基于PID的斗輪取料機(jī)回轉(zhuǎn)自動(dòng)調(diào)速控制方法

王靖宇

秦皇島港股份有限公司第九港務(wù)分公司

1 引言

斗輪取料機(jī)是煤炭運(yùn)輸港口的關(guān)鍵設(shè)備，其作業(yè)能力決定了裝船效率。在港口智能化建設(shè)大背景下，降低人工投入，提升設(shè)備自動(dòng)化水平，是設(shè)備改造的目標(biāo)。傳統(tǒng)取料機(jī)操控方式是由司機(jī)通過手柄手動(dòng)控制，對(duì)司機(jī)操作技能要求高，勞動(dòng)強(qiáng)度大。如果司機(jī)操作失誤，會(huì)出現(xiàn)流量不勻或作業(yè)超載等情況，有設(shè)備過負(fù)荷和機(jī)損事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合回轉(zhuǎn)變頻驅(qū)動(dòng)的硬件基礎(chǔ)，通過PLC與PID控制(Proportional Integral Derivative Control，比例-積分-微分控制)技術(shù)，準(zhǔn)確地獲取物料流量數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一種回轉(zhuǎn)自動(dòng)調(diào)速控制方法，并有效防止超調(diào)，實(shí)現(xiàn)勻量取料，對(duì)效率提升和設(shè)備無人化改造具有重要意義。

2 取料機(jī)回轉(zhuǎn)調(diào)速模式分析

斗輪取料機(jī)回轉(zhuǎn)是變頻驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)速度的快慢決定斗輪上料的快慢，回轉(zhuǎn)速度是瞬時(shí)流量穩(wěn)定均勻的關(guān)鍵因素。

2.1 手動(dòng)調(diào)速模式

司機(jī)手動(dòng)調(diào)速模式下，瞬時(shí)流量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)來自于皮帶秤，由于皮帶秤安裝位置在懸皮中部，信息獲取具有滯后性，無法及時(shí)反應(yīng)實(shí)時(shí)瞬時(shí)流量，為了實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)流量穩(wěn)定且接近目標(biāo)量，司機(jī)必須時(shí)刻目測斗輪料斗上料量，頻繁調(diào)整手柄改變回轉(zhuǎn)速度。這種操作勞動(dòng)強(qiáng)度大、流量波動(dòng)大，很難實(shí)現(xiàn)勻量取料。

2.2 1/cosφ調(diào)速模式

回轉(zhuǎn)取料模型見圖1，斗輪以圓形軌跡旋轉(zhuǎn)切削料垛，料垛切削面呈月牙形。為了消除流量“月牙損失”，回轉(zhuǎn)速度應(yīng)該按照V=V0/cosφ函數(shù)曲線的變化規(guī)律進(jìn)行調(diào)整，使臂架在任意角度下，在相同時(shí)間內(nèi)勻量上料[1]。1/cosφ調(diào)速模型缺點(diǎn)是：①對(duì)垛形要求高，在每一個(gè)回轉(zhuǎn)角度下都對(duì)應(yīng)既定的速度，對(duì)料垛厚度和走行進(jìn)尺量要求高，理想情況下才能獲得目標(biāo)流量；②調(diào)速區(qū)間局限，函數(shù)1/cosφ在φ>60°時(shí)，cosφ值迅速下降，當(dāng)φ=90°時(shí)，cosφ值為0，斗輪回轉(zhuǎn)線速度接近無窮大,所以1/cosφ調(diào)速模式調(diào)速區(qū)間一般為0°～60°[2]；③抗干擾能力差，比如塌垛情況出現(xiàn)后，速度無法自適應(yīng)調(diào)整，會(huì)出現(xiàn)超載。

圖1 斗輪取料機(jī)回轉(zhuǎn)取料模型圖

2.3 PID調(diào)速模式

PID控制是一種控制策略。由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。PID調(diào)速控制中主控變量是回轉(zhuǎn)速度，過程變量是瞬時(shí)流量。PID控制器實(shí)時(shí)比較瞬時(shí)流量與設(shè)定點(diǎn)的偏差，調(diào)節(jié)主控變量輸出，以保持過程變量在希望的設(shè)定點(diǎn)。如果瞬時(shí)流量高于設(shè)定點(diǎn)，則PID控制器減少控制變量降低回轉(zhuǎn)速度，使瞬時(shí)流量降低來趨近設(shè)定點(diǎn)。瞬時(shí)流量低于設(shè)定點(diǎn)時(shí)同理。PID調(diào)速原理見圖2。

圖2 PID調(diào)速原理圖

PID調(diào)速適用各種垛形、調(diào)速區(qū)間大、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)，可以解決1/cosφ調(diào)速模式的缺點(diǎn)。對(duì)于取料模型，PID調(diào)速需要解決的問題有：①處理好出入垛后斗輪空載時(shí)回轉(zhuǎn)速度與效率的關(guān)系；②入垛邊界時(shí)，防止因速度過快引起超調(diào)；③異常情況下回轉(zhuǎn)保護(hù)性限速措施。

3 自動(dòng)調(diào)速方法設(shè)計(jì)

應(yīng)用PID控制設(shè)計(jì)一種懸臂式斗輪取料機(jī)回轉(zhuǎn)自動(dòng)調(diào)速控制方法。

3.1 控制方法的條件

控制方法適用于回轉(zhuǎn)上料的懸臂式斗輪取料機(jī)。取料機(jī)硬件應(yīng)具有能夠提取斗輪功率數(shù)據(jù)的綜?；騻鞲衅?、變頻驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及基于logix5000的羅克韋爾PLC控制系統(tǒng)。取料機(jī)的走行進(jìn)尺量與垛層厚度由司機(jī)手動(dòng)控制，需保持在合理的范圍內(nèi)。

3.2 調(diào)速環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

取料機(jī)作業(yè)是往復(fù)的回轉(zhuǎn)上料過程，根據(jù)斗輪在料垛中的特定位置，將一次回轉(zhuǎn)上料過程分解為垛外、入垛、垛中3個(gè)環(huán)節(jié)，不同環(huán)節(jié)對(duì)回轉(zhuǎn)調(diào)速有特定的設(shè)計(jì)。垛外環(huán)節(jié)中，為了保證作業(yè)高效，以較大的回轉(zhuǎn)速度來縮短空載時(shí)間；入垛環(huán)節(jié)中，初期具有垛外環(huán)節(jié)的高速，同時(shí)要避免PID調(diào)節(jié)中的超調(diào)引起超載，速度控制較復(fù)雜，所以設(shè)計(jì)了超調(diào)預(yù)防程序來控制速度；垛中環(huán)節(jié)中，流量趨于穩(wěn)定，速度呈現(xiàn)規(guī)則的增大或減小。

4 自動(dòng)調(diào)速方法實(shí)現(xiàn)

4.1 瞬時(shí)流量的等效

斗輪有功功率能夠反應(yīng)瞬時(shí)流量的大小，對(duì)比同時(shí)刻皮帶秤瞬時(shí)流量曲線與斗輪有功功率曲線，發(fā)現(xiàn)二者趨勢一致，高度同步，所以可以通過斗輪有功功率經(jīng)過變換來等效瞬時(shí)流量。斗輪實(shí)時(shí)有功功率可由斗輪高壓柜綜保傳輸給主控PLC得到，然后將斗輪有功功率作為PID控制中過程變量的計(jì)算因子。

4.2 PID控制器

自動(dòng)調(diào)速程序設(shè)計(jì)核心是PID控制算法，現(xiàn)場設(shè)備主控制器是羅克韋爾PLC，利用PLC軟件logix5000自帶的PID/PIDE功能。對(duì)PID指令輸入?yún)?shù)，通過對(duì)設(shè)定值與過程變量之間的偏差進(jìn)行比例、積分、微分調(diào)節(jié)，將PID輸出的控制變量換算后作為回轉(zhuǎn)變頻器的速度給定，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)自動(dòng)調(diào)速。

通過實(shí)驗(yàn)，確定最佳的PID指令關(guān)鍵參數(shù)：比例增益為0.8，積分增益為0.8，微分時(shí)間為0，偏差為設(shè)定點(diǎn)值與過程變量的偏差，采樣周期是0.1 s，無死區(qū)、無偏置，選擇自動(dòng)模式，不選擇級(jí)聯(lián)控制。通過PID指令的運(yùn)算，將輸出結(jié)果作用到回轉(zhuǎn)速度控制程序中，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)變頻器。PID調(diào)速后得到的回轉(zhuǎn)速度曲線與流量曲線見圖3。

圖3 PID調(diào)速后的速度曲線與流量曲線圖

4.3 垛中調(diào)速

垛中調(diào)速時(shí)PID調(diào)速處于穩(wěn)定期，根據(jù)實(shí)際，回轉(zhuǎn)速度不宜過大，設(shè)定回轉(zhuǎn)速度上限為全速的50%，回轉(zhuǎn)速度根據(jù)回轉(zhuǎn)角度規(guī)律的增大或減小，速度曲線與1/cosφ函數(shù)曲線接近，具有很好的動(dòng)態(tài)特性，瞬時(shí)流量趨于設(shè)定點(diǎn)穩(wěn)定波動(dòng)。

4.4 垛外調(diào)速

取料機(jī)在每次回轉(zhuǎn)結(jié)束后需要走行進(jìn)車，在進(jìn)車前后，斗輪會(huì)有出垛與入垛的過程，在這個(gè)過程中，斗輪一直在垛外，處于空載狀態(tài)。為了保證作業(yè)的高效，出入垛時(shí)間要盡可能短。斗輪功率可判定是否空載，垛外調(diào)速時(shí)，回轉(zhuǎn)速度上限設(shè)定為全速的80%，因?yàn)镻ID控制器檢測到瞬時(shí)流量遠(yuǎn)低于設(shè)定點(diǎn)，會(huì)快速增大回轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)快速出垛和入垛。

4.5 邊界調(diào)速

PID調(diào)節(jié)單周期中的超調(diào)是固有屬性，又加之斗輪以較高的速度進(jìn)入料垛邊界，會(huì)出現(xiàn)上料太快引發(fā)超載的情況。邊界調(diào)速中設(shè)計(jì)了超調(diào)預(yù)防程序，程序首先根據(jù)斗輪功率判斷上料開始，在PID調(diào)節(jié)周期的起始，或超調(diào)發(fā)生前，將調(diào)節(jié)過程分解，使系統(tǒng)在流量穩(wěn)定前經(jīng)歷多次超調(diào)，但這些超調(diào)全在設(shè)定點(diǎn)以下，不會(huì)引發(fā)超載。邊界調(diào)速時(shí)瞬時(shí)流量見圖4。程序在合適的時(shí)間內(nèi)將PID指令參數(shù)中setpiont設(shè)定點(diǎn)值從小逐漸增大，回轉(zhuǎn)速度經(jīng)歷由大到小再逐漸增大的過程，使瞬時(shí)流量逐步逼近目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)，當(dāng)設(shè)定點(diǎn)值達(dá)到目標(biāo)值時(shí)完成調(diào)節(jié)。當(dāng)超調(diào)預(yù)防程序執(zhí)行完成后，PID自動(dòng)調(diào)速進(jìn)入穩(wěn)定期，流量能夠跟隨目標(biāo)量穩(wěn)定波動(dòng)。

圖4 邊界調(diào)速時(shí)瞬時(shí)流量

4.6 保護(hù)性調(diào)速

當(dāng)出現(xiàn)異常情況或者到大臂限速區(qū)域內(nèi)時(shí)，回轉(zhuǎn)速度需要快速降低甚至停止來保護(hù)設(shè)備，這種情況下，PID指令中的inhold功能可以實(shí)現(xiàn)快速降低輸出至低速設(shè)定值，持續(xù)低速或停止直至限制解除。

4.7 調(diào)速的連貫性

對(duì)于取料機(jī)這種大慣性系統(tǒng)，速度變化要保證連貫性，不能出現(xiàn)速度的階躍，作業(yè)中速度的跳變會(huì)造成嚴(yán)重的設(shè)備損傷。以上幾種調(diào)速環(huán)節(jié)，必須全部經(jīng)PID控制器調(diào)節(jié)后輸出，才能保證速度是連續(xù)變化的，不可剛性地拋開PID控制器直接限定回轉(zhuǎn)速度大小。

5 應(yīng)用效果

5.1 流量穩(wěn)定性分析

通過瞬時(shí)流量歷史曲線來分析取料機(jī)自動(dòng)調(diào)速模式下瞬時(shí)流量的穩(wěn)定性。圖5是一臺(tái)取料機(jī)的瞬時(shí)流量歷史曲線。該取料機(jī)目標(biāo)瞬時(shí)流量為4 000 t/h，從曲線可以得出，多次回轉(zhuǎn)上料過程中瞬時(shí)流量基本穩(wěn)定在目標(biāo)量下小幅波動(dòng)。該瞬時(shí)流量歷史曲線表明，自動(dòng)調(diào)速模式投用后，取料瞬時(shí)流量非常穩(wěn)定。

圖5 取料機(jī)自動(dòng)調(diào)速時(shí)的瞬時(shí)流量歷史曲線圖

5.2 取料效率分析

5.2.1 瞬時(shí)流量均勻度分析

瞬時(shí)流量均勻度越好則取料效率越高。圖6記錄了PID回轉(zhuǎn)自動(dòng)調(diào)速與司機(jī)手動(dòng)操作兩種模式下的皮帶秤瞬時(shí)流量曲線。可以看出，PID回轉(zhuǎn)自動(dòng)調(diào)速模式下，瞬時(shí)流量基本穩(wěn)定在目標(biāo)瞬時(shí)流量附近；而司機(jī)手動(dòng)操作模式下，瞬時(shí)流量則呈現(xiàn)出不規(guī)則的曲線。結(jié)果表明PID回轉(zhuǎn)自動(dòng)調(diào)速模式下瞬時(shí)流量均勻度好，能夠收獲比較滿意的流量曲線。

圖6 PID自動(dòng)調(diào)速與司機(jī)手動(dòng)兩種模式下皮帶秤瞬時(shí)流量對(duì)比圖

5.2.2 平均流量分析

2021年6月20日系統(tǒng)正式投用，統(tǒng)計(jì)對(duì)比系統(tǒng)投用前后10天內(nèi)單流程中平均流量超過3 600 t/h的次數(shù)和占比，分析平均流量的提升效果。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1，平均流量從次數(shù)和占比上都有了大幅的提升。

表1 PID自動(dòng)調(diào)速投用前后單流程中平均流量超3 600 t/h的次數(shù)與占比

平均艙時(shí)量是衡量取料機(jī)平均流量的重要指標(biāo)，平均艙時(shí)量越高取料機(jī)平均流量越大。2021年1月、7月、10月平均艙時(shí)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2，1月是自動(dòng)調(diào)速投用前，7月和10月是自動(dòng)調(diào)速投用后。通過投用前后平均艙時(shí)量數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出，應(yīng)用自動(dòng)調(diào)速后，取料機(jī)平均流量可以普遍提升300～400 t/h。

表2 2021年1月、7月、10月平均艙時(shí)量

6 結(jié)語

采用羅克韋爾logix-5000系列PLC自帶的PID功能，對(duì)取料機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)控制方法進(jìn)行了改造，對(duì)邊界調(diào)速程序和速度調(diào)節(jié)連貫性進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了取料機(jī)回轉(zhuǎn)自動(dòng)調(diào)速和超調(diào)預(yù)防。實(shí)踐表明，該控制方法運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了取料機(jī)勻量取料，提高了取料效率，有效減少了超載的發(fā)生次數(shù)，降低了司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度。該方案具有良好的可移植性，對(duì)港口無人化建設(shè)具有一定的參考意義。