關(guān)鍵詞：卷揚(yáng)；全數(shù)字化系統(tǒng)；優(yōu)化

1 前言

卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)，是上料系統(tǒng)的核心，在工業(yè)生產(chǎn)中有很重要的地位。其性能和可靠性能直接影響到生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)的性能，主要是指運(yùn)行過程中的加減速時(shí)間，加減速時(shí)間越短，即加減速的速率越快，則系統(tǒng)性能越好。但是要以可靠性為前提，卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性，主要在于加減速時(shí)速度和力矩的變化平穩(wěn)。否則會(huì)對(duì)提升用的鋼絲繩產(chǎn)生很大損壞，降低使用壽命甚至可能拉斷鋼絲繩發(fā)生嚴(yán)重事故。我們?cè)谠O(shè)計(jì)卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)的時(shí)候一定要在保證可靠性的前提下，再考慮如何提高系統(tǒng)的性能。

2 卷揚(yáng)系統(tǒng)的運(yùn)行過程

這里以煉鐵廠的卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)為，它的任務(wù)是不斷分別地把鐵礦石和焦炭從料坑區(qū)運(yùn)送上高爐卸料。因?yàn)榱宪囀俏荒苄缘呢?fù)載，停車時(shí)料車會(huì)加速下降同時(shí)拖動(dòng)著電機(jī)反轉(zhuǎn)，所以必須使用抱閘。首先建立起開閘力矩，打開抱閘，料車以較小的加速度，運(yùn)行t1時(shí)間；然后第二次加速以較高的加速度加速至額定的最大速度然后以該速度勻速運(yùn)行；直至t2，進(jìn)入一次減速區(qū)，料車減速運(yùn)行；到t3時(shí)，進(jìn)入二次減速區(qū)，料車速度繼續(xù)減小，以較低的速度運(yùn)行；到t4，抱閘打開，料車速度降至零速。煉鐵廠的卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行曲線如圖1所示。

圖1 卷揚(yáng)系統(tǒng)運(yùn)行曲線圖

圖中n為卷揚(yáng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，t為運(yùn)行時(shí)間。

3 卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)的分析與優(yōu)化

目前實(shí)際中常有到的卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)有兩類，一類是直接的轉(zhuǎn)速力矩雙閉環(huán)控制；另一類是帶力矩—速度切換的轉(zhuǎn)速力矩雙閉環(huán)系統(tǒng)，在這里稱之為常規(guī)切換系統(tǒng)。下面對(duì)這兩種系統(tǒng)進(jìn)行分析。

3.1 轉(zhuǎn)速力矩雙閉環(huán)控制的卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)

在轉(zhuǎn)速力矩雙閉環(huán)系統(tǒng)中，速度給定在經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器即速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器作用后，輸出作為力矩（電流）調(diào)節(jié)器的給定。而速度給定經(jīng)過斜坡函數(shù)發(fā)生器作用是從零值開始增加的。因此，力矩（電流）調(diào)節(jié)器給定也是從零值開始。這就造成了在開始的一段時(shí)間內(nèi)，輸出力矩的值小于負(fù)載力矩的值，這就造成料車有一個(gè)下降到上升的過程。轉(zhuǎn)速力矩雙閉環(huán)控制的卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行曲線如圖2所示。

圖2轉(zhuǎn)矩力矩雙閉環(huán)控制的卷揚(yáng)系統(tǒng)的運(yùn)行曲線

其中，T為轉(zhuǎn)矩，n為卷揚(yáng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，n(T)表示將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速表示在同一坐標(biāo)系下。TL是負(fù)載力矩，曲線1是輸出力矩曲線，曲線2是實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線。由圖容易看出，系統(tǒng)的輸出力矩小于負(fù)載力矩時(shí)，實(shí)際速度下降，當(dāng)系統(tǒng)輸出力矩值等于料車的實(shí)際負(fù)載力矩值時(shí)，下降的速度達(dá)到最大，之后料車開始反向加速，速度由負(fù)到正。這樣所需速度由零速提升到額定最大速度的加速時(shí)間較長(zhǎng)，降低了系統(tǒng)的性能；并且速度調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)了震蕩過程，降低了系統(tǒng)的可靠性。

3.2 常規(guī)切換控制的卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)

常規(guī)切換控制的卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)，在抱閘打開之前先要在力矩模式下運(yùn)行建立起開閘力矩，開閘力矩要比負(fù)載力矩要稍大。在開閘力矩建立起之后，松閘并切換到轉(zhuǎn)速力矩（電流）雙閉環(huán)控制模式。當(dāng)直接切換到雙閉環(huán)模式的時(shí)候，由于經(jīng)過斜坡發(fā)生器處理的轉(zhuǎn)速環(huán)的給定依然是從零開始的，那么速度調(diào)節(jié)器的輸出也是從零開始的。雙閉環(huán)中速度調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的輸入，即電流調(diào)節(jié)器的輸出也是從零開始的。力矩必然經(jīng)過一個(gè)先減小再上升的過程，同時(shí)也造成了速度的波動(dòng)。常規(guī)切換控制的卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行曲線圖如圖3所示。

圖3 常規(guī)切換控制的卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行曲線

其中，T為轉(zhuǎn)矩，n為卷揚(yáng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，n(T)表示將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速表示在同一坐標(biāo)系下。TL是負(fù)載力矩，T0是開閘力矩，t1為開閘時(shí)刻，t2時(shí)T0=TL，曲線1是輸出力矩曲線，曲線2是實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線。由圖可知，在t1時(shí)刻開閘時(shí)，轉(zhuǎn)矩從T0快速下降之后再上升。在輸出力矩從T0降至TL時(shí)，料車是提升的，速度逐漸上升；當(dāng)輸出力矩降至TL以下時(shí)，速度開始正向減速，甚至出現(xiàn)反向，當(dāng)輸出力矩再次增大到TL時(shí)，料車的速度達(dá)到極小值，之后開始速度開始逐漸提升。很明顯在過渡過程中，速度要經(jīng)歷正向加速、正向減速、可能出現(xiàn)的反向加速和反向減速、以及再次正向加速過程，過渡時(shí)間較長(zhǎng)，降低了系統(tǒng)的性能；而且速度調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)一次甚至兩次的震蕩過程，影響了系統(tǒng)的可靠性。

3.3 卷揚(yáng)調(diào)速優(yōu)化系統(tǒng)—動(dòng)態(tài)力矩跟隨切換系統(tǒng)

由以上兩種系統(tǒng)的分析中我們可以知道，要想保證系統(tǒng)的可靠性，力矩和速度的過渡過程應(yīng)該平穩(wěn)，不能出現(xiàn)震蕩。使用動(dòng)態(tài)力矩跟隨切換系統(tǒng)，能很好的解決過渡過程的震蕩，確實(shí)優(yōu)化了卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)。

動(dòng)態(tài)力矩跟隨系統(tǒng)，在松閘前和常規(guī)切換系統(tǒng)相同也是在力矩模式下運(yùn)行建立開閘力矩T0。不同的是，建立起張力后開閘在開閘力矩作用下以較小的加速度先加速提升，當(dāng)料車提升實(shí)際速度達(dá)到額定速度的2%時(shí)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)力矩跟隨切換，切換到雙閉環(huán)控制模式。切換時(shí)，就是要讓力矩調(diào)節(jié)器的輸出以T0為初值，從而達(dá)到平滑無震蕩的目的。動(dòng)態(tài)力矩跟隨切換控制的卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行曲線如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)力矩跟隨切換控制的卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行曲線

其中，T為轉(zhuǎn)矩，n為卷揚(yáng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，n(T)表示將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速表示在同一坐標(biāo)系下。TL是負(fù)載力矩，T0是開閘力矩，t1為開閘時(shí)刻，t2為動(dòng)態(tài)力矩跟隨切換時(shí)刻，曲線1是輸出力矩曲線，曲線2是實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線。由運(yùn)動(dòng)曲線可以看出，在開閘時(shí)，切換平穩(wěn)，力矩和轉(zhuǎn)速都平滑上升。性能和可靠性都得到了改善。

4 卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化的軟硬件設(shè)計(jì)

本文采用了西門子300系列PLC和西門子全數(shù)字調(diào)速裝置來實(shí)現(xiàn)卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化。由PLC來控制開閘合閘，控制全數(shù)字調(diào)速裝置的啟停，給定全數(shù)字調(diào)速裝置的主給定，發(fā)送動(dòng)態(tài)力矩跟隨切換指令。

啟動(dòng)命令來時(shí)，全數(shù)字調(diào)速裝置工作在力矩模式下，主給定作為力矩給定，給定值為T0，開閘后，轉(zhuǎn)速開始在T0的作用下以較小加速度上升。達(dá)到預(yù)設(shè)值2%額定速度后，PLC發(fā)送切換指令。全數(shù)字調(diào)速裝置在切換指令下，切入速度環(huán)；完成給速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器賦初值即給力矩環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入值賦初值，該初值應(yīng)該等于T0，這樣就能實(shí)現(xiàn)切換時(shí)初始力矩為T0；完成在速度環(huán)反饋比較環(huán)節(jié)上加入一個(gè)+3%額定速度的偏差，因?yàn)檫@個(gè)值是大于實(shí)際運(yùn)行的轉(zhuǎn)速2%額定速度的，所以能保證速度環(huán)的輸出是平滑上升，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)力矩跟隨切換。

5 結(jié)束語

動(dòng)態(tài)力矩跟隨切換控制的卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)，是一種智能系統(tǒng)，很好的實(shí)現(xiàn)了普通的控制系統(tǒng)所不能實(shí)現(xiàn)的功能。不論是在性能上還是在可靠性上對(duì)卷揚(yáng)調(diào)速系統(tǒng)具有很大的提升。投入實(shí)踐使用中能很好的提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，減少安全事故。

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作者簡(jiǎn)介：（柴琳，男，1979年出生，研究方向?yàn)樾滦碗姎鈧鲃?dòng)和智能控制）