一、引言
鞍钢东鞍山选矿厂筛选车间有渣浆泵2台，1台工作1台备用。原来由75KW交流感应电动机恒速驱动，渣浆泵常在额定功率的50%-70%之间运行，该系统明显存在如下问题：
- 电动机容量比渣浆泵额定出力大，多余容量不能利用，白白浪费。
- 渣浆泵起动电流一般为额定电流的6-8倍，因此，起动转矩严重降低电动机寿命。
- 靠环水阀门的开大、关小调节渣浆流量，但因此造成压流损失，而且调节困难。
在2002年的大修中，对渣浆泵电机控制系统进行了改造。改造后的系统采用变频器驱动电机，用可编程序控制器控制变频器的运转，在渣浆流量调节中应用了先进的2自由度PID控制算法。新系统投入运行后，性能优越、节能效果明显。
二、系统组成
变频器采用罗克韦尔自动化公司的A-B 1336 PLUSⅡ无速度传感器矢量控制变频器，额定功率为125KW，型号为1336F-B2125-AA-EN-L5-HAS2。
工艺要求在渣浆泵机旁设操作箱，主控制室设操作台，而变频器安装在配电室里的变频柜中。主要操作有启 动、停止、复位、工频/变频转换并有信号灯显示工作状态。在操作台、操作箱、变频器柜各设1台MicroLogix 1200系列的1762-L24BWA可编程序控制器，3台控制器通过高级接口转换器AIC+用双绞线连接组成DH485网络实现异地操作。从而简化了配 线，提高了系统的可靠性。
渣浆流量由流量传感器检测，转换成4～20mA信号送至可编程数字调节仪输入，流量设定由上位机给出送调节仪外给定，控制运算利用调节仪提供的功能块组态实现。调节仪面板上可实现手动调节流量及手动/自动转换操作。系统组成如图1所示。
三、流量2自由度PID调节系统
系统改造前靠环水阀门的开大、关小调节渣浆流量，以适应负荷的变化，不仅调节困难，而且会造成压流损 失，浪费电能。改造后系统通过改变电动机转速来调节渣浆流量，扩大了系统的调节范围，提高了系统的线性度，改善了系统的控制性能，而且节能的效果十分明 显。流量闭环调节方框图如图2所示。
流量设定要适应负荷变化，由上位机给定，变化比较频繁，要求流量能快速跟踪设定。系统对设定值跟踪特性及扰动抑制特性均有较高要求。因此，调节器采用参考文献4 给出的2自由度实用型PID控制器，结构如图3所示。PID控制器的传递函数为：
式中： M(S) 为操作量， E(S) 为偏差，Kp，Ti，Td 分别为比例系数、积分时间、微分时间； 1/ 为微分增益，一般取 = 0.1。设定值滤波器用可编程数字调节器提供的功能块组态实现。其中2自由度化系数α，β，γ分别取为α=0.4，β=1.25，γ=0.5。PID参数 Kp，Ti，Td 按常规1自由度PID参数整定法整定。
图3 流量2自由度PID控制器
G（s）：包含变频器、电机、渣浆泵、流量变送器在内的广义传递函数
四、通信网络及系统组态
4.1 DH485网络简介
DH485协议定义了共享一对线路的多个设备间的通信。DH485协议使用了RS-485半双工接口作为它的物理接口。RS-485使用能够在公用数据电路上共存的设备，因此设备间的数据共享简单易行。DH485网络提供：- 32个设备间的互联
- 多主控设备功能
- 令牌传递访问控制权
- 不中断网络的情况下，可以增加或删除节点
- 最大网络长度为1219m，借助2个高级接口转换器AIC+，可扩展到2438m。
DH485协议支持2类设备：发送设备和响应设备。网上的所有设备均有机会激活信息传送。使用令牌算法决定哪个发送设备有权进行传送。
持有令牌的节点可以向网络传送一个信息。每个接收到令牌的节点允许一定数量（由令牌持有因子决定）的传输。节点传送信息完毕后，它将把令牌传向下一个设备。
允许使用的节点地址为0至31。网络中至少有一个发送设备（例如MicroLogix 1200或者是SLC5/02或更高级的处理器）。
MicroLogix 1200可编程序控制器支持DH485网络。
4.2 DH485网络的组态
罗克韦尔自动化公司提供了专门的网络连接软件Rslinx。先将软件装入PC机，打开软件，按给出的 组态项目，如选择通讯接口，选择网络类型等进行设置。再设定3台AIC+的地址，其中变频柜中的AIC+的地址为1、操作台为2、操作箱为3，启动 communication命令，以PC机为工作站的DH485网络即可连通。网络一旦建立，PC机可以撤消。控制器可自动连网。
4.3系统组态与编程
变频器的硬件组态及软件组态，参考文献3已有详细介绍。MicroLogix 1200可编程序控制器的用户程序是用梯形图表示的。其关键是编制3台PLC之间的信息交换程序。因此要充分理解罗克韦尔自动化公司提供的通讯指令MEG 的含义及用法。MEG指令是一条输出指令，可以使控制器与其他设备通讯。与其他设备的关系可以是对等通讯或主从通讯。每个应用程序的通讯类型决定程序组态 的要求。当把MSG指令放入梯形图后，确定是信息读还是写。然后指定目标设备和MSG指令的控制块。
3台Micrologixl200控制器之间的信号传递，靠反复调用MSG控制块实现。
五、运行效果
改造后的渣浆泵流量控制系统于2002年10月投入运行，由于采用了调节渣浆泵转速来控制流量及引入了先进的二自由度PID控制策略，系统的控制范围得到扩大，控制精度得到提高。现将改造前后渣浆泵电动机的运行参数列表如下：
表1. 改造前后渣浆泵电动机的运行参数
| 运行方式 | 电压/V | 电流/A | 转速/（r.min-1） |
|---|---|---|---|
| 工频（改造前） | 380 | 102 | 985 |
| 变频（改造后） | 228 | 51 | 600 |
从表1可以算出，改造后渣浆泵电动机消耗的功率是改造前的30%，采用变频调速节能的效果十分明显。
参考文献
- Rockwell Automation. 1336 PLUS Ⅱ Adjustable Frequency AC Drive With Sensorless Vector User Manual,January,2001
- Rockwell Automation. 1336 PLUS Ⅱ Adjustable Frequency AC Drive With Sensorless Vector Troubleshooting Guide,Fabruary,1997
- 李甲申.A-B变频器在选矿厂渣浆泵控制中的应用[J].冶金电气，2002，7（4）:34
- 李甲申.实用二自由度PID控制[J].自动化仪表，2000，21（11）:10
作者简介
李甲申，1944年生。1966年毕业于东北大学冶金热能专业，1982年毕业于东北大学工业自动化 专业获硕士学位。现任鞍钢集团自动化公司总工程师，教授。长期从事工业自动化控制系统的设计、研究工作。享受国务院特殊津贴的专家、辽宁省科技进步二等奖 第一完成人。已在国内外发表学术论文20余篇。