雙盤(pán)冷卻器噴水冷卻控制系統(tǒng).doc

上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論雙盤(pán)冷卻器噴水冷卻控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用第一章 緒 論在各種化學(xué)粘結(jié)砂蓬勃發(fā)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(guó)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(shí)施，使粘土濕型砂在鑄造生產(chǎn)中的地位更加重要，也使粘土濕型砂面臨許多新的問(wèn)題。熱砂問(wèn)題、膨潤(rùn)土的恢復(fù)塑性問(wèn)題尤為突出。而最好的解決途徑是通過(guò)雙盤(pán)冷卻器的攪拌、噴水、鼓風(fēng)冷卻。1.1 課題背景無(wú)錫一汽鑄造有限公司是一汽集團(tuán)卡車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件在華東地區(qū)的重要生產(chǎn)基地，主要生產(chǎn)氣缸體、氣缸蓋等技術(shù)含量較高的鑄件。鑄造生產(chǎn)工藝采用粘土濕型砂作為造型材料，運(yùn)用了世界上先進(jìn)的“氣流預(yù)緊實(shí)壓實(shí)”的靜壓造型技術(shù)，沖天爐、電爐的雙聯(lián)熔煉可以生產(chǎn)包括灰鐵、球鐵、蠕鐵等各種牌號(hào)的鑄件，年產(chǎn)合格鑄件5萬(wàn)噸。1.1.1 砂處理工藝流程在所有的生產(chǎn)工藝流程中，粘土濕型砂處理系統(tǒng)是最初的環(huán)節(jié)，也是最為重要的環(huán)節(jié)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(jiān)控等。在實(shí)際系統(tǒng)中采用SIMPSON雙盤(pán)冷卻器對(duì)從靜壓造型線來(lái)的熱回用砂進(jìn)行加水冷卻，冷卻后的回用砂隨后中轉(zhuǎn)到貯砂料倉(cāng)備用，最后和需補(bǔ)加的新砂、膨潤(rùn)土、煤粉等附加料一起加入混砂機(jī)進(jìn)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(tǒng)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(diǎn)配制粘土濕型砂時(shí)，回用砂用量一般都在90%以上，如果對(duì)回用砂的處理不當(dāng)，無(wú)論怎樣加強(qiáng)混砂，無(wú)論添加什么輔助材料，都不能得到好的型砂02 03。所以，對(duì)回用砂進(jìn)行有效的處理，是保證型砂質(zhì)量的前提。一、回用砂溫度的控制熱砂問(wèn)題是粘土濕型砂鑄造必須面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題。型砂溫度太高，鑄件容易產(chǎn)生夾砂、表面粗糙、沖砂、氣孔等鑄造缺陷03。熱砂對(duì)鑄件質(zhì)量的負(fù)面影響，主要由于以下幾個(gè)方面：（1）由于熱砂使水分蒸發(fā)，混砂時(shí)進(jìn)入的回用砂水分波動(dòng)很大，混砂機(jī)添加水分的計(jì)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(jī)的過(guò)程中，由于水份損失，型砂性能改變，造型時(shí)實(shí)際上用的型砂，其性能與混砂時(shí)控制的性能差別很大；（3）造型時(shí)，熱型砂的水分容易在鑄模表面上凝結(jié)，型砂粘模，雖然造型主機(jī)自動(dòng)噴灑脫模劑，但還是經(jīng)常要人工清理，影響生產(chǎn)節(jié)拍；（4）合型后，熱砂的水分蒸發(fā)，凝結(jié)在冷的芯子上，會(huì)使芯子的強(qiáng)度降低，鑄件也易于產(chǎn)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(zhuǎn)料倉(cāng)仍然解決不了擱料問(wèn)題，使系統(tǒng)中的型砂只有一部分循環(huán)使用，導(dǎo)致這部分型砂周轉(zhuǎn)快、溫度又會(huì)進(jìn)一步提高，使熱砂問(wèn)題更為嚴(yán)重。二、回用砂水分的控制進(jìn)入混砂的回用砂水分太低，對(duì)混砂質(zhì)量的影響可能并不亞于砂溫過(guò)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(jié)膜都脫水干燥了，加水使其吸水恢復(fù)塑性是很不容易的?；赜蒙暗乃衷降?，混成砂的綜合質(zhì)量就越差。因此進(jìn)入混砂機(jī)的回用砂，水分只能比混成砂略低一點(diǎn)。所以雙盤(pán)冷卻器除了實(shí)現(xiàn)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(jìn)入混砂機(jī)還有一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，水可以充分潤(rùn)濕回用砂砂粒表面上的膨潤(rùn)土。型砂中的膨潤(rùn)土和水在混砂機(jī)進(jìn)一步得到調(diào)制，型砂的性能就更為穩(wěn)定一致。1.1.3 雙盤(pán)冷卻器原噴水冷卻控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題無(wú)錫一汽鑄造有限公司在一期改造中引進(jìn)了美國(guó)SIMPSON公司制造的MC-150型雙盤(pán)冷卻器，其噴水冷卻控制系統(tǒng)主要由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、檢測(cè)模塊、加水機(jī)構(gòu)三大部分組成，而PLC系統(tǒng)主要控制鼓風(fēng)、攪拌、卸砂等機(jī)械運(yùn)行系統(tǒng)。采用高精度測(cè)濕傳感器來(lái)采集實(shí)時(shí)濕度，采用J型熱電偶檢測(cè)實(shí)時(shí)溫度，單片機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)濕度和溫度來(lái)控制噴水量，通過(guò)控制粗、中、細(xì)加水電磁閥的開(kāi)啟組合，而得到不同的加水量。鼓風(fēng)機(jī)在雙盤(pán)冷卻器入口的送風(fēng)量恒定，為了使熱砂的溫度能迅速降低，就要求在很短的時(shí)間內(nèi)能帶走足夠的水蒸汽，因此鼓風(fēng)機(jī)一直處于全速運(yùn)行，相對(duì)應(yīng)的出口頂部的抽風(fēng)量也處于最大的狀態(tài)。該雙盤(pán)冷卻器已經(jīng)高強(qiáng)度運(yùn)行七年多，噴水冷卻控制系統(tǒng)運(yùn)行比較可靠，經(jīng)過(guò)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(wěn)定地控制在一定范圍內(nèi)。但是相對(duì)越來(lái)越高的工藝要求來(lái)說(shuō)，這臺(tái)雙盤(pán)冷卻器還是存在以下一些問(wèn)題：（1）加水機(jī)構(gòu)有粗加水、中加水、細(xì)加水三種控制閥，但都是開(kāi)關(guān)量控制閥，按照組合排列也只有七種組合，無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，所以精度很難到達(dá)要求。（2）當(dāng)入口處熱砂的溫度很高時(shí)，冷卻后砂的溫度可能在容許范圍內(nèi)，但還相對(duì)較高，這樣在帶式輸送機(jī)的輸送過(guò)程中，水分還要進(jìn)一步蒸發(fā)，因此濕度的設(shè)定值需要略為增加，而這個(gè)需要工人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)自己調(diào)節(jié)。（3）無(wú)法根據(jù)實(shí)際溫度和濕度調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量，當(dāng)外界熱砂溫度相對(duì)較低，有時(shí)甚至是冷砂時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)和抽風(fēng)機(jī)仍然要全速運(yùn)行，浪費(fèi)大量的電能。（4） 由于長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度運(yùn)行，有些控制模塊經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題，目前通過(guò)購(gòu)買(mǎi)備件的方法來(lái)維護(hù)噴水冷卻控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，但是備件價(jià)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(pán)冷卻器噴水、鼓風(fēng)冷卻裝置關(guān)鍵的核心技術(shù)是它的控制系統(tǒng)，因此對(duì)控制系統(tǒng)的研究無(wú)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(duì)該雙盤(pán)冷卻器進(jìn)行噴水冷卻控制系統(tǒng)的全新改造。該系統(tǒng)自成體系，對(duì)原有雙盤(pán)冷卻器的機(jī)械和其控制部分沒(méi)有特殊要求，采用先進(jìn)的PID、模糊控制技術(shù)和高精度的傳感器檢測(cè)技術(shù)，使系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、可靠性高、穩(wěn)定性好并易于維護(hù)。綜合以上該設(shè)備存在的問(wèn)題，在保證設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠的前提下，進(jìn)一步提高實(shí)時(shí)響應(yīng)速度，水分控制精度保證在更小波動(dòng)的范圍內(nèi)，從原來(lái)的%波動(dòng)縮小到%以內(nèi)；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(lái)越高的工藝要求。同時(shí)，通過(guò)建立冷卻風(fēng)量與舊砂溫度濕度的模糊關(guān)系規(guī)則，使冷卻風(fēng)量根據(jù)實(shí)際的溫度濕度得以實(shí)時(shí)改變，節(jié)約電能。1.2.2 課題研究的意義國(guó)內(nèi)在噴水冷卻控制系統(tǒng)上的研究比較落后，國(guó)外的先進(jìn)設(shè)備雖然具有很大的優(yōu)勢(shì)，但仍然具有較大的開(kāi)發(fā)空間。對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新開(kāi)發(fā)，本課題的研究有著十分重要的社會(huì)意義。目前，模糊控制在PLC中的實(shí)際應(yīng)用還很少，尤其在國(guó)內(nèi)設(shè)備的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)中。本系統(tǒng)結(jié)合模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)原理，采用模糊控制在PLC中的應(yīng)用來(lái)控制噴水冷卻系統(tǒng)，具有一定的技術(shù)開(kāi)發(fā)意義。國(guó)內(nèi)近年的機(jī)械制造業(yè)復(fù)蘇很快，鑄造企業(yè)需要大量的冷卻熱砂設(shè)備。國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的設(shè)備可以進(jìn)一步節(jié)約維護(hù)、檢修成本。回用砂溫度濕度的控制為后續(xù)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(shí)，智能化的控制節(jié)約了電能的消耗。因此，本課題的研究具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝進(jìn)行調(diào)研，對(duì)重要的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，對(duì)噴水和鼓風(fēng)冷卻進(jìn)行智能控制，從而最終保證了良好的控制效果。該系統(tǒng)的全新控制研究獲得了成功，這對(duì)雙盤(pán)冷卻器在國(guó)內(nèi)的開(kāi)發(fā)并推廣具有積極的意義。1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀雙盤(pán)攪拌冷卻器，能在短時(shí)間內(nèi)在刮板的強(qiáng)烈攪拌下，使熱砂從進(jìn)口處向出口處轉(zhuǎn)移，通過(guò)加水、鼓風(fēng)、抽風(fēng)，促使水分蒸發(fā)以達(dá)到降溫的目的0405，同時(shí)對(duì)回用砂有一定的再生、預(yù)混作用，使其成為對(duì)粘土砂系統(tǒng)回用砂進(jìn)行冷卻的最佳裝置之一。國(guó)內(nèi)外對(duì)雙盤(pán)冷卻器及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究。1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外雙盤(pán)冷卻器噴水冷卻控制系統(tǒng)的核心部分一般選用單片機(jī)組成的控制儀，系統(tǒng)采集舊砂的溫度和濕度，當(dāng)運(yùn)送中的舊砂溫度升高到預(yù)設(shè)數(shù)值，便啟動(dòng)恒壓水泵及不同的加水電磁閥往冷卻設(shè)備內(nèi)噴水。通常根據(jù)雙盤(pán)轉(zhuǎn)子電機(jī)的功率傳感器來(lái)檢測(cè)是否有砂，并且檢測(cè)到砂層必須達(dá)到一定的厚度時(shí)，才對(duì)熱砂進(jìn)行噴水冷卻處理。由于完全擺脫了與冷卻室惡劣環(huán)境的直接或間接接觸，其穩(wěn)定性、可靠性都相當(dāng)高。同時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)功率來(lái)調(diào)節(jié)卸砂門(mén)的開(kāi)口大小，始終維持冷卻室內(nèi)砂層的厚度，既保證了砂層冷卻的時(shí)間使溫度得以降低，水分得以調(diào)節(jié)，又能使舊砂連續(xù)式通過(guò)冷卻室，提高了砂冷卻處理的效率。但是這些控制系統(tǒng)大都采用不同通徑的電磁閥組合來(lái)完成噴水過(guò)程，這種脈沖式的噴水方式對(duì)水分的控制無(wú)法縮到更小的波動(dòng)范圍內(nèi)。即使是國(guó)外的先進(jìn)控制系統(tǒng)，仍大都停留在對(duì)加水這一過(guò)程的控制上，雖然也考慮了鼓風(fēng)對(duì)其冷卻的不可或缺的作用，但鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓是靠人工改變風(fēng)機(jī)進(jìn)口前的蝶閥來(lái)調(diào)節(jié)的，電機(jī)始終在全壓全速地運(yùn)行。這樣就造成入口處砂溫較低，僅僅需要控制水分要求時(shí)，浪費(fèi)了大量電能。更為重要的是，沒(méi)有對(duì)冷卻后舊砂的輸送過(guò)程中水分的損耗沒(méi)有作任何考慮，使得進(jìn)入混砂機(jī)的舊砂水分沒(méi)有達(dá)到最佳的設(shè)定范圍。對(duì)具體鑄造企業(yè)的回用砂輸送流程進(jìn)行調(diào)研分析，建立數(shù)學(xué)模型，并融入到控制系統(tǒng)中是十分有必要的。1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)制造的雙盤(pán)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(pán)冷卻器的推廣使用06。從國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)研制的噴水冷卻控制系統(tǒng)來(lái)講，總體發(fā)展水平比較落后，同歐美等先進(jìn)國(guó)家相比，存在較大的差距。由于缺乏可靠的水分檢測(cè)傳感器和對(duì)水分的控制方法，難以完成對(duì)滯后、復(fù)雜、時(shí)變濕度系統(tǒng)的控制，造成水分的波動(dòng)范圍很大，對(duì)混砂這一后續(xù)流程極為不利。為保證只有在冷卻室內(nèi)有料的前提下才進(jìn)行噴水，國(guó)內(nèi)的控制系統(tǒng)一般采用料位傳感器來(lái)檢測(cè)是否有砂，但由于冷卻內(nèi)環(huán)境十分惡劣，無(wú)論是機(jī)械式還是電子式的，使用壽命都很短，而且故障率很高、經(jīng)常誤發(fā)信號(hào)，從而造成水分的添加失去控制。在國(guó)內(nèi)的控制系統(tǒng)中，幾乎沒(méi)有對(duì)冷卻室卸砂這一環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，這樣就會(huì)由于進(jìn)料口砂層的波動(dòng)而造成冷卻室內(nèi)的砂層變化很大，對(duì)噴水的控制無(wú)法提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的外部條件，造成水分控制波動(dòng)也相當(dāng)大。1.4 課題主要研究?jī)?nèi)容針對(duì)國(guó)內(nèi)外雙盤(pán)冷卻器噴水冷卻控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向，對(duì)靜壓造型線回用砂輸送流程進(jìn)行調(diào)研分析，建立濕度實(shí)時(shí)控制值數(shù)學(xué)模型，采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙盤(pán)冷卻器的最佳性能是本課題研究的主要內(nèi)容。1.4.1 主要性能指標(biāo)在噴水、鼓風(fēng)冷卻控制系統(tǒng)改造后，為了使雙盤(pán)冷卻器的運(yùn)行能夠更好地滿足工藝要求，必須達(dá)到以下主要性能指標(biāo)：（1）雙盤(pán)冷卻器冷卻回用砂的最大批處理量為150噸/小時(shí)，在保證雙盤(pán)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)功率恒定的情況下，使回用砂在冷卻室內(nèi)的處理時(shí)間達(dá)72秒鐘以上。（2）直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)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(nèi)。（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(shí)，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(lái)的%波動(dòng)縮小到%以內(nèi)；回用砂濕度能根據(jù)出口砂溫度大小，進(jìn)行因水分蒸發(fā)而必須的補(bǔ)償控制，使回用砂在到達(dá)混砂機(jī)時(shí)的濕度能控制在1.8%之間。（5）鼓風(fēng)機(jī)的額定功率為55kw，最大風(fēng)量50000m3/h，為保證雙盤(pán)內(nèi)風(fēng)口不會(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，最小風(fēng)量不低于35000 m3/h。抽風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量為60000m3/h，并且抽風(fēng)量始終按照鼓風(fēng)量的120%運(yùn)行。1.4.2 主要研究?jī)?nèi)容本課題從以下幾個(gè)方面對(duì)雙盤(pán)冷卻器控制技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)現(xiàn)有的SIMPSON公司MC-150型雙盤(pán)冷卻器進(jìn)行了冷卻控制系統(tǒng)的全面改進(jìn)。（1） 對(duì)噴水冷卻控制系統(tǒng)系統(tǒng)的各組成部分的選擇方案進(jìn)行分析，比較各種可選方案的特點(diǎn)，對(duì)濕度傳感器、溫度傳感器的選型、測(cè)溫點(diǎn)位置選擇等進(jìn)行調(diào)研，確定噴水冷卻控制系統(tǒng)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(duì)后續(xù)混砂流程也更為重要，因此采用根據(jù)濕度偏差的大小自動(dòng)分離積分作用的PID算法，該算法易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，并且易于在PLC中實(shí)現(xiàn)。（3） 通過(guò)試驗(yàn)的方法，在不同溫度段，通過(guò)一定的輸送周期后，對(duì)冷卻后回用砂水分的蒸發(fā)損耗進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用猜測(cè)函數(shù)的方法對(duì)各試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出濕度的希望控制值與實(shí)時(shí)溫度的函數(shù)表達(dá)式。對(duì)實(shí)時(shí)不同溫度的情況下，自動(dòng)更改濕度設(shè)定值，從而達(dá)到更為理想的控制范圍，因此PID設(shè)定的濕度值是一個(gè)隨溫度變化而變化的隨動(dòng)量。（4） 對(duì)PID的參數(shù)進(jìn)行整定，首先利用課題中廣泛應(yīng)用的擴(kuò)充響應(yīng)曲線法初步確定PID控制器的參數(shù)，然后現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)試，獲得相對(duì)最佳的控制效果。（5） 運(yùn)用模糊控制對(duì)鼓風(fēng)機(jī)和抽風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行控制。雙盤(pán)冷卻器進(jìn)口處熱砂的溫度波動(dòng)范圍比較大，根據(jù)課題經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)冷卻室內(nèi)的砂溫和濕度而進(jìn)行模糊控制。（6） 用WINCC組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)雙盤(pán)冷卻器噴水冷卻控制系統(tǒng)的人機(jī)界面，通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)濕度和溫度值、實(shí)時(shí)鼓風(fēng)機(jī)和抽風(fēng)機(jī)的運(yùn)行速度等。第 59 頁(yè) 共 59 頁(yè)上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 噴水冷卻控制系統(tǒng)的硬組成第二章 噴水冷卻控制系統(tǒng)方案及硬件組成多高溫度的砂算是熱砂？通過(guò)研究型砂溫度對(duì)其性能穩(wěn)定性的影響、溫度對(duì)膨潤(rùn)土-水系統(tǒng)流變性的影響以及型砂溫度與鑄件質(zhì)量的關(guān)系，得到了一致的結(jié)論，即：為保證型砂的性能穩(wěn)定，溫度應(yīng)保持在50以下03。2.1 最大加水量的測(cè)算目前，型砂冷卻裝置的品種、規(guī)格很多，主要有冷卻滾筒、雙盤(pán)冷卻器和冷卻沸騰床等，都是利用水分蒸發(fā)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(cè)算是電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥的重要選型依據(jù)。2.1.1 計(jì)算依據(jù) 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(jiǎn)單的加水，效果是很差的。一定要吹入大量空氣使水分蒸發(fā)，才能有效地冷卻。以下，給出一個(gè)簡(jiǎn)略的計(jì)算比較：（1） 簡(jiǎn)單加水簡(jiǎn)單加水即僅將水灑在熱砂的表面。假設(shè)熱砂的溫度為50，此時(shí)1噸熱砂中加入1%（即10Kg）溫度為20的水，設(shè)最終砂和水的共同溫度為。因?yàn)?（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(qiáng)迫散熱如果不是簡(jiǎn)單地加水，在加水同時(shí)攪拌熱砂并吹風(fēng)。使1噸砂中的水分蒸發(fā)1%（10kg），能帶走的熱量為： （2-3）式（2-3）中：。？水的蒸發(fā)熱是： ？此時(shí)卻可使砂溫降低（）以上的分析表明：簡(jiǎn)單地向皮帶機(jī)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(fēng)，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(fēng)，使水分迅速蒸發(fā)，同時(shí)將蒸汽排除。公式引用、參數(shù)計(jì)算要嚴(yán)密、完整，表達(dá)要規(guī)范。你文中理論水平、學(xué)術(shù)意義太欠缺，要注意加強(qiáng)這方面的意識(shí)。請(qǐng)認(rèn)真仔細(xì)地看一看！2.1.2 加水量的計(jì)算按照每小時(shí)雙盤(pán)冷卻器處理砂的能力150噸計(jì)算，假設(shè)在最惡劣條件下，入口砂的溫度高達(dá)100，濕度僅為0.2%，為了能使冷卻后砂的溫度達(dá)60，濕度達(dá)2%，在一小時(shí)內(nèi)的加水量需要分兩部分計(jì)算。第一部分，冷卻后留在砂中的水分增加的質(zhì)量為（噸）而另外一部分就是水分蒸發(fā)并被鼓風(fēng)機(jī)帶走的那部分。1噸砂在最惡劣情況下需蒸發(fā)水分20才能使溫度達(dá)到60以下，因此這部分水的質(zhì)量為（噸）綜合以上兩部分，水的質(zhì)量流量為5700，也就是水的體積流量為5.7。W2的計(jì)算沒(méi)有與“使1噸砂中的水分蒸發(fā)1%，可使砂溫降低24.5”這個(gè)概念掛起鉤來(lái)。 ？2.2 噴水冷卻控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本課題中，噴水冷卻控制系統(tǒng)的主控系統(tǒng)由西門(mén)子S7-30 PLC組成，模擬采集系統(tǒng)主要包括溫度和濕度測(cè)量傳感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括加水電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥、鼓風(fēng)機(jī)和抽風(fēng)機(jī)變頻器。這三大部分即為噴水冷卻控制系統(tǒng)的主要硬件。圖2-1為噴水冷卻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。噴水裝置設(shè)有穩(wěn)壓水箱、恒壓水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥及加水噴頭。圖2-1 噴水冷卻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2-1 sketch design of spray control system選用西門(mén)子S7-300型PLC作為主控系統(tǒng)，其中數(shù)字輸入模塊監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的各開(kāi)關(guān)量信號(hào)。如：當(dāng)轉(zhuǎn)子電機(jī)功率達(dá)到一定值，砂層厚度達(dá)到要求時(shí)發(fā)送信號(hào)至數(shù)字輸入模塊；在噴頭前級(jí)加入流量監(jiān)測(cè)裝置，如果噴頭堵塞，將發(fā)送堵塞信號(hào)至數(shù)字輸入模塊。數(shù)字輸出模塊控制現(xiàn)場(chǎng)的各開(kāi)關(guān)量電氣元件，如：控制開(kāi)關(guān)量水閥，保證系統(tǒng)不會(huì)造成在非正常斷電時(shí)電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥無(wú)法運(yùn)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(zhuǎn)子電機(jī)功率、鼓風(fēng)機(jī)負(fù)載電流、電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥閥芯位置反饋、卸砂門(mén)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置反饋等模擬量。各模擬信號(hào)的輸入方式、通道、量程卡設(shè)置參見(jiàn)表2-1所列。模擬輸出模塊輸出4-20mA模擬電流信號(hào)分別控制電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥、鼓風(fēng)機(jī)變頻器、抽風(fēng)機(jī)變頻器等。各模擬輸出信號(hào)的輸出方式、通道、量程卡的設(shè)置參見(jiàn)表2-2所列。2.3 噴水冷卻控制系統(tǒng)的硬件配置硬件配置方面主要包括主控系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)和直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，下面將分別介紹三大硬件組成部分的各技術(shù)參數(shù)、選型和安裝要求等。2.3.1 主控系統(tǒng)的配置與選型SIEMENS S7-300 PLC采用模塊式結(jié)構(gòu)，適用于中等性能的控制要求。CPU模塊、信號(hào)模塊和功能模塊的組合能滿足各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大和更為復(fù)雜時(shí)，可以增加模塊，對(duì)PLC進(jìn)行擴(kuò)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(shù)字量輸入模塊SM321（4） 數(shù)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)的安裝導(dǎo)軌上。背板總線將除電源模塊之外的各個(gè)模塊連接起來(lái)。背板總線集成在模塊上，模塊通過(guò)U形總線連接器相連10。模擬量輸入輸出模塊的信號(hào)種類用安裝在模塊側(cè)面的量程卡來(lái)設(shè)置，量程卡安裝在模擬量輸入模塊的側(cè)面，每?jī)蓚€(gè)通道為一組，共用一個(gè)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(shè)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(shuō)明通道通道組PIW288濕度傳感器雙盤(pán)冷卻器冷卻室砂濕度通道0-10，量程卡APIW292PT100雙盤(pán)冷卻器冷卻室溫度通道2-31，量程卡APIW296PT100雙盤(pán)冷卻器出口砂溫度通道4-52，量程卡APIW300PT100雙盤(pán)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(jī)負(fù)載功率通道0-10，量程卡CPIW308電流傳感器鼓風(fēng)機(jī)負(fù)載電流通道2-31，量程卡CPIW312電阻電位器卸砂門(mén)電動(dòng)推桿反饋電阻通道4-52，量程卡APIW316電流4-20mA電動(dòng)調(diào)節(jié)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(shuō)明通道輸出類型PQW320電流加水機(jī)構(gòu)比例水閥通道0I（4-20mA）PQW322電流鼓風(fēng)機(jī)變頻器模擬輸入端通道1I（4-20mA）PQW324電流抽風(fēng)機(jī)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(hào)的輸入輸出系統(tǒng)控制信號(hào)的輸入輸出系統(tǒng)主要介紹溫度傳感器、濕度傳感器、鼓風(fēng)機(jī)變頻控制、卸砂門(mén)控制和加水調(diào)節(jié)閥控制等。一、濕度傳感器回用砂的濕度通過(guò)高精度測(cè)濕傳感器來(lái)檢測(cè)，直接安裝在雙盤(pán)冷卻中，濕度測(cè)量的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性直接影響到噴水冷卻系統(tǒng)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?yàn)樯皩恿鲃?dòng)時(shí)出現(xiàn)的死角而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此為了能夠真實(shí)反映實(shí)際砂層的濕度值，測(cè)試點(diǎn)需要多點(diǎn)測(cè)量。在實(shí)際解決過(guò)程中，把兩位式濕度傳感器的兩個(gè)探頭分別固定在兩個(gè)轉(zhuǎn)子上，在兩個(gè)轉(zhuǎn)子做8字狀相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，始終保持一定的距離。又由于探頭的旋轉(zhuǎn)，引出測(cè)量導(dǎo)線也需要相對(duì)旋轉(zhuǎn)，因此安裝在冷卻室頂部的濕度傳感器內(nèi)部裝有軸承可以旋轉(zhuǎn)，通過(guò)銀觸頭的轉(zhuǎn)動(dòng)把測(cè)量的信號(hào)值傳送到PLC的模擬輸入模塊。圖2-2 電阻與濕度的關(guān)系曲線Fig.2-2 the curve of relation between Resistor and Moisture本課題選用德國(guó)Michenfelder Elektrotechnik公司生產(chǎn)的MY015C型濕度傳感器。它采用的是電阻法測(cè)濕原理，利用了被測(cè)物質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)，電阻R與濕度M之間的關(guān)系如圖2-2所示。在區(qū)域I范圍內(nèi)，隨著含水量的增加，電阻R呈對(duì)數(shù)減少。因此，通過(guò)測(cè)定電阻值，就能測(cè)定水份含量，其測(cè)量精度達(dá)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(shù)關(guān)系的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)溫。其測(cè)量范圍為-200+850，A級(jí)精度允許偏差值為（0.150.002t），熱響應(yīng)時(shí)間小于30秒。由于PT100傳感器具有精度高、抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及安裝容易等特點(diǎn)，比較適合溫度不高的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。采用PT100可以無(wú)須溫度變送器直接接入SM331模擬輸入模塊，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。溫度傳感器的測(cè)量位置有三處：（1）進(jìn)料口附近檢測(cè)砂溫，檢測(cè)熱回用砂的溫度；（2）檢測(cè)雙盤(pán)冷卻器頂部抽風(fēng)口溫度，反映雙盤(pán)室內(nèi)溫度變化情況；（3）出料口附近檢測(cè)砂溫，能夠反饋回用砂降溫情況。三、鼓風(fēng)機(jī)變頻器為了縮小加水冷卻后回用砂的溫度濕度的波動(dòng)范圍，提高其運(yùn)行曲線的平滑性，無(wú)須在進(jìn)口處砂溫度較低的情況下鼓風(fēng)機(jī)仍然高速運(yùn)行，這樣還可以節(jié)約能源。根據(jù)冷卻室回用砂溫度濕度對(duì)冷卻風(fēng)量進(jìn)行模糊控制，PLC輸出模擬量電流信號(hào)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(yuǎn)，通過(guò)線路間的分布電容和分布電感產(chǎn)生的干擾信號(hào)電流在模塊的輸入阻抗上將產(chǎn)生較高的干擾電壓。遠(yuǎn)程傳送模擬量電壓信號(hào)時(shí)抗干擾能力很差，因此采用模擬量電流信號(hào)作為遠(yuǎn)程傳送。本課題選用LENZE EVF8225型變頻器，額定功率（1.5倍過(guò)載）55kw，額定電流110A，輸出頻率0.1480Hz，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度為3060ms/1000rpm。該型號(hào)變頻器有兩個(gè)模擬量輸入端，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。四、卸砂門(mén)的控制卸砂門(mén)的開(kāi)啟度大小由電動(dòng)推桿控制，通過(guò)PID調(diào)節(jié)，把負(fù)載功率作為設(shè)定比較值，實(shí)時(shí)控制開(kāi)口大小。卸砂門(mén)不斷浮動(dòng)，使冷卻室砂層的厚度始終維持在合適的范圍內(nèi)，以達(dá)到精確控制的目的。(a)功率因素與負(fù)載的關(guān)系曲線 (b) 電流與負(fù)載的關(guān)系曲線 (c) 功率與負(fù)載的關(guān)系曲線圖 2-3 功率因素、電流、功率與負(fù)載的關(guān)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(fù)載的關(guān)系曲線圖。當(dāng)電機(jī)開(kāi)始承受負(fù)載時(shí)，功率因素迅速增加，而電流不能明顯改變，直到電機(jī)達(dá)到50%的負(fù)載額定值。功率是線性變化的，因此負(fù)載功率比負(fù)載電流更能線性地反映真實(shí)負(fù)載。五、加水調(diào)節(jié)閥的控制加水調(diào)節(jié)閥是控制系統(tǒng)中最為重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。經(jīng)過(guò)PID程序處理，PLC輸出420mA的模擬直流電流信號(hào)到伺服電機(jī)控制的輸入端，控制比例水閥的開(kāi)口量，從而控制加水量的大小。其取代開(kāi)關(guān)量電磁閥的脈沖加水，控制精度得到大幅提高。加水量調(diào)節(jié)閥的選型、結(jié)構(gòu)、參數(shù)及其控制等在2.3.3中詳細(xì)介紹。2.3.3 直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥一、電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥的參數(shù)計(jì)算及選型 此段問(wèn)題很多、太亂，好好理一理。調(diào)節(jié)閥的流通能力Kv值，是調(diào)節(jié)閥的重要參數(shù)，它反映流體通過(guò)調(diào)節(jié)閥的能力，也就是調(diào)節(jié)閥的容量。根據(jù)調(diào)節(jié)閥流通能力Kv值的計(jì)算，就可以確定選擇調(diào)節(jié)閥的口徑。根據(jù)調(diào)節(jié)閥口徑計(jì)算指南進(jìn)行液體（不可壓縮流體）的Kv值計(jì)算。要計(jì)算Kv值，必須先確定調(diào)節(jié)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(fù)系數(shù)，查調(diào)節(jié)閥的參數(shù)表可以獲得；P1閥入口取壓點(diǎn)測(cè)得的絕對(duì)壓力，MPa；液體臨界壓力比系數(shù)；PV閥入口溫度飽和蒸汽壓（絕對(duì)壓力），MPa；實(shí)際課題中，閥入口取壓點(diǎn)測(cè)得的絕對(duì)壓力P1為0.2 MPa，閥出口取壓點(diǎn)測(cè)得的絕對(duì)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(diào)節(jié)閥參數(shù)表，直通單座調(diào)節(jié)閥的壓力恢復(fù)系數(shù)為0.9；設(shè)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(shù)據(jù)，可以計(jì)算出：所以，屬于非阻塞流。（2） 計(jì)算Kv值。計(jì)算公式：或 （取其中一個(gè)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(diǎn)測(cè)得的絕對(duì)壓力，MPa；PC熱力學(xué)臨界壓力（絕對(duì)壓力），MPa；液體質(zhì)量流量，；所以，。根據(jù)計(jì)算，選定大禹泵閥制造公司生產(chǎn)的直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥，型號(hào)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(dá)2.5%。二、電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥的結(jié)構(gòu)和性能直通單座閥為無(wú)底蓋上導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，它只有一個(gè)閥座和一個(gè)柱塞形閥芯，具有開(kāi)關(guān)性能好、泄露量小、流量特性準(zhǔn)確、可調(diào)比大的特點(diǎn)。圖2-4 電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2-4 structure of proportional valve 圖2-4為電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥的結(jié)構(gòu)示意圖，閥體按照流體力學(xué)低流阻原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，線性直通閥體具有相等的內(nèi)部橫截面積，壓降損失少，流體流動(dòng)穩(wěn)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(shù)，提高了控制閥的使用性能。不同的閥芯形狀會(huì)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(tǒng)中最常用的特性，在不同的閥門(mén)開(kāi)度，它控制流量的變化率也是不同的，隨著開(kāi)度的增大，控制流量的變化率也隨之增至最大。在控制系統(tǒng)中該特性可補(bǔ)償被控對(duì)象的非線性，從而使控制系統(tǒng)更穩(wěn)定。（2）線性特性：閥門(mén)開(kāi)度控制流量變化率是不變的。（3）快開(kāi)特性：以最小的閥門(mén)開(kāi)度便能使流量達(dá)到最大，打開(kāi)閥門(mén)最快速是它的特點(diǎn)，所以適合用作開(kāi)關(guān)控制。根據(jù)以上流量特性，結(jié)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(dòng)調(diào)節(jié)水閥的控制系統(tǒng)ZDYP超小型單座電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥是電子式一體化直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥，采用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂撇糠植捎肈Y-JSF-01精小型電動(dòng)執(zhí)行器伺服放大器，如圖2-6所示。伺服放大器由主板和驅(qū)動(dòng)板構(gòu)成，其控制原理是：接受標(biāo)準(zhǔn)的420mA DC電流輸入控制信號(hào)，并與電動(dòng)執(zhí)行器閥位反饋的電阻信號(hào)在放大器內(nèi)進(jìn)行比較，根據(jù)偏差控制執(zhí)行器伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，使閥芯作相應(yīng)移動(dòng)，改變閥門(mén)的開(kāi)度，與輸入控制信號(hào)所要求的開(kāi)度始終保持相等，達(dá)到調(diào)節(jié)閥門(mén)準(zhǔn)確停位，實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量的調(diào)節(jié)。圖2-6 DY-JSF-01伺服放大器系統(tǒng)接線圖Fig.2-6 wiring diagram of DY-JSF-01 servo amplifier system伺服放大器同時(shí)還輸出一個(gè)與輸入信號(hào)隔離的、與執(zhí)行器的位移相對(duì)應(yīng)的420mA DC閥位反饋輸出信號(hào)，它與調(diào)節(jié)閥門(mén)的實(shí)際開(kāi)度相對(duì)應(yīng)，可送給計(jì)算機(jī)或調(diào)節(jié)器，用作閥位的顯示。伺服放大器可對(duì)輸出閥位進(jìn)行上下限位，可根據(jù)工藝的要求將閥位限定在所要求的范圍。同時(shí)還具有斷線保護(hù)功能，當(dāng)輸入信號(hào)斷線或小于正常值時(shí)，伺服放大器停止自動(dòng)跟蹤，閥門(mén)將自動(dòng)到達(dá)安全的停位位置，同時(shí)故障燈點(diǎn)亮。四、電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥的安裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以安裝在不使電機(jī)倒置的任何一個(gè)位置，電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥最好是正立垂直安裝在管道上。在確定直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥的安裝位置時(shí)，要考慮閥門(mén)調(diào)試、維修的方便，預(yù)留一定的空間以便調(diào)試或檢修時(shí)移走外罩殼。驅(qū)動(dòng)器必須予以保護(hù)，防止漏水而損壞內(nèi)部控制板、驅(qū)動(dòng)板和電機(jī)。電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥在安裝至管道之前，應(yīng)清除管道內(nèi)污物，焊錫等雜質(zhì)，以免運(yùn)行時(shí)發(fā)生卡滯和損壞閥芯、閥座。在調(diào)試時(shí)，還必須在考慮維修需要的同時(shí)保證原管路系統(tǒng)的正常運(yùn)行，圖2-7為電動(dòng)調(diào)節(jié)水閥在管路中的連接示意圖。圖2-7 電動(dòng)調(diào)節(jié)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(xué)工程碩士學(xué)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(shè)計(jì)第三章 基于PID控制原理的舊砂溫度濕度控制的軟硬件設(shè)計(jì)溫度濕度屬于模擬量，必須通過(guò)傳感器、變送器等轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，由模擬輸入模塊轉(zhuǎn)換成PLC的CPU可以處理的數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過(guò)程序處理后，由模擬輸出模塊轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)后傳給執(zhí)行器施加到受控對(duì)象身上，完成相應(yīng)的動(dòng)作。3.1 PID在PLC上的實(shí)現(xiàn)算法模擬量閉環(huán)控制常用的較好方法之一是PID控制，對(duì)連續(xù)函數(shù)進(jìn)行離散化處理后，通過(guò)PLC程序進(jìn)行噴水量PID調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)PID的控制值是與偏差（設(shè)定值與實(shí)際值之差）、偏差對(duì)時(shí)間的積分、偏差對(duì)時(shí)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(shí)間常數(shù)，？Td微分時(shí)間常數(shù)，？放大倍數(shù)（比例系數(shù)），？比例調(diào)節(jié)具有穩(wěn)態(tài)誤差，為解決此問(wèn)題，可在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上引入積分調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)的原理是將濕度偏差相對(duì)于時(shí)間而進(jìn)行積分，并將結(jié)果加在偏差信號(hào)上使比例區(qū)移動(dòng)，積分環(huán)節(jié)持續(xù)不斷地調(diào)節(jié)比例區(qū)直至穩(wěn)態(tài)誤差的消除。雖然積分作用的加入可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)，其原因是積分環(huán)節(jié)在實(shí)際濕度達(dá)到比例區(qū)下限時(shí)已開(kāi)始動(dòng)作，當(dāng)濕度達(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)，已將比例區(qū)移至較高位置，這樣就會(huì)造成濕度值的過(guò)量，導(dǎo)致較大的超調(diào)出現(xiàn)。為了減少“比例+積分”調(diào)節(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的超調(diào)，可加入微分調(diào)節(jié)，形成“比例+積分+微分”控制。微分控制根據(jù)濕度變化的速度來(lái)控制調(diào)節(jié)量，具有預(yù)先調(diào)節(jié)控制器輸出至預(yù)期需求的功能，它減少了用于控制器響應(yīng)過(guò)程某一變化的時(shí)間滯后，起到提前調(diào)節(jié)的作用，有助于防止設(shè)定點(diǎn)的超調(diào)或欠調(diào)。3.1.2 PID算式的離散化由于式（3-1）用于連續(xù)函數(shù)的PID控制，如果在PLC控制系統(tǒng)中使用，必須將其作離散化處理，用相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算來(lái)代替這里的積分、微分14。離散化連續(xù)函數(shù)的處理方法是：用矩形法數(shù)值積分來(lái)近似代替上式中的連續(xù)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(shí)刻的濕度偏差，？采樣時(shí)刻的濕度偏差，？假設(shè)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(shí)刻的控制輸出值，？式（3-3）的計(jì)算僅僅是加減乘除等基本運(yùn)算，用PLC目前強(qiáng)大的算術(shù)運(yùn)算指令完全可以進(jìn)行，從而求出不同時(shí)刻，即第時(shí)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(duì)式（3-4）進(jìn)一步進(jìn)行簡(jiǎn)化：設(shè)積分常數(shù)，微分常數(shù)，比例常數(shù)，則最終的簡(jiǎn)化式為： （3-5） （3-6）式？即為。 ， 可。3.1.3 PID控制程序?qū)崿F(xiàn)根據(jù)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(jù)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。圖3-1 PID控制的離散算法框圖Fig.3-1 frame structure of PID control discrete arithmetic對(duì)此圖應(yīng)作必要的簡(jiǎn)略說(shuō)明3.2 濕度實(shí)時(shí)控制值數(shù)學(xué)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(jù)溫度對(duì)濕度值進(jìn)行修正。可以通過(guò)試驗(yàn)的方法，對(duì)冷卻后回用砂在不同溫度段通過(guò)一定的輸送周期下水分的蒸發(fā)損耗進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，得出濕度的希望控制值與實(shí)時(shí)溫度的函數(shù)表達(dá)式。因此PID設(shè)定的濕度值是一隨溫度變化而變化的隨動(dòng)量。3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的測(cè)試和分析主要包括兩個(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系。一、型砂濕度在輸送周期下的損耗量實(shí)驗(yàn)儀器：SGS雙盤(pán)紅外線烘干器，物理天平，水銀溫度計(jì)。雙盤(pán)紅外線烘干器用于鑄造用原砂、型砂、芯砂含水量的測(cè)定，對(duì)含有水分的砂子進(jìn)行快速烘干，承砂盤(pán)表面溫度達(dá)110170，烘干時(shí)間：58分鐘。測(cè)量型砂濕度的方法：通過(guò)稱量承砂盤(pán)里含水型砂烘干前后的質(zhì)量，計(jì)算出水分的蒸發(fā)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(cè)量記錄表Table 3-1 measure value of the sand moisture批料開(kāi)始實(shí)驗(yàn)溫度開(kāi)始測(cè)定濕度最終測(cè)定溫度最終測(cè)定濕度濕度損耗值A(chǔ)602.05%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(cè)出各需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)表3-1的內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計(jì)和取值。為了能夠盡可能接近冷卻后型砂的輸送環(huán)境，取砂樣進(jìn)行保存時(shí)，保證批料有一定的堆放厚度。先對(duì)被測(cè)熱砂進(jìn)行冷卻，達(dá)到開(kāi)始測(cè)量溫度時(shí)，測(cè)出批料的濕度；然后把剩余砂樣在20左右的實(shí)驗(yàn)室里敞開(kāi)保存1小時(shí)后，蓋上密封蓋，并繼續(xù)保存2小時(shí)；最后取底層砂樣進(jìn)行溫度和濕度的測(cè)量。二、濕度傳感器輸出電阻與濕度的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)驗(yàn)儀器：電阻箱、濕度傳感器。由于現(xiàn)場(chǎng)的單片機(jī)采用電導(dǎo)率，用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱輸入不同電阻，和儀表顯示電導(dǎo)率的各數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找出其對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而最終得到輸出電阻和濕度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。測(cè)量記錄如表3-2所示。表3-2 濕度電導(dǎo)率和電阻之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系表Table 3-2 corresponding value between moisture conductance and resistor電阻濕度電導(dǎo)率電阻濕度電導(dǎo)率電阻濕度電導(dǎo)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(xiàn)場(chǎng)采集的濕度傳感的電阻在濕度為1.8%左右時(shí)的阻值為500-800歐姆左右，需要把這個(gè)電阻輸入到PLC的模擬輸入模塊來(lái)進(jìn)行控制，但由于西門(mén)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(shí)要超過(guò)此范圍，所以把采集的電阻和一個(gè)600歐姆的固定電阻并聯(lián)后接進(jìn)模擬輸入模塊，然后在PLC中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換。3.2.2 濕度控制設(shè)定值數(shù)學(xué)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(fā)損耗是不同的。通過(guò)以上測(cè)量數(shù)據(jù)，觀察各分段函數(shù)，運(yùn)用猜測(cè)函數(shù)的方法對(duì)各試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出濕度控制設(shè)定值與實(shí)時(shí)溫度的函數(shù)表達(dá)式。圖3-1 濕度損耗與溫度的猜測(cè)函數(shù)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(yùn)用課題數(shù)學(xué)方法，可以把猜測(cè)函數(shù)方程設(shè)定為：。為了簡(jiǎn)化函數(shù)表達(dá)式，可以假設(shè)，溫度為20時(shí)， ；當(dāng)溫度為25時(shí)，；當(dāng)溫度為30時(shí)，依次類推。由于求出拋物線的方程只需要兩個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)，觀察曲線位置，由于現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算值與測(cè)試值接近，因此取測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)（0，0.08）和（4，0.12），從而求出猜測(cè)函數(shù)的表達(dá)式為：計(jì)算該猜測(cè)函數(shù)的其他計(jì)算值與測(cè)試值的誤差，可以看出，在5560區(qū)間，誤差較大，因此這個(gè)區(qū)間考慮特殊處理，在PLC程序中，作濕度損耗補(bǔ)償。設(shè)溫度為T(mén)時(shí)，型砂濕度控制值為M%，先對(duì)溫度T進(jìn)行以下轉(zhuǎn)換處理：IF T60 THEN T=60；T=(T-20)/5工藝要求最終進(jìn)入混砂機(jī)的型砂濕度為1.8%，所以M的函數(shù)表達(dá)式為： （3-7）由測(cè)試表3-2，在溫度為35時(shí)，2.1%的濕度對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率為78，2.0%的濕度對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率為72，1.9%的濕度對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率為67，1.8%的濕度對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率為64。實(shí)際冷卻處理過(guò)程中，絕大部分濕度都控制在此范圍。分析以上數(shù)據(jù)，采用分段函數(shù)處理較為合適。已經(jīng)由猜測(cè)函數(shù)求出了式3-7中的濕度M%，則對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率G的函數(shù)表達(dá)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(duì)500800歐姆這個(gè)范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理就足夠了。同樣采用分段函數(shù)的處理方法，把電導(dǎo)率G進(jìn)行分區(qū)，求出對(duì)應(yīng)濕度傳感器的電阻的函數(shù)表達(dá)式： （3-9）最后得出輸入到PLC模擬模塊的電阻的函數(shù)表達(dá)式： （3-10）這也就是最終得到濕度的實(shí)時(shí)控制設(shè)定值。3.3模擬控制信號(hào)的輸入與輸出本課題中模擬控制信號(hào)輸入主要包括舊砂溫度和濕度的電阻模擬量信號(hào)以及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥反饋電流模擬量信號(hào)，而控制信號(hào)輸出主要是模擬輸出模塊輸出至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制端的電流模擬量信號(hào)。3.3.1 舊砂溫度濕度的信號(hào)采集S7-300的模擬量輸入模塊SM331用于將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)。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(jié)約了硬件成本，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(gè)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(hào)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(hào)類別由安裝在模塊側(cè)面的量程卡來(lái)設(shè)置，每?jī)蓚€(gè)通道為一個(gè)組，共用一個(gè)量程卡，6ES7 331-7KF02-0AB0模塊有8個(gè)通道，因此有4個(gè)量程卡，具體設(shè)置參閱表2-1。在硬件組態(tài)工具中，溫度PT100傳感器選擇測(cè)量方式為RT，具體類型選擇為Pt100 Std.，量程卡設(shè)置在A位置；濕度傳感器選擇測(cè)量方式為R-4L，具體測(cè)量范圍選擇600ohm，量程卡設(shè)置在A位置。模擬量轉(zhuǎn)換是順序執(zhí)行的，每個(gè)模擬量通道的輸入信號(hào)是依次、輪流轉(zhuǎn)換的。為了減少巡檢時(shí)間，應(yīng)使用STEP7軟件中的硬件組態(tài)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