基于PID控制的浆液含固率自动控制系统研究

李　铬， 许小黑， 崔运喜， 刘　洋， 刘汉申， 杜星祝， 张汉山

(1.中原工学院， 郑州 450007； 2.恒天重工股份有限公司， 郑州 450006)



基于PID控制的浆液含固率自动控制系统研究

李铬1， 许小黑1， 崔运喜2， 刘洋1， 刘汉申1， 杜星祝1， 张汉山1

(1.中原工学院， 郑州 450007； 2.恒天重工股份有限公司， 郑州 450006)

摘要：设计了一种浆液含固率在线自动控制系统， 该系统通过调控间接、直接加热管中水蒸气流量来实现对浆液含固率的改变。采用PID控制理论，由PLC、比例压力阀及气动薄膜调节阀对含固率进行精确控制，含固率变化曲线可在触摸屏上显示。

关键词：浆液含固率；PID控制；在线自动控制

在上浆过程中，受众多因素影响，浆液含固率变化较大，从而造成经纱上浆率波动较大[1]，上浆率偏高或偏低对织机的织造效率影响较大[2]。浆液含固率由含固率检测仪在线检测，其主要检测元件为浓度传感器。光线通过浆液时产生反射与折射，根据全反射效应，可测出不同浆液的浓度[3]。

检测仪只能检测含固率变化，但无法改变含固率，因此，急需一种反应灵敏、能实时在线自动控制浆液含固率变化的系统，使浆液含固率稳定在工艺要求的范围内，以保证上浆质量。本文设计了一种基于PID控制的浆液含固率控制系统。该系统的开发应用，不仅会产生显著的经济效益，而且具有良好的环保效应。

1含固率控制系统方案设计

通过调控浆液加热系统，可改变上浆过程中的浆液含固率。控制系统的加热方式为复合加热方式[4]。复合加热方式包括间接加热与直接加热两种加热方式。间接加热的水蒸气管是浆液加热的主管路，无蒸汽喷气孔，水蒸气经管壁与浆液进行热交换，产生的冷凝水由疏水阀排出，因此，浆液无冷凝水注入，只有水分蒸发，浆液含固率有升高趋势。直接加热的水蒸气管有蒸汽喷气孔，水蒸气由喷气孔喷出，对浆液直接加热，同时形成的冷凝水稀释了浆液，使浆液含固率降低。据此，本文设计了一个浆液含固率控制系统方案，见图1。

由图1可知，整个系统由间接加热管、直接加热管、控制子系统及执行子系统组成。控制子系统由压缩空气管路、截止阀、过滤器、调压阀、电磁阀、精密过滤器、单向阀、比例压力阀、浓度传感器及可编程控制器等组成。执行子系统由水蒸气供给管路、截止阀、调压阀、气动薄膜调节阀等组成。

自动控制过程中，PLC根据浆液含固率实际值与标准值的差值对间接、直接加热水蒸气流量进行控制。当浆液含固率的实际值小于标准值时，系统将加大间接加热气动薄膜调节阀开启量，减小直接加热气动薄膜调节阀开启量；当浆液含固率的实际值大于标准值时，系统将减小间接加热气动薄膜调节阀开启量，加大直接加热气动薄膜调节阀开启量。由图1可知，电磁阀通电后，压缩空气流经系统各部件的先后顺序是：截止阀→过滤器→调压阀→二位三通电磁换向阀左位→精密过滤器→比例压力阀→气动薄膜调节阀。通过改变间接加热气动薄膜调节阀开启量，调控进入间接加热蒸汽管的水蒸气流量。停止工作时，电磁阀断电，间接加热气动薄膜调节阀中的压缩空气经单向阀、二位三通电磁换向阀右位排出。直接加热蒸汽管的水蒸气流量的控制原理同上所述。

1-主浆箱；2浸没辊；3-上浆辊；4-压浆辊；5-上浆辊；6-纱线；7-压浆辊；8-预热浆箱；9-调压阀；10-过滤器；11-电磁阀；12精密过滤器；13-单向阀；14-比例压力阀；15-控制子系统；16-执行子系统；17-截止阀；18-气动薄膜调节阀；19-浓度传感器；20-循环浆泵；21-直接加热管；22-间接加热管；23-疏水阀图1　浆液含固率控制系统方案图

系统中的差值控制采用“PID”比例积分微分控制方法[5]。PLC对浆液含固率标准值与实际值的差值进行PID运算，根据运算结果，比例压力阀输出对应压力控制气动薄膜调节阀的开启量，进而控制间接、直接加热蒸汽管的水蒸气流量，使浆液含固率得以平衡。PID控制为趋势控制，控制过程平稳，冲击小。

2含固率控制系统硬件设计

含固率控制系统硬件由含固率检测仪、PLC、触摸屏、输入模块、输出模块、控制子系统、执行子系统中各电气元件组成。浆液含固率通过CM-780N浓度检测仪进行检测[3]。核心控制器PLC选用S7-200CPU224XP(14DI/10DO)。模拟量输入模块选用EM231(2路AI)，实现对含固率检测仪0～10 V输出电压信号的采集；模拟量输出模块选用EM232(2路AO)，将PLC处理的数据转化为模拟信号输出给比例压力阀，以调节比例压力阀的输出压力，实现对间接、直接加热管路中水蒸气流量的控制。控制子系统核心元件比例压力阀选用FESTO(型号为MEEP-3-1/4-2.5-010-B，调压范围为0～2.5 bar)。执行子系统核心元件气动薄膜调节阀开启量所需最大压力为0.2 MPa。触摸屏选用步科Kinco MT4300C型触摸屏，其自带的通讯接口能够与PLC连接通讯，各操作指令可通过触摸屏输入，并且可实现对浆液含固率实际值的在线显示及浆液含固率变化曲线的显示。硬件接线端子说明如表1所示。

表1　硬件接线端子说明

3含固率控制系统程序设计

开机前操作人员根据工艺要求对各工艺参数进行初始化。通过人机交互界面(触摸屏)设置浆液含固率标准值和偏差值等相关参数信息。利用含固率检测仪采集浆液，经内部处理后将含固率值显示在触摸屏上。浆液含固率在线自动控制系统工作方式有手动和自动两种。采用手动方式工作时，操作人员根据含固率检测仪实时检测得到含固率实际值手动控制间接、直接加热回路上截止阀的开闭。浆液含固率偏低时，开启间接加热截止阀；浆液含固率偏高时，开启直接加热截止阀。 采用自动方式工作，在开始状态时，通过PLC输出已设定的电压信号，并作用于两比例压力阀，使间接加热管路上的气动薄膜调节阀全开，直接加热管路上的气动薄膜调节阀全闭。一段时间后，当浆液含固率的实际值与标准值的偏差大于等于设定偏差值的1/2时，控制系统进入PID趋势控制状态。控制系统利用浓度传感器检测浆液含固率，再输出与浆液浓度相对应的模拟量电压信号，然后通过模拟量转化模块将其转换成数字量后送入PLC进行运算(将该数字量与原来设定的浆液含固率标准值进行比较并进行PID运算)[6]，将运算结果(数字量)传输给模拟量输出模块，经D/A转换为0～10 V的电压信号，用来控制间接、直接比例压力阀的输出压力，进而调节间接、直接气动薄膜调节阀的开启量，以控制间接、直接加热水蒸气的流量，完成对浆液含固率的精准闭环控制。闭环控制可以有效地抑制闭环中各种扰动的影响，使浆液含固率的实际值趋于标准值。

利用S7-200PLC可编程控制器的专用编程软件进行PLC程序编写，其支持指令表、梯形图及功能图等编程方式，具有结构化程序设计的特点[7]。浆液含固率控制系统程序流程图见图2。

图2　浆液含固率控制系统程序流程图

4结语

本文提出了一种浆液含固率在线自动控制系统的设计方法，可使浆液含固率在上浆过程中实时在线显示，且能实现精确实时在线自动控制。浆液含固率实时在线自动控制的实现能帮助生产者找到最佳含固率，大大节省浆料，降低后处理成本。

参考文献：

[1]萧汉滨.新型浆纱设备与工艺[M].北京：中国纺织出版社，2006.

[2]佟昀.上浆率测试方法的改进实践[J].棉纺织技术，2008，36(5)：55-57.

[3]李铬，范锐冰，崔运喜，等.浆液含固率在线检测仪系统开发[J]. 中原工学院学报，2015，26(3):34-36.

[4]李铬，崔运喜.浆槽加热方式对浆液含固率稳定性的影响[J].棉纺织技术，2010，38(7)：17-20.

[5]程安宇，赵兰涛，倪红霞，等.快速学通西门子PLC S7-200/300[M]. 北京：人民邮电出版社，2011.

[6]林福. 基于PLC的沸腾干燥机PID温度控制系统研究[J]. 中原工学院学报，2014，25(1):26-29.

[7]宋伯生. PLC编程使用指南[M]. 北京：机械工业出版社，2013.

(责任编辑：姜海芹)

The Research of Auto-control System on Sizing Solid Content Based on PID Control

LI Ge1, XU Xiao-hei1, CUI Yun-xi2, LIU Yang1,LIU Han-shen1, DU Xing-zhu1, ZHANG Han-shan1

(1.Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007;2.Hengtian Heavy Industry Co., Ltd., Zhengzhou 450006, China)

Abstract:A sizing solid content online auto-control system is introduced. By changing the steam flow of indirectly and direct heated tube, the change of solid content in sizing is regulated. Using the PID control theory, the steam flow is controlled precisely with PLC, proportional pressure valve and pneumatic diaphragm control valve, and the curves of solid content can be displayed on the touch screen.

Key words:sizing solid content; PID control; online auto-control

中图分类号：TP21

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.011

文章编号：1671-6906(2016)01-0048-03

作者简介：李铬(1960-)，男，河南内黄人，教授，主要研究方向为纺织机械等机械结构及加工。

基金项目：中国纺织工业协会科技指导性项目(2012024)；河南省现代制造装备与仪器重点学科开放实验室资助项目；郑州市科技创新团队基金资助项目

收稿日期：2015-10-27