混合機旋轉變頻自控系統的優化

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、真空系統、熱水循環系統、檢測系統及控制系統等部分組成。主機包括機架、槳葉、混合鍋及油缸等。液壓系統包括油泵、液壓馬達及液壓閥等，是混合機組的動力源。真空系統負責將混合鍋抽真空。熱水循環系統由熱水箱、水泵及電磁閥等組成，為混合鍋夾套提供熱水。控制系統主要包括工控機、PLC、傳感器及低壓電器等，實現對主機、液壓系統、真空系統、熱水循環系統進行控制，共同完成設備的各項功能。在運行過程中，原轉速控制系統頻繁出現振蕩和超調現象，嚴重影響了機組的正常運行。為此，該院組織技術力量，基于工控機、PLC和變頻器優化設計混合機旋轉變頻自控系統，并采用GX Developer軟件設計旋轉方向、速度、轉矩的控制與顯示流程。

1 旋轉控制系統的工藝要求①

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

2 旋轉控制系統存在的問題

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

圖1 混合機原轉速曲線

衰減比n表示系統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——前一轉速波峰值；

B2——后一轉速波峰值。

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

最大動態偏差(最大超調量)指系統輸出量的最大值與輸出的穩態值之差，其與輸出穩態值的相對百分數構成系統的最大超調量σ。最大超調量表征控制系統最大輸出值偏離穩態值的程度，它是系統動態穩定性的重要指標。最大超調量σ定義為[1]：

式中y(tp)——最大瞬態偏差；

y(∞)——最終穩態值。

由以上分析可知，該混合機的轉速控制系統為一個超調和頻繁振蕩的系統。

混合機的轉速采用連續PID控制算法，由PLC實現。PID控制器就是根據系統的誤差，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方向和速度。根據工藝需要，在工控機上設置旋轉方向和旋轉速度，PLC通過比較和計算得到P、I、D控制參數，輸出轉速控制信號至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電磁鐵和反轉電磁鐵，從而驅動比例閥線圈，達到油口切換與控制開度的目的，繼而實現控制攪拌槳旋轉方向與速度的功能。

由于混合機已使用十余年，轉速系統的執行機構(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程序中的P、I、D控制參數，造成控制振蕩、超調。因此，必須對轉速自控系統進行優化改造。

3 旋轉控制系統的改進

混合機旋轉控制系統的改進方案有兩種：

a. 不改變硬件設備和控制原理，用軟件調整控制參數適應負載特性，改善控制品質，達到控制要求。其優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，不產生硬件費用。但是編程量大、調試量也大；況且比例閥及放大板等硬件已經使用十多年，其負載特性、響應特性隨著時間的失衡仍會不斷改變，還會出現控制超調和振蕩現象，需要不斷調整控制參數，因此問題不能得到徹底解決，而且影響科研生產進度。

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

為徹底解決問題，并提高科研生產的工作效率，院技術人員決定采用方案b進行控制系統的優化改造。

3.1 硬件部分

3.1.1PLC

混合機旋轉控制系統的硬件(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點數字量I/O，另外配置有兩塊AD模塊和一塊DA模塊。轉速傳感器測得轉速信號，通過轉速變送器輸入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速。根據工藝需要在工控機上設置旋轉方向和旋轉速度，PLC通過PID算法程序比較計算得到P、I、D控制參數，輸出轉速控制數字信號至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。變頻電機的轉速與電源頻率成正比，改變電動機定子的轉動頻率即可改變電機轉速，實現油泵改變輸出流量。驅動旋轉油泵提供一定的壓力可調節的流量，液壓馬達在該油液作用下運轉，從而控制混合機攪拌槳葉的轉向、轉矩和轉速。

圖2 改造后轉速控制系統的硬件構成

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

3.1.2變頻控制

變頻器接收PLC的數字調速指令，然后由變頻器對電機實現調速控制實現無極平滑調速。變頻調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 變頻調速電機控制原理

3.2 軟件部分

PLC程序采用GX Developer軟件開發。PLC指令系統非常豐富，包括位操作指令、數據處理指令、表功能指令及轉換指令等[3]。

轉速控制流程如圖4所示。其中，轉速、轉矩、旋轉油壓信號處理與顯示主要包括量程范圍、標度轉換、小信號處理及浮點數運算等。按動作順序和安全聯鎖條件控制旋轉油泵、正轉閥和反轉閥動作。執行PID算法，轉速測量值與設定值比較，得到偏差，根據偏差PID算法給出控制作用，使執行機構按程序要求進行不同時間、方向和開度的動作。轉矩、轉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 轉速控制流程

變頻器是一種通用程度很高的交流調速裝置，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揮，需要根據系統的實際情況調整并設定變頻器的內部參數[4]。該系統中變頻器設置的參數主要包括：標稱電機電壓、標稱電機轉速、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 結束語

混合機旋轉自控系統經過變頻控制技術改造后，徹底解決了生產中的隱患，保證了產品質量和科研生產進度。實際運行結果表明：優化改進后的轉速系統運行在10r/min的設定值上，控制非常平穩，輸出值與設定值一致，再未出現超調、衰減、發散和頻繁振蕩現象。另外，其他轉速設定值的控制品質也有同樣良好的效果。

[1] 劉文定.過程控制系統的MATLAB仿真[M].北京：機械工業出版社，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(基礎篇)[M].北京：電子工業出版社，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.