一、引言
鞍鋼東鞍山選礦廠篩選車間有渣漿泵2臺(tái)，1臺(tái)工作1臺(tái)備用。原來由75KW交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)恒速驅(qū)動(dòng)，渣漿泵常在額定功率的50%-70%之間運(yùn)行，該系統(tǒng)明顯存在如下問題：
- 電動(dòng)機(jī)容量比渣漿泵額定出力大，多余容量不能利用，白白浪費(fèi)。
- 渣漿泵起動(dòng)電流一般為額定電流的6-8倍，因此，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重降低電動(dòng)機(jī)壽命。
- 靠環(huán)水閥門的開大、關(guān)小調(diào)節(jié)渣漿流量，但因此造成壓流損失，而且調(diào)節(jié)困難。
在2002年的大修中，對(duì)渣漿泵電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造。改造后的系統(tǒng)采用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，用可編程序控制器控制變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)，在渣漿流量調(diào)節(jié)中應(yīng)用了先進(jìn)的2自由度PID控制算法。新系統(tǒng)投入運(yùn)行后，性能優(yōu)越、節(jié)能效果明顯。
二、系統(tǒng)組成
變頻器采用羅克韋爾自動(dòng)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(hào)為1336F-B2125-AA-EN-L5-HAS2。
工藝要求在渣漿泵機(jī)旁設(shè)操作箱，主控制室設(shè)操作臺(tái)，而變頻器安裝在配電室里的變頻柜中。主要操作有啟 動(dòng)、停止、復(fù)位、工頻/變頻轉(zhuǎn)換并有信號(hào)燈顯示工作狀態(tài)。在操作臺(tái)、操作箱、變頻器柜各設(shè)1臺(tái)MicroLogix 1200系列的1762-L24BWA可編程序控制器，3臺(tái)控制器通過高級(jí)接口轉(zhuǎn)換器AIC+用雙絞線連接組成DH485網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)異地操作。從而簡(jiǎn)化了配 線，提高了系統(tǒng)的可靠性。
渣漿流量由流量傳感器檢測(cè)，轉(zhuǎn)換成4～20mA信號(hào)送至可編程數(shù)字調(diào)節(jié)儀輸入，流量設(shè)定由上位機(jī)給出送調(diào)節(jié)儀外給定，控制運(yùn)算利用調(diào)節(jié)儀提供的功能塊組態(tài)實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)儀面板上可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)流量及手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換操作。系統(tǒng)組成如圖1所示。
三、流量2自由度PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)
系統(tǒng)改造前靠環(huán)水閥門的開大、關(guān)小調(diào)節(jié)渣漿流量，以適應(yīng)負(fù)荷的變化，不僅調(diào)節(jié)困難，而且會(huì)造成壓流損 失，浪費(fèi)電能。改造后系統(tǒng)通過改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)渣漿流量，擴(kuò)大了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍，提高了系統(tǒng)的線性度，改善了系統(tǒng)的控制性能，而且節(jié)能的效果十分明 顯。流量閉環(huán)調(diào)節(jié)方框圖如圖2所示。
流量設(shè)定要適應(yīng)負(fù)荷變化，由上位機(jī)給定，變化比較頻繁，要求流量能快速跟蹤設(shè)定。系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值跟蹤特性及擾動(dòng)抑制特性均有較高要求。因此，調(diào)節(jié)器采用參考文獻(xiàn)4 給出的2自由度實(shí)用型PID控制器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。PID控制器的傳遞函數(shù)為：
式中： M(S) 為操作量， E(S) 為偏差，Kp，Ti，Td 分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間； 1/ 為微分增益，一般取 = 0.1。設(shè)定值濾波器用可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器提供的功能塊組態(tài)實(shí)現(xiàn)。其中2自由度化系數(shù)α，β，γ分別取為α=0.4，β=1.25，γ=0.5。PID參數(shù) Kp，Ti，Td 按常規(guī)1自由度PID參數(shù)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(jī)、渣漿泵、流量變送器在內(nèi)的廣義傳遞函數(shù)
四、通信網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)組態(tài)
4.1 DH485網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介
DH485協(xié)議定義了共享一對(duì)線路的多個(gè)設(shè)備間的通信。DH485協(xié)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(shù)據(jù)電路上共存的設(shè)備，因此設(shè)備間的數(shù)據(jù)共享簡(jiǎn)單易行。DH485網(wǎng)絡(luò)提供：- 32個(gè)設(shè)備間的互聯(lián)
- 多主控設(shè)備功能
- 令牌傳遞訪問控制權(quán)
- 不中斷網(wǎng)絡(luò)的情況下，可以增加或刪除節(jié)點(diǎn)
- 最大網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度為1219m，借助2個(gè)高級(jí)接口轉(zhuǎn)換器AIC+，可擴(kuò)展到2438m。
DH485協(xié)議支持2類設(shè)備：發(fā)送設(shè)備和響應(yīng)設(shè)備。網(wǎng)上的所有設(shè)備均有機(jī)會(huì)激活信息傳送。使用令牌算法決定哪個(gè)發(fā)送設(shè)備有權(quán)進(jìn)行傳送。
持有令牌的節(jié)點(diǎn)可以向網(wǎng)絡(luò)傳送一個(gè)信息。每個(gè)接收到令牌的節(jié)點(diǎn)允許一定數(shù)量（由令牌持有因子決定）的傳輸。節(jié)點(diǎn)傳送信息完畢后，它將把令牌傳向下一個(gè)設(shè)備。
允許使用的節(jié)點(diǎn)地址為0至31。網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)發(fā)送設(shè)備（例如MicroLogix 1200或者是SLC5/02或更高級(jí)的處理器）。
MicroLogix 1200可編程序控制器支持DH485網(wǎng)絡(luò)。
4.2 DH485網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)
羅克韋爾自動(dòng)化公司提供了專門的網(wǎng)絡(luò)連接軟件Rslinx。先將軟件裝入PC機(jī)，打開軟件，按給出的 組態(tài)項(xiàng)目，如選擇通訊接口，選擇網(wǎng)絡(luò)類型等進(jìn)行設(shè)置。再設(shè)定3臺(tái)AIC+的地址，其中變頻柜中的AIC+的地址為1、操作臺(tái)為2、操作箱為3，啟動(dòng) communication命令，以PC機(jī)為工作站的DH485網(wǎng)絡(luò)即可連通。網(wǎng)絡(luò)一旦建立，PC機(jī)可以撤消。控制器可自動(dòng)連網(wǎng)。
4.3系統(tǒng)組態(tài)與編程
變頻器的硬件組態(tài)及軟件組態(tài)，參考文獻(xiàn)3已有詳細(xì)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(guān)鍵是編制3臺(tái)PLC之間的信息交換程序。因此要充分理解羅克韋爾自動(dòng)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(shè)備通訊。與其他設(shè)備的關(guān)系可以是對(duì)等通訊或主從通訊。每個(gè)應(yīng)用程序的通訊類型決定程序組態(tài) 的要求。當(dāng)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(biāo)設(shè)備和MSG指令的控制塊。
3臺(tái)Micrologixl200控制器之間的信號(hào)傳遞，靠反復(fù)調(diào)用MSG控制塊實(shí)現(xiàn)。
五、運(yùn)行效果
改造后的渣漿泵流量控制系統(tǒng)于2002年10月投入運(yùn)行，由于采用了調(diào)節(jié)渣漿泵轉(zhuǎn)速來控制流量及引入了先進(jìn)的二自由度PID控制策略，系統(tǒng)的控制范圍得到擴(kuò)大，控制精度得到提高�，F(xiàn)將改造前后渣漿泵電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)列表如下：
表1. 改造前后渣漿泵電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)
| 運(yùn)行方式 | 電壓/V | 電流/A | 轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)消耗的功率是改造前的30%，采用變頻調(diào)速節(jié)能的效果十分明顯。
參考文獻(xiàn)
- 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(yīng)用[J].冶金電氣，2002，7（4）:34
- 李甲申.實(shí)用二自由度PID控制[J].自動(dòng)化儀表，2000，21（11）:10
作者簡(jiǎn)介
李甲申，1944年生。1966年畢業(yè)于東北大學(xué)冶金熱能專業(yè)，1982年畢業(yè)于東北大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化 專業(yè)獲碩士學(xué)位�，F(xiàn)任鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化公司總工程師，教授。長(zhǎng)期從事工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研究工作。享受國(guó)務(wù)院特殊津貼的專家、遼寧省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng) 第一完成人。已在國(guó)內(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇。