煙草在線專稿　　摘要：以打葉復烤物料高精度流量加工為目標，針對物料加工過程的運動慣性和堆積料等影響流量精度的問題，該文設計了應用PLC、變頻器、旋轉(zhuǎn)式編碼器等組成異步電機傳動的速度和流量雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，提出采用模糊PID算法實現(xiàn)變頻無極變速運動及其實現(xiàn)準確流量控制。

　　關鍵字：流量控制；PLC；模糊PID算法；雙閉環(huán)控制

　　引言

　　在打葉復烤工藝過程中，溫度、水分、流量是三個重要的工藝參數(shù)。流量控制是保證煙葉質(zhì)量、保證設備有效運行和提高設備有效作業(yè)率的重要手段^[1]。如果流量不穩(wěn)定，就容易造成加工過程中煙葉水分不穩(wěn)定、造碎率較高、會造成設備堵塞、故障停機率增加等；　甚至在烤煙時煙葉的含水率和溫度很難均勻一致。針對上述問題，本文結合PLC、模糊PID算法技術及旋轉(zhuǎn)式編碼器反饋技術以實現(xiàn)速度和流量檢測的雙閉環(huán)控制。該方法具有運行平穩(wěn)，對機械沖擊低，電動機維護量大大降低等優(yōu)點，還可以對物料流量的精確計量，減少皮帶秤帶速的調(diào)整頻次以達到精確控制的目的。

　　1　打葉復烤流量控制系統(tǒng)簡述

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

圖1　打葉復烤流量控制系統(tǒng)結構圖

　　其中，主機采用工控機作為上位機對系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控和管理，并通過以太網(wǎng)與核心控制器PLC進行通信，為發(fā)送運行流量和運行速度等參數(shù)信息提供了保障；S7-400PLC通過Profinet-DP總線與Danfoss　VLT320系列變頻器通訊，從而帶動電機驅(qū)動皮帶秤皮帶運動；編碼器的輸出信號送入變頻器集成的流量卡中，通過脈沖計數(shù)實現(xiàn)流量和速度的反饋，構成雙閉環(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，其計量工作原理如圖2所示。此策略要求對速度和流量進行綜合調(diào)節(jié)，通過雙閉環(huán)系統(tǒng)可使皮帶秤實現(xiàn)無級調(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計量托輥　5交流電機　6高速旋轉(zhuǎn)編碼器　7秤重裝置（秤臺）

圖2　計量工作原理圖

　　圖中，當秤架上有物料流過時，在秤重裝置上的秤重傳感器就受到正比于煙草負荷重量的力Pg，經(jīng)放大器信號放大，輸出電壓信號P，因此P就代表了煙草負荷，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成重量P的數(shù)碼Mp，送入PC機運算；同時裝于輸送機交流電動機的旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)送出代表皮帶速度的脈沖電壓信號，經(jīng)計數(shù)器變?yōu)樗俣让}沖Mv。

　　Mp和Mv信號經(jīng)流量運算得實時流量Q=Kn×Mp×Mv，此流量一路送顯示器顯示，另一路輸送作為自動加水、加料、加香控制信號，還有一路經(jīng)積分運算得到累計產(chǎn)量W=∫Qndt，并送顯示器顯示。其相應的控制過程分析如下：

　　1）操作人員通過工控機給出預設流量，利用旋轉(zhuǎn)編碼器進行速度檢測以實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制，同時將脈沖數(shù)通過流量計算來確定運行的實際流量，并與預設流量相比較，形成流量的閉環(huán)控制。系統(tǒng)啟動過程中，通過PI速度跟蹤控制器對速度進行穩(wěn)定和快速跟蹤預定速度值，而流量計算值僅作為判斷減速制動時機的依據(jù)。

　　2）當接近預設流量（即達到預設減速制動距離）時，流量反饋起主要作用。即變頻器會通過Profinet-DP總線將脈沖信息傳輸至PLC，進而通過流量計算得到實際流量，同時PLC根據(jù)預設流量值與實際流量值的差值和預設減速制動距離進行比較，當達到預設減速制動距離范圍內(nèi)時，立即執(zhí)行PLC中的變速算法來確定要給出的速度值以實現(xiàn)速度均勻降低，最終以最低速度平穩(wěn)勻速運行，從而達到精確控制流量的要求。

　　1.2　模糊PID算法的實現(xiàn)

　　針對傳統(tǒng)打葉復烤流量勻速控制方案中存在流量控制精度誤差大、瞬間升降流量耗時久等缺點，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)運行的平穩(wěn)可靠性^[2-3]，但上述控制模型中的關鍵參數(shù)（如最大運行速度以及加速段、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)，且運算復雜及PLC編程不易實現(xiàn)等，因此該方案的實現(xiàn)在某種程度上具有局限性。針對上述問題，本文在給定判斷皮帶秤皮帶減速制動距離的基礎上，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)運行更加平穩(wěn)，定位精確可靠，且方法簡單，易于工程實現(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控制器多了一個設定值調(diào)節(jié)器和設定值選擇器。設定值調(diào)節(jié)器模擬有經(jīng)驗的操作者的控制過程和功能。它著眼于控制的過程（在PID控制分范圍內(nèi)）、系統(tǒng)的動態(tài)特性及非線性（包括負載的改變），通過向PID運算器內(nèi)輸入假定目標設定值而使系統(tǒng)運行起來。從而，有效地提高了系統(tǒng)的反應速度和流量控制精度，并且更易于實現(xiàn)計算機控制^[4]。

　　2　流量控制系統(tǒng)軟件設計

　　流量控制系統(tǒng)軟件設計主要由上位監(jiān)控軟件設計和下位PLC控制程序設計兩部分組成。上位機用于發(fā)送皮帶秤設備的操作數(shù)據(jù)運行信息及實時監(jiān)測、顯示物料流量、皮帶速度信息等；下位PLC控制程序用以實現(xiàn)皮帶秤設備復雜的邏輯關系，使其達到基本動作的目標。

　　2.1　上位監(jiān)控軟件設計

　　為方便用戶輕松、簡潔地操作設備，本系統(tǒng)采用西門子Flexible2008進行程序開發(fā)設計，智能觸摸屏全菜單方式進行操作，程序結構實行模塊化設計，包括系統(tǒng)配置、設備控制、設備監(jiān)控等模塊。為實現(xiàn)物料流量運行參數(shù)信息的實時傳輸，故而將OPC客戶端集成于智能觸摸屏中，并采用OPC客戶端/服務器模式通信，通過以太網(wǎng)與下位PLC進行數(shù)據(jù)傳輸。其中，系統(tǒng)配置查看皮帶秤設備，并設置相應的限位狀態(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、設置不同的登錄訪問權限及皮帶秤設備基本的管理信息以實現(xiàn)下位的安全運行，為下位PLC執(zhí)行相應的信息提供了保障；設備控制實現(xiàn)控制設備的定速/變速等運行參數(shù)信息，是PLC控制設備運行的基礎條件；設備監(jiān)控實現(xiàn)實時顯示物料流量的運行狀況及整體狀態(tài)信息等，其上位軟件相關主要畫面如圖4——圖8所示。

圖4　系統(tǒng)參數(shù)顯示畫面

圖5　系統(tǒng)參數(shù)設置畫面

圖6　系統(tǒng)端點校正畫面

圖7　系統(tǒng)性能調(diào)整畫面

圖8　系統(tǒng)故障查詢畫面

　　2.2　下位PLC控制程序設計

　　2.2.1　建立模糊控制規(guī)則表及模糊關系

　　詳細分析電子秤實際運行情況，全面總結歸納有經(jīng)驗的操作者的控制過程和功能，可以得到一套控制規(guī)則，由這些控制規(guī)則可構造出控制規(guī)則表（見表1）。

表1　控制規(guī)則表

　　根據(jù)每一條控制規(guī)則表，可以分別求出對應的模糊關系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﹜。

　　整個系統(tǒng)總控制規(guī)則所對應的模糊關系為

　　R=UijRij

　　求出R后，就可以進行模糊推理，得到相應控制量的變化U，齊推理機制如下：

　　U=（El*Ef）oR

　　式中：El*Ef為推理小前提，R為推理大前提；U為推理結論；o為模糊矩陣的合成運算。

　　2.2.3　模糊PID控制算法融入PLC程序中

　　運用西門子STEP　7　V5.4軟件，采用語句表編程方式，將模糊PID控制算法融入到PLC程序中去。采集誤差信號和誤差變化量信號，將其模糊化到語言變量的論域，采用離線計算的方式將模糊規(guī)則制成模糊查詢表（見表2）。

表2　控制查詢表

　　通過在線的方式查詢模糊控制量輸出，最后將PID參數(shù)校正值與基準值相加，獲得PID參數(shù)瞬時值，最后進行PID運算，計算得控制量到控制對象執(zhí)行器。在PLC中，使用FB功能塊和DB數(shù)據(jù)塊來實現(xiàn)模糊控制算法。首先離線計算好模糊關系查詢表，把比例因子值、誤差的上下限值和模糊關系查詢表R送到DB數(shù)據(jù)塊中存儲起來。在DB數(shù)據(jù)塊中，模糊關系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功能塊中完成計算查詢表功能。接著，由模糊化子集和模糊關系風求出模糊決策。在程序里，這部分使用比較指令和循環(huán)嵌套來完成。最后，用最大隸屬度法，再進行PID增量式運算得輸出控制量^[5-6]_。

　　3　結語

　　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烤有限責任公司、陜西咸陽煙葉復烤有限責任公司等應用中驗證了其可行