易控組態(tài)軟件在紙漿模塑成型機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.2 真空泵變頻控制硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)保留了原有的手動(dòng)控制，方便在系統(tǒng)的測(cè)試、維修期間，或者在自動(dòng)控制出現(xiàn)問題時(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(zhuǎn)換開關(guān)來選擇。為了節(jié)省成本，在自動(dòng)控制模式下，采用一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，變頻器根據(jù)需要在兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間進(jìn)行切換。由PLC控制電動(dòng)機(jī)的啟停操作。在負(fù)壓罐的輸出管道上，安裝有負(fù)壓傳感器，用于獲得實(shí)際的負(fù)壓壓力。將測(cè)得的負(fù)壓壓力與給定的目標(biāo)值進(jìn)行比較，通過PID計(jì)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(tǒng)，能夠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要，自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的輸出功率，從而達(dá)到穩(wěn)定負(fù)壓壓力，節(jié)約能源和原材料的目的。

控制系統(tǒng)的硬件配置包括：臺(tái)安N2系列220V/440V 22kw變頻器1臺(tái)、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(fù)壓傳感器、以及空氣開關(guān)、斷路器、防雷器等系統(tǒng)保護(hù)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(tái)電動(dòng)機(jī)之間的切換。

系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示：

負(fù)壓傳感器負(fù)責(zé)在生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)采集負(fù)壓壓力的信號(hào)，然后通過屏蔽雙絞線將4～20mA電流信號(hào)送到PLC控制系統(tǒng)的8AD模塊中，與PLC中設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行比較，差值送入PID計(jì)算得到一個(gè)控制量，經(jīng)4DA模塊轉(zhuǎn)換成0～10V的電壓信號(hào)，通過改變變頻器的輸出頻率來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

在自動(dòng)模式下，通過變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，可以有效的減少啟動(dòng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命。兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)將依據(jù)變頻運(yùn)行的時(shí)間（我們定為36小時(shí)），輪流作為變頻運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)。在電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行期間，如果變頻時(shí)間達(dá)到規(guī)定的時(shí)間，為了不影響生產(chǎn)，電動(dòng)機(jī)將繼續(xù)變頻運(yùn)行，直到下一次啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換變頻運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)。 考慮到水環(huán)式真空泵存在下限運(yùn)行頻率，把變頻器的頻率下限設(shè)為36Hz，頻率上限設(shè)為50Hz。PLC首先啟動(dòng)變頻運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，如果電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行在50Hz超過一段時(shí)間（我們定為3分鐘），負(fù)壓壓力仍然達(dá)不到目標(biāo)值，系統(tǒng)將自動(dòng)工頻啟動(dòng)另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，并延時(shí)一段時(shí)間以后再進(jìn)行判斷，避免了電動(dòng)機(jī)頻繁啟停動(dòng)作；如果變頻頻率低至36Hz后超過一段時(shí)間（我們定為1分鐘），系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)停止另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，防止外部干擾而讓電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生誤動(dòng)作。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率可以將變頻器的頻率輸出信號(hào)通過屏蔽雙絞線送至PLC的8AD模塊中。

2.3 真空泵變頻控制軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)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(kuò)展模塊8AD、4DA的初始化設(shè)置以及特性參數(shù)的設(shè)置，還有PID各個(gè)控制參數(shù)的設(shè)置；依據(jù)變頻運(yùn)行的時(shí)間，確定變頻運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)和工頻運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)；根據(jù)負(fù)壓傳感器的反饋信號(hào)與設(shè)定的目標(biāo)值比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，得到變頻運(yùn)行頻率的控制量；運(yùn)行頻率判斷，根據(jù)判斷結(jié)果，來決定是否啟停工頻運(yùn)行電動(dòng)機(jī)及變頻運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率；電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行信號(hào)、故障信號(hào)檢測(cè)及過電流保護(hù)，變頻器的故障信號(hào)及復(fù)位。艾默生EC20系列PLC編程軟件自帶PID指令向?qū)В淖兞艘酝鵓LC實(shí)現(xiàn)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，減輕了編寫程序的負(fù)擔(dān)。下面對(duì)程序中幾個(gè)比較重要的部分進(jìn)行詳細(xì)的敘述。

PID控制參數(shù)整定。變頻控制系統(tǒng)選擇了4DA模塊的0～2000對(duì)應(yīng)0～10V的模式，所以需要設(shè)定PID控制的輸出上下限有效，并且設(shè)定輸出下限值為0，輸出上限值為2000，與4DA模塊的輸入數(shù)字量對(duì)應(yīng)，消除了控制的盲區(qū)；采樣時(shí)間要選擇合適，采樣時(shí)間過短PID指令無法執(zhí)行，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，我們選定的采樣時(shí)間為100ms；為了使測(cè)量值變化平滑，將輸入濾波常數(shù)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(tǒng)PID參數(shù)的整定根據(jù)負(fù)壓壓力的實(shí)時(shí)曲線來不斷的調(diào)整，最終定出合適的值。

變頻運(yùn)行時(shí)間計(jì)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(shù)據(jù)寄存器，D500存儲(chǔ)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)換時(shí)間為36小時(shí)，D501存儲(chǔ)18kw真空泵組變頻運(yùn)行的時(shí)間，D502存儲(chǔ)22kw真空泵組變頻運(yùn)行的時(shí)間。X2、X4分別為18kw真空泵組變頻運(yùn)行信號(hào)和22kw真空泵組變頻運(yùn)行信號(hào)。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(hào)，M206的常開觸點(diǎn)接22kw真空泵組變頻啟動(dòng)信號(hào)。程序運(yùn)行的結(jié)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(hào)，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(jī)變頻運(yùn)行。