摘 要： 介紹了灌漿機系統中水泥計量系統的結構、控制方式和PLC程序的設計，提出了由PLC控制步進電機的方法，并在PLC控制過程中加入反饋環節。
關鍵詞： 水泥計量 螺旋輸送機 PLC 步進電機
灌漿機是海洋工程中用來生產、儲存和澆灌泥漿的機電一體化設備。其工作過程是將一定比例的水泥、水和添加劑投入到混煉器中進行強制性攪拌，將攪拌好的泥漿儲存在攪拌器中，待泥漿泵灌漿。在整個灌漿機系統中，水泥等原料的計量系統是重要設備之一，它關系到泥漿生產效率和泥漿質量。水泥是固態粉狀物料，流動起來流量不穩定，而且疏松程度也變化很大。如何實現精確快捷計量是人們關注的焦點。水泥計量通常分為二種方式：靜態測量和動態測量。動態測量因具有計量誤差小、計量速度快的優點而倍受青睞，如德國PF公司生產的轉子計量秤[1]，但其價格昂貴，只是在精度要求很高計量中用到。在這方面國內也作了很多研究，如對水泥的流動過程進行分析并建立了數學模型，但是實際計量過程中要進行復雜的數學運算，實現起來很困難。從經濟性和實用性出發，針對灌漿機的水泥計量，本文設計了一種既結構簡單又計量精度高的計量系統。
1 系統結構
水泥計量系統的主體結構由三部分構成：水泥緩沖罐、水泥計量斗和螺旋輸送機。水泥裝進水泥緩沖罐后，就等待PLC發出計量開始的命令。螺旋輸送機是添料機構，用到此處的優點有：(1)比水泥僅靠重力下降填料穩定，計量可靠性高；(2)水泥填料的進度容易控制；(3)傳動比較簡單，步進電機加聯軸器就可實現。水泥計量系統的結構如圖1所示。其中：
(1)水泥緩沖罐。計量水泥開始前暫時將水泥存放在罐中。其出口的錐度角小于60deg，且出口的橫截面積大于最大橫截面積的1/2。這樣水泥不容易成拱，而且螺旋輸送機的填充系數比較穩定。
(2)LS小型螺旋輸送機。它是利用螺旋旋轉而推移物料的連續輸送設備，其螺距布置均勻，在出料口布置二個旋向相反的葉片，有利于水泥的輸出。
(3)水泥計量進口蝶閥和驅動氣缸。蝶閥選用DN200，公稱壓力1Mpa；二位五通電磁閥連接氣缸，由PLC控制。在計量開始時打開蝶閥，計量完后關上，防止螺旋輸送機由于不確定因素而漏料，影響計量。
(4)稱重傳感器。在水泥計量斗的同一截面上布置三個稱重傳感器。該傳感器為電阻應變式，采用S型剪切設計，具有高靈敏度輸出、多層介質密封、高可靠性等特點。三個傳感器的輸出信號與所稱的重量成線性關系，采用橋路聯接，經變送器的放大、整流后輸出4mA～20mA電流。
(5)水泥計量斗。由三個稱重傳感器懸空吊起，是計量水泥的載體。
(6)水泥計量出口蝶閥和驅動氣缸。蝶閥DN300，公稱壓力1.25Mpa，氣缸的控制設備與進口的氣缸相同。
(7)氣動振動器。水泥是顆粒粉狀物，計量完放出后，難免會有遺留物留在水泥計量斗的內側壁，而且不清除會越積越多，嚴重影響了水泥計量。氣動振動器固定在水泥計量斗的外側壁，靠振動使水泥落下。
(8)PLC。整個灌漿機的控制系統采用的是德國Siemens 公司的S7－300系列PLC，在計量系統中要用到數字輸入輸出模塊和模擬輸入模塊。
(9)步進電機。本設計選用三相六拍的工作方式，在這種控制方式下工作，步進電機的運行特性較好，螺旋輸送機送料的分辨率較高[3]。
2 計量控制
水泥計量的過程分為粗秤和精秤二個階段。計量開始，步進電機(螺旋輸送機)以速度Vmax運轉，螺旋輸送機添料進度較大，當計量到所需要重量的90％時開始精秤，這時PLC控制步進電機的轉速下降，螺旋輸送機的添料速度也隨之下降，水泥計量斗稱的重量越來越接近需要量，其中螺旋輸送機的轉速與水泥計量斗計量值的關系如圖2所示。圖中M為一次計量需要的水泥量，△為控制裕量。當水泥計量斗稱到100％M－△時，PLC發出停止計量的指令，關閉上蝶閥，停止步進電機及螺旋輸送機運轉，填料過程結束。水泥計量斗已稱的量加上水泥落差質量σ即為計量值。把螺旋輸送機轉速下降的斜率設計為
是考慮到計量快要結束前，螺旋輸送機的轉速很低，而且越接近結束時轉速越低，當接近等于零時，就不會有進料，水泥計量斗也就不會達到要結束計量時的重量，使計量過程無限拖延。本文的設計就是避免在計量要完成時螺旋輸送機的填料為零，仍要有一定的速度，只是當計量結束時應立刻停止，這樣的計量要求步進電機可以完全實現。
水泥計量系統的控制框圖如圖3所示。
LS型螺旋輸送機是水泥計量系統的填料機構，其輸送量的計算公式為：
(1)式中，影響螺旋輸送機輸送的變量是螺旋轉速V，充填系數Ka取值一般在0.52~0.7之間。在水泥計量系統中，要考慮水泥落差（H），也就是計算在關閉上蝶閥后，從蝶閥開始落到水泥計量斗內水泥堆頂的高度。在關閉上蝶閥時，由圖2可得螺旋輸送機的轉速為：
要達到100％M的計量，就要使Δ+σ=0.1M，從而就可得到控制裕度的公式為：
由(5)式可知，設定的控制裕量Δ與很多因素相關，而且要在計量前就計算出來。其中充填系數Kα是個不確定量，要作一些試驗調整Kax，以適應不同松散程度的水泥計量，一般Ka取0.6時適應的范圍更廣，這樣也就可以確定粗秤時的速度Vmax。
本計量系統采用PLC直接控制步進電機，這樣會大大減少系統設計的工作量，不存在各個接口信號的匹配問題，從而提高系統的可靠性。整個控制系統由PLC和步進電機組成。作為一種工業控制計算機，PLC不僅僅可用于開關邏輯控制，還可用于閉環過程控制，而且可以由PLC的控制程序完成不同控制系統的不同指令脈沖控制器的任務。要實現上述功能，所選PLC應滿足二個特性要求：一是要有實時刷新功能，使輸出信號的頻率可以達到數千赫茲或更高，以充分利用步進電機的速度響應能力，提高整個系統的快速性；二是PLC本身的輸出口應該采用大功率晶體管，以滿足步進電機各相繞組數十伏脈沖電壓、數安培脈沖電流的驅動要求。S7-300系列PLC處理速度較快，執行一個基本指令的速度僅為2μs ，其普通的晶體管輸出口的響應速度可以達數千赫茲，故可以直接控制步進電機。
3 計量程序設計
計量程序流程如圖4所示。
整個灌漿機控制系統選用S7-300系列PLC編程控制，水泥計量部分為其一子程序。由步進電機的控制原理可知：步進電機要轉動，必須有電脈沖，而且必須按一定的順序加在電機繞組上，才能按規律運轉。因此，要在編制的程序中產生脈沖，并按設計的順序發出脈沖。該計量程序總體功能可概括為以下幾點：
(1)運行方式控制功能。在計量程序中產生六拍時序脈沖，然后環形分配脈沖，這樣步進電機就可按照三相六拍的方式運行。PLC是以定時器T600生成一定頻率脈沖驅動輔助繼電器M30.1，連續不斷地進行移位處理來完成這一功能的。步進電機采用三相六拍的工作方式，即A－AB－B－BC－C－CA連續循環的變化，在PLC程序中接通順序為：
(2)頻率控制功能。步進電機的運行頻率能夠進行變化，以控制螺旋輸送機的送料速度符合設計要求。根據計算結果改變定時器T600的設定值，以產生不同頻率的脈沖來控制步進電機的轉速。
(3)自動校秤功能。在正式計量開始前，要對水泥計量斗進行去除毛重處理，在計算中都是以計量斗的凈重參與運算，而且在每次測量前由于所處環境因素等的變化，都要進行校秤。
4 結 論
本文針對灌漿機的水泥計量屬于粉狀顆粒物的計量這一特性，提出了步進電機控制螺旋輸送機分階段地為水泥計量斗配料的設計方法，并對此計量系統加入閉環反饋控制，同時對水泥落差進行誤差補償，很好地解決了動態測量中落差控制的問題。在水和添加劑計量系統的配合下，本系統能快捷準確地進行原料配比，生產出較高質量的泥漿。
參考文獻
1 林又紅，但斌斌，周鼎.粉狀物料動態計量的研究.武漢科技大學學報(自然科學版)，2000；20（3）
2 張旭梅.散狀物料流動態計量系統的研究.重慶大學學報(自然科學版)，2000；（5）
3 王慶國，吳建勝.PLC控制數字變量軸向柱塞泵的研究.沈陽工業大學學報，1999；21（1）
4 劉寶廷，陳樹康.步進電動機及其驅動控制系統.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1997