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1 計量控制系統(tǒng)的組成及控制原理

轉子定量給料機由粉體喂料機和轉子秤兩部分組成，二者都采用變頻調速。 其計量控制系統(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)生的重量信號被轉換為 4～20mA 的信號后送入稱重模塊，安裝在轉子上的光電旋轉編碼器測取的轉速信號被轉換為 4～20mA 的信號后送入模擬量輸入通道?？刂葡到y(tǒng)對轉子定量給料機的驅動通過與開關量通道相連的中間繼電器實現(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現(xiàn)的， 即轉速信號及重量信號分別送入 PLC 的模塊后經(jīng)過運算得到實際流量，該流量再與給定流量進行比較， 通過調節(jié)變頻器的頻率來實現(xiàn)流量的定量控制。 操作人員可以通過 DCS 系統(tǒng)的操作界面實現(xiàn)轉子定量給料機的流量及啟?？刂啤?/span>

2 設計思路及方案

2.1 系統(tǒng)的硬件組態(tài)

用一塊稱重儀表現(xiàn)場顯示轉子秤內物料的重量，并把稱重傳感器產(chǎn)生的 mV 信號轉化為 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子秤轉子的轉速，并將光電旋轉編碼器產(chǎn)生的頻率信號轉換為 4～20mA 信號后送入模擬量輸入通道。 編制在 CPU 中的軟件調節(jié)器，通過相應的運算得出粉體喂料機、轉子秤電動機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 個開關量輸出通道實現(xiàn) , 故障信號則通過開關量輸入通道實現(xiàn)，通道及接線與原系統(tǒng)基本相同。

2.2 軟件調節(jié)器的設計

調節(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，由于轉子定量給料機由粉體喂料機、轉子秤兩部分組成，要實現(xiàn)這一目標，必須確保調節(jié)器對粉體喂料機和轉子秤之間的協(xié)同調節(jié)。 要實現(xiàn)這種協(xié)同調節(jié)的控制方式，可以通過以下幾種方案實現(xiàn)：

1 ）使轉子秤轉子的速度保持恒定值 ω ，以轉子秤內物料的實際重量 G f 作為反饋值與經(jīng)過計算獲得的轉子秤的重量給定值 G _g （ G _g =Q _g /kω ， Q _g是流量給定值， k 是常數(shù)， 可以用于在對轉子定量給料機的實物標定過程中根據(jù)標定結果進行調整，以使顯示值與實際值相符）進行比較，通過一個負反饋調節(jié)器調節(jié)粉體喂料機的轉速從而確保進入轉子秤內物料的重量G _f 的穩(wěn)定， 這樣就能保證從轉子秤送出的物料流量Q _f （Q _f =kωG _f）的穩(wěn)定。

2 ）使轉子秤轉子的轉速保持恒定值 ω ，以轉子秤內物料的實際流量 Q _f 作為反饋值與流量給定值 Q _g進行比較，通過調節(jié)粉體喂料機的轉速從而確保進入轉子秤內物料的實際流量 Q _f 的穩(wěn)定， 這樣就能保證從轉子秤送出的物料流量 Q _f 的穩(wěn)定。

3 ）使粉體喂料機的轉速保持恒定，以通過轉子秤的物料實際流量 Q _f （ Q _f =kω _f Q _f ，其中 ω _f 為轉子秤轉子的轉速）為流量反饋值與流量給定值 Q _g 進行比較，通過調節(jié)轉子的轉速從而確保從轉子秤送出的物料流量 Q _f 的穩(wěn)定。

4 ）一方面以轉子秤內物料的實際重量 G _f 作為反饋值與經(jīng)過計算獲得的轉子秤的重量給定值 G _g （ G _g =mQ g +n ，該等式是一個經(jīng)驗公式，其中 m 、 n 是常數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗在我們設計的系統(tǒng)中取 m=1.6,n=12 ） 進行比較，通過調節(jié)粉體喂料機轉速從而確保進入轉子秤內物料的重量 G _f 的穩(wěn)定； 另一方面以轉子秤內物料的實際流量 Q _f 作為流量反饋值與流量給定值 Q _g 進行比較，通過調節(jié)轉子的轉速從而確保從轉子秤內送出的物料流量 Q _f 的穩(wěn)定。

5 ）一方面以轉子秤內物料的實際流量 Q _f 作為反饋值與流量給定值 Q _g 進行比較， 通過調節(jié)粉體喂料機的轉速從而確保進入轉子秤內物料的重量 Q _f 的穩(wěn)定； 另一方面以轉子秤內物料的實際流量 Q _f 作為反饋值與流量給定值 Q _g 進行比較， 通過調節(jié)轉子的轉速從而確保從轉子秤內送出的物料流量 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)調節(jié)方式，具有很強的調節(jié)能力。 由于方案 4 能基本保證物料在轉子秤內的均勻分布，所以更符合對轉子定量給料機的計量控制系統(tǒng)控制精度的要求 [1] ，因此在本設計中我們采用了該方案。軟件調節(jié)器既可以采用 PID 調節(jié)器（特別是在西門子 S7-300 的 STEP 7 編程中，可以通過調用現(xiàn)成的 PID 系統(tǒng)功能塊， 非常容易地得以實現(xiàn)）， 也可以采用用戶自己設計的特殊的負反饋閉環(huán)調節(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反饋閉環(huán)調節(jié)器，并對物料重量信號及轉速信號進行濾波處理（編制了濾波程序）。

3 安裝調試及運行

將轉子定量給料機與現(xiàn)場控制站中相應的通道之間直接或通過儀表相互連接的各種信號線進行連接， 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)好相應的控制按鈕及操作數(shù)據(jù)并與現(xiàn)場控制站進行相應的數(shù)據(jù)連接，安裝工作就完成了。系統(tǒng)安裝完成后的調試有以下幾方面的工作：

① 頻率變送器及稱重儀表的相關參數(shù)的設置。

② 系統(tǒng)上電并使系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時觀察系統(tǒng)的控制調節(jié)能力，并根據(jù)實際運行情況調整或修改相關的運行參數(shù)或控制程序。

③ 系統(tǒng)的計量標定。

工作 ① 較為簡單，在進行工作 ② 時主要問題是重量給定值 G _g 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 Q _g 范圍指定其中一個值與之對應，這種方式存在的問題是相應的程序編起來較為繁瑣，另外在調整流量時如果調整的范圍較大會對重量調節(jié)造成較大的擾動。通過對程序的幾次調整， 最終確定采用重量給定值 G _g 與流量給定值 Q _g 之間簡單的線性關系來解決這一問題。 另外，調節(jié)器采用的是步進調節(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值的調節(jié)方式），而步進調節(jié)的“步進幅度”的大小比較關鍵，過大容易導致系統(tǒng)調節(jié)過程的振蕩，過小則會使得調節(jié)過程緩慢而影響調節(jié)過程的動態(tài)精度。 我們通過摸索采用了 2 種“步進幅度”（如0.02 及 0.04 ）， 在給定值與反饋值相差較大時使用較大的“步進幅度”，這樣可以縮短調節(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“步進幅度”，這樣可以避免調節(jié)過程出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象；而當給定值與反饋值之差的絕對值小于一定范圍則停止調整，從而增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

對工作 ③ ，因為該轉子定量給料機在當初設計安裝時現(xiàn)場位置不夠，無法設置實物標定裝置，所以只能進行靜態(tài)標定（即掛碼標定）。 靜態(tài)標定結果表明，顯示值與實際值之間誤差在允許范圍之內，并具有較好的重復性。

4 結束語

枚舉法是科學研究中常用的方法，我們通過對轉子定量給料機的所有控制方式的列舉，提出轉子定量給料機調節(jié)器的最優(yōu)控制模型，并據(jù)此控制模型編制了相應的控制程序，構建了切實可行的粉煤灰轉子定量給料機計量控制系統(tǒng)。 經(jīng)過一段時間的觀察，實際運行情況完全與我們設計時所設想的相符，系統(tǒng)的實際運行效果要優(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)過近一年的運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實際配料情況與化驗室的檢測數(shù)據(jù)吻合，完全滿足了生產(chǎn)工藝的要求。

參考文獻：

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

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