一、引言
鞍鋼東鞍山選礦廠篩選車間有渣漿泵2臺，1臺工作1臺備用。原來由75KW交流感應電動機恒速驅動，渣漿泵常在額定功率的50%-70%之間運行，該系統明顯存在如下問題：
- 電動機容量比渣漿泵額定出力大，多余容量不能利用，白白浪費。
- 渣漿泵起動電流一般為額定電流的6-8倍，因此，起動轉矩嚴重降低電動機壽命。
- 靠環水閥門的開大、關小調節渣漿流量，但因此造成壓流損失，而且調節困難。
在2002年的大修中，對渣漿泵電機控制系統進行了改造。改造后的系統采用變頻器驅動電機，用可編程序控制器控制變頻器的運轉，在渣漿流量調節中應用了先進的2自由度PID控制算法。新系統投入運行后，性能優越、節能效果明顯。
二、系統組成
變頻器采用羅克韋爾自動化公司的A-B 1336 PLUSⅡ無速度傳感器矢量控制變頻器，額定功率為125KW，型號為1336F-B2125-AA-EN-L5-HAS2。
工藝要求在渣漿泵機旁設操作箱，主控制室設操作臺，而變頻器安裝在配電室里的變頻柜中。主要操作有啟 動、停止、復位、工頻/變頻轉換并有信號燈顯示工作狀態。在操作臺、操作箱、變頻器柜各設1臺MicroLogix 1200系列的1762-L24BWA可編程序控制器，3臺控制器通過高級接口轉換器AIC+用雙絞線連接組成DH485網絡實現異地操作。從而簡化了配 線，提高了系統的可靠性。
渣漿流量由流量傳感器檢測，轉換成4～20mA信號送至可編程數字調節儀輸入，流量設定由上位機給出送調節儀外給定，控制運算利用調節儀提供的功能塊組態實現。調節儀面板上可實現手動調節流量及手動/自動轉換操作。系統組成如圖1所示。
三、流量2自由度PID調節系統
系統改造前靠環水閥門的開大、關小調節渣漿流量，以適應負荷的變化，不僅調節困難，而且會造成壓流損 失，浪費電能。改造后系統通過改變電動機轉速來調節渣漿流量，擴大了系統的調節范圍，提高了系統的線性度，改善了系統的控制性能，而且節能的效果十分明 顯。流量閉環調節方框圖如圖2所示。
流量設定要適應負荷變化，由上位機給定，變化比較頻繁，要求流量能快速跟蹤設定。系統對設定值跟蹤特性及擾動抑制特性均有較高要求。因此，調節器采用參考文獻4 給出的2自由度實用型PID控制器，結構如圖3所示。PID控制器的傳遞函數為：
式中： M(S) 為操作量， E(S) 為偏差，Kp，Ti，Td 分別為比例系數、積分時間、微分時間； 1/ 為微分增益，一般取 = 0.1。設定值濾波器用可編程數字調節器提供的功能塊組態實現。其中2自由度化系數α，β，γ分別取為α=0.4，β=1.25，γ=0.5。PID參數 Kp，Ti，Td 按常規1自由度PID參數整定法整定。
圖3 流量2自由度PID控制器
G（s）：包含變頻器、電機、渣漿泵、流量變送器在內的廣義傳遞函數
四、通信網絡及系統組態
4.1 DH485網絡簡介
DH485協議定義了共享一對線路的多個設備間的通信。DH485協議使用了RS-485半雙工接口作為它的物理接口。RS-485使用能夠在公用數據電路上共存的設備，因此設備間的數據共享簡單易行。DH485網絡提供：- 32個設備間的互聯
- 多主控設備功能
- 令牌傳遞訪問控制權
- 不中斷網絡的情況下，可以增加或刪除節點
- 最大網絡長度為1219m，借助2個高級接口轉換器AIC+，可擴展到2438m。
DH485協議支持2類設備：發送設備和響應設備。網上的所有設備均有機會激活信息傳送。使用令牌算法決定哪個發送設備有權進行傳送。
持有令牌的節點可以向網絡傳送一個信息。每個接收到令牌的節點允許一定數量（由令牌持有因子決定）的傳輸。節點傳送信息完畢后，它將把令牌傳向下一個設備。
允許使用的節點地址為0至31。網絡中至少有一個發送設備（例如MicroLogix 1200或者是SLC5/02或更高級的處理器）。
MicroLogix 1200可編程序控制器支持DH485網絡。
4.2 DH485網絡的組態
羅克韋爾自動化公司提供了專門的網絡連接軟件Rslinx。先將軟件裝入PC機，打開軟件，按給出的 組態項目，如選擇通訊接口，選擇網絡類型等進行設置。再設定3臺AIC+的地址，其中變頻柜中的AIC+的地址為1、操作臺為2、操作箱為3，啟動 communication命令，以PC機為工作站的DH485網絡即可連通。網絡一旦建立，PC機可以撤消。控制器可自動連網。
4.3系統組態與編程
變頻器的硬件組態及軟件組態，參考文獻3已有詳細介紹。MicroLogix 1200可編程序控制器的用戶程序是用梯形圖表示的。其關鍵是編制3臺PLC之間的信息交換程序。因此要充分理解羅克韋爾自動化公司提供的通訊指令MEG 的含義及用法。MEG指令是一條輸出指令，可以使控制器與其他設備通訊。與其他設備的關系可以是對等通訊或主從通訊。每個應用程序的通訊類型決定程序組態 的要求。當把MSG指令放入梯形圖后，確定是信息讀還是寫。然后指定目標設備和MSG指令的控制塊。
3臺Micrologixl200控制器之間的信號傳遞，靠反復調用MSG控制塊實現。
五、運行效果
改造后的渣漿泵流量控制系統于2002年10月投入運行，由于采用了調節渣漿泵轉速來控制流量及引入了先進的二自由度PID控制策略，系統的控制范圍得到擴大，控制精度得到提高。現將改造前后渣漿泵電動機的運行參數列表如下：
表1. 改造前后渣漿泵電動機的運行參數
| 運行方式 | 電壓/V | 電流/A | 轉速/（r.min-1） |
|---|---|---|---|
| 工頻（改造前） | 380 | 102 | 985 |
| 變頻（改造后） | 228 | 51 | 600 |
從表1可以算出，改造后渣漿泵電動機消耗的功率是改造前的30%，采用變頻調速節能的效果十分明顯。
參考文獻
- Rockwell Automation. 1336 PLUS Ⅱ Adjustable Frequency AC Drive With Sensorless Vector User Manual,January,2001
- Rockwell Automation. 1336 PLUS Ⅱ Adjustable Frequency AC Drive With Sensorless Vector Troubleshooting Guide,Fabruary,1997
- 李甲申.A-B變頻器在選礦廠渣漿泵控制中的應用[J].冶金電氣，2002，7（4）:34
- 李甲申.實用二自由度PID控制[J].自動化儀表，2000，21（11）:10
作者簡介
李甲申，1944年生。1966年畢業于東北大學冶金熱能專業，1982年畢業于東北大學工業自動化 專業獲碩士學位。現任鞍鋼集團自動化公司總工程師，教授。長期從事工業自動化控制系統的設計、研究工作。享受國務院特殊津貼的專家、遼寧省科技進步二等獎 第一完成人。已在國內外發表學術論文20余篇。