CN109542130B - 离子喷头流量控制系统及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了离子喷头流量控制系统，包括有：流量输入端，流量输入端用于提供预设的流量值；可编程控制器模块；压力控制电磁阀，压力控制电磁阀连接可编程控制器模块并接收来至于其的控制指令，调节其输出的气体压力；喷涂压力容器，其具有连接压力控制电磁阀的压力输入端，还具有用于喷涂的输出端；药水输出管路，其与喷涂压力容器流体连接；重量传感器，其用于对装载有气体的喷涂压力容器进行重量感应，重量传感器的反馈端连接可编程控制器模块；可编程控制器模块、压力控制电磁阀、喷涂压力容器以及重量传感器构成闭环控制结构；控制程序为包括PID算法的控制程序。本发明具有控制效果好，响应速度块，输出相对准确的优点。

Description

离子喷头流量控制系统及设备
技术领域
本发明涉及喷涂设备领域，尤其涉及一种离子喷头流量控制系统及设备。
背景技术
喷涂设备一般使用简单的手动调压阀控制流量，无法实现流量的实时自动监控。当外部气压出现波动时，或者喷涂管路出现异常时，会发生喷涂流量的波动，影响喷涂效果，造成品质缺陷。此外由于技术的限制，目前市场上没有适合的流量传感器能直接监控药水流量，且药水型号不同流量传感器检测出来的流量会出现偏差。为此，本发明就是在这样的背景下而研制。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中无法自动监控和调整喷涂流量，喷涂效果差的技术问题，提供离子喷头流量控制系统及设备。
为解决上述技术问题，一方面，提供一种离子喷头流量控制系统，其技术方案如下：
离子喷头流量控制系统，其特征在于包括有：
流量输入端，所述流量输入端用于提供预设的流量值；
可编程控制器模块，所述可编程控制器模块用于加载控制程序并输出控制指令；
压力控制电磁阀，所述压力控制电磁阀连接所述可编程控制器模块并接收来至于所述可编程控制器模块的控制指令，调节其输出的气体压力；
喷涂压力容器，所述喷涂压力容器被配置为容置高压气体的装置，其具有连接所述压力控制电磁阀的压力输入端，还具有用于喷涂的输出端；
药水输出管路，其与所述喷涂压力容器流体连接；
重量传感器，其用于对装载有气体的所述喷涂压力容器进行重量感应，所述重量传感器的反馈端连接所述可编程控制器模块；
所述可编程控制器模块、压力控制电磁阀、喷涂压力容器以及重量传感器构成闭环控制结构；
所述控制程序为包括PID算法的控制程序。
作为较优的改进，还包括有流量异常报警模块，其与所述可编程控制器模块控制连接；所述流量异常报警模块用于监控预设单位时间内的流量偏差。
作为较优的改进，还包括有流量记录模块，所述流量记录模块连接所述可编程控制器模块，所述流量记录模块用于统计预设时间段的流量以形成流量报表。
作为较优的改进，所述压力控制电磁阀为电磁比例阀。
作为较优的改进，还包括有药液使用量统计模块，其用于记录预设单位时间内的药液使用量以便取样分析。
作为较优的改进，所述可编程控制器模块装载有补偿算法，所述补偿算法公式为：DOUT＝INT[(X-Xmin)*Di]+DX，INT为计算结果取整输出，式中：
X为所述流量输入端所设定的流量，单位为g/s；
Xmin为X所对应的预设区间的最小流量，单位为g/s；
Di为X所对应的预设区间内的单位流量对应的气压，单位为KPa；
Dx为X所对应的预设区间的补偿气压,单位为KPa,任意两个预设区间内的所述补偿气压为取值不同的常数；
DOUT为在实施所述PID算法前获得的所述电磁阀的输出压力计算参考值，单位为KPa，在PID算法中，将所述输出压力计算参考值DOUT应用到所述PID算法中以获取实际的电磁阀的输出压力。
作为较优的改进，所述PID算法的表达式为：
Figure BDA0001857275520000021
式中，
P(t)为通过所述可编程控制器模块计算后所述电磁阀的实际输出压力，单位为KPa；
DOUT为为所述电磁阀的输出压力计算参考值，作为可编程控制器的偏差信号；
KP为比例系数；
Ti为积分时间；
Td为微分时间。
本技术方案的有益效果是，通过设置离子喷头流量控制系统，包括有：流量输入端，所述流量输入端用于提供预设的流量值；可编程控制器模块，所述可编程控制器模块用于加载控制程序并输出控制指令；压力控制电磁阀，所述压力控制电磁阀连接所述可编程控制器模块并接收来至于所述可编程控制器模块的控制指令，调节其输出的气体压力；喷涂压力容器，所述喷涂压力容器被配置为容置高压气体的装置，其具有连接所述压力控制电磁阀的压力输入端，还具有用于喷涂的输出端；药水输出管路，其与所述喷涂压力容器流体连接；重量传感器，其用于对装载有气体的所述喷涂压力容器进行重量感应，所述重量传感器的反馈端连接所述可编程控制器模块；所述可编程控制器模块、压力控制电磁阀、喷涂压力容器以及重量传感器构成闭环控制结构；所述控制程序为包括PID算法的控制程序。因此，本发明具有如下优点：
首先，实现流量的自动调节，不再需要手动调节气压阀。其次该系统能够快速响应流量设定的变化，自动调节中产生超调震荡。
另一方面，还提供一种离子喷头流量控制设备，包括有前述的离子喷头流量控制系统。较优的，还包括有人机操作界面，所述人机操作界面被配置为显示模块单元和/或键盘输入模块单元，至少包括用于对流量的输入、压力的设定、药水的用量及输出偏差中至少一种进行设定和/或修改。
综上所述，本发明的有益效果是：由于本技术方案采用了前述的离子喷头流量控制系统，因此，本技术方案也具有前述的技术效果。通过设置人机操作界面，方便查看设备运行状态，进行参数设定或修改。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步描述。
图1是本发明的离子喷头流量控制系统组成框图。
图2是本发明的离子喷头流量控制设备的控制界面图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
参阅图1所示离子喷头流量控制系统，包括有：流量输入端1，所述流量输入端1用于提供预设的流量值；可编程控制器模块2，所述可编程控制器模块2用于加载控制程序并输出控制指令；压力控制电磁阀3，所述压力控制电磁阀3连接所述可编程控制器模块2并接收来至于所述可编程控制器模块2的控制指令，调节其输出的气体压力，所述压力控制电磁阀优选为电磁比例阀；喷涂压力容器4，所述喷涂压力容器4被配置为能容置高压气体的装置，其具有连接所述压力控制电磁阀3的压力输入端，还具有用于喷涂的输出端；药水输出管路9，其与所述喷涂压力容器4流体连接；重量传感器5，其用于对装载有气体的所述喷涂压力容器4进行重量感应，所述重量传感器5的反馈端连接所述可编程控制器模块2；所述可编程控制器模块2、压力控制电磁阀3、喷涂压力容器4以及重量传感器5构成闭环控制结构；所述控制程序为包括PID算法的控制程序,还包括有流量异常报警模块6，其与所述可编程控制器模块2控制连接；所述流量异常报警模6块用于监控预设单位时间内的流量偏差。还包括有流量记录模块7，所述流量记录模块7连接所述可编程控制器模块2，所述流量记录模块7用于统计预设时间段的流量以形成流量报表。还包括有药液使用量统计模块8，其用于记录预设单位时间内的药液使用量以便取样分析。
在进行PID算法前，本发明提供了一种补偿算法，补偿算法公式为：DOUT＝INT[(X-Xmin)*Di]+DX，INT为计算结果取整输出，式中：
X为所述流量输入端所设定的流量，单位为g/s；
Xmin为X所对应的预设区间的最小流量，单位为g/s；
Di为X所对应的预设区间内的单位流量对应的气压，单位为KPa；
Dx为X所对应的预设区间的补偿气压,单位为KPa,任意两个预设区间内的所述补偿气压为取值不同的常数(参见表1.1)；
DOUT为在实施所述PID算法前获得的所述电磁阀的输出压力计算参考值，单位为KPa，在PID算法中，将所述输出压力计算参考值DOUT应用到所述PID算法中以获取实际的电磁阀的输出压力。
参考表1.1，每一预设区间的补偿气压如表所示。例如，当流量设定为4.5时，电磁阀的输出压力计算参考值DOUT＝INT[(4.5-4)*8]+44，通过计算，DOUT＝48。同样的，其他数值可以按此公式进行计算，从而获得该预设值对应的电磁阀的输出压力计算参考值。
表1.1
Figure BDA0001857275520000051
Figure BDA0001857275520000061
在本发明中，进一步地，为了使压力输出更准确，以达到更好的流量控制，加入PID算法。PID控制器(比例proportion、积分integral、微分derivative)是一个反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:
1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
2)加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；
3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
所述PID算法的表达式为：
Figure BDA0001857275520000062
式中，P(t)为所述可编程控制器模块的调节输出,即为通过所述可编程控制器模块计算后所述电磁阀的实际输出压力,单位为KPa；
DOUT为所述电磁阀的输出压力计算参考值，用作所述可编程控制器的偏差信号；
KP为比例系数；参考值为0.65；
Ti为积分时间；参考值为105；
Td为微分时间；其取值为60。
本发明中，PID算法的实现原理：当流量设定完成后，设定值被可编程控制器模块2读取，设定值经过前述补偿算法输出一个控制值，控制值经过可编程控制器模块的模拟量模块输出后控制电磁比例阀的气压。当气压改变后喷涂流量发生改变，重量传感器5将检测出来的实时重量传送给可编程控制器模块2，可编程控制器模块2经过换算后得出实时流量。可编程控制器模块2将实时流量与设定流量进行比较后再比较值反馈回PID算法，当实际值偏小时，控制器加大模拟量输出，电磁比例阀气压增大流量即会加大，当实际流量偏大时控制器减小模拟量输出，电磁比例阀气压减小流量即会减小。经过几次循环反馈运算后，流量达到稳定。
在前期实验测试时发现，如果只是单纯的使用PID算法，其自动调节周期太长，且当设定值变化较大时会出现超调和震荡的现象。为了更好地实施以实现更好的技术效果，发明人通过大量的数据分析得出一个关于流量与压力的算法。
算法的运用原理是，当设定流量改变时，补偿算法自动计算出一个气压值，并经过可编程控制器模块2换算后输出。经过换算输出后的控制流量会很接近设定值。再经过前述的PID算法，就能快速稳定设定流量值。
功能实现原理描述：通过电磁比例阀调节喷涂压力容器4的气压实现对药水流量的控制。通过称重组件实现对流量的实时反馈，由此实现闭环控制。另外在此闭环控制中加入流量算法，该算法可以在设定流量变动时快速响应。可避免流量设定大幅度变动引起流量较长时间的波动造成稳定现象。
流量算法是通过大量数据记录通过软件得出的流量与压力的换算公式。分析得出流量与压力是非线性关系，但在小范围内变化还是接近线性关系，因此采用化整为零的方式将流量与压力关系分段进行计算。
参考表1.2所示，采用本算法后，可以获得较为准确的流量输出。在表1.2中，气压代表电磁阀的输出压力，流量代表喷涂压力容器4的输出流量。
表1.2
气压 流量 气压 流量 气压 流量 气压 流量
39 3.7 101 9.3 47 3.8 134 10.4
39 4.1 101 9.3 49 4.2 134 10.7
40 4.2 119 10.3 49 4.4 134 10.6
48 5 119 10.5 55 5.2 44 3.7
48 4.1 119 10.4 55 5.3 44 3.8
48 5.1 141 11.5 55 5.3 44 3.8
48 5 141 11.6 62 5.9 53 4.8
61 6.3 141 11.5 62 5.9 142 9.8
61 6.3 180 12.5 63 6 142 10.5
61 6.4 180 12.3 83 7.6 142 10.7
71 7.3 180 13 83 7.5 145 11.3
71 7.2 192 13.8 83 7.3 145 11.7
71 7.3 192 13.7 99 8.6 144 11.5
86 8.3 192 13.9 99 8.6
86 8.2 223 15.3 99 8.7
86 8.2 223 15.2 115 9.7
本发明还提供一种离子喷头流量控制设备，包括有前述的离子喷头流量控制系统，包括有人机操作界面，人机操作界面被配置为显示模块单元和/或键盘输入模块单元，至少包括用于对流量的输入、压力的设定、药水的用量及输出偏差中至少一种进行设定和/或修改。本设备的使用操作步骤如下：
1.设备水、气接通；
2.设备上电；
3.第一次使用时或更换药水种类时需进行校准；
校准步骤如下：
1).设定药水流量11g。
2).点击流量测试测试流量是否达标。
3).调节喷头开度将流量调节至11g。
4).复测三次确保校准有效
5).设定流量，切换手自动设备正常使用。
本发明具有如下优点：
首先，实现流量的自动调节，不再需要手动调节气压阀。其次该系统能够快速响应流量设定的变化，自动调节中产生超调震荡。该系统能够实时监控流量的变化，当流量偏差超出设定范围时，防呆机制启动，提示操作人员检查管路是否异常。该系统还具有药液预警功能，当药液低于一定量时，系统报警提示操作人员及时补充药液避免出现漏喷。该系统具有药液使用报表记录功能，能够记录每次药液的使用量。便于工艺人员的取样分析。
另一方面，还提供一种离子喷头流量控制设备，包括有前述的离子喷头流量控制系统。还包括有人机操作界面，所述人机操作界面被配置为显示模块单元和/或键盘输入模块单元，通过设置人机操作界面，可以进行包括但不限于工作状态监视、参数设定、报表记录等工作，对于系统设置界面，参考附图2所示，至少包括用于对流量的输入、压力的设定、药水的用量及输出偏差中至少一种进行设定和/或修改。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (8)

1.离子喷头流量控制系统，其特征在于包括有：
流量输入端，所述流量输入端用于提供预设的流量值；
可编程控制器模块，所述可编程控制器模块用于加载控制程序并输出控制指令；
压力控制电磁阀，所述压力控制电磁阀连接所述可编程控制器模块并接收来至于所述可编程控制器模块的控制指令，调节其输出的气体压力；
喷涂压力容器，所述喷涂压力容器被配置为容置高压气体的装置，其具有连接所述压力控制电磁阀的压力输入端，还具有用于喷涂的输出端；
药水输出管路，其与所述喷涂压力容器流体连接；
重量传感器，其用于对装载有气体的所述喷涂压力容器进行重量感应，所述重量传感器的反馈端连接所述可编程控制器模块；
所述可编程控制器模块、压力控制电磁阀、喷涂压力容器以及重量传感器构成闭环控制结构；
所述控制程序为包括PID算法的控制程序；
所述可编程控制器模块装载有补偿算法，所述补偿算法公式为：DOUT＝INT[(X-Xmin)*Di]+DX，INT为计算结果取整输出，式中：
X为所述流量输入端所设定的流量，单位为g/s；
Xmin为X所对应的预设区间的最小流量，单位为g/s；
Di为X所对应的预设区间内的单位流量对应的气压，单位为KPa；
Dx为X所对应的预设区间的补偿气压,单位为KPa,任意两个预设区间内的所述补偿气压为取值不同的常数；
DOUT为在实施所述PID算法前获得的所述电磁阀的输出压力计算参考值，单位为Pa，在PID算法中，将所述输出压力计算参考值DOUT应用到所述PID算法中以获取实际的电磁阀的输出压力。
2.根据权利要求1所述的离子喷头流量控制系统，其特征在于：还包括有流量异常报警模块，其与所述可编程控制器模块控制连接；所述流量异常报警模块用于监控预设单位时间内的流量偏差。
3.根据权利要求1所述的离子喷头流量控制系统，其特征在于：还包括有流量记录模块，所述流量记录模块连接所述可编程控制器模块，所述流量记录模块用于统计预设时间段的流量以形成流量报表。
4.根据权利要求1所述的离子喷头流量控制系统，其特征在于：所述压力控制电磁阀为电磁比例阀。
5.根据权利要求1-4任一项所述的离子喷头流量控制系统，其特征在于：还包括有药液使用量统计模块，其用于记录预设单位时间内的药液使用量以便取样分析。
6.根据权利要求1所述的离子喷头流量控制系统，其特征在于：所述PID算法的表达式为：
Figure FDA0003073970080000021
式中，
P(t)为通过所述可编程控制器模块计算后所述电磁阀的实际输出压力，单位为KPa；
DOUT为为所述电磁阀的输出压力计算参考值，用作可编程控制器的偏差信号；
KP为比例系数；
Ti为积分时间；
Td为微分时间。
7.一种离子喷头流量控制设备，其特征在于：包括有权利要求1-6任一项所述的离子喷头流量控制系统。
8.根据权利要求7所述的离子喷头流量控制设备，其特征在于：还包括有人机操作界面，所述人机操作界面被配置为显示模块单元和/或键盘输入模块单元，至少包括用于对流量的输入、压力的设定、药水的用量及输出偏差中至少一种进行设定和/或修改。
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