煙草在線專稿　　摘要：以打葉復(fù)烤物料高精度流量加工為目標(biāo)，針對(duì)物料加工過(guò)程的運(yùn)動(dòng)慣性和堆積料等影響流量精度的問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了應(yīng)用PLC、變頻器、旋轉(zhuǎn)式編碼器等組成異步電機(jī)傳動(dòng)的速度和流量雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，提出采用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)變頻無(wú)極變速運(yùn)動(dòng)及其實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確流量控制。

　　關(guān)鍵字：流量控制；PLC；模糊PID算法；雙閉環(huán)控制

　　引言

　　在打葉復(fù)烤工藝過(guò)程中，溫度、水分、流量是三個(gè)重要的工藝參數(shù)。流量控制是保證煙葉質(zhì)量、保證設(shè)備有效運(yùn)行和提高設(shè)備有效作業(yè)率的重要手段^[1]。如果流量不穩(wěn)定，就容易造成加工過(guò)程中煙葉水分不穩(wěn)定、造碎率較高、會(huì)造成設(shè)備堵塞、故障停機(jī)率增加等；　甚至在烤煙時(shí)煙葉的含水率和溫度很難均勻一致。針對(duì)上述問(wèn)題，本文結(jié)合PLC、模糊PID算法技術(shù)及旋轉(zhuǎn)式編碼器反饋技術(shù)以實(shí)現(xiàn)速度和流量檢測(cè)的雙閉環(huán)控制。該方法具有運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)機(jī)械沖擊低，電動(dòng)機(jī)維護(hù)量大大降低等優(yōu)點(diǎn)，還可以對(duì)物料流量的精確計(jì)量，減少皮帶秤帶速的調(diào)整頻次以達(dá)到精確控制的目的。

　　1　打葉復(fù)烤流量控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述

　　目前，打葉復(fù)烤流量的控制系統(tǒng)均采用“上位機(jī)+可編程控制器（PLC）+變頻器+交流電機(jī)”的運(yùn)動(dòng)控制模式，其流量控制系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1　打葉復(fù)烤流量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　其中，主機(jī)采用工控機(jī)作為上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和管理，并通過(guò)以太網(wǎng)與核心控制器PLC進(jìn)行通信，為發(fā)送運(yùn)行流量和運(yùn)行速度等參數(shù)信息提供了保障；S7-400PLC通過(guò)Profinet-DP總線與Danfoss　VLT320系列變頻器通訊，從而帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶秤皮帶運(yùn)動(dòng)；編碼器的輸出信號(hào)送入變頻器集成的流量卡中，通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)流量和速度的反饋，構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　1.1　雙閉環(huán)控制策略

　　傳統(tǒng)的控制模式采用變頻調(diào)速的雙閉環(huán)控制策略，其計(jì)量工作原理如圖2所示。此策略要求對(duì)速度和流量進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，通過(guò)雙閉環(huán)系統(tǒng)可使皮帶秤實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速和平穩(wěn)物料流量。

　　1高穩(wěn)定放大器　　2重量傳感器　3固定托輥

　　4計(jì)量托輥　5交流電機(jī)　6高速旋轉(zhuǎn)編碼器　7秤重裝置（秤臺(tái)）

圖2　計(jì)量工作原理圖

　　圖中，當(dāng)秤架上有物料流過(guò)時(shí)，在秤重裝置上的秤重傳感器就受到正比于煙草負(fù)荷重量的力Pg，經(jīng)放大器信號(hào)放大，輸出電壓信號(hào)P，因此P就代表了煙草負(fù)荷，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成重量P的數(shù)碼Mp，送入PC機(jī)運(yùn)算；同時(shí)裝于輸送機(jī)交流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)送出代表皮帶速度的脈沖電壓信號(hào)，經(jīng)計(jì)數(shù)器變?yōu)樗俣让}沖Mv。

　　Mp和Mv信號(hào)經(jīng)流量運(yùn)算得實(shí)時(shí)流量Q=Kn×Mp×Mv，此流量一路送顯示器顯示，另一路輸送作為自動(dòng)加水、加料、加香控制信號(hào)，還有一路經(jīng)積分運(yùn)算得到累計(jì)產(chǎn)量W=∫Qndt，并送顯示器顯示。其相應(yīng)的控制過(guò)程分析如下：

　　1）操作人員通過(guò)工控機(jī)給出預(yù)設(shè)流量，利用旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行速度檢測(cè)以實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制，同時(shí)將脈沖數(shù)通過(guò)流量計(jì)算來(lái)確定運(yùn)行的實(shí)際流量，并與預(yù)設(shè)流量相比較，形成流量的閉環(huán)控制。系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)PI速度跟蹤控制器對(duì)速度進(jìn)行穩(wěn)定和快速跟蹤預(yù)定速度值，而流量計(jì)算值僅作為判斷減速制動(dòng)時(shí)機(jī)的依據(jù)。

　　2）當(dāng)接近預(yù)設(shè)流量（即達(dá)到預(yù)設(shè)減速制動(dòng)距離）時(shí)，流量反饋起主要作用。即變頻器會(huì)通過(guò)Profinet-DP總線將脈沖信息傳輸至PLC，進(jìn)而通過(guò)流量計(jì)算得到實(shí)際流量，同時(shí)PLC根據(jù)預(yù)設(shè)流量值與實(shí)際流量值的差值和預(yù)設(shè)減速制動(dòng)距離進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)減速制動(dòng)距離范圍內(nèi)時(shí)，立即執(zhí)行PLC中的變速算法來(lái)確定要給出的速度值以實(shí)現(xiàn)速度均勻降低，最終以最低速度平穩(wěn)勻速運(yùn)行，從而達(dá)到精確控制流量的要求。

　　1.2　模糊PID算法的實(shí)現(xiàn)

　　針對(duì)傳統(tǒng)打葉復(fù)烤流量勻速控制方案中存在流量控制精度誤差大、瞬間升降流量耗時(shí)久等缺點(diǎn)，目前通常采用二段式及三段式速度控制模型以提升系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)可靠性^[2-3]，但上述控制模型中的關(guān)鍵參數(shù)（如最大運(yùn)行速度以及加速段、減速段的加速度等）因受各種因素影響而很難確定到最佳狀態(tài)，且運(yùn)算復(fù)雜及PLC編程不易實(shí)現(xiàn)等，因此該方案的實(shí)現(xiàn)在某種程度上具有局限性。針對(duì)上述問(wèn)題，本文在給定判斷皮帶秤皮帶減速制動(dòng)距離的基礎(chǔ)上，提出了圖3所示的流量控制模糊PID算法，該算法便于集成至PLC中，使控制系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，定位精確可靠，且方法簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)。

圖3　模糊PID控制系統(tǒng)框圖

　　模糊控制器的智能性比傳統(tǒng)的PID控制器多了一個(gè)設(shè)定值調(diào)節(jié)器和設(shè)定值選擇器。設(shè)定值調(diào)節(jié)器模擬有經(jīng)驗(yàn)的操作者的控制過(guò)程和功能。它著眼于控制的過(guò)程（在PID控制分范圍內(nèi)）、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及非線性（包括負(fù)載的改變），通過(guò)向PID運(yùn)算器內(nèi)輸入假定目標(biāo)設(shè)定值而使系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)。從而，有效地提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度和流量控制精度，并且更易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制^[4]。

　　2　流量控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　流量控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由上位監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)和下位PLC控制程序設(shè)計(jì)兩部分組成。上位機(jī)用于發(fā)送皮帶秤設(shè)備的操作數(shù)據(jù)運(yùn)行信息及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示物料流量、皮帶速度信息等；下位PLC控制程序用以實(shí)現(xiàn)皮帶秤設(shè)備復(fù)雜的邏輯關(guān)系，使其達(dá)到基本動(dòng)作的目標(biāo)。

　　2.1　上位監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

　　為方便用戶輕松、簡(jiǎn)潔地操作設(shè)備，本系統(tǒng)采用西門(mén)子Flexible2008進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，智能觸摸屏全菜單方式進(jìn)行操作，程序結(jié)構(gòu)實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)配置、設(shè)備控制、設(shè)備監(jiān)控等模塊。為實(shí)現(xiàn)物料流量運(yùn)行參數(shù)信息的實(shí)時(shí)傳輸，故而將OPC客戶端集成于智能觸摸屏中，并采用OPC客戶端/服務(wù)器模式通信，通過(guò)以太網(wǎng)與下位PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中，系統(tǒng)配置查看皮帶秤設(shè)備，并設(shè)置相應(yīng)的限位狀態(tài)、用戶參數(shù)信息及OPC配置文件等，該功能完成與下位PLC正常的OPC通信、設(shè)置不同的登錄訪問(wèn)權(quán)限及皮帶秤設(shè)備基本的管理信息以實(shí)現(xiàn)下位的安全運(yùn)行，為下位PLC執(zhí)行相應(yīng)的信息提供了保障；設(shè)備控制實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備的定速/變速等運(yùn)行參數(shù)信息，是PLC控制設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)條件；設(shè)備監(jiān)控實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示物料流量的運(yùn)行狀況及整體狀態(tài)信息等，其上位軟件相關(guān)主要畫(huà)面如圖4——圖8所示。

圖4　系統(tǒng)參數(shù)顯示畫(huà)面

圖5　系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置畫(huà)面

圖6　系統(tǒng)端點(diǎn)校正畫(huà)面

圖7　系統(tǒng)性能調(diào)整畫(huà)面

圖8　系統(tǒng)故障查詢畫(huà)面

　　2.2　下位PLC控制程序設(shè)計(jì)

　　2.2.1　建立模糊控制規(guī)則表及模糊關(guān)系

　　詳細(xì)分析電子秤實(shí)際運(yùn)行情況，全面總結(jié)歸納有經(jīng)驗(yàn)的操作者的控制過(guò)程和功能，可以得到一套控制規(guī)則，由這些控制規(guī)則可構(gòu)造出控制規(guī)則表（見(jiàn)表1）。

表1　控制規(guī)則表

　　根據(jù)每一條控制規(guī)則表，可以分別求出對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系Rij

　　Rij=Efi*Elj*Uk

　　式中：*表示模糊序列的直積；i表示控制表的第i列；j表示控制表的j行；i，j，k=﹛1，2…，7﹜。

　　整個(gè)系統(tǒng)總控制規(guī)則所對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系為

　　R=UijRij

　　求出R后，就可以進(jìn)行模糊推理，得到相應(yīng)控制量的變化U，齊推理機(jī)制如下：

　　U=（El*Ef）oR

　　式中：El*Ef為推理小前提，R為推理大前提；U為推理結(jié)論；o為模糊矩陣的合成運(yùn)算。

　　2.2.3　模糊PID控制算法融入PLC程序中

　　運(yùn)用西門(mén)子STEP　7　V5.4軟件，采用語(yǔ)句表編程方式，將模糊PID控制算法融入到PLC程序中去。采集誤差信號(hào)和誤差變化量信號(hào)，將其模糊化到語(yǔ)言變量的論域，采用離線計(jì)算的方式將模糊規(guī)則制成模糊查詢表（見(jiàn)表2）。

表2　控制查詢表

　　通過(guò)在線的方式查詢模糊控制量輸出，最后將PID參數(shù)校正值與基準(zhǔn)值相加，獲得PID參數(shù)瞬時(shí)值，最后進(jìn)行PID運(yùn)算，計(jì)算得控制量到控制對(duì)象執(zhí)行器。在PLC中，使用FB功能塊和DB數(shù)據(jù)塊來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。首先離線計(jì)算好模糊關(guān)系查詢表，把比例因子值、誤差的上下限值和模糊關(guān)系查詢表R送到DB數(shù)據(jù)塊中存儲(chǔ)起來(lái)。在DB數(shù)據(jù)塊中，模糊關(guān)系R要按傾序排放，即按順序先輸入第一列，再輸入第二列，第三列，然后在FB功能塊中完成計(jì)算查詢表功能。接著，由模糊化子集和模糊關(guān)系風(fēng)求出模糊決策。在程序里，這部分使用比較指令和循環(huán)嵌套來(lái)完成。最后，用最大隸屬度法，再進(jìn)行PID增量式運(yùn)算得輸出控制量^[5-6]_。

　　3　結(jié)語(yǔ)

　　本文提出的流量控制、變頻調(diào)速的雙閉環(huán)控制策略已在江西贛南煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司、陜西咸陽(yáng)煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司等應(yīng)用中驗(yàn)證了其可行