CN108955781B

CN108955781B - 一种强腐蚀性液态介质流量的数字变频计量控制器

Info

Publication number: CN108955781B
Application number: CN201810665287.8A
Authority: CN
Inventors: 余世明; 何德峰; 仇翔; 吴根忠; 宋秀兰; 俞立
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2018-06-25
Filing date: 2018-06-25
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2038-06-25
Also published as: CN108955781A

Abstract

本发明公开了一种强腐蚀性液态介质的数字变频计量控制器，集防腐流量计、变频器和PLC控制器的功能于一体，可对强腐蚀性液态介质实施本地自主测控，也可通过网络接口接收远程控制指令，实施基于优化的远程控制。内嵌PI调节和模糊逻辑调节算法，具有模以量输入功能，可根据检测仪表反馈的信号进行闭环控制，例如根据pH值检测信号，可进行pH值的对动调节，当然利用其他组分检测仪，也可对其他组分实现自动调节。

Description

一种强腐蚀性液态介质流量的数字变频计量控制器

技术领域

本发明涉及强腐蚀性液态介质流量的检测与控制技术，特别是高度融合PLC 控制器、防腐流量计和变频器的功能，组成一种同时能检测流量和控制流量的数字变频计量控制器。

背景技术

液态介质投加装置以工业计量泵为核心，广泛应用于石油、化工、水处理、热力发电、制药、食品、造纸等流程工业领域，是流程工业生产制备过程中以连续或间歇方式精确定量或精确配比添加各种化学药剂、确保产品质量的关键性生产工艺环节。在流程工业中输送和投加的液体大多为强酸、强碱等腐蚀性介质，通常采用具有防腐功能的隔膜计量泵输送、投加。如图1所示，隔膜计量泵主要由三相异步电机、行程调节手轮、防腐隔膜泵头及内部蜗轮蜗杆传动机构等组成。现有隔膜计量泵存在的主要问题：其一是通过手轮以离线方式大致调节流量大小，无法实现在线精准调节和真正意义上的流量计量，既不利于节能降耗，也难以保证产品质量；其二是工作现场存在强酸、强碱和有毒气体，环境恶劣，不便人工操作。因此，为了提高产品质量、实现节能降耗和绿色制造以及改善操作环境，需实现强腐蚀性液态介质流量的自动精确测量和自动控制。

为了检测强腐蚀性液态介质的流量，通常有两种检测方式，一是管外非接触式如超声流量检测技术，二是管内接触式。管内接触式流量计精度高，抗干扰能力强，但防腐技术和工艺措施比较复杂，制造成本高，而管外非接触式流量计虽然不受腐蚀性介质的影响，但容易受到测量条件和外部干扰的影响，测量精度普遍不高，例如超声波流量计，在噪声较强的泵阀工作现场难以确保测量精度甚至无法测量。为了克服现有强腐蚀性液态介质的检测，需研究低成本高精度防腐流量计。

对腐蚀性液体流量精确检测的目的是为了将其调节到最佳值，目前主要有两种基本的调节方式：其一是基于电动冲程调节仪和防腐流量计的往复行程调节，其二是基于PLC控制器(或DCS某一模块)、通用变频器和防腐流量计的往复频率调节。

在行程调节方面通常采用电动冲程调节仪，主要由调节机构和控制器构成，属于调节往复行程的调节方案。其优点是：是调节范围大，可实现从0-100％满量程范围的在线实时调节。缺点是：(1)传动机构复杂，可靠性差，体积大，不便安装，成本高；(2)对于一台流量较大的泵，如果冲程调得小，例如接近于零时，流量也接近于零，但驱动电机仍在额定转速下运行，近似于做无用功，不利于节能；(3)虽然在转速恒定的情况下，电动冲程调节仪可估算出流量，但在对流量精度要求高且转速不恒定的场合，为了提高流量检测精度，还需配置防腐流量计，这将导致成本进一步提高；(4)其调节精度依赖于转速恒定性，而计量泵为了降低成本，通常采用三相异步电机驱动，当负载不平稳时，三相异步电机的转速无法恒定，因此，调节精度也难以保证；(5)为了保证调节精度，冲程调节仪的调节速度是很慢的，因此，动态响应性能差。

在频率自动调节方面，采用通用变频器、PLC和防腐流量计三者结合，如图 3所示，虽可构成闭环调节，也不受专利保护的限制，但主要问题是成本高，难以大量推广使用，只能在个别高要求的场合使用，其次通用变频器采用矢量控制，用大的电磁转矩变化维持转速恒定，对于计量泵承受的冲击负载而言，电冲击作用大，影响三相异步电机的绝缘性和使用寿命，而且节能效果也差。

发明内容

为了克服现有技术应用中的不足，本发明提供了一种强腐蚀性液态介质的数字变频计量控制器，同时具有防腐流量计、变频器和PLC控制器的功能，包括：在隔膜计量泵驱动电机转轴上等角度安装若干粒霍尔磁钢，当驱动电机轴旋转时，利用霍尔传感器可检测到霍尔脉冲信号，数字变频计量控制器将对霍尔脉冲记数，可测出驱动电机的转速n，当计量泵出口压力一定时，可建立转速与出口流量的函数关系；

计量泵出口处安装由防腐PVC材料制成的叶轮转子，在其转轴上安装霍尔磁钢，当液体通过时带动叶轮旋转，同样通过霍器件可检测相应的脉冲数，测出叶轮转速，进一步建立叶轮转速与出口流量的函数关系，从而检测出口流量。

进一步的，采用二维插值算法计算流量，可消除压力对流量的影响，具体计算步骤如下：

步骤1：

步骤2：

步骤3：

其中，n_i＜n＜n_i+1，p_i＜p＜p_i+1；n表示驱动电机转速，p表示计量泵出口压力，Q_i,j表示驱动电机转速为n_i,计量泵出口压力为p_j时工业计量泵的流量。

进一步的，对机械磨损引起的系统误差通过修正因子k_S予以修正，若实际测流量为Q_t，修正前的流量为Q'，则

用k_S对流量进行修正。

进一步的，内嵌PI调节和模糊逻辑调节算法，具有模拟量输入功能，可根据检测仪表反馈的信号进行闭环控制。

进一步的，具有多路开关输入和输出功能，可对开关量进行测控。

进一步的，具有远程通信功能，接收远程指令，实现网络化远程高性能控制。

本发明针对强腐蚀性液态介质，设计低成本、高精度流量检测技术，其特点是：基于现有隔膜计量泵和低成本霍尔电机测速技术，建立驱动电机转速与流量之间的非线关系，形成低成本高精度流量检测技术，以打破国外公司在这一领域的技术垄断；然后针对工业计量泵控制的需要，采用利用三相异步电机的自适应特性，采用V/F变频控制策略通过调节电机转速来调节流量大小。本发明采用电机专用数字信号控制器实现，具用PI调节和模糊逻辑调节功能，具有多路开关输入和输出以及多路模拟量输入输出，具有远程通信功能，因此具有PLC的功能，可根据需要构建流体现场测控智能装备，实现本地自主测控和远程网络化控制。

附图说明

图1是隔膜计量泵结构示意图；

图2是典型的强腐蚀性流体测控系统示意图；

图3是强腐蚀性液态介质计量控制器示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图3所示，隔膜计量泵驱动电机转轴上等角度安装若干粒霍尔磁钢(图中为3粒)，当驱动电机轴旋转时，利用霍尔传感器可检测到霍尔脉冲信号，数字变频计量控制器将对霍尔脉冲记数，可测出驱动电机的转速n。当计量泵出口压力一定时，可建立转速与出口流量的函数关系，从而实现对强腐蚀性液态介质流量的检测。

在计量泵出口处通常装有压力可调的单向背压阀，当出口压力达到设定值时，在计量泵驱动下，液体从入口吸入，经过出口打开背压阀流出，背压阀设定压力应略大小工作现场的实际压力。这里背压阀有两个作用：(1)防止计量泵不工作时，在容器中液体自身压力作用下液体打开计量泵入口球阀进入隔膜腔，再打出出口球阀从出口向自然流出；(2)防止因外部压力形成回流泄漏。压力阻尼器缓冲压力的剧烈变化，使压力相对稳定，以克服压力变化对流量精度的影响，阻尼器通常装有有力表，可显示出口压力。

计量泵出口处安装由防腐PVC材料制成的叶轮转子，在其转轴上安装霍尔磁钢，当液体通过时带动叶轮旋转，同样通过霍器件可检测相应的脉冲数，测出叶轮转速，进一步建立转速与出口流量的函数关系，从而检测出口流量。当计量泵隔膜破损后，两路流量会有显著差异，这时数字变频计量控制器使计量泵驱动电机停止转动，并发出报警信号。

工业计量泵的流量与转速有关，同时还受出口压力的影响比较大，出口压力越大，回流泄漏也越大，出口流量则越小。通过实验可得流量与电机转速、压力的矩阵表，如表1所示,第一行表示计量泵出口压力，第一列表示驱动电机转速。实际流量可根据表1分别对转速和压力进行插值计算得到。在对转速进行实验时，调节背压阀，将压力保持固定，这里压力为阻尼器显示的最大压力，然后将压力调节到表中下一个值，再对转速进行实验，直到得到表1中最后一列数据。

表1流量与转速、压力的矩阵表

	p<sub>1</sub>	p<sub>2</sub>	p<sub>3</sub>	…	p<sub>N</sub>
						n<sub>1</sub>	Q<sub>11</sub>	Q<sub>12</sub>	Q<sub>13</sub>	…	Q<sub>1M</sub>
n<sub>2</sub>	Q<sub>21</sub>	Q<sub>22</sub>	Q<sub>23</sub>	…	Q<sub>2M</sub>
						n<sub>3</sub>	Q<sub>31</sub>	Q<sub>32</sub>	Q<sub>33</sub>	…	Q<sub>3M</sub>
…
						n<sub>M</sub>	Q<sub>M1</sub>	Q<sub>M2</sub>	Q<sub>M3</sub>	…	Q<sub>MM</sub>

设，某时刻n_i＜n＜n_i+1，p_i＜p＜p_i+1，则流量的插值计算可按如下步骤进行：

步骤1：

步骤2：

步骤3：

当产生机械磨损后，回流泄漏会增加，流量会变小，这将产生系统误差，可通过修正因子k_S修正。若实际测流量为Q_t，修正前的流量为Q'，则

用 k_S对流量进行修正，可消除机械磨损导致的系统误并差。

叶轮转速只与流体的速度有关，与压力无关，因此，根据叶轮转速计算流量时可不考虑压力，流量是转叶轮转速的一维函数，类似地可通过实验，利用线性插值计算流量，不再重述。

数字变频计量控制器，将交流(三相或单相)输入进行整流，再经过逆变输出频率可调的三相交流电，从而控制电机转速，将流量调节到期望值。

数字变频计量控制器内嵌PI调节和模糊逻辑调节算法，具有模以量输入功能，可根据检测仪表反馈的信号进行闭环控制(例如根据pH值检测信号，可进行pH值的对动调节，当然利用其他组分检测仪，也可对其他组分实现自动调节)。数字变频计量控制器具有多路开关输入和输出功能，可对开关量进行测控。

此外，数字变频计量控制器具有远程通信功能，接收远程指令，实现网络化远程高性能控制。

Claims

1.一种强腐蚀性液态介质的数字变频计量控制器，其特征在于同时具有防腐流量计、变频器和PLC控制器的功能，包括：在隔膜计量泵驱动电机转轴上等角度安装若干粒霍尔磁钢，当驱动电机轴旋转时，利用霍尔传感器可检测到霍尔脉冲信号，数字变频计量控制器将对霍尔脉冲记数，测出驱动电机的转速n，当计量泵出口压力一定时，建立转速与出口流量的函数关系；

计量泵出口处安装由防腐PVC材料制成的叶轮转子，在其转轴上安装霍尔磁钢，当液体通过时带动叶轮旋转，同样通过霍器件可检测相应的脉冲数，测出叶轮转速，进一步建立叶轮转速与出口流量的函数关系，从而检测出口流量；

采用二维插值算法计算流量，可消除压力对流量的影响，具体计算步骤如下：

步骤1：

步骤2：

步骤3：

其中，n_i＜n＜n_i+1，p_i＜p＜p_i+1；n表示驱动电机转速，p表示计量泵出口压力，Q_i,j表示驱动电机转速为n_i，计量泵出口压力为p_j时工业计量泵的流量；

当计量泵隔膜破损后，两路流量产生显著差异，数字变频计量控制器使隔膜计量泵驱动电机停止转动，并发出报警信号。

2.权利要求1所述的强腐蚀性液态介质的数字变频计量控制器，其特征在于对机械磨损引起的系统误差通过修正因子k_S予以修正，若实际测流量为Q_t，修正前的流量为Q'，则

用k_S对流量进行修正。

3.权利要求1所述的强腐蚀性液态介质的数字变频计量控制器，其特征在于内嵌PI调节和模糊逻辑调节算法，具有模拟量输入功能，可根据检测仪表反馈的信号进行闭环控制。

4.权利要求1所述的强腐蚀性液态介质的数字变频计量控制器，其特征在于具有多路开关输入和输出功能，可对开关量进行测控。

5.权利要求1所述的强腐蚀性液态介质的数字变频计量控制器，其特征在于具有远程通信功能，接收远程指令，实现网络化远程高性能控制。