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1 計(jì)量控制系統(tǒng)的組成及控制原理

轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)由粉體喂料機(jī)和轉(zhuǎn)子秤兩部分組成，二者都采用變頻調(diào)速。 其計(jì)量控制系統(tǒng)由西門子 S7-300PLC 組態(tài)而成。 安裝在環(huán)形天平上的拉力傳感器產(chǎn)生的重量信號(hào)被轉(zhuǎn)換為 4～20mA 的信號(hào)后送入稱重模塊，安裝在轉(zhuǎn)子上的光電旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)取的轉(zhuǎn)速信號(hào)被轉(zhuǎn)換為 4～20mA 的信號(hào)后送入模擬量輸入通道。控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)的驅(qū)動(dòng)通過(guò)與開關(guān)量通道相連的中間繼電器實(shí)現(xiàn)，對(duì)流量的控制則是通過(guò)模擬量輸出通道對(duì) 2 個(gè)變頻器的頻率控制實(shí)現(xiàn)的， 即轉(zhuǎn)速信號(hào)及重量信號(hào)分別送入 PLC 的模塊后經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到實(shí)際流量，該流量再與給定流量進(jìn)行比較， 通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的定量控制。 操作人員可以通過(guò) DCS 系統(tǒng)的操作界面實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)的流量及啟?？刂?。

2 設(shè)計(jì)思路及方案

2.1 系統(tǒng)的硬件組態(tài)

用一塊稱重儀表現(xiàn)場(chǎng)顯示轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的重量，并把稱重傳感器產(chǎn)生的 mV 信號(hào)轉(zhuǎn)化為 4～20mA 信號(hào)后送入現(xiàn)場(chǎng)控制站的模擬量輸入通道；用一塊頻率顯示儀表顯示轉(zhuǎn)子秤轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，并將光電旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為 4～20mA 信號(hào)后送入模擬量輸入通道。 編制在 CPU 中的軟件調(diào)節(jié)器，通過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算得出粉體喂料機(jī)、轉(zhuǎn)子秤電動(dòng)機(jī)的變頻器的頻率給定信號(hào)，并分別通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制站的兩個(gè)模擬量輸出通道送入變頻器中。 2 臺(tái)變頻器的啟停信號(hào)分別通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制站的2 個(gè)開關(guān)量輸出通道實(shí)現(xiàn) , 故障信號(hào)則通過(guò)開關(guān)量輸入通道實(shí)現(xiàn)，通道及接線與原系統(tǒng)基本相同。

2.2 軟件調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)器的作用就是確保通過(guò)環(huán)形天平的物料流量等于或近似等于給定流量，由于轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)由粉體喂料機(jī)、轉(zhuǎn)子秤兩部分組成，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須確保調(diào)節(jié)器對(duì)粉體喂料機(jī)和轉(zhuǎn)子秤之間的協(xié)同調(diào)節(jié)。 要實(shí)現(xiàn)這種協(xié)同調(diào)節(jié)的控制方式，可以通過(guò)以下幾種方案實(shí)現(xiàn)：

1 ）使轉(zhuǎn)子秤轉(zhuǎn)子的速度保持恒定值 ω ，以轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的實(shí)際重量 G f 作為反饋值與經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得的轉(zhuǎn)子秤的重量給定值 G _g （ G _g =Q _g /kω ， Q _g是流量給定值， k 是常數(shù)， 可以用于在對(duì)轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)的實(shí)物標(biāo)定過(guò)程中根據(jù)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，以使顯示值與實(shí)際值相符）進(jìn)行比較，通過(guò)一個(gè)負(fù)反饋調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)粉體喂料機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_保進(jìn)入轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的重量G _f 的穩(wěn)定， 這樣就能保證從轉(zhuǎn)子秤送出的物料流量Q _f （Q _f =kωG _f）的穩(wěn)定。

2 ）使轉(zhuǎn)子秤轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速保持恒定值 ω ，以轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的實(shí)際流量 Q _f 作為反饋值與流量給定值 Q _g進(jìn)行比較，通過(guò)調(diào)節(jié)粉體喂料機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_保進(jìn)入轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的實(shí)際流量 Q _f 的穩(wěn)定， 這樣就能保證從轉(zhuǎn)子秤送出的物料流量 Q _f 的穩(wěn)定。

3 ）使粉體喂料機(jī)的轉(zhuǎn)速保持恒定，以通過(guò)轉(zhuǎn)子秤的物料實(shí)際流量 Q _f （ Q _f =kω _f Q _f ，其中 ω _f 為轉(zhuǎn)子秤轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速）為流量反饋值與流量給定值 Q _g 進(jìn)行比較，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_保從轉(zhuǎn)子秤送出的物料流量 Q _f 的穩(wěn)定。

4 ）一方面以轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的實(shí)際重量 G _f 作為反饋值與經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得的轉(zhuǎn)子秤的重量給定值 G _g （ G _g =mQ g +n ，該等式是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，其中 m 、 n 是常數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中取 m=1.6,n=12 ） 進(jìn)行比較，通過(guò)調(diào)節(jié)粉體喂料機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩_保進(jìn)入轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的重量 G _f 的穩(wěn)定； 另一方面以轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的實(shí)際流量 Q _f 作為流量反饋值與流量給定值 Q _g 進(jìn)行比較，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_保從轉(zhuǎn)子秤內(nèi)送出的物料流量 Q _f 的穩(wěn)定。

5 ）一方面以轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的實(shí)際流量 Q _f 作為反饋值與流量給定值 Q _g 進(jìn)行比較， 通過(guò)調(diào)節(jié)粉體喂料機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_保進(jìn)入轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的重量 Q _f 的穩(wěn)定； 另一方面以轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的實(shí)際流量 Q _f 作為反饋值與流量給定值 Q _g 進(jìn)行比較， 通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_保從轉(zhuǎn)子秤內(nèi)送出的物料流量 Q _f 的穩(wěn)定。

上述 5 種方案中，方案 4 及方案 5 是雙閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，具有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力。 由于方案 4 能基本保證物料在轉(zhuǎn)子秤內(nèi)的均勻分布，所以更符合對(duì)轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)的計(jì)量控制系統(tǒng)控制精度的要求 [1] ，因此在本設(shè)計(jì)中我們采用了該方案。軟件調(diào)節(jié)器既可以采用 PID 調(diào)節(jié)器（特別是在西門子 S7-300 的 STEP 7 編程中，可以通過(guò)調(diào)用現(xiàn)成的 PID 系統(tǒng)功能塊， 非常容易地得以實(shí)現(xiàn)）， 也可以采用用戶自己設(shè)計(jì)的特殊的負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)器。 由于 PID 系統(tǒng)功能塊需要整定的參數(shù)較多，整定過(guò)程較為繁瑣，故我們采用了自己編制的負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)器，并對(duì)物料重量信號(hào)及轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行濾波處理（編制了濾波程序）。

3 安裝調(diào)試及運(yùn)行

將轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)控制站中相應(yīng)的通道之間直接或通過(guò)儀表相互連接的各種信號(hào)線進(jìn)行連接， 并把編制好的控制程序下載到現(xiàn)場(chǎng)控制站的CPU 中， 另外在操作界面上組態(tài)好相應(yīng)的控制按鈕及操作數(shù)據(jù)并與現(xiàn)場(chǎng)控制站進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)連接，安裝工作就完成了。系統(tǒng)安裝完成后的調(diào)試有以下幾方面的工作：

① 頻率變送器及稱重儀表的相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

② 系統(tǒng)上電并使系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)觀察系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)能力，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整或修改相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)或控制程序。

③ 系統(tǒng)的計(jì)量標(biāo)定。

工作 ① 較為簡(jiǎn)單，在進(jìn)行工作 ② 時(shí)主要問(wèn)題是重量給定值 G _g 的確定問(wèn)題。 最早的程序中是直接規(guī)定幾個(gè)固定的重量給定值， 在某個(gè)給定流量 Q _g 范圍指定其中一個(gè)值與之對(duì)應(yīng)，這種方式存在的問(wèn)題是相應(yīng)的程序編起來(lái)較為繁瑣，另外在調(diào)整流量時(shí)如果調(diào)整的范圍較大會(huì)對(duì)重量調(diào)節(jié)造成較大的擾動(dòng)。通過(guò)對(duì)程序的幾次調(diào)整， 最終確定采用重量給定值 G _g 與流量給定值 Q _g 之間簡(jiǎn)單的線性關(guān)系來(lái)解決這一問(wèn)題。 另外，調(diào)節(jié)器采用的是步進(jìn)調(diào)節(jié)（即對(duì)給定值與反饋值之間的偏差采用每次增加或減小一個(gè)固定數(shù)值從而逐漸逼近目標(biāo)值的調(diào)節(jié)方式），而步進(jìn)調(diào)節(jié)的“步進(jìn)幅度”的大小比較關(guān)鍵，過(guò)大容易導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程的振蕩，過(guò)小則會(huì)使得調(diào)節(jié)過(guò)程緩慢而影響調(diào)節(jié)過(guò)程的動(dòng)態(tài)精度。 我們通過(guò)摸索采用了 2 種“步進(jìn)幅度”（如0.02 及 0.04 ）， 在給定值與反饋值相差較大時(shí)使用較大的“步進(jìn)幅度”，這樣可以縮短調(diào)節(jié)過(guò)程所需要的時(shí)間；而給定值與反饋值相差較小時(shí)則采用較小的“步進(jìn)幅度”，這樣可以避免調(diào)節(jié)過(guò)程出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象；而當(dāng)給定值與反饋值之差的絕對(duì)值小于一定范圍則停止調(diào)整，從而增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

對(duì)工作 ③ ，因?yàn)樵撧D(zhuǎn)子定量給料機(jī)在當(dāng)初設(shè)計(jì)安裝時(shí)現(xiàn)場(chǎng)位置不夠，無(wú)法設(shè)置實(shí)物標(biāo)定裝置，所以只能進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定（即掛碼標(biāo)定）。 靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果表明，顯示值與實(shí)際值之間誤差在允許范圍之內(nèi)，并具有較好的重復(fù)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

枚舉法是科學(xué)研究中常用的方法，我們通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)的所有控制方式的列舉，提出轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)調(diào)節(jié)器的最優(yōu)控制模型，并據(jù)此控制模型編制了相應(yīng)的控制程序，構(gòu)建了切實(shí)可行的粉煤灰轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)計(jì)量控制系統(tǒng)。 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀察，實(shí)際運(yùn)行情況完全與我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)所設(shè)想的相符，系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果要優(yōu)于原系統(tǒng)，證明新的系統(tǒng)能夠完全替代原系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)近一年的運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)際配料情況與化驗(yàn)室的檢測(cè)數(shù)據(jù)吻合，完全滿足了生產(chǎn)工藝的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李大慶，張 軍，高 謙 . 沖料及斷料對(duì)轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)的影響的分析［ J ］ . 水泥工程， 2010 （ 6 ）： 16-20.
 

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