1 计量控制系统的组成及控制原理

转子定量给料机由粉体喂料机和转子秤两部分组成，二者都采用变频调速。 其计量控制系统由西门子 S7-300PLC 组态而成。 安装在环形天平上的拉力传感器产生的重量信号被转换为 4～20mA 的信号后送入称重模块，安装在转子上的光电旋转编码器测取的转速信号被转换为 4～20mA 的信号后送入模拟量输入通道。控制系统对转子定量给料机的驱动通过与开关量通道相连的中间继电器实现，对流量的控制则是通过模拟量输出通道对 2 个变频器的频率控制实现的， 即转速信号及重量信号分别送入 PLC 的模块后经过运算得到实际流量，该流量再与给定流量进行比较， 通过调节变频器的频率来实现流量的定量控制。 操作人员可以通过 DCS 系统的操作界面实现转子定量给料机的流量及启停控制。

2 设计思路及方案

2.1 系统的硬件组态

用一块称重仪表现场显示转子秤内物料的重量，并把称重传感器产生的 mV 信号转化为 4～20mA 信号后送入现场控制站的模拟量输入通道；用一块频率显示仪表显示转子秤转子的转速，并将光电旋转编码器产生的频率信号转换为 4～20mA 信号后送入模拟量输入通道。 编制在 CPU 中的软件调节器，通过相应的运算得出粉体喂料机、转子秤电动机的变频器的频率给定信号，并分别通过现场控制站的两个模拟量输出通道送入变频器中。 2 台变频器的启停信号分别通过现场控制站的2 个开关量输出通道实现 , 故障信号则通过开关量输入通道实现，通道及接线与原系统基本相同。

2.2 软件调节器的设计

调节器的作用就是确保通过环形天平的物料流量等于或近似等于给定流量，由于转子定量给料机由粉体喂料机、转子秤两部分组成，要实现这一目标，必须确保调节器对粉体喂料机和转子秤之间的协同调节。 要实现这种协同调节的控制方式，可以通过以下几种方案实现：

1 ）使转子秤转子的速度保持恒定值 ω ，以转子秤内物料的实际重量 G f 作为反馈值与经过计算获得的转子秤的重量给定值 G _g （ G _g =Q _g /kω ， Q _g是流量给定值， k 是常数， 可以用于在对转子定量给料机的实物标定过程中根据标定结果进行调整，以使显示值与实际值相符）进行比较，通过一个负反馈调节器调节粉体喂料机的转速从而确保进入转子秤内物料的重量G _f 的稳定， 这样就能保证从转子秤送出的物料流量Q _f （Q _f =kωG _f）的稳定。

2 ）使转子秤转子的转速保持恒定值 ω ，以转子秤内物料的实际流量 Q _f 作为反馈值与流量给定值 Q _g进行比较，通过调节粉体喂料机的转速从而确保进入转子秤内物料的实际流量 Q _f 的稳定， 这样就能保证从转子秤送出的物料流量 Q _f 的稳定。

3 ）使粉体喂料机的转速保持恒定，以通过转子秤的物料实际流量 Q _f （ Q _f =kω _f Q _f ，其中 ω _f 为转子秤转子的转速）为流量反馈值与流量给定值 Q _g 进行比较，通过调节转子的转速从而确保从转子秤送出的物料流量 Q _f 的稳定。

4 ）一方面以转子秤内物料的实际重量 G _f 作为反馈值与经过计算获得的转子秤的重量给定值 G _g （ G _g =mQ g +n ，该等式是一个经验公式，其中 m 、 n 是常数，根据经验在我们设计的系统中取 m=1.6,n=12 ） 进行比较，通过调节粉体喂料机转速从而确保进入转子秤内物料的重量 G _f 的稳定； 另一方面以转子秤内物料的实际流量 Q _f 作为流量反馈值与流量给定值 Q _g 进行比较，通过调节转子的转速从而确保从转子秤内送出的物料流量 Q _f 的稳定。

5 ）一方面以转子秤内物料的实际流量 Q _f 作为反馈值与流量给定值 Q _g 进行比较， 通过调节粉体喂料机的转速从而确保进入转子秤内物料的重量 Q _f 的稳定； 另一方面以转子秤内物料的实际流量 Q _f 作为反馈值与流量给定值 Q _g 进行比较， 通过调节转子的转速从而确保从转子秤内送出的物料流量 Q _f 的稳定。

上述 5 种方案中，方案 4 及方案 5 是双闭环调节方式，具有很强的调节能力。 由于方案 4 能基本保证物料在转子秤内的均匀分布，所以更符合对转子定量给料机的计量控制系统控制精度的要求 [1] ，因此在本设计中我们采用了该方案。软件调节器既可以采用 PID 调节器（特别是在西门子 S7-300 的 STEP 7 编程中，可以通过调用现成的 PID 系统功能块， 非常容易地得以实现）， 也可以采用用户自己设计的特殊的负反馈闭环调节器。 由于 PID 系统功能块需要整定的参数较多，整定过程较为繁琐，故我们采用了自己编制的负反馈闭环调节器，并对物料重量信号及转速信号进行滤波处理（编制了滤波程序）。

3 安装调试及运行

将转子定量给料机与现场控制站中相应的通道之间直接或通过仪表相互连接的各种信号线进行连接， 并把编制好的控制程序下载到现场控制站的CPU 中， 另外在操作界面上组态好相应的控制按钮及操作数据并与现场控制站进行相应的数据连接，安装工作就完成了。系统安装完成后的调试有以下几方面的工作：

① 频率变送器及称重仪表的相关参数的设置。

② 系统上电并使系统处于工作状态时观察系统的控制调节能力，并根据实际运行情况调整或修改相关的运行参数或控制程序。

③ 系统的计量标定。

工作 ① 较为简单，在进行工作 ② 时主要问题是重量给定值 G _g 的确定问题。 最早的程序中是直接规定几个固定的重量给定值， 在某个给定流量 Q _g 范围指定其中一个值与之对应，这种方式存在的问题是相应的程序编起来较为繁琐，另外在调整流量时如果调整的范围较大会对重量调节造成较大的扰动。通过对程序的几次调整， 最终确定采用重量给定值 G _g 与流量给定值 Q _g 之间简单的线性关系来解决这一问题。 另外，调节器采用的是步进调节（即对给定值与反馈值之间的偏差采用每次增加或减小一个固定数值从而逐渐逼近目标值的调节方式），而步进调节的“步进幅度”的大小比较关键，过大容易导致系统调节过程的振荡，过小则会使得调节过程缓慢而影响调节过程的动态精度。 我们通过摸索采用了 2 种“步进幅度”（如0.02 及 0.04 ）， 在给定值与反馈值相差较大时使用较大的“步进幅度”，这样可以缩短调节过程所需要的时间；而给定值与反馈值相差较小时则采用较小的“步进幅度”，这样可以避免调节过程出现振荡现象；而当给定值与反馈值之差的绝对值小于一定范围则停止调整，从而增加系统的稳定性。

对工作 ③ ，因为该转子定量给料机在当初设计安装时现场位置不够，无法设置实物标定装置，所以只能进行静态标定（即挂码标定）。 静态标定结果表明，显示值与实际值之间误差在允许范围之内，并具有较好的重复性。

4 结束语

枚举法是科学研究中常用的方法，我们通过对转子定量给料机的所有控制方式的列举，提出转子定量给料机调节器的最优控制模型，并据此控制模型编制了相应的控制程序，构建了切实可行的粉煤灰转子定量给料机计量控制系统。 经过一段时间的观察，实际运行情况完全与我们设计时所设想的相符，系统的实际运行效果要优于原系统，证明新的系统能够完全替代原系统。经过近一年的运行，系统运行稳定可靠，实际配料情况与化验室的检测数据吻合，完全满足了生产工艺的要求。

参考文献：

[1] 李大庆，张 军，高 谦 . 冲料及断料对转子定量给料机的影响的分析［ J ］ . 水泥工程， 2010 （ 6 ）： 16-20.
 

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