易控組態(tài)軟件在紙漿模塑成型機監控系統中的應用

2.2 真空泵變頻控制硬件設計

系統保留了原有的手動(dòng)控制，方便在系統的測試、維修期間，或者在自動(dòng)控制出現問(wèn)題時(shí)，作為后備功能啟用。真空泵組的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制由手動(dòng)/自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)來(lái)選擇。為了節省成本，在自動(dòng)控制模式下，采用一臺變頻器控制兩臺電動(dòng)機，變頻器根據需要在兩臺電動(dòng)機之間進(jìn)行切換。由PLC控制電動(dòng)機的啟停操作。在負壓罐的輸出管道上，安裝有負壓傳感器，用于獲得實(shí)際的負壓壓力。將測得的負壓壓力與給定的目標值進(jìn)行比較，通過(guò)PID計算得到變頻器的輸出頻率。整套裝置組成了一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統，能夠根據實(shí)際生產(chǎn)的需要，自動(dòng)調節電動(dòng)機的輸出功率，從而達到穩定負壓壓力，節約能源和原材料的目的。

控制系統的硬件配置包括：臺安N2系列220V/440V 22kw變頻器1臺、艾默生EC20系列可編程控制器（PLC）、艾默生EC20系列8AD模塊、艾默生EC20系列4DA模塊、負壓傳感器、以及空氣開(kāi)關(guān)、斷路器、防雷器等系統保護性器件，還包括接觸器、繼電器若干，主要用于PLC的繼電器輸出及變頻器在兩臺電動(dòng)機之間的切換。

系統的原理框圖如圖3所示：

負壓傳感器負責在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集負壓壓力的信號，然后通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)將4～20mA電流信號送到PLC控制系統的8AD模塊中，與PLC中設定的目標值進(jìn)行比較，差值送入PID計算得到一個(gè)控制量，經(jīng)4DA模塊轉換成0～10V的電壓信號，通過(guò)改變變頻器的輸出頻率來(lái)改變電動(dòng)機的轉速，實(shí)現負壓壓力的自動(dòng)調節。

在自動(dòng)模式下，通過(guò)變頻器實(shí)現電動(dòng)機的軟啟動(dòng)，可以有效的減少啟動(dòng)電流對電動(dòng)機的沖擊，延長(cháng)電動(dòng)機的使用壽命。兩臺電動(dòng)機將依據變頻運行的時(shí)間（我們定為36小時(shí)），輪流作為變頻運行的電動(dòng)機。在電動(dòng)機變頻運行期間，如果變頻時(shí)間達到規定的時(shí)間，為了不影響生產(chǎn)，電動(dòng)機將繼續變頻運行，直到下一次啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)轉換變頻運行的電動(dòng)機。 考慮到水環(huán)式真空泵存在下限運行頻率，把變頻器的頻率下限設為36Hz，頻率上限設為50Hz。PLC首先啟動(dòng)變頻運行的電動(dòng)機，如果電動(dòng)機連續運行在50Hz超過(guò)一段時(shí)間（我們定為3分鐘），負壓壓力仍然達不到目標值，系統將自動(dòng)工頻啟動(dòng)另一臺電動(dòng)機，并延時(shí)一段時(shí)間以后再進(jìn)行判斷，避免了電動(dòng)機頻繁啟停動(dòng)作；如果變頻頻率低至36Hz后超過(guò)一段時(shí)間（我們定為1分鐘），系統將會(huì )自動(dòng)停止另一臺電動(dòng)機，防止外部干擾而讓電動(dòng)機產(chǎn)生誤動(dòng)作。電動(dòng)機的運行頻率可以將變頻器的頻率輸出信號通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)送至PLC的8AD模塊中。

2.3 真空泵變頻控制軟件設計

本系統中設計的程序塊主要分為以下幾個(gè)部分：初始化配置，主要有PLC擴展模塊8AD、4DA的初始化設置以及特性參數的設置，還有PID各個(gè)控制參數的設置；依據變頻運行的時(shí)間，確定變頻運行的電動(dòng)機和工頻運行的電動(dòng)機；根據負壓傳感器的反饋信號與設定的目標值比較，進(jìn)行PID運算，得到變頻運行頻率的控制量；運行頻率判斷，根據判斷結果，來(lái)決定是否啟停工頻運行電動(dòng)機及變頻運行電動(dòng)機的運行頻率；電動(dòng)機的運行信號、故障信號檢測及過(guò)電流保護，變頻器的故障信號及復位。艾默生EC20系列PLC編程軟件自帶PID指令向導，改變了以往PLC實(shí)現PID控制算法難度大的困境，能夠非常方便快捷的生成PID配置程序和PID控制程序，減輕了編寫(xiě)程序的負擔。下面對程序中幾個(gè)比較重要的部分進(jìn)行詳細的敘述。

PID控制參數整定。變頻控制系統選擇了4DA模塊的0～2000對應0～10V的模式，所以需要設定PID控制的輸出上下限有效，并且設定輸出下限值為0，輸出上限值為2000，與4DA模塊的輸入數字量對應，消除了控制的盲區；采樣時(shí)間要選擇合適，采樣時(shí)間過(guò)短PID指令無(wú)法執行，經(jīng)過(guò)現場(chǎng)調試，我們選定的采樣時(shí)間為100ms；為了使測量值變化平滑，將輸入濾波常數定為10%；選擇10%的微分增益，可以緩和輸出值得劇烈變化；控制系統PID參數的整定根據負壓壓力的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)來(lái)不斷的調整，最終定出合適的值。

變頻運行時(shí)間計算及切換。程序流程圖及部分梯形圖如圖4所示。D500、D501、D502分別為停電保持的數據寄存器，D500存儲變頻運行轉換時(shí)間為36小時(shí)，D501存儲18kw真空泵組變頻運行的時(shí)間，D502存儲22kw真空泵組變頻運行的時(shí)間。X2、X4分別為18kw真空泵組變頻運行信號和22kw真空泵組變頻運行信號。M30為自動(dòng)控制模式。M205的常閉觸點(diǎn)接18kw真空泵組變頻啟動(dòng)信號，M206的常開(kāi)觸點(diǎn)接22kw真空泵組變頻啟動(dòng)信號。程序運行的結果，將使M205產(chǎn)生一個(gè)以72小時(shí)為周期的時(shí)鐘振蕩信號，其中首個(gè)周期的前半周期為0，也即是首先選定18kw真空泵組的電動(dòng)機變頻運行。