王華強，陳 浩

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

在聚氨酯樹脂(polyurethane,PU)工業(yè)生產(chǎn)過程中，不同的物料配比會導(dǎo)致產(chǎn)品具有不同的性能。企業(yè)在生產(chǎn)不同用途的產(chǎn)品時，需要產(chǎn)品具有特定的性能[1]。為了確定最佳的物料配比，企業(yè)在研發(fā)中需要試驗不同的配方。作為一種重要的聚氨酯樹脂合成原料，二苯基甲烷二異氰酸酯(diphenyl-methane-diisocyanate,MDI)因其價格昂貴且對產(chǎn)品性能影響顯著，需要精確計量。在聚氨酯樹脂規(guī)?；a(chǎn)的過程中要多次使用MDI，需由多個管道下料。原計量系統(tǒng)中，企業(yè)采用一個科氏質(zhì)量流量計(Coriolis mass flowmeter,CMF)分別計量多個管道的MDI質(zhì)量，而其他物料采用托利多秤稱重計量。隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴大，由于管道中MDI殘留，采用單獨CMF計量的精度已不能滿足要求。

對于上述問題，本文在原計量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了計量儀表，比較了幾種CMF的算法，提高了物料的下料精度，減小了產(chǎn)品質(zhì)量的波動。

1 計量系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

某企業(yè)聚氨酯樹脂生產(chǎn)采用高純對苯二甲酸(pure terephthalic acid,PTA)法，即采用PTA或中純對苯二甲酸(medium-purified terephthalic acid,MTA)與乙二醇(ethylene glycol,EG)直接酯化，連續(xù)縮聚成聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)。生產(chǎn)過程主要由縮聚和回收兩部分組成[2]。本文主要研究縮聚部分的計量控制，二期項目改造前、后的現(xiàn)場工藝控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 工藝控制結(jié)構(gòu)圖

西門子可編程控制器(programmable logic controller,PLC)設(shè)備控制5臺PU釜，對現(xiàn)場的信號進(jìn)行采集和處理，并采用相應(yīng)的程序完成過程控制。每臺工控機(industrial personal computer,IPC)分別對應(yīng)一臺反應(yīng)釜，在生產(chǎn)過程中對反應(yīng)釜進(jìn)行操作控制、報警及數(shù)據(jù)歸檔等操作，并與PLC通過交換機通信、傳輸和交換IPC中的數(shù)據(jù)，通信方式為以太網(wǎng)。PLC對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，從而實現(xiàn)過程控制[3]。

原計量控制系統(tǒng)中，5臺PU釜加入的MDI均由同一個CMF計量。這樣雖然節(jié)省了硬件成本，但是計量精度會受到多管道的影響而降低。為了提高計量精度，提出圖1(b)的計量結(jié)構(gòu)，即每個PU釜對應(yīng)單獨的CMF，這樣避免了多管道造成的振動干擾。

測量系統(tǒng)主要由CMF和西門子FM350-2模塊組成。FM350-2模塊是具有計量功能的8通道高速計數(shù)器模塊，只能對增量編碼器或信號編碼器生成的矩形信號進(jìn)行計數(shù)，故需與增量編碼器配合使用。在連續(xù)計數(shù)模式下，F(xiàn)M350-2可對接收到的脈沖進(jìn)行計數(shù)。為達(dá)到較高的分辨率，F(xiàn)M350-2可選擇四重判斷[4]。設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，完成硬件連接和軟件組態(tài)。當(dāng)PLC接收到閥門打開信號時，控制閥門打開，抽料泵開始工作，MDI下料，CMF計量質(zhì)量。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的比較值時，F(xiàn)M350-2輸出激活，信號傳輸?shù)絇LC；PLC關(guān)閉閥門，泵停止工作，完成一次下料；當(dāng)再次啟動時，F(xiàn)M350-2對計數(shù)器置位，從0開始重新計數(shù)。測量系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 測量系統(tǒng)原理圖

2 流量計選型

作為計量系統(tǒng)的關(guān)鍵儀表，CMF的選型十分重要。原項目生產(chǎn)現(xiàn)場存在噪聲和振動干擾，原料多具有腐蝕性。同時，造型要保證生產(chǎn)過程穩(wěn)定、可靠、安全，且質(zhì)量計量的高度精確性。綜合考慮以上幾點，采用德國Endress+Hauser公司生產(chǎn)的Promass 83F型質(zhì)量流量計。

3 質(zhì)量流量計

20世紀(jì)70年代，美國Micro Motion公司研制出CMF。相對于其他的流量計，CMF具有精度高、抗腐蝕、安裝簡便、參數(shù)多及對影響量不敏感等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域[5]。

3.1 測量特征

CMF按照科氏力原理測量介質(zhì)的質(zhì)量流量?？剖狭κ侵肝矬w在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中作直線運動時所受的力[6]?？剖狭Φ挠嬎愎饺缦拢?/p>

FC=2Δm(vω′)

(1)

式中:FC為科氏力；Δm為運動物體質(zhì)量，kg；v為旋轉(zhuǎn)或振動時的徑向速度，m/s；ω′為旋轉(zhuǎn)體系的角速度，rad/s。

已知科氏力大小與運動物體質(zhì)量Δm、速度v成正比，即與介質(zhì)的質(zhì)量流量成正比。Promass 83F質(zhì)量流量計采用測量管的震動取代恒定角速度ω，其測量模型如圖3所示。

圖3 測量模型

質(zhì)量流量計由變送器和傳感器組成。介質(zhì)流經(jīng)Promass 83F傳感器的兩根平衡測量管作反相震動，在測量管中產(chǎn)生的科氏力會引起測量管產(chǎn)生進(jìn)、出口相位差。介質(zhì)的質(zhì)量流量越大，A、B相位差也越大，處于入口和出口處的電磁式相位傳感器記錄測量管的振動相位。兩根測量管的反相振動可確保系統(tǒng)平衡[7]。利用科氏力原理測量介質(zhì)的質(zhì)量流量與溫度、壓力、黏度、電導(dǎo)率及介質(zhì)特性無關(guān)。

由上述測量原理可知，該質(zhì)量流量計根據(jù)測量管的振動相位差來測量流量，故相位差檢測的精度是影響質(zhì)量流量計測量精度的重要因素。因此，質(zhì)量流量計應(yīng)安裝在無應(yīng)力的環(huán)境中。為避免氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的振動和噪聲對測量產(chǎn)生影響，流量計應(yīng)安裝在泵的下游(避免真空)和垂直管道的最低處。

3.2 信號特征

Promass83F的變送器具有微處理器。其主要參數(shù)為：4～20 mA電流輸出，分辨率為0.5 μA；頻率輸出為2～10 000 Hz，開關(guān)比1∶1，最大脈寬為2 s；PROFIBUS DP接口輸出量為質(zhì)量流量、體積流量、密度等，具有6x模擬量輸入和3x累加量功能塊。由于原控制系統(tǒng)采用PLC構(gòu)成現(xiàn)場級控制器，變送器選擇脈沖輸出，直接將輸出信號輸出到PLC對應(yīng)模塊，避免了模數(shù)轉(zhuǎn)換因精度產(chǎn)生的誤差。

3.3 信號處理算法

該項目實際生產(chǎn)過程中，MDI多次下料，流量變化快，CMF需要頻繁快速地啟停。然而，在啟/停瞬間，傳感器獲得的信號參數(shù)會發(fā)生較大變化，之后才會趨于穩(wěn)定，獲得較為精確的數(shù)據(jù)。因此，算法需要處理好短時間的流量信號。下面介紹幾種CMF的信號處理算法。

3.3.1 離散時間傅里葉變換算法

對于觀測信號x(t)，設(shè)在m時刻采樣獲得N個數(shù)據(jù)x(0),x(1)，…,x(N-1)，則該序列的離散時間傅里葉變換(discrete time Fourier transform,DTFT)[8]為：

(2)

在(m+1)時刻，獲得新采樣點s(N),則由(N+1)個數(shù)據(jù)組成的新序列在ω處的DTFT為：

XN+1(ω)=SN(ω)+s(N)e-jωN

(3)

式(2)、式(3)即為DTFT算法的原理公式。

對CMF測得的兩路同頻率正弦信號離散化，得：

(4)

式中:A1、A2為信號幅度;f0為信號頻率;n=0,1,…，N-1。

Δθ=θ2-θ1=φ2-φ1

(5)

由算法原理可知，DTFT算法在計算相位差時沒有考慮負(fù)頻率成分。在信號頻率較低或采樣點數(shù)較少時，該算法相位差測量精度會明顯下降。

3.3.2 計及負(fù)頻率的DTFT算法

(6)

兩路信號的相位差為：

(7)

計算步驟如下。

③代入式(7)求得相位差。

該方法在計算相位差時考慮了負(fù)頻率因素，改良了DTFT算法，能夠在低頻和采樣點數(shù)少的情況下保持測量精度。但隨著采樣點數(shù)的不斷增加，經(jīng)過DTFT處理得到的數(shù)據(jù)不斷變大。當(dāng)數(shù)據(jù)增大到一定程度時，數(shù)值會溢出；由于采樣點數(shù)的增多，計算速度會越來越慢，不能滿足長信號的測量。

3.3.3 滑動離散時間傅里葉變換算法

滑動離散時間傅里葉變換(sliding discrete-time Fourier transform,SDTFT)[9]建立在文獻(xiàn)[10]提出的滑動離散傅里葉變換(sliding discrete Fourier transform,SDFT)的基礎(chǔ)上。所謂SDTFT，是對觀測信號加一個時間窗。該時間窗具有N點，并且每前進(jìn)一個樣本就會重新計算新的N點的DTFT。SDTFT原理如圖4所示。

圖4 SDTFT原理圖

SDTFT是由SDFT衍生的算法。設(shè)觀測信號為x(t)，在m時刻采樣得到N個采樣數(shù)據(jù)x(0)，x(1)，…，x(N-1);在(m+1)時刻，新的采樣點x(N)與之前的x(1),x(2)，…，x(N-1)構(gòu)成新的N點序列。該序列的DTFT為：

X1,N(ω)=x(1)+x(2)e-jω+…+x(N-1)ejω(N-2)+

x(N)e-jω(N-1)=X0,N-1(ω)ejω-x(0)ejω+x(N)ejω(N-1)

(8)

SDFT算法的遞推公式為：

Xk,N+k-1(ω)=Xk-1,N+k-2(ω)ejω-x(k-1)ejω+

x(N+k-1)e-jω(N-1)

(9)

式中:k為時間窗的序號;(N+k-1)為新采樣點的序號。

顯然，采用SDTFT算法后，每采樣一個新的采樣點就能計算新的N點的傅里葉變換。在面向相位信息不斷更新的時變信號時，可以實時跟蹤實際相位差的變化，提高了相位差的計算精度。

考慮到實際生產(chǎn)中需要頻繁地啟停流量計，對于處理短時間突變信號的要求較高，SDTFT算法顯然更合適。

4 硬件連接與軟件組態(tài)

作為計量系統(tǒng)的重要組成部分，Promass 83F與西門子FM350-2模塊的連接與設(shè)置至關(guān)重要。Promass 83F的測量管必須水平安裝，變送器的外殼豎直向上或者向下，應(yīng)避免變送器的外殼與管道處于同一水平面上。同時，安裝時流量計應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離閥門、三通和彎通等管件，確保測量系統(tǒng)工作時不受管道振動的影響。在PLC上安裝FM350-2后，使用40針前連接器為計數(shù)信號、數(shù)字I/O、編碼器電源以及模塊電源接線，以數(shù)字輸入(digital input,DI)點接線與Promass 83F的管腳相連。Promass 83F采用脈沖輸出模式。

FM350-2需安裝組態(tài)軟件包后，才能正常使用其功能。完成軟件安裝后,設(shè)置FM350-2的通道及計數(shù)參數(shù)。項目中有多臺Promass 83F需通過編碼器連接到FM350-2，故每個Promass 83F都要對應(yīng)一個計數(shù)通道，即CMF6～CMF10分別對應(yīng)通道0～通道4，其他設(shè)置相同。

以通道0為例，在STEP7硬件組態(tài)中連入該模塊，雙擊該模塊將通道0設(shè)為頻率測量模式，設(shè)置的時間窗大小為n，n是10 ms的倍數(shù)；在FC CNT2_CTR的計數(shù)器DB中啟用位CTRL_DQ0的輸出，在CPU處于RUN模式時，使用FC CNT2_WR/FB CNT2WRPN更改比較值，設(shè)置輸出特性為當(dāng)計數(shù)值大于等于比較值時激活；根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場管道口徑設(shè)置合適的脈沖當(dāng)量的大小，單位為kg/p。在頻率測量模式下，F(xiàn)M350-2可以對接收到的脈沖進(jìn)行計數(shù)，將得到的脈沖數(shù)與脈沖當(dāng)量相乘即得到MDI的質(zhì)量。當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到比較值時，數(shù)字輸出激活，PLC接收到信號，控制閥門關(guān)閉，完成一次下料。

5 結(jié)束語

根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)所需，設(shè)計了基于CMF的MDI計量控制系統(tǒng)，介紹了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行了CMF的選型，闡述了Promass 83F原理及相關(guān)特性。采用了適合CMF頻繁啟停的SDTFT算法，提高了CMF的計量精度。概述了測量系統(tǒng)的硬件連接與軟件組態(tài)。系統(tǒng)在試生產(chǎn)后穩(wěn)定運行，計量精度得到提高，達(dá)到了設(shè)計要求。