PID閉環(huán)調(diào)節(jié)在雙變頻離心機(jī)電氣控制上的應(yīng)用

陸炯，韋黎明

（上海市離心機(jī)械研究所有限公司，上海 200231）

0 引 言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民生活水平的提高，國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)增加，在國(guó)內(nèi)建立了越來(lái)越多的新型污水處理廠，而污水處理廠的關(guān)鍵設(shè)備離心機(jī)由于具有占用場(chǎng)地小，全封閉污染小，節(jié)電、省藥、脫水效果好等優(yōu)勢(shì)，所以在應(yīng)用上相當(dāng)?shù)膹V泛。離心機(jī)根據(jù)差速器使用方式的不同可分為：?jiǎn)坞姍C(jī)機(jī)械差速驅(qū)動(dòng)（通過(guò)更換小軸輸入皮帶輪調(diào)整差速，為固定的差速）、液壓驅(qū)動(dòng)（液壓差速器，無(wú)級(jí)可調(diào)）、和雙電機(jī)變頻差速（主電機(jī)控制轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，副電機(jī)控制螺旋轉(zhuǎn)速）［1］。液壓差速器制造成本較高，但運(yùn)行穩(wěn)定，輸出扭矩大；而機(jī)械差速在實(shí)際的使用中差速調(diào)整比較繁瑣，僅適用于物料濃度穩(wěn)定的分離工況，而雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心機(jī)由于制造成本相對(duì)低廉，差速調(diào)整比較方便（主、副電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)），允許物料濃度在一定范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)整差速，維持副電機(jī)扭矩恒定，有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

離心脫水分離的關(guān)鍵指標(biāo)是脫水污泥的干度和排放清液的回收率，通過(guò)PLC系統(tǒng)的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)功能［2］，使副電機(jī)的恒扭矩調(diào)控和離心機(jī)的差速控制調(diào)控使離心機(jī)始終運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)，使雙電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的離心機(jī)的穩(wěn)定性和分離性能得到明顯提高。

本文就以HMI＋PLC為核心的電氣控制系統(tǒng)在雙電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)離心機(jī)在恒扭矩的自動(dòng)調(diào)控功能和恒差速的自動(dòng)調(diào)控功能的實(shí)際應(yīng)用為內(nèi)容，重點(diǎn)介紹雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心機(jī)的控制性能。

1 工作原理

主電機(jī)控制離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了離心機(jī)的分離因素，分離因素越高離心機(jī)的分離效果越好，在通常情況下離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速是恒定的［3］。由于機(jī)械差速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和推料螺旋的旋向，離心機(jī)設(shè)計(jì)的推料螺旋的速度比轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速高，兩者之差稱為差速，一般離心機(jī)差速的調(diào)整范圍為4-20r／min差速左右，差速大小視物料含固率而定。在離心機(jī)分離因數(shù)一定的情況下，為了保證泥餅干度穩(wěn)定，差速必須隨分離物濃度的變化而改變，分離物濃度越低要求降低差速，差速越低，物料在腔體內(nèi)的沉降時(shí)間就長(zhǎng)，加大了泥餅干度；反之分離物濃度越高要求差速越大，物料在腔體內(nèi)的沉降時(shí)間越短，降低了泥餅干度，最終效果使泥餅干度穩(wěn)定。由于主電機(jī)轉(zhuǎn)速是固定的，所以差速的調(diào)節(jié)完全由副電機(jī)完成。又由于差速器的輸入軸和輸出軸旋向相反，所以要增加差速，副機(jī)必須降低轉(zhuǎn)速，即要求副機(jī)的轉(zhuǎn)速趨向于零。為了解決交流異步電動(dòng)機(jī)能在低速時(shí)輸出扭矩小的問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中，副電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器一般采用具有開環(huán)矢量功能的矢量型變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)，能較好地解決了副電機(jī)在低速時(shí)的力矩偏小的問(wèn)題。離心機(jī)的恒差速調(diào)控和恒扭矩調(diào)控制在HMI上直接設(shè)定，其過(guò)程控制由PLC中邏輯完成，設(shè)備的啟動(dòng)、停止、離心機(jī)主要參數(shù)的監(jiān)控及工藝參數(shù)及控制參數(shù)的設(shè)定根據(jù)設(shè)定的操作權(quán)限不同通過(guò)HMI進(jìn)行設(shè)置和標(biāo)定，HMI設(shè)置界面見(jiàn)圖1。

圖2是雙電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)離心機(jī)系統(tǒng)圖。機(jī)械差速器殼體直接和轉(zhuǎn)鼓連接，使機(jī)械差速器的殼體與離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓保持一致的速度，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速由主電機(jī)決定，離心機(jī)的副電機(jī)與機(jī)械差速器的輸入小軸直接連接，差速器的輸出軸帶動(dòng)推料螺旋旋轉(zhuǎn)，離心機(jī)推料螺旋的差速是根據(jù)轉(zhuǎn)鼓的速度和差速器小軸的速度的差值除以差速器的速比系數(shù)得到的。離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速（差速器殼體）用n1表示，離心機(jī)差速器小軸輸入的速度用n2表示，差速器的速比用i表示，則離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓和推料螺旋的速差的為Δn＝（n1-n2）／i，理論上差速 Δn越小，物料沉降時(shí)間長(zhǎng)，分離效果更好，但差速Δn小，由于制約于離心機(jī)副電機(jī)的輸出力矩，所以需要對(duì)離心機(jī)的副電機(jī)的輸出力矩進(jìn)行調(diào)控，使離心機(jī)的在小差速下的運(yùn)行更加的穩(wěn)定可靠。

圖1 HMI設(shè)置界面

恒差速調(diào)控模式適用于進(jìn)入離心機(jī)分離的物料含固率相對(duì)穩(wěn)定。在該模式下，離心機(jī)的運(yùn)行工況穩(wěn)定（差速穩(wěn)定），分離效果好，分離出的泥餅干度和清液的回收率等指標(biāo)相對(duì)穩(wěn)定。離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和推料螺旋速度的測(cè)量，采用安裝在差速器端和進(jìn)料推料螺旋端的兩個(gè)接近開關(guān)實(shí)測(cè)所得，可以真實(shí)有效的反映實(shí)際的速度，接近開關(guān)的脈沖輸出信號(hào)直接接入到PLC的高速計(jì)速器輸入通道，通過(guò)PLC的計(jì)算得出實(shí)際的轉(zhuǎn)速和差速，差速作為PID的反饋量，同時(shí)差速實(shí)時(shí)地在HMI上顯示。

恒差速的PID調(diào)控功能如下：

在HMI上直接設(shè)定差速值，一般差速設(shè)定范圍為4-20 r／min，根據(jù)設(shè)定值與實(shí)測(cè)值的誤差調(diào)整離心機(jī)副機(jī)變頻器的輸入模擬量，將誤差減少，達(dá)到穩(wěn)定差速的目的。實(shí)際差速（Δn）與設(shè)定值相比：差速（Δn）↓→PID控制量↑→離心機(jī)副電機(jī)變頻器頻率↓→離心機(jī)副電機(jī)轉(zhuǎn)速↓→差速（Δn）↑，使誤差趨于零；反之，差速（Δn）↑→PID控制量↓→離心機(jī)副電機(jī)變頻器頻率↑→離心機(jī)副電機(jī)轉(zhuǎn)速↑→差速（Δn）↓，使誤差趨于零。

圖2 雙電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)離心機(jī)系統(tǒng)圖

恒扭矩調(diào)控模式適用于進(jìn)入離心機(jī)分離的物料含固率濃度波動(dòng)大的情況。在該模式下，離心機(jī)副電機(jī)的輸出力矩恒定，控制系統(tǒng)更加的穩(wěn)定，在濃度波動(dòng)時(shí)，可以自動(dòng)調(diào)整離心機(jī)副機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整差速，在恒扭矩下分離出的泥餅干度恒定。離心機(jī)副電機(jī)的實(shí)際力矩通過(guò)矢量變頻器模擬量通道輸出的轉(zhuǎn)矩估算值接入到PLC的AI，其對(duì)應(yīng)關(guān)系為-200%～＋200%額定電機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)4-20毫安信號(hào)，此信號(hào)作為PID的反饋量，同時(shí)實(shí)時(shí)扭矩值實(shí)時(shí)在HMI上顯示。

恒扭矩的PID調(diào)控功能如下：

在HMI上直接設(shè)定扭矩值，扭矩設(shè)定范圍30%～60%額定電機(jī)轉(zhuǎn)矩，根據(jù)設(shè)定值與實(shí)測(cè)值的誤差調(diào)整離心機(jī)副機(jī)變頻器的輸入模擬量，將扭矩誤差減少，達(dá)到穩(wěn)定輸出電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。實(shí)際扭矩值（T）與設(shè)定值相比：扭矩T↑→PID控制量↓→離心機(jī)副電機(jī)頻率↓→離心機(jī)副電機(jī)轉(zhuǎn)速↓→差速（Δn）↑→扭矩T↓，扭矩誤差趨向于零；扭矩T↓→PID控制量↑→離心機(jī)副電機(jī)頻率↑→離心機(jī)副電機(jī)轉(zhuǎn)速↑→差速（Δn）↓→扭矩T↑，扭矩誤差趨向于零。

以上是定性分析，說(shuō)明了調(diào)整過(guò)程，但實(shí)際系統(tǒng)是否穩(wěn)定（不振蕩），取決于PID對(duì)被控對(duì)象傳遞函數(shù)的校正是否到位，也就是取決于PID控制器系數(shù)和時(shí)間常數(shù)的選?。?］。

2 PID控制的程序結(jié)構(gòu)

在PID程序設(shè)計(jì)時(shí)，使用西門子STEP7軟件中標(biāo)準(zhǔn)的FB41功能塊，F(xiàn)B41，即連續(xù)控制的PID用于控制連續(xù)變化的模擬量，邏輯框圖見(jiàn)圖3［5］?？梢苑奖愕耐瓿沙绦虻墓δ苷{(diào)用，其主要設(shè)置如下：

應(yīng)在啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的組織塊OB100中和在定時(shí)循環(huán)中斷OB（例如OB35）中調(diào)用SFB41。執(zhí)行OB35的時(shí)間間隔（ms，即PID控制的采樣周期Ts）在CPU屬性設(shè)置對(duì)話框的循環(huán)中斷選項(xiàng)卡中設(shè)置。

調(diào)用系統(tǒng)功能塊應(yīng)指定相應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊，例如CALL SFB41，DB30。

系統(tǒng)功能塊的參數(shù)保存在背景數(shù)據(jù)塊中，可以通過(guò)數(shù)據(jù)塊的編號(hào)、偏移地址或符號(hào)地址來(lái)訪問(wèn)背景數(shù)據(jù)塊。

圖3 SFB41CONT-C功能塊邏輯框圖

SFB41是高度開放的功能塊，在編寫控制軟件時(shí)可以充分發(fā)揮編程人員的想象力，把系統(tǒng)設(shè)計(jì)得更好。例如：在不進(jìn)料的情況下，即使工作模式設(shè)置在恒扭矩狀態(tài)，系統(tǒng)也不會(huì)進(jìn)入閉環(huán)調(diào)節(jié)，而是自動(dòng)進(jìn)入開環(huán)模式；只有當(dāng)工作模式設(shè)置在恒扭矩狀態(tài)的同時(shí)并且進(jìn)料，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入閉環(huán)調(diào)整。對(duì)于SFB41來(lái)說(shuō)，可以利用手動(dòng)控制位（MAN＿ON）方便地從開環(huán)和閉環(huán)之間的切換，同時(shí)將副機(jī)開環(huán)頻率信號(hào)由MAN送入，這樣可以充分利用SFB41的輸出上限（LMN＿HLM）和輸出下限（LMN＿LLM）對(duì)控制信號(hào)規(guī)范。當(dāng)然，開環(huán)和閉環(huán)的切換還必須考慮沖擊問(wèn)題，考慮到這點(diǎn)，在軟件上很容易避免。

3 結(jié)束語(yǔ)

離心脫水分離的關(guān)鍵指標(biāo)脫水污泥的干度和排放清液的回收率，通過(guò)PID閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)使恒扭矩控制技術(shù)和恒差速控制技術(shù)的應(yīng)用使離心機(jī)始終運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)，根據(jù)扭矩波動(dòng)自動(dòng)調(diào)控離心機(jī)副機(jī)的速度使離心機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中扭矩不變，保證干泥的干度；根據(jù)差速的波動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)副機(jī)頻率使離心機(jī)保持差速不變，從而更有利于清液回收率的穩(wěn)定，使雙變頻驅(qū)動(dòng)控制的離心機(jī)的分離性能得到提高，使離心機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，并能發(fā)揮離心機(jī)的最大效率，使脫水污泥的干度和分離的清液的回收率能有一個(gè)更好的提高，具有很好的推廣價(jià)值。

［1］陸中華，陸炯.一種上位機(jī)脫機(jī)后丟失歷史數(shù)據(jù)恢復(fù)的方法［J］.電氣自動(dòng)化，2010，32（4Z）：9-11，14.

［2］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］施震榮.工業(yè)離心機(jī)選用手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

［4］馮垛生，曾岳南.無(wú)速度傳感器矢量控制原理與實(shí)踐［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［5］廖常初.S7-300／400PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.