近幾年來， 隨著企業對鑄鐵性能要求的日益提高，市場對高品質鑄件的需求日益增多，鑄件性能的要求越來越高，對孕育裝置的給料精度要求也越來越高。隨著測量技術的不斷發展，出現了采用微波測量技術的固體流量計，使用起來方便快捷，穩定可靠，抗干擾性強，還可以實現數據的長期存儲。

 

1、流量計的主要功能及工作原理

    微波固體流量計是一種用來測量金屬管道內固體物料流量的測量系統，具有測量累計流量、瞬時流量，流量控制等功能。微波固體流量計傳感器采用24GH高頻微波，通過傳感器與管道之間電磁場的耦合，產生一個測量場，測量場的微波能量被固體微粒發射回來，然后被傳感器接收。根據多普勒原理，微波固體流量計僅測量流動的顆微粒能，記錄顆粒數目，計算出流量。測量信號不受管道內壓力、溫度和壓縮空氣的影響。微波固體流量計在使用時，需要根據現場實際流

量進行標定。在沒有流量時，可以設置零點位置直到輸出電流為4mA；流量非常大時，可以設置滿量程位置直到輸出電流為20mA。由于微波固體流量計采用微波多普勒原理，要求非常小流速（流量）為0.36m/s，所以要安裝在管道中間， 距進料口要保證300mm 以上距離，距下料口至少2 倍管道直徑的距離。伸進管道部分材料為TFE 特氟龍，擋在傳感器前端，使得傳感器不直接接觸孕育劑，不易損壞，并且無穿透影響。

 

2、控制系統

   孕育裝置電控系統以西門子S7-200PLC為控制核心，通過接收到的流量計信號，經PLC運算控制變

頻器，控制調節螺旋給料機構驅動電機的啟停，調節電機轉速即下料量，達到瞬時流量基本恒定、下料總量精準控制的目的。

 

2.1、系統構成

    系統控制部分如圖1 所示。以西門子S7224XPPLC 為基本控制單元， 配置康納森流量MONITORSF1 （型號為17-8511-11， 輸出4~20mA 電流信號）1個， 淮安三暢SC908流量積算儀1臺， 施耐德ATV312H108M3 變頻器及配套電機1 套。另外，為了簡化系統硬件構成， 選用臺灣威綸MT4424T 10 寸觸摸屏1 臺，PLC 通過2 個通信端口分別和流量積算儀及觸摸屏進行RS-232C 通信，交換數據。

 

2.2 系統主要功能

（1）PLC 與流量積算儀、觸摸屏通信。在PLC 編程軟件及觸摸屏組態軟件中設置相應的通信參數， 可實現PLC 與流量積算儀及觸摸屏之間的RS-232C 通信，完成信息采集、數據交換，并可把調試過程中對應不同設定流量的控制值存儲在PLC 中。

 

（2）控制參數的輸入、設備運行參數的顯示。在觸摸屏上的參數設置畫面， 可以方便地設定工藝要求的孕育瞬時流量及下料總量， 還可以實時顯示實際的瞬時流量及下料總量； 設備的控制與設備運行參數的顯示都可在設備監控畫面上實現。在調試或新產品研發時， 需要在觸摸屏上輸入試驗性質的瞬時流量值和下料總量，一旦確定工藝參數，只要在觸摸屏上輸入鑄件的代碼， 變頻器便根據接收到的PLC 模擬量輸出信號， 使螺旋給料機電機按相應的初始工作頻率運行，縮短PID 整定時間，迅速使瞬時流量與設定值趨向一致； 如果實際下料總量超過設定下料總量，PLC 發出指令停止下料，并把停機前的變頻器工作頻率值存儲在PLC 中， 以備下次動作賦初值給變頻器。

 

（3）故障報警、數據長期歸檔記錄。

當螺旋給料機瞬時流量（相對于設定流量）出現異常時，PLC 會發出故障報警信號， 并通過觸摸屏的報警畫面進行顯示，提醒設備操作人員查看下料系統是否有意外情況發生，同時，還可把設備的運行參數等數據進行長期歸檔記錄。

 

3、流量測控系統

流量測控系統原理如圖2 所示。

 

該系統為閉環控制系統。微波固體流量計把4~20mA 的模擬量信號發送到流量積算儀， 再由流量積算儀把瞬時流量（4~20mA 標準模擬量信號）變送輸出到PLC 的模擬量輸入端口，同時，通過標準串行雙向通信接口與PLC 之間實現RS-232C 協議通信，把積算出的下料總量值發送到PLC 中，PLC 經過運算輸出模擬量信號控制變頻器的輸出頻率，從而控制電機轉速。

 

3.1 變頻調速系統的控制

    微波固體流量計采集的4~20mA 的模擬量信號變送回PLC 中后， 與觸摸屏上預先設定的瞬時流量

值相比較，得出一個偏差（正偏差或負偏差），經過PLC 中的PID 功能塊處理， 由PLC 的模擬量輸出端口輸出一個標準的4~20 mA 電流信號送到變頻器，控制變頻器的輸出頻率， 以調節電機的轉速來調節流量。另外，PLC 將從流量積算儀接收到的下料總量值與觸摸屏上預先設定的下料總量值相比較， 通過編制的PLC 程序控制變頻器的啟停， 保證下料總量的精準。

 

3.2 PID 控制

    PID 控制通過在西門子S7-200PLC 中調用PID功能塊來實現，系統定時（按照采樣時間）執行PID

功能塊， 按照PID 運算規律， 根據當時的給定、反饋、比例－積分－微分數據，計算出控制量。PID 控制是負反饋閉環控制， 能夠抑制系統閉環內的各種因素所引起的擾動，使反饋跟隨給定變化。PID 功能塊只接受0.0~1.0 之間的實數（實際上就是百分比） 作為反饋、給定與控制輸出的有效數值， 如果直接使用PID 功能塊編程，必須保證數據在這個范圍之內，否則會出錯。其他如增益、采樣時間、積分時間、微分時間都是實數，因此，必須把外圍實際的物理量轉換為PID 功能塊需要的（或者輸出的）數據。通過觸摸屏上的PID 參數設置畫面，可以很方便地整定參數，并可將其保存在存儲區。

 

4 結語

    經生產驗證，采用微波固體流量計的孕育裝置控制系統自動化程度高，調試時間短，運行穩定、可靠，安全性高，操作簡便，報警功能完善，不但保證了良好的孕育效果，提高了工藝的穩定性，還減輕了工作人員的勞動負擔，大大提高了工作效率，節能效果顯著。另外，由于實現了實時監控和數據存儲，方便了工藝查詢和分析以及質量追溯，該裝置具有較好的實際應用效果，達到預期的設計目標。