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轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)是粉煤灰配料工藝中一種較普遍應(yīng)用的設(shè)備。2010 年4 月，我公司一臺轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)的控制系統(tǒng)因CPU 模塊及稱重模塊損壞而無法運(yùn)行。要恢復(fù)系統(tǒng)，需要采購CPU 模塊、稱重模塊及重新編制相應(yīng)的控制程序（原程序有密碼保護(hù)），花費(fèi)較多且采購時間較長。為此，我們利用磨機(jī)的S7-300 現(xiàn)場控制站重新編制了控制程序， 用較短的時間恢復(fù)了轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)的運(yùn)行。
1 計量控制系統(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。其計量控制系統(tǒng)由S7-300PLC 組態(tài)而成。安裝在環(huán)形天平上的拉力傳感器產(chǎn)生的重量信號被轉(zhuǎn)換為4～20mA 的信號后送入稱重模塊，安裝在轉(zhuǎn)子上的光電旋轉(zhuǎn)編碼器測取的轉(zhuǎn)速信號被轉(zhuǎn)換為4～20mA 的信號后送入模擬量輸入通道。控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)的驅(qū)動通過與開關(guān)量通道相連的中間繼電器實(shí)現(xiàn)，對流量的控制則是通過模擬量輸出通道對2 個變頻器的頻率控制實(shí)現(xiàn)的， 即轉(zhuǎn)速信號及重量信號分別送入PLC 的模塊后經(jīng)過運(yùn)算得到實(shí)際流量，該流量再與給定流量進(jìn)行比較，通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率來實(shí)現(xiàn)流量的定量控制。操作人員可以通過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?？刂啤?br /> 2 設(shè)計思路及方案
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 信號轉(zhuǎn)化為4～20mA 信號后送入現(xiàn)場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)生的頻率信號轉(zhuǎn)換為4～20mA 信號后送入模擬量輸入通道。編制在CPU 中的軟件調(diào)節(jié)器，通過相應(yīng)的運(yùn)算得出粉體喂料機(jī)、轉(zhuǎn)子秤電動機(jī)的變頻器的頻率給定信號，并分別通過現(xiàn)場控制站的兩個模擬量輸出通道送入變頻器中。2 臺變頻器的啟停信號分別通過現(xiàn)場控制站的2 個開關(guān)量輸出通道實(shí)現(xiàn),故障信號則通過開關(guān)量輸入通道實(shí)現(xiàn)，通道及接線與原系統(tǒng)基本相同。圖1 是計量控制系統(tǒng)的硬件信號流向示意圖（其中喂料機(jī)與轉(zhuǎn)子秤之間沒有直接的信號流）。
2.2 軟件調(diào)節(jié)器的設(shè)計
調(diào)節(jié)器的作用就是確保通過環(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Gf
作為反饋值與經(jīng)過計算獲得的
轉(zhuǎn)子秤的重量給定值Gg （Gg=Qg /kω，Qg是流量給定值，k 是常數(shù)，可以用于在對轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)的實(shí)物標(biāo)定過程中根據(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，通過一個負(fù)反饋調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)粉體喂料機(jī)的轉(zhuǎn)速從而確保進(jìn)入轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的重量Gf的穩(wěn)定， 這樣就能保證從轉(zhuǎn)子秤送出的物料流量Qf（Qf=kωGf）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Qf作為反饋值與流量給定值Qg進(jìn)行比較，通過調(diào)節(jié)粉體喂料機(jī)的轉(zhuǎn)速從而確保進(jìn)入轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的實(shí)際流量Qf的穩(wěn)定， 這樣就能保證從轉(zhuǎn)子秤送出的物料流量Qf的穩(wěn)定。
3）使粉體喂料機(jī)的轉(zhuǎn)速保持恒定，以通過轉(zhuǎn)子秤的物料實(shí)際流量Qf（Qf =kωfQf，其中ωf為轉(zhuǎn)子秤轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速）為流量反饋值與流量給定值Qg進(jìn)行比較，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速從而確保從轉(zhuǎn)子秤送出的物料流量Qf的穩(wěn)定。
4）一方面以轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的實(shí)際重量Gf作為反饋值與經(jīng)過計算獲得的轉(zhuǎn)子秤的重量給定值Gg（Gg=mQg+n，該等式是一個經(jīng)驗(yàn)公式，其中m、n 是常數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在我們設(shè)計的系統(tǒng)中取m=1.6,n=12） 進(jìn)行比較，通過調(diào)節(jié)粉體喂料機(jī)轉(zhuǎn)速從而確保進(jìn)入轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的重量Gf的穩(wěn)定； 另一方面以轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的實(shí)際流量Qf作為流量反饋值與流量給定值Qg進(jìn)行比較，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速從而確保從轉(zhuǎn)子秤內(nèi)送出的物料流量Qf的穩(wěn)定。
5）一方面以轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的實(shí)際流量Qf作為反饋值與流量給定值Qg進(jìn)行比較， 通過調(diào)節(jié)粉體喂料機(jī)的轉(zhuǎn)速從而確保進(jìn)入轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的重量Qf的穩(wěn)定； 另一方面以轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的實(shí)際流量Qf作為反饋值與流量給定值Qg進(jìn)行比較， 通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速從而確保從轉(zhuǎn)子秤內(nèi)送出的物料流量Qf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，所以更符合對轉(zhuǎn)子定量給料機(jī)的計量控制系統(tǒng)控制精度的要求[1]，因此在本設(shè)計中我們采用了該方案。圖2 是該方案的負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。軟件調(diào)節(jié)器既可以采用PID 調(diào)節(jié)器（特別是在S7-300 的STEP 7 編程中，可以通過調(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，并對物料重量信號及轉(zhuǎn)速信號進(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)場控制站中相應(yīng)的通道之間直接或通過儀表相互連接的各種信號線進(jìn)行連接，并把編制好的控制程序下載到現(xiàn)場控制站的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)的計量標(biāo)定。
工作①較為簡單，在進(jìn)行工作②時主要問題是重量給定值Gg的確定問題。最早的程序中是直接規(guī)定幾個固定的重量給定值，在某個給定流量Qg范圍指定其中一個值與之對應(yīng)，這種方式存在的問題是相應(yīng)的程序編起來較為繁瑣，另外在調(diào)整流量時如果調(diào)整的范圍較大會對重量調(diào)節(jié)造成較大的擾動。通過對程序的幾次調(diào)整，最終確定采用重量給定值Gg與流量給定值Qg之間簡單的線性關(guān)系來解決這一問題。
另外，調(diào)節(jié)器采用的是步進(jìn)調(diào)節(jié)（即對給定值與反饋值之間的偏差采用每次增加或減小一個固定數(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，過大容易導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程的振蕩，過小則會使得調(diào)節(jié)過程緩慢而影響調(diào)節(jié)過程的動態(tài)精度。我們通過摸索采用了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使用較大的“步進(jìn)幅度”，這樣可以縮短調(diào)節(jié)過程所需要的時間；而給定值與反饋值相差較小時則采用較小的“步進(jìn)幅度”，這樣可以避免調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象；而當(dāng)給定值與反饋值之差的絕對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。
對工作③，因?yàn)樵撧D(zhuǎn)子定量給料機(jī)在當(dāng)初設(shè)計安裝時現(xiàn)場位置不夠，無法設(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
枚舉法是科學(xué)研究中常用的方法，我們通過對轉(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)計量控制系統(tǒng)。經(jīng)過一段時間的觀察，實(shí)際運(yùn)行情況完全與我們設(shè)計時所設(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)室的檢測數(shù)據(jù)吻合，完全滿足了生產(chǎn)工藝的要求。

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