1 工作原理
比值控制有开环比值控制、单闭环比值控制和双闭环比值控制三种类型。开环比值控制是最简单的控制方案。单闭环比值控制系统是为了克服开环比值控制方案的缺点而设计的，这种方案的不足之处是主流量没有构成闭环控制。本系统采样双闭环比值控制方案。
图1 kcl-h2so4双闭环流量比值控制系统原理图
由图1所示，第一个闭环控制系统是主流量氯化钾本身构成的流量闭环控制系统，当设置确定后，通过闭环调节作用，消除扰动的影响，使氯化钾的流量稳定在设定值上，主流量闭环控制系统属于恒值控制系统。第二个闭环控制系统是副流量硫酸闭环控制系统，其输入量是经过检测与变送后的氯化钾流量信号q1与比值系数k1的乘积。硫酸副流量闭环控制系统由副控制器1、硫酸泵变频器、硫酸泵以及检测点2/变送器2等组成。副流量闭环控制系统属于跟随系统。
2 流量比值控制系统设计
2.1 流量比值控制系统构成
氯化钾与硫酸流量比值控制系统是由三菱fx2nc系列plc、耐腐蚀泵、西门子mm440变频器、计量螺旋、电磁流量计等组成。流量比值控制系统方框图如图2所示。
图2 流量比值控制系统方框图
（1）三菱fx2nc系列plc。fx2nc系列plc具有很高的性能体积比和通信功能，可以安装到比标准的plc小很多的空间内。i/o型连接器可以降低接线成本，节约接线时间。i/o点数可以扩展到256点，最多可以连接4个特殊功能模块。
（2）耐腐蚀泵。硫酸属于腐蚀性介质，输送泵必须采用耐腐蚀泵。本系统采用ihf 6550-160型氟塑料离心泵，泵进口直径65mm；出口直径50mm；叶轮名义直径160mm；转速2900r/nin，流量25m3/h；扬程32m；电机功率5.5kw。硫酸泵采用变频调速。对于泵类设备，应选用水泵类专用变频器。ihf6550-160型氟塑料离心泵的驱动电机功率为5.5kw,选用西门子公司mm430型水泵专用变频器，该变频器带内置a级滤波器。
（3）西门子mm440变频器。粉体在螺旋内的流动速度是由电机编码器输出脉冲来间接计算的,如果电机转速稳定性不好,将影响计量螺旋的正常工作。为此,采用德国西门子公司mm440型矢量控制变频器，电源电压380vac，额定输出功率5.5kw，额定输出电流13.2a。为了稳定螺旋轴的转速并计算粉体流速，采用带速度编码器的矢量控制方式。变频器需要增加脉冲编码器脉冲处理模板(简称编码器模板)和编码器。
（4）计量螺旋。氯化钾是粉粒状物料(简称粉体)。计量螺旋是对粉体进行输送、动态计量和流量控制的设备。本设计采用万息得公司的lsc型计量螺旋(螺旋电子称)。
氯化钾粉体进入料仓后，在振动器的作用下进入螺旋输送机，氯化钾粉体沿螺旋槽向出料口方向前进。在出料口下方的称量装置传感器将检测到的重量信号传送到plc的模拟量输入单元。同时，安装在电机非负载轴端的编码器检测螺旋轴旋转的周数和速度，编码器输出脉冲传送到plc的高速计数单元。经cpu单元运算处理后，得到氯化钾粉体的流量值和累积重量值，由模拟量输出单元输出控制信号，控制变频器和变频电机，从而控制氯化钾粉体的流量。氯化钾流量是流量比值控制系统的主动量。粉体流量(给料量)表达式为：
q=k·q·v (1)
式中，q—计量螺旋输出流量(给料量)，kg/s；k—称重系数；q—螺旋内粉体的线负荷，kg/m；v—螺旋内粉体流动速度，m/s 。
粉体在计量螺旋内沿螺旋形轨迹运动，不便于直接检测流动速度v，通常是使用编码器检测电机的转速，再换算出流速v。如图3所示计量螺旋示意图。
图3 计量螺旋示意图
（5）电磁流量计。电磁流量计广泛用于测量导电的液体和液固两相流体的体积流量，测量结果与流体的温度、粘度、密度、压力及液固成分比无关，电导率在较大范围内变化时也不会影响测量结果。因此，只需经普通水标定后，就可以用来测量其他导电性液体或液固二相流体介质的流量，而不需附加任何修正，所以电磁流量计是一种真正的体积流量计。本设计采用的是广东万山自动化仪表有限公司wsdq型电磁流量计。
2.2 plc控制系统设计
氯化钾称重装置、硫酸电磁流量计的输出均为4～20ma信号，分别送到模拟量输入单元fx2n-4ad的电流输入1、电流输入2。模拟量输入单元fx2n-4ad有4个12位模拟量输入通道，输入量程可以是电流信号（4～20ma）或电压信号（-10～10v）。转换速率为15ms/通道或者6ms/通道（高速）。
计量罗旋和硫酸泵都采用变频调速系统，两台变频器的控制信号来自plc系统的模拟量输出单元fx2n-4da。fx2n-4da有12位4通道，输出量程可以是电流信号（4～20ma）或这电压信号（-10～+10v）。转换速度为4通道2.1ms在程序中占用8个i/o点。
（1）设定参数数据存储器地址
计量螺旋给料量即氯化钾流量设定值：d1 d0，2个字，8位bcd码。
氯化钾/硫酸流量比值系数：d3 d2/d9 d8。
氯化钾实际流量值存储器地址：m500，16位二进制码。
硫酸实际流量值存储器地址：m501，16位二进制码。
16级增益数据存储器地址：第1级～第10级：d100～d109,d130～d139。
16级积分时间常数数据存储器地址：第1级～第10级：d110～d119,d140～d149。
（2）变频器调节
使用mm430变频器控制泵类负载时，需要注意起始频率，防止闭环控制系统在突加给定时，流量出现过大的超调和震荡。在管道和泵的规格确定之后，相应的流量起始频率也就确定了。在本系统中，频率大于19hz之后才有流量输出。针对变频调速泵的这种特性，在系统调试时应首先进行开环试验，测出泵的频率-流量特性曲线。根据测出的起始频率来制定控制算法。在起始频率以下，采用开环控制模式，变频器的输入信号为斜坡函数，即线形渐增电压信号。待达到起始频率建立起流量之后，再转入闭环控制模式。对于闭环控制模式，又分为比例（p）控制和比例积分（pi）控制两种模式。首先运行比例控制，当实际流量接近设定流量时，再转入比例积分控制模式。采用多模态控制后，消除了流量的大幅度波动，改善了流量的跟随性能并消除了稳态误差。
（3）pid控制
fx2nc系列plc具有pid控制指令，
pid d200 设定值sv，参数起始字，二进制数据
d201 输入字，流量反馈数据，二进制数据
d500 控制参数
d500 采样周期t 1～32767ms d501 动作方向（act）
d502 输入滤波常数a 0～99% d503 比例增益kp 1～32767%
d504 积分时间ti （0～32767-
ms）*100 d505 微分增益kd 0～100%
d506 微分时间td （0～32767）*10ms
d503（比例增益kp）：8000（bcd码）左右，p小则超调大，震荡次数多。
d504（积分时间ti）：根据‘误差数据’（d50），将积分ti分为10级，在运行过程中自动地调用相应的积分ti，达到既响应快又抑制超调的目的。在突加给定的情况下，最大超调量小于5%。
d506(微分时间td)：4000（bcd码）左右。
3 结束语
在本系统中，根据流量闭环控制系统的误差大小，将比例系数和积分时间常数各分为10级，在运行过程中能够自动地调用合适的比例系数和积分时间常数，这种控制能够兼顾跟随性和抗扰性，实现了既响应快又抑制超调的目标，达到了很好的效果。