双氧水灌装计量系统自动化装置设计论文.doc 30页

'青岛科技大学本科毕业设计（论文）前言所谓双氧水，是指过氧化氢，英文名是HydrogenPeroxide，双氧水是无色无味的液体。双氧水产品主要应用于棉纺、造纸等行业的漂白用途。双氧水包装：工业过氧化氢使用聚乙烯吹塑桶或铝制槽车包装。聚乙烯吹塑桶包装每件净重量25Kg，铝制槽车包装每件净重最大为60吨。双氧水贮存和运输：工业过氧化氢在贮存和运输中，应防止日照和受热，不能与易燃品或还原剂混存。如出现容器破裂或渗漏，应用大量清水冲洗，贮存于通风处。由于市场需求不断扩大，近十年来我国的工业双氧水消费量增加近2倍，产能、产量及消费量均跃居世界第一，产能超过一直雄踞全球首位的美国近1倍。但是现在的液体物料包装生产线大多采用单机操作，生产能力较低。根据化工工业对液体物料加工业的发展预测，液体物料加工规模将向大型化发展，其加工设备也必须趋向大型化，以高速、高产、高性能、低消耗、操作方便、直观、便于调试为特点以采用集散控制、全线自动化为方向发展。本课题的目的就是采用现代流行的先进控制技术设计双氧水自动包装线的控制系统，通过软硬件功能的组态实现双氧水自动灌装线的实时检测和控制，预计对于实际的生产有很大作用。29 青岛科技大学本科毕业设计（论文）1双氧水灌装计量系统自动化装置设计综合概述1.1液体灌装计量的现状1.1.1国内液体灌装计量设备我国的液体灌装计量设备的生产厂家在70年代初到90年代末，只有几家其生产能力处于一种引进国外设备并加以仿制的阶段。到90年代国内液体物料包装设备的生产厂家又多了几十个，但制造水平、设备性能与国外先进水平相比差距较大。近几年我国从欧美引进多条定量包装的灌装线，到近期加工设备的成套与配套生产企业接近几十家。然而这些生产企业主要还是靠引进国外的生产线并在国内加以仿制消化吸收欧美等国先进科技开发国内的包装设备，引进的生产线线需消耗大量的资金不说，还存在许多弊端。输入设备的部分元件属于专用元件万一发生故障而国内没有相应的元件替代，以至于重金引进的先进设备成为库房的一堆废物。现在的液体灌装计量生产线大多采用单机操作，生产能力较低。根据化工工业对液体物料加工业的发展预测，液体物料加工规模将向大型化发展，其加工设备也必须趋向大型化，以高速、高产、高性能、低消耗，操作方便、直观，便于调试为特点以采用集散控制、全线自动化为方向发展。1.1.2国外液体灌装计量设备的控制和管理情况国外的液体灌装计量设备发展较为完善，机电一体化管理与控制相结合是当前双氧水灌装生产发展的最重要的一个趋势。欧美的公司都实现液体物料包装生产线的全面计算机控制与管理。当前液体灌装计量计算机化的发展方向是一个采集管理与处理，发送各类数据的综合系统。它有效地将机器人技术、自动操作系统、监视系统、自动分叉技术和计算机协调中心等高尖端技术应用于整个双氧水包装领域。国外液体物料的计算机控制正走向成熟和完善阶段，而我国基础上还处于机械化和自动化时期。计算机的应用只限制于部分工艺和设备，因此在这方面还有许多工作有待于包装工作者去探索与研究。现介绍几种目前国内液体灌装计量的方法：1)采用质量称重法质量称重法是采用电子秤为称重工具，在包装的管路上设置开关阀门，根29 青岛科技大学本科毕业设计（论文）据液体进入容器的设定质量，由电子秤称重，设定值到时由电子秤输出控制信号切断灌装管线的阀门。该方法较原始，计量精度低，产品溢出对电子秤台面及设备有腐蚀，可靠性低。2)采用容积式流量计与控制仪配合法该方案采用容积式流量计作为液体流体管路中的传感器，通过流量控制仪接收容积数量，在每次灌装数量到时，由控制仪发出控制信号，切断流体管路阀门。该方案档次低，计量精度差，灌装任务变更不易实现，对多路灌装无法集中测控与处理。1.2集散控制系统DCS组成及特点集散控制系统DCS是以微处理器为基础的集中分散控制系统，它是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统基础上演变而来的.集散控制系统的产品纷繁，但从结构上分析，集散控制系统都由三大基本部分组成，他们是分散过程控制装置部分、集中操作和管理系统部分以及通信系统部分。分散过程控制装置部分由现场站组成包括多回路控制器、单回路控制器、多功能控制器、可编程序逻辑控制器以及数据采集装置等；其功能是：（1）将各种现场发生的过程量；流量、压力、液位、温度、电流、电压、功率以及各种状态等进行数字化并将这些数字化后的量存在存储器中，形成一个与现场过程量一致的，能一一对应的，并按实际运行情况实时改变或更新的现场过程量的实时映象；（2）接受由上位机下发的信息以实现对现场的人工控制或对本站的参数设定；（3）实现局部自动控制回路的计算及闭环控制、顺序控制等，它相当于现场控制级和过程控制装置级实现与过程的连接集中操作和管理部分由操作站、管理机和外部设备如打印机、拷贝机等组成，相当于车间操作管理级和全厂优化和调度级实现人机接口，在每级之间以及每级内的计算机或微处理器之间则由通信系统进行数据通信。29 青岛科技大学本科毕业设计（论文）图1-1集散控制系统的三大组成部分Fig.1-1ThreemajorcomponentsofDCS集散控制系统的特点是：（1）使用多台计算机共同完成所有过程量的输入输出，每台计算机只处理一部分实时数据而每台计算机失效只会影响到自己所处理的那一些数据，不至于造成整个系统失去实时数据；（2）不同的计算机处理不同的功能，每台计算机单一化处理使软件结构简单，软件的可靠性高；（3）利用计算机网络来解决系统的扩充与升级的问题；（4）网络中的每台计算机处于平等地位，在运行中相互之间不存在依赖关系。随着半导体技术、显示技术、网络技术和软件技术等高新技术的发展，集散控制技术也得到了飞速的发展，已经成为工业生产过程自动控制的主流，产品的应用范围已不仅仅是工业控制领域的各个行业，而是向制造过程自动化和过程自动化的综合管理方向发展，集散控制系统的发展，可靠性的提高，冗余的完善，处理能力的提高、存储能力的加强、网络体系的发展和健全、人机界面更加友好等等，这一切为先进控制系统提供了硬件和软件平台基础。如今，世界各国的企业为了在激烈的全球市场竞争中求得生存和发展，单靠常规方式生产是不够的，一些企业正在利用先进的控制和管理技术，最大限度地提高生产量，缩短生产周期，利用集散控制系统来完善自己的自动生产线控制系统。29 青岛科技大学本科毕业设计（论文）1.3PLC的现状与特点PLC是可编程序逻辑控制器的简称，其是以微处理器为基础综合了计算机和自动化技术而开发的新一代工业控制装置。按照国际电工协会，国际标准定义是可编程序控制器是以微型计算机为基础的一种为用于工业环境而设计的数字式电子系统，这种系统用可编程序存储面向数据处理等，通过数字量的输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC吸取DCS的优点，在算法上增加了模拟量运算、PID运算、累积加法运算和电机算法运算，同时也增加了各种模拟量模块及相应的补偿、滤波、校正、报警等功能。产品在抗电磁、噪声干扰、有害废气的腐蚀、高温、粉尘等方面有很高的能力，能直接和现场各种单元部件连接，坚固耐用，可靠性方面的平均无故障时间可达万小时以上，操作与维修十分方便，功能日益扩大，因此PLC广泛的应用于许多工业领域。当然技术的日新月异、突飞猛进是迅速扩展市场的根本原因。我国应用PLC还处于初级阶段，而且局限于钢铁、汽车、机床、煤炭、电站等领域，其他行业的应用尚未普及，中国尚有广阔的应用领域等待。我国的PLC市场由国外占领，中大型控制系统几乎是国外产品以欧美公司为主。我国的液体物料包装设备在许多方面采用了PLC并取得了非常好的效果。1.4本课题的提出及意义近几年来，我国双氧水产业得到了迅速的发展，出现了年产几十万吨的大型双氧水生产企业。大型双氧水企业对双氧水灌装线的自动化程度和速度都提出了更高的要求，而经过为期几个月的调研及其深入的了解，正如章节所述，我国的双氧水包装机械还存在自动化程度低、速度慢、系统运行不稳定等缺陷，随着集散控制系统的日益完善，在工业控制领域应用的日益广泛，使我们利用先进控制书籍改进自动灌装生产线的控制系统，弥补其不足成为可能。本课题的目的就是采用现代流行的先进控制技术设计双氧水自动包装线的控制系统，通过软硬件功能的组态实现双氧水自动灌装线的实时检测和控制，预计对于实际的生产有很大作用，表现在：减少事故：通过监控系统、历史报警窗口和历史趋势曲线，29 青岛科技大学本科毕业设计（论文）可以对生产线中各设备的运行情况进行周密监视，发现异常立即进行报警或停机，把事故控制在最小的范围内，从而提高运行的可靠性。提高经济效益：实施双氧水灌装过程监控后，可以实现大型灌装生产线的全自动化，提高生产效率。改善工作环境：实施监控后，值班人员坐在控制室就可以随时了解整个灌装生产线的运行情况，从以往人工操作，实时观察中解脱出来。提高管理水平：由于监控系统对整个灌装运行情况进行了历史记录，管理人员可以随时调出数据进行分析，以采取措施改善管理。29 青岛科技大学本科毕业设计（论文）2双氧水灌装计量系统的工艺及技术要求2.1灌装计量的定义人们在生产和生活中离不开定量计量.在产品包装中，定量计量是包装的主要工序之一。产品定量包装的静含量用质量单位表示时，称其为质量定量包装；另外还有容积定量包装和数量包装。质量定量包装最直接和准确的方式是通过称量来实现，但液体物料的质量通常使用流量传感器来计算流过传感器的流体总量即为液体物料的质量。流量传感器在出厂使通常会给出流量系数（ζ）ζ表示流过传感器1L流体所发出的电脉冲数（脉冲数/L）。此时只要作倒数运算便可得到脉冲当量P＝1／ζ。再考虑双氧水的密度ρ，将其换算成以质量为单位的脉冲当量，此时得到的是理论值。然后根据流量计将测出的流量脉冲信号送至仪表，仪表累计计算出液体物料的质量。2.2双氧水灌装计量系统工艺及技术要求双氧水产量按年产5.7万吨计算，每天为158吨，并按每天两班16小时计，每小时为10吨（约为10立方米）。每桶定量包装重量为25Kg±50g，平均每分钟需装6.67桶。原包装工段有两只高位贮存槽V404A、B，其中V404A为浓品，V404B位稀品，如图2-1所示。设备为圆形，尺寸为16600mm×1600mm(3.2立方米)，高位槽里地面高度为7.9米，出口管离地面为8.2米，有2根DN65的管线从高位槽引出。从两根主管分五根管安装口径DN25流量计来满足生产现场八个桶装和两条车载灌装线的要求，每根分管分两路加装气动截止阀。工艺要求量计精度高、性能可靠，并适合包装现场工况。带电磁阀的气动阀应动作可靠、寿命长。29 青岛科技大学本科毕业设计（论文）图2-1定量包装高位槽管线连接图Fig.2-1Packaginghighslotconnectionofpipelines2.3双氧水灌装计量系统的几种控制方案2.3.1采用质量称重法质量称重法是采用电子称为称重工具，在包装的管路上设置开关阀门，根据液体进入容器的设定质量，由电子秤称重，设定值到时由电子秤输出控制信号切断灌装管线的阀门。此动态称重技术属于力学量的动态测试范畴，其主要目的是将动态变化的力学量实时地转变为电信号并显示出来。动态定量称重过程中含有时变、非线性以及随机干扰等因素。当加快称重速度时，物料冲击和空中飞料等干扰因素将影响称重精度；为提高称重精度，有时不得不降低称重速度。同时实现称重和较高称重速度的动态定量称重技术是计量领域的难题之一。故根据双氧水定量包装的工艺要求和技术要求，该方法较原始，计量精度低，产品溢出对电子秤台面及设备有腐蚀，可靠性低。[8]2.3.2采用容积式流量计与控制仪配合法该方案采用容积式流量计作为液体流体管路中的传感器，通过流量控制仪接收容积数量，在每次灌装数量到时，由控制仪发出控制信号，29 青岛科技大学本科毕业设计（论文）切断流体管路阀门。采用XSK-91C型流量数字定值控制仪和流量计及电磁阀（或气动球阀）组成一个控制系统可以实现对流量的定量包装。系统的组成如图2-2所示。该方案档次低，计量精度差，灌装任务变更不易实现，对多路灌装无法集中测控与处理。图2-2系统流程Fig.2-2Systemprocesses2.3.3利用PLC系统设计法西门子PLC和电磁流量计及电控气动两位两段式切换球阀组成，通过高精度电磁流量计对双氧水灌装流量在线计量，由PLC系统检测并控制两段式切换球阀完成对八条分管包装管路和两条车载灌装线的定量控制及灌装数据的综合处理。该方案可实现高精度、高效率的装车、装桶及工艺物料的定值加注。综合考虑几种方案设计方法，确定利用PLC来设计的控制系统可以满足用户的要求。29 青岛科技大学本科毕业设计（论文）3双氧水灌装计量系统的硬件选型3.1流量计3.1.1流量的概念在工业生产过程和人们的日常生活中要接触到许多的流体，包括液体、气体、粉末或固体颗粒等等。在许多场合都要测量流过流体的总量或瞬时流量。流量是指流体在单位时间内流过管道或明渠中某截面的体积或质量，前者称体积流量或者称质量流量。测量流量所用的仪表，我们常称为流量计，而计量总量的仪表则称为计量表。随着流量检测技术的发展，大部分流量计可以选择家装累积流量功能的装置，因此多数流量计和计量表都同时具有测量流量和累计计算总量的功能。因此，习惯上又把流量计和流量表通称为流量计。[10]3.1.2流量计的分类按所要求的计量结果形式不同，流量计还是有总量流量计和瞬时流量计之分。总量流量计有：1.容积式流量计这类仪表用仪表内的一个固定容量的容积连续地测量被测介质，最后根据容量称量的次数来决定流过的总量。根据它的结构不同，这类仪表主要有椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、活塞式流量计和扩板式流量计等2.速度流量计在仪表中装一旋转叶轮，流体流过时，推动叶轮旋转，叶轮的转动正比于流过介质的总量，叶轮转动带动计数结构，计数器即显示读数。这类流量表结构简单，但精度低，一般在2％左右，大多数的水表即采用此结构。测量瞬时流量的流量计种类繁多，一般根据其原理来分类：(1)压差式流量计：流体在流过管道内某一收缩装置时，由于截面变窄而使静压发生变化，因此在这一装置前后就要产生压差。这个压差的大小与流量有关，测出压差大小即可得到顺势流量，这是节流式的差压流量计(2)流体阻力流量计：转子流量计在垂直锥形管道里放一个自由运动的浮子，浮子受到流体的作用力而悬浮在锥形的测量管中。当流量增大时，浮子受到的作用力加大，结果使它浮到流通面积较大的位置重新达到平衡，29 青岛科技大学本科毕业设计（论文）所以可根据浮子的位置确定能够流量的大小。(3)靶式流量计：测速式流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计、热量流量计和标志法测速流量计。流体振动式流量计利用流体在管道中流动时产生的流体振动和流量之间的关系来测量流量，这类流量仪表均以频率输出，便于数字测量。卡门涡街流量计、旋进漩涡式流量计、射流振荡式流量计和科里奥利流量计3.1.3部分流量计的功能特点1）差压流量计差压流量计是工业上使用很多的流量计之一，因为它具有一系列的优点如测量方法简单，没有可动零件，工作可靠，适应性强，可不经实流而保证一定的测量精度等等。差压式流量计是发展比较早研究比较成熟及比较完善的仪表。差压式管道用流量计。差压式流量计原理是利用节流件前后的压差与平均流速或流量的关系，由压差测量值计算出流量值，因此必须掌握压差与流量的关系，这一关系可以从流体的连续性方程和伯努利方程导出。当一流体流过如图3-1所示的带有节流的管道时，根据流体的连续性方程，有：(3-1)图3-1节流管道流体流动图Fig.3-1Expenditurepipelinefluidflowchart由于管道截面积A1>A2，则V1