易控組態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控制，方便在系統的測試、維修期間，或者在自動控制出現問題時，作為后備功能啟用。真空泵組的手動控制和自動控制由手動/自動轉換開關來選擇。為了節省成本，在自動控制模式下，采用一臺變頻器控制兩臺電動機，變頻器根據需要在兩臺電動機之間進行切換。由PLC控制電動機的啟停操作。在負壓罐的輸出管道上，安裝有負壓傳感器，用于獲得實際的負壓壓力。將測得的負壓壓力與給定的目標值進行比較，通過PID計算得到變頻器的輸出頻率。整套裝置組成了一個完整的閉環控制系統，能夠根據實際生產的需要，自動調節電動機的輸出功率，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、以及空氣開關、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過程中實時采集負壓壓力的信號，然后通過屏蔽雙絞線將4～20mA電流信號送到PLC控制系統的8AD模塊中，與PLC中設定的目標值進行比較，差值送入PID計算得到一個控制量，經4DA模塊轉換成0～10V的電壓信號，通過改變變頻器的輸出頻率來改變電動機的轉速，實現負壓壓力的自動調節。

在自動模式下，通過變頻器實現電動機的軟啟動，可以有效的減少啟動電流對電動機的沖擊，延長電動機的使用壽命。兩臺電動機將依據變頻運行的時間（我們定為36小時），輪流作為變頻運行的電動機。在電動機變頻運行期間，如果變頻時間達到規定的時間，為了不影響生產，電動機將繼續變頻運行，直到下一次啟動時自動轉換變頻運行的電動機。 考慮到水環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首先啟動變頻運行的電動機，如果電動機連續運行在50Hz超過一段時間（我們定為3分鐘），負壓壓力仍然達不到目標值，系統將自動工頻啟動另一臺電動機，并延時一段時間以后再進行判斷，避免了電動機頻繁啟停動作；如果變頻頻率低至36Hz后超過一段時間（我們定為1分鐘），系統將會自動停止另一臺電動機，防止外部干擾而讓電動機產生誤動作。電動機的運行頻率可以將變頻器的頻率輸出信號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計

本系統中設計的程序塊主要分為以下幾個部分：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各個控制參數的設置；依據變頻運行的時間，確定變頻運行的電動機和工頻運行的電動機；根據負壓傳感器的反饋信號與設定的目標值比較，進行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，來決定是否啟停工頻運行電動機及變頻運行電動機的運行頻率；電動機的運行信號、故障信號檢測及過電流保護，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，減輕了編寫程序的負擔。下面對程序中幾個比較重要的部分進行詳細的敘述。

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；采樣時間要選擇合適，采樣時間過短PID指令無法執行，經過現場調試，我們選定的采樣時間為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時曲線來不斷的調整，最終定出合適的值。

變頻運行時間計算及切換。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間為36小時，D501存儲18kw真空泵組變頻運行的時間，D502存儲22kw真空泵組變頻運行的時間。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為自動控制模式。M205的常閉觸點接18kw真空泵組變頻啟動信號，M206的常開觸點接22kw真空泵組變頻啟動信號。程序運行的結果，將使M205產生一個以72小時為周期的時鐘振蕩信號，其中首個周期的前半周期為0，也即是首先選定18kw真空泵組的電動機變頻運行。