PID控制在乳化炸藥井下裝藥車上的應用

沈言夫

（湖南金能科技股份有限公司，湖南 長沙 410006）

乳化炸藥井下裝藥車作為地下礦山開采現場混制裝填乳化炸藥的生產設備，其有成本低廉、結構緊湊、自動化程度高、能適應40m以上全方位炮孔、機械化作業、人工勞動強度小等優點。是地下礦山爆破作業設備的最佳選擇，代表了其發展方向。

PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個在工業控制應用中常見的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制的基礎是比例控制；積分控制可消除穩態誤差；微分控制可加快大慣性系統響應速度以及減弱超調趨勢。

裝填炸藥時，裝填過多則炸藥返料、裝藥管堵塞。裝填過少造成爆破效果差。采用PID控制，將退管速度與裝藥速度做閉環控制，實現連續穩定裝藥。

1 PID基本原理

在模擬控制系統中，控制器中最常用的控制規律是PID控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值與實際輸出構成控制偏差。

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其控制原理如圖1。

圖1 控制原理

PID控制的傳遞函數為：

簡單來說，PID控制各校正環節的作用如下：

（1）比例環節：成比例地反映控制系統的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控作用，以減少偏差。

（2）積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數，越大，積分作用越弱，反之則越強。

（3）微分環節：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率）、并能在偏差信號變得過大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。

2 系統硬件組成

乳化炸藥井下裝藥車的設備采用液壓驅動，液壓元件采用美國丹佛斯比例多路閥進行收放管的控制，比例控制為0～10V的電壓信號。

電控系統采用西門子300PLC，編程軟件采用西門子STEP7-5.5。其組態圖如圖2。

圖2 系統組態

送/退輸藥管的速度，通過卷筒軸芯上的高速計數接近開關，測量卷筒轉動時脈沖數，最終計算得出。

裝藥柱塞泵的運轉效率，通過柱塞泵上的接近開關，可測量裝藥柱塞泵的往復運動次數。

3 控制思路

采用PID控制時，需要得到SP_INT和PV_IN，即目標值與實際值。此處我們需要算出退管速度的目標值與退管的實際速度值。

測量每次掃描周期內裝藥泵的運動次數，通過炮孔半徑，裝藥泵每次運動輸出的裝藥量，可計算出掃描周期內退管速度，即為PID的目標退管速度。其計算公式為：

其中C為單次掃描周期內泵的運動次數。T為掃描周期時間，此處掃描時間設置為1S。N為基質泵往復運動一次的裝藥容積。R為裝藥孔半徑。L為掃描周期（1S）時間內的目標退管速度。則目標退管速度公式：

測量退管速度，通過每次掃描周期內退管卷筒的脈沖次數，每個脈沖的間距長度，測量出退管實際速度，其計算公式為：

其中C為每次掃描周期內退管卷筒的脈沖次數。T為掃描周期時間，此處掃描時間設置為1S。M為每個脈沖的間距長度。S為掃描周期（1S）時間內的實際退管速度。

由于西門子300的PID中，SP_INT和PV_IN是為-100和 +100 %間的浮點格式值。則需要通過公式將其轉換：

4 程序的編寫

根據公式，可將程序進行編寫。

目標退管速度編寫：

PID的編寫：調用西門子300標準庫中的FB41功能塊，進行連續控制。將目標速度與實際速度填入SP_INT和PV_IN。

其中COM_RST為自動執行的初始化程序。GAIN為"比例值"輸入指定控制器增益。TI為"復位時間"輸入決定積分器的時間響應。TD為"微分時間"輸入決定微分單元的時間響應，此項目未使用微分。LMN_HLM為"操作值上限"輸入指定上限。LMN_LLM為"操作值下限"輸入指定下限。輸出參數LMN為"操作值"輸出處的浮點格式輸出。

其中CAIN和TI，需要在實際現場進行調試設定。根據輸出的震蕩情況和響應時間關系進行實時調整，達到最終的設定值。

圖3 PID塊調用

5 實際應用

乳化炸藥井下裝藥車在青海慶華礦業肯德可克鐵礦的實際使用中，原先采用傳統的固定速度退管，常因為裝藥裝填過多造成炸藥返料、裝藥管堵塞。裝填過少造成爆破效果差。后經過改進，采用PID進行裝藥退管速度匹配，裝藥返料、裝藥管堵塞現象極大減少，且爆破效果好，爆破塊度小。獲得了公司和客戶的一致好評。

6 結語

本文介紹了PID控制在乳化炸藥井下裝藥車中的應用，介紹了原理，得到了運算公式，編寫了程序，并以實際使用得到驗證。以此得出結論：在井下裝藥時，使用PID控制，可有效提高爆破效率和爆破效果。