混合機旋轉(zhuǎn)變頻自控系統(tǒng)的優(yōu)化

馮 梅 范玉德 孫良勤 蘇會忠

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

混合機是中國工程物理研究院化工材料研究所的重要設備，主要用于一定溫度和真空度下化工材料的混合，由主機、液壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、熱水循環(huán)系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等部分組成。主機包括機架、槳葉、混合鍋及油缸等。液壓系統(tǒng)包括油泵、液壓馬達及液壓閥等，是混合機組的動力源。真空系統(tǒng)負責將混合鍋抽真空。熱水循環(huán)系統(tǒng)由熱水箱、水泵及電磁閥等組成，為混合鍋夾套提供熱水?？刂葡到y(tǒng)主要包括工控機、PLC、傳感器及低壓電器等，實現(xiàn)對主機、液壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、熱水循環(huán)系統(tǒng)進行控制，共同完成設備的各項功能。在運行過程中，原轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)振蕩和超調(diào)現(xiàn)象，嚴重影響了機組的正常運行。為此，該院組織技術(shù)力量，基于工控機、PLC和變頻器優(yōu)化設計混合機旋轉(zhuǎn)變頻自控系統(tǒng)，并采用GX Developer軟件設計旋轉(zhuǎn)方向、速度、轉(zhuǎn)矩的控制與顯示流程。

1 旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的工藝要求①

旋轉(zhuǎn)是混合機最重要的動作要求，要求控制平穩(wěn)，不超過±2轉(zhuǎn)。具有手動、自動兩種功能，手動工況下實現(xiàn)混合槳按設定方向和速度旋轉(zhuǎn)；自動工況下，在溫度及真空度等其他條件滿足的前提下，實現(xiàn)混合槳自動按設定的時間和工段、方向和速度進行旋轉(zhuǎn)。

2 旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)存在的問題

所繪生產(chǎn)過程中混合機的轉(zhuǎn)速曲線如圖1所示。轉(zhuǎn)動速度設定為10r/min，轉(zhuǎn)速先上升至20r/min后下降，一直降到0即停止轉(zhuǎn)動，然后又升到20r/min，又降到0；如此反復。

圖1 混合機原轉(zhuǎn)速曲線

衰減比n表示系統(tǒng)衰減響應曲線的衰減程度，定義為兩個相鄰的同向波峰值之比，即：

式中B1——前一轉(zhuǎn)速波峰值；

B2——后一轉(zhuǎn)速波峰值。

衰減比是系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標，衰減比越大系統(tǒng)越穩(wěn)定，一般認為，隨動系統(tǒng)n=10，定值系統(tǒng)n=4時，系統(tǒng)的性能較佳[1]。

最大動態(tài)偏差(最大超調(diào)量)指系統(tǒng)輸出量的最大值與輸出的穩(wěn)態(tài)值之差，其與輸出穩(wěn)態(tài)值的相對百分數(shù)構(gòu)成系統(tǒng)的最大超調(diào)量σ。最大超調(diào)量表征控制系統(tǒng)最大輸出值偏離穩(wěn)態(tài)值的程度，它是系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的重要指標。最大超調(diào)量σ定義為[1]：

式中y(tp)——最大瞬態(tài)偏差；

y(∞)——最終穩(wěn)態(tài)值。

由以上分析可知，該混合機的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為一個超調(diào)和頻繁振蕩的系統(tǒng)。

混合機的轉(zhuǎn)速采用連續(xù)PID控制算法，由PLC實現(xiàn)。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。PID控制器由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。其輸入與輸出的關(guān)系為[2]：

式中Kp、Ti、Td——比例增益、積分時間和微分時間。

混合機的轉(zhuǎn)速回路工作原理：通過電信號控制比例閥的換向與開度，控制混合機攪拌槳的旋轉(zhuǎn)方向和速度。根據(jù)工藝需要，在工控機上設置旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度，PLC通過比較和計算得到P、I、D控制參數(shù)，輸出轉(zhuǎn)速控制信號至DA模塊，DA模塊輸出-10～10V直流電壓信號至比例閥放大電路板，由放大電路板分別輸出相應電流信號至比例閥的正轉(zhuǎn)電磁鐵和反轉(zhuǎn)電磁鐵，從而驅(qū)動比例閥線圈，達到油口切換與控制開度的目的，繼而實現(xiàn)控制攪拌槳旋轉(zhuǎn)方向與速度的功能。

由于混合機已使用十余年，轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)(比例閥和變量泵)的負載特性在長期運行過程有磨損和滯后現(xiàn)象，其負載特性和響應特性有較大變化，不能適應和匹配系統(tǒng)程序中的P、I、D控制參數(shù)，造成控制振蕩、超調(diào)。因此，必須對轉(zhuǎn)速自控系統(tǒng)進行優(yōu)化改造。

3 旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的改進

混合機旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的改進方案有兩種：

a. 不改變硬件設備和控制原理，用軟件調(diào)整控制參數(shù)適應負載特性，改善控制品質(zhì)，達到控制要求。其優(yōu)點是暫時不需要購買和更換比例閥、放大電路板和液壓馬達，不產(chǎn)生硬件費用。但是編程量大、調(diào)試量也大；況且比例閥及放大板等硬件已經(jīng)使用十多年，其負載特性、響應特性隨著時間的失衡仍會不斷改變，還會出現(xiàn)控制超調(diào)和振蕩現(xiàn)象，需要不斷調(diào)整控制參數(shù)，因此問題不能得到徹底解決，而且影響科研生產(chǎn)進度。

b. 改進控制原理，改善控制品質(zhì)。將比例控制改為變頻控制。其優(yōu)點是編程量和調(diào)試量都比較小，而且能徹底解決問題。但是會產(chǎn)生購買變頻器及液壓系統(tǒng)等相應硬件的費用。

為徹底解決問題，并提高科研生產(chǎn)的工作效率，院技術(shù)人員決定采用方案b進行控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造。

3.1 硬件部分

3.1.1PLC

混合機旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的硬件(圖2)主要由FX3G PLC、MM-440變頻器和研華工控機組成。PLC的CPU模塊同時具有128點數(shù)字量I/O，另外配置有兩塊AD模塊和一塊DA模塊。轉(zhuǎn)速傳感器測得轉(zhuǎn)速信號，通過轉(zhuǎn)速變送器輸入4～20mA信號至PLC的AD模塊，PLC進行信號處理，同時在工控機顯示轉(zhuǎn)速。根據(jù)工藝需要在工控機上設置旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度，PLC通過PID算法程序比較計算得到P、I、D控制參數(shù)，輸出轉(zhuǎn)速控制數(shù)字信號至PLC的DA模塊。DA模塊輸出4～20mA信號控制變頻器，由變頻器控制變頻電機。變頻電機的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，改變電動機定子的轉(zhuǎn)動頻率即可改變電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)油泵改變輸出流量。驅(qū)動旋轉(zhuǎn)油泵提供一定的壓力可調(diào)節(jié)的流量，液壓馬達在該油液作用下運轉(zhuǎn)，從而控制混合機攪拌槳葉的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

圖2 改造后轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的變量包括：油泵啟停，槳正轉(zhuǎn)、槳反轉(zhuǎn)，手動、自動和真空啟停(DI數(shù)字量輸入)；旋轉(zhuǎn)油泵，正轉(zhuǎn)閥、反轉(zhuǎn)閥，冷卻風機和變頻器數(shù)字量控制端(DO數(shù)字量輸出)；轉(zhuǎn)速顯示、旋轉(zhuǎn)油壓顯示、真空度顯示(AD模擬量輸入)；轉(zhuǎn)速控制(DA模擬量輸出)。

3.1.2變頻控制

變頻器接收PLC的數(shù)字調(diào)速指令，然后由變頻器對電機實現(xiàn)調(diào)速控制實現(xiàn)無極平滑調(diào)速。變頻調(diào)速電機的控制原理如圖3所示。變頻器硬件線路中，空氣開關(guān)QF1和接觸器KM1得電后，變頻器的啟停控制信號由PLC的Y10輸出，速度控制信號由PLC的DA模塊的CH1輸出4～20mA電流信號。

圖3 變頻調(diào)速電機控制原理

3.2 軟件部分

PLC程序采用GX Developer軟件開發(fā)。PLC指令系統(tǒng)非常豐富，包括位操作指令、數(shù)據(jù)處理指令、表功能指令及轉(zhuǎn)換指令等[3]。

轉(zhuǎn)速控制流程如圖4所示。其中，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、旋轉(zhuǎn)油壓信號處理與顯示主要包括量程范圍、標度轉(zhuǎn)換、小信號處理及浮點數(shù)運算等。按動作順序和安全聯(lián)鎖條件控制旋轉(zhuǎn)油泵、正轉(zhuǎn)閥和反轉(zhuǎn)閥動作。執(zhí)行PID算法，轉(zhuǎn)速測量值與設定值比較，得到偏差，根據(jù)偏差PID算法給出控制作用，使執(zhí)行機構(gòu)按程序要求進行不同時間、方向和開度的動作。轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速超限報警處理主要包括上下限判定、超限輸出、聲光報警及切斷相應閥門等動作。

圖4 轉(zhuǎn)速控制流程

變頻器是一種通用程度很高的交流調(diào)速裝置，為了保證變頻器適應不同的控制要求，并使其功能得以充分發(fā)揮，需要根據(jù)系統(tǒng)的實際情況調(diào)整并設定變頻器的內(nèi)部參數(shù)[4]。該系統(tǒng)中變頻器設置的參數(shù)主要包括：標稱電機電壓、標稱電機轉(zhuǎn)速、標稱額定電機電流及標稱電機頻率等；加速時間、減速時間、模擬量輸入、熱保護電流、最大給定值時的電機頻率、最小給定值時的電機頻率、外接電流給定信號及外部輔助給定信號等。

4 結(jié)束語

混合機旋轉(zhuǎn)自控系統(tǒng)經(jīng)過變頻控制技術(shù)改造后，徹底解決了生產(chǎn)中的隱患，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和科研生產(chǎn)進度。實際運行結(jié)果表明：優(yōu)化改進后的轉(zhuǎn)速系統(tǒng)運行在10r/min的設定值上，控制非常平穩(wěn)，輸出值與設定值一致，再未出現(xiàn)超調(diào)、衰減、發(fā)散和頻繁振蕩現(xiàn)象。另外，其他轉(zhuǎn)速設定值的控制品質(zhì)也有同樣良好的效果。

[1] 劉文定.過程控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：6～7.

[2] 謝志英，王瑞云，楊艷玲.自動控制原理[M].北京：清華大學出版社，2014：280.

[3] 胡學林.可編程序控制器教程(基礎(chǔ)篇)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014：67.

[4] 龔仲華.變頻器從原理到完全應用——三菱、安川[M].北京：人民郵電出版社，2009：142.