造用原砂、型砂、芯砂含水量的測定，對含有水分的砂子進行快速烘干，承砂盤表面溫度達110170，烘干時間：58分鐘。測量型砂濕度的方法：通過稱量承砂盤里含水型砂烘干前后的質量，計算出水分的蒸發量，從而得出型砂的含水量百分比，也就是型砂的濕度。表3-1 型砂濕度測量記錄表Table 3-1 measure value of the sand moisture批料開始實驗溫度開始測定濕度最終測定溫度最終測定濕度濕度損耗值A602.05%401.77%0.28%B552.02%381.80%0.22%C502.02%361.84%0.18%D451.97%331.82%0.15%E401.93%311.81%0.12%F351.88%281.78%0.10%G301.86%251.77%0.09%H251.88%221.80%0.08%I201.86%201.78%0.08%為了能夠測出各需要的實驗數據，對表3-1的內容進行了設計和取值。為了能夠盡可能接近冷卻后型砂的輸送環境，取砂樣進行保存時，保證批料有一定的堆放厚度。先對被測熱砂進行冷卻，達到開始測量溫度時，測出批料的濕度；然后把剩余砂樣在20左右的實驗室里敞開保存1小時后，蓋上密封蓋，并繼續保存2小時；最后取底層砂樣進行溫度和濕度的測量。二、濕度傳感器輸出電阻與濕度的對應關系實驗儀器：電阻箱、濕度傳感器。由于現場的單片機采用電導率，用標準電阻箱輸入不同電阻，和儀表顯示電導率的各數據進行比較，找出其對應關系，從而最終得到輸出電阻和濕度的對應關系。測量記錄如表3-2所示。表3-2 濕度電導率和電阻之間的對應關系表Table 3-2 corresponding value between moisture conductance and resistor電阻濕度電導率電阻濕度電導率電阻濕度電導率300109.7140037.1250020.6400103.8150034.7260019.850088.5160032.5270018.960077.0170030.7280018.270068.0180029.0290017.580060.9190027.4300016.990055.1200026.0310016.3100050.0210024.8320015.7110045.8220023.6330015.1120042.6230022.5340014.6130039.8240021.5350014.1現場采集的濕度傳感的電阻在濕度為1.8%左右時的阻值為500-800歐姆左右，需要把這個電阻輸入到PLC的模擬輸入模塊來進行控制，但由于西門子的模擬輸入模塊最大的電阻采集范圍只能是0-600歐姆，而濕度傳感器的電阻在濕度低于1.8%時要超過此范圍，所以把采集的電阻和一個600歐姆的固定電阻并聯后接進模擬輸入模塊，然后在PLC中進行數據處理和轉換。3.2.2 濕度控制設定值數學模型冷卻后型砂在不同溫度段在一定的輸送周期下水分的蒸發損耗是不同的。通過以上測量數據，觀察各分段函數，運用猜測函數的方法對各試驗數據進行處理，得出濕度控制設定值與實時溫度的函數表達式。圖3-1 濕度損耗與溫度的猜測函數Fig.3-1 imaginary function between moisture wasting and temperature由圖3-1可以看出，曲線接近于一條拋物線，運用課題數學方法，可以把猜測函數方程設定為：。為了簡化函數表達式，可以假設，溫度為20時， ；當溫度為25時，；當溫度為30時，依次類推。由于求出拋物線的方程只需要兩個測試數據，觀察曲線位置，由于現場處理的溫度范圍絕大部分在3540之間，盡可能讓這部分的濕度損耗值的計算值與測試值接近，因此取測試數據點（0，0.08）和（4，0.12），從而求出猜測函數的表達式為：計算該猜測函數的其他計算值與測試值的誤差，可以看出，在5560區間，誤差較大，因此這個區間考慮特殊處理，在PLC程序中，作濕度損耗補償。設溫度為T時，型砂濕度控制值為M%，先對溫度T進行以下轉換處理：IF T60 THEN T=60；T=(T-20)/5工藝要求最終進入混砂機的型砂濕度為1.8%，所以M的函數表達式為： （3-7）由測試表3-2，在溫度為35時，2.1%的濕度對應電導率為78，2.0%的濕度對應電導率為72，1.9%的濕度對應電導率為67，1.8%的濕度對應電導率為64。實際冷卻處理過程中，絕大部分濕度都控制在此范圍。分析以上數據，采用分段函數處理較為合適。已經由猜測函數求出了式3-7中的濕度M%，則對應電導率G的函數表達式為： （3-8）由于濕度控制值的范圍在1.8%2.1%之間，因此只需對500800歐姆這個范圍進行數據轉換處理就足夠了。同樣采用分段函數的處理方法，把電導率G進行分區，求出對應濕度傳感器的電阻的函數表達式： （3-9）最后得出輸入到PLC模擬模塊的電阻的函數表達式： （3-10）這也就是最終得到濕度的實時控制設定值。3.3模擬控制信號的輸入與輸出本課題中模擬控制信號輸入主要包括舊砂溫度和濕度的電阻模擬量信號以及電動調節閥反饋電流模擬量信號，而控制信號輸出主要是模擬輸出模塊輸出至電動調節閥控制端的電流模擬量信號。3.3.1 舊砂溫度濕度的信號采集S7-300的模擬量輸入模塊SM331用于將模擬量信號轉換為CPU內部處理用的數字信號。SM331可以直接連接不帶附加放大器的溫度傳感器，這樣可以省去溫度變送器，不但節約了硬件成本，控制系統的結構也更加緊湊。圖3-2 PT100和濕度傳感器的接線圖Fig.3-2 wiring diagram of PT100 and moisture sensor圖3-2為PT100和濕度傳感器與SM331模塊的接線圖，模塊的各個通道可以分別使用電流輸入、電壓輸入或者電阻輸入，并選用不同的量程。本課題中選用的SM331模塊訂貨號為6ES7 331-7KF02-0AB0，分辨率為12位，采用電阻輸入方式。模擬量輸入模塊的輸入信號類別由安裝在模塊側面的量程卡來設置，每兩個通道為一個組，共用一個量程卡，6ES7 331-7KF02-0AB0模塊有8個通道，因此有4個量程卡，具體設置參閱表2-1。在硬件組態工具中，溫度PT100傳感器選擇測量方式為RT，具體類型選擇為Pt100 Std.，量程卡設置在A位置；濕度傳感器選擇測量方式為R-4L，具體測量范圍選擇600ohm，量程卡設置在A位置。模擬量轉換是順序執行的，每個模擬量通道的輸入信號是依次、輪流轉換的。為了減少巡檢時間，應使用STEP7軟件中的硬件組態工具（Hardware conFig.）將未使用的模擬量輸出通道選擇“不激活”，在硬件上還需要將為用未使用的通道的輸入端子端接，這樣剩下的輸入值可