粘油定量灌装控制装置的研制

   摘 要： 采用STD5000系列工业控制计算机，研制了用于粘油的定量灌装控制装置。介绍了该装置的硬件配置、现场配套仪表选型及“滑油”灌装工艺。通过模仿人手动灌装经验，提出了实现高精度定量灌装的阀门智能控制算法。基于该控制算法，实现了增强装置通用性的参数组态方法。

    关键词： 定量灌装 智能控制 参数组态 STD工控机

    STD总线是一种国际流行的工业控制微型计算机标准总线，由于其具有小板结构、高度的模块化、严格的标准化、广泛的兼容性、面向I/O的设计、高可靠性的特点，所以非常适合工业控制应用[1]。粘油具有的粘度高、管道摩阻大的特性限制了常规自动灌装控制装置在粘油灌装中的应用。为此，笔者采用一台北京康拓工业电脑公司生产的STD5000系列V20工控机作为主机，一台PC机作为开发平台，研制了用于粘油的定量灌装自动控制装置。

    １ 系统总体结构

    系统总体结构如图1所示。

    灌装系统为减少粘油流动摩阻，采用了油路管道加热带加热管壁，从而使粘油成为“滑油”的方式，而非沿用传统的高架罐整体搅拌加热方式。管壁加热，降低了能耗，减少了升温等待时间，但在管道中心附近油的粘度仍较大，因此，系统阀门选用了适于高粘度使用场合的微型电动调节球阀[2]。为便于维护，现场检测控制弱电信号，如称重仪、阀位反馈等，均通过每个灌装桶位对应的显示操作器转接，再进入工控机。在图1所示的结构中，灌装自动控制流程为：通过控制机监控画面，操作人员键入操作员口令，控制机确认正确后，再键入所需灌装的总桶数，确认正确后，即可进入灌装控制流程。控制机首先启动油路管道加热器，并实时检测泵入口及灌装出口油路油温，当加热达到预定温度范围内的温度时，控制机声音提示操作员；之后，检测现场油桶对位准备是否就绪，若就绪，则立刻读入称重仪重量值，并保存，此时的重量值即油桶皮重；然后，开泵、开阀，实时检测并显示油重、温度及泵阀工作状态，根据控制算法控制灌装过程；最后，当预置桶装置到达时，关闭泵阀，机械手吊移重桶，同时累计已灌装的总桶数，若已装桶数达到预定总桶数，则停止灌装过程，若未到，则重复上述的灌装流程。

    该灌装控制机可同时控制6个油桶的定量灌装。主要的现场配套仪表有：

   ·称重仪：6个，测量范围0～300kg，输出信号4～20mA；

    ·温度检测：3个，测温范围-30°Ｃ～70°Ｃ，输出信号4～20mA；

    ·微型电动调节球阀：6个，开关控制输出触点电压为交流220V。当开触点通电时，阀门开度增大；当关触点通电时，阀门开度减小；当二者均断电时，阀位保持；二者均通电则为非法操作。阀位反馈输出信号为4～20mA。

    ２ 系统硬件实现

    系统硬件结构包括两个部分：基本硬件配置、I/O接口和外部信号电源[3]，如图2所示。

    图中，I/O接口分配如表1所示。

    ３ 软件设计关键技术处理

   3.1 软件功能

    装置软件编程语言选用了结构化程序语言Tuerbo C2.0，具有图形显示，采用弹出式菜单操作方式。软件功能模块包括４大部分：系统帮助、参数组态、系统监控及系统诊断。

    3.2 阀门智能控制

    为实现高精度的粘油定量灌装，笔者采用仿人智能控制的思想，通过对人手动灌装控制经验的总结及模仿，阀门开关过程采用了梯形图控制方式及实时的冲量误差修正，如图3所示。

    图中，W为每桶油重设定灌装量，Ｗｐ为第一次关阀控制点，Ｗｓ为第二次关阀控制点，ＶＨ为阀门开度高限，ＶＬ为阀门开度低限。

    设Ｙ０为阀门开控制信号状态，Ｙｎ为阀门关控制信号状态，Ｖ为阀门开度，Ｗｘ为油的净重量，则图３所示的阀门控制算法为：

    在式（9）中，Ｅ为冲量误差修正值。从图3可见，由于阀门最后关闭存在一定的滞后时间，因此会造成一定油量的过冲，即存在一定量的冲量误差。为减少冲量误差，笔者在控制算法式（9）中引入了冲量误差修正值E。当第二次关阀后阀位反馈V≤0.05（阀位零位误差），且称重仪此时每秒的重量变化率为零时，称重仪重量（W）减去第二次关阀时刻的称重仪重量（Ws），即为冲量的大小。前一次发油结束后的冲量，即为后一次发油的冲量误差修正值Ｅ的大小。该方法简单有效地消减了冲量误差。

    在式（10）中，Ｆｍａｘ为灌装工艺流程设定的最大流速(kg/s)，ｔｍａｘ为阀门最大行程时间(s)。

    3.3 参数组态

    从前述的式（1）到式（10）中可见，控制算法中有不少的参数，如称重仪量程低限Ｗｍｉｎ及量程高限Ｗｍａｘ、阀门开度高限ＶＨ及低限ＶＬ、每桶油重设定灌装量Ｗ、灌装工艺流程设定的最大流速Ｆｍａｘ，阀门最大行程时间ｔｍａｘ；此外，还有温度检测所需的温度变送器量程低限Ｔｍｉｎ及量程高限Ｔｍａｘ、温度控制所需的高限温度ＴＨ及低限温度ＴＬ等参数。它们将随管道口径、仪表量程、油品及桶大小等的不同而不同。如何增强软件的通用性，以适应现场的不同应用情况，是提高装置通用性及可靠性的关键之一。为此，软件设计采用了密码权限控制的参数组态方法，如表2所示。

    当现场工艺及配套仪表确定后，操作员即可通过控制机参数组态功能，将参数键入如表1所示的参数组态表，并以数据文件的方式存入电子盘。当控制机进入系统监控时，则首先打开数据文件，将数据读入参数组态结构数组变量中。采用参数组态的方法，将数据参数与程序分离，避免了软件的现场修改，增强了软件的现场适应性。

    综上所述，粘油定量灌装自动控制装置，通过采用STD工业控制机，引入仿人智能控制思想及参数组态方法等，有效地提高了装置的可靠性及控制精度，增强了装置的适应性及易用性。特别是通过“滑油”灌装的工艺方式，降低了加热能耗。该装置已在多个军用油库推广应用。