空气炮与料位计联合控制系统的可行性分析

韩晋军

（青岛泰德汽车轴承股份有限公司，山东 青岛 266041）

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

空气炮又名空气助流器、破拱器、清堵器，是以突然喷出的压缩气体的强烈气流，以超过一马赫（音速）的速度直接冲入贮存散体物料的闭塞故障区，这种突然释放的膨胀冲击波，克服物料静摩擦，使容器内的物料又一次恢复流动。空气炮是一种清洁、无污染、低耗能的理想清堵吹灰设备，现有四个化碱称过渡仓，化碱除尘料仓，布袋除尘料仓和包装料仓均采用KT型空气炮，但是在日常使用过程中发现几个弊端。

（1）空气炮有自动功能，能够根据设定的时间定时清堵，但是料仓若长时间没有物料，则会浪费压缩空气，并造成硬件的无效磨损，减少硬件的使用寿命。

（2）为了避免上述弊端，可以采用现场手动操作，但是需要操作工人去现场开关空气炮，增加了劳动量。

（3）有时候并不会多个料仓同时进料，但是空气炮的循环控制是囊括所有料仓空气炮的，造成了压缩空气的浪费。

（4）空气炮的功能设置比较简单，灵活性不大，若采用自动功能，即使料仓内物料很少，不会造成堵塞，也会按照设定的时间清堵，这样容易造成过多粉料被除尘抽走，并且会对包装下料称造成冲击，容易造成冲称，影响称的稳定性。

鉴于上述问题，若能够根据实况对空气炮采取更加灵活的控制，不仅能够减少设备磨损、压缩空气的浪费，还能够减少压缩气流对包装称的影响，减少除尘对粉料的过多抽取。通过现场观察，发现大多数料仓上均有物料变送器（料位计），市场上的料位计输出比较统一，为4～20mA电流或者1～5V电压标准信号，能够与空气炮控制盘的PLC进行通信，通过PLC控制空气炮的工作。

1.2 课题研究主要工作

若要完成对空气炮的灵活控制，需要从以下几个方面着手。

（1）现场空气炮PLC控制程序的更改。

（2）料位计信号与空气炮PLC的通讯。

（3）配套电路的设计。

2 工作原理及流程简述

2.1 系统工作原理

空气炮与料位计联合控制系统由两部分构成。

第一部分是料位计信号的采集。大多数料位计以4～20mA标准电压信号为输出信号，供DCS使用，如果同时接DCS和供PLC使用会造成电压信号的衰减，对测量的准确性造成较大影响，因此料位计输出信号需要接一入两出的直流信号隔离变送器，将单股电压信号转换成两个一样的电压信号，分别接DCS和PLC模拟输入端子。

第二部分是料位信号的处理。直流信号隔离器输送过来的电压信号通过PLC的模拟输入端子输入到PLC内部，通过A/D转换，转换成相应的十六进制数字，然后通过PLC内部的比较指令，与空气炮的启动阈值作比较然后输出，决定空气炮的起停。

2.2 系统工作流程

系统工作过程如下。

假设料仓高度为3米，料位计安装在仓顶，选用0～5米的测量范围，精度为0．25%，效果图如图1。

图1 安装效果图

设定物料4m，即满仓时，物料计输出20mA电流信号；物料为0m时，物料计输出为4mA电流信号，物料高度和料位计输出电流信号成正比。空气炮高度设为2m，当料仓内物料超过2m时，PLC控制空气炮开启，按照预先设定的时间间隔开始清堵，当物料高度低于2m时，空气炮停止清堵工作。工作流程图如图2。

图2

3 控制系统硬件配置

空气炮与料位计联合控制系统硬件主要由二线制仪表、直流信号隔离变送器、空气炮控制盘本身的硬件（PLC、继电器等电气部件）以及空气炮炮体构成。料位计根据料位高度变动相应的电流信号，该信号经过一入二出的直流信号隔离变送器一分为二，一股送至DCS，另一股送至空气炮操作盘内PLC的模拟信号输入端。

模拟拓展模块选择的是OMRON公司的CPM1A-MAD02-CH模拟输入输出，该模块有三组电流电压输入和一组电流电压输出。

这里选择的是2号和3端子作为一组4～20mA电流信号输入，1号端子短接。图3接线图中，00端子是电压输入端子，01是电流输入端子，这里将电压输入短接。

该输入模块的输入模拟量与对应的十六进制数据如图3，分辨率为1/256。

图3 电流电压输入对应的十六进制数据

4 控制系统软件设计

空气炮与料位计联合控制系统的软件有两部分，第一部分是修改的原有空气炮主体程序，第二部分是新增的模拟量采集程序。

4.1 模拟量采集程序

空气炮操作盘中的CPM1A系列PLC只要输入000CH和输出010CH，按照该系列PLC规则，新增模拟量模块输入通道为001CH、002CH、003CH，输出模块为011CH。在程序执行的第一个循环过程中，通过梯形图程序将范围代码写入模拟量I/O单元的输出来自指定I/O信号范围，一旦指定了范围代码，模拟I/O单元便立即开始装换模拟I/O值，将装换后的数字量存入对应的数据存储区。模拟量范围代码设置见表1。

表1 模拟量范围代码设置表

料位计输出的为4～20mA电流信号，因此范围代码可在FF06和FF07中选择一个。

设定范围代码之后，将数据存储区的转换数据提取出来。

4.2 模拟量与设定值比较程序

设定空气炮在物料高度达到2米时开始工作，由数学模型推出此时料位计输出的电流为12mA，由图3-3得知，12mA经过A/D变换之后对应的十六位数值是80H，这就是空气炮开始工作的阈值。

将模拟I/O采集来的数值与该阈值作比较，来决定空气炮的输出状态。

4.3 原空气炮程序修改

为了实现料位计数据对空气炮的控制以及对空气炮的分布控制，需要对原程序做修改。将自动启动模式中添加料位控制常开触点，并且各空气炮单独控制。

5 结论与展望

5.1 结论

通过料位计与空气炮联合控制系统，能够对空气炮实现自动、高效、节能控制，避免了资源浪费和不必要的噪音污染，减少了操作人员的劳动量，避免了料仓堆料结块现象，防止操作人员外力清堵造成的料仓变形以及进一步加重堵料的情况，实现了精准控制。

5.2 展望

料位计对空气炮的控制完全是自动的，但是没有哪个自动系统可以实现永久无差错的运行下去，因此可以在原空气炮的基础上连接远程控制，实时监控，进一步提高控制的准确性，并且可以远程控制空气炮的开启，增加人为操作的便利性。