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、旋轉式編碼器等組成異步電機傳動的速度和流量雙閉環控制系統，提出采用模糊PID算法實現變頻無極變速運動及其實現準確流量控制。

　　關鍵字：流量控制；PLC；模糊PID算法；雙閉環控制

　　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。流量控制是保證煙葉質量、保證設備有效運行和提高設備有效作業率的重要手段^[1]。如果流量不穩定，就容易造成加工過程中煙葉水分不穩定、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算法技術及旋轉式編碼器反饋技術以實現速度和流量檢測的雙閉環控制。該方法具有運行平穩，對機械沖擊低，電動機維護量大大降低等優點，還可以對物料流量的精確計量，減少皮帶秤帶速的調整頻次以達到精確控制的目的。

　　1　打葉復烤流量控制系統簡述

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

圖1　打葉復烤流量控制系統結構圖

　　其中，主機采用工控機作為上位機對系統實現監控和管理，并通過以太網與核心控制器PLC進行通信，為發送運行流量和運行速度等參數信息提供了保障；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，通過脈沖計數實現流量和速度的反饋，構成雙閉環控制系統。

　　1.1　雙閉環控制策略

　　傳統的控制模式采用變頻調速的雙閉環控制策略，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節，通過雙閉環系統可使皮帶秤實現無級調速和平穩物料流量。

　　1高穩定放大器　　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A/D轉換成重量P的數碼Mp，送入PC機運算；同時裝于輸送機交流電動機的旋轉編碼器發送出代表皮帶速度的脈沖電壓信號，經計數器變為速度脈沖Mv。

　　Mp和Mv信號經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，還有一路經積分運算得到累計產量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，利用旋轉編碼器進行速度檢測以實現速度的閉環控制，同時將脈沖數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，形成流量的閉環控制。系統啟動過程中，通過PI速度跟蹤控制器對速度進行穩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。

　　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時，立即執行PLC中的變速算法來確定要給出的速度值以實現速度均勻降低，最終以最低速度平穩勻速運行，從而達到精確控制流量的要求。

　　1.2　模糊PID算法的實現

　　針對傳統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運行的平穩可靠性^[2-3]，但上述控制模型中的關鍵參數（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，且運算復雜及PLC編程不易實現等，因此該方案的實現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，使控制系統運行更加平穩，定位精確可靠，且方法簡單，易于工程實現。

圖3　模糊PID控制系統框圖

　　模糊控制器的智能性比傳統的PID控制器多了一個設定值調節器和設定值選擇器。設定值調節器模擬有經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）、系統的動態特性及非線性（包括負載的改變），通過向PID運算器內輸入假定目標設定值而使系統運行起來。從而，有效地提高了系統的反應速度和流量控制精度，并且更易于實現計算機控制^[4]。

　　2　流量控制系統軟件設計

　　流量控制系統軟件設計主要由上位監控軟件設計和下位PLC控制程序設計兩部分組成。上位機用于發送皮帶秤設備的操作數據運行信息及實時監測、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　上位監控軟件設計

　　為方便用戶輕松、簡潔地操作設備，本系統采用西門子Flexible2008進行程序開發設計，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，包括系統配置、設備控制、設備監控等模塊。為實現物料流量運行參數信息的實時傳輸，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，通過以太網與下位PLC進行數據傳輸。其中，系統配置查看皮帶秤設備，并設置相應的限位狀態、用戶參數信息及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下位的安全運行，為下位PLC執行相應的信息提供了保障；設備控制實現控制設備的定速/變速等運行參數信息，是PLC控制設備運行的基礎條件；設備監控實現實時顯示物料流量的運行狀況及整體狀態信息等，其上位軟件相關主要畫面如圖4——圖8所示。

圖4　系統參數顯示畫面

圖5　系統參數設置畫面

圖6　系統端點校正畫面

圖7　系統性能調整畫面

圖8　系統故障查詢畫面

　　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，全面總結歸納有經驗的操作者的控制過程和功能，可以得到一套控制規則，由這些控制規則可構造出控制規則表（見表1）。

表1　控制規則表

　　根據每一條控制規則表，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﹜。

　　整個系統總控制規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參數校正值與基準值相加，獲得PID參數瞬時值，最后進行PID運算，計算得控制量到控制對象執行器。在PLC中，使用FB功能塊和DB數據塊來實現模糊控制算法。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數據塊中存儲起來。在DB數據塊中，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、變頻調速的雙閉環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