基于PID的斗輪取料機回轉自動調速控制方法

王靖宇

秦皇島港股份有限公司第九港務分公司

1 引言

斗輪取料機是煤炭運輸港口的關鍵設備，其作業能力決定了裝船效率。在港口智能化建設大背景下，降低人工投入，提升設備自動化水平，是設備改造的目標。傳統取料機操控方式是由司機通過手柄手動控制，對司機操作技能要求高，勞動強度大。如果司機操作失誤，會出現流量不勻或作業超載等情況，有設備過負荷和機損事故發生的風險。結合回轉變頻驅動的硬件基礎，通過PLC與PID控制(Proportional Integral Derivative Control，比例-積分-微分控制)技術，準確地獲取物料流量數據，設計一種回轉自動調速控制方法，并有效防止超調，實現勻量取料，對效率提升和設備無人化改造具有重要意義。

2 取料機回轉調速模式分析

斗輪取料機回轉是變頻驅動，回轉速度的快慢決定斗輪上料的快慢，回轉速度是瞬時流量穩定均勻的關鍵因素。

2.1 手動調速模式

司機手動調速模式下，瞬時流量的準確數據來自于皮帶秤，由于皮帶秤安裝位置在懸皮中部，信息獲取具有滯后性，無法及時反應實時瞬時流量，為了實現瞬時流量穩定且接近目標量，司機必須時刻目測斗輪料斗上料量，頻繁調整手柄改變回轉速度。這種操作勞動強度大、流量波動大，很難實現勻量取料。

2.2 1/cosφ調速模式

回轉取料模型見圖1，斗輪以圓形軌跡旋轉切削料垛，料垛切削面呈月牙形。為了消除流量“月牙損失”，回轉速度應該按照V=V0/cosφ函數曲線的變化規律進行調整，使臂架在任意角度下，在相同時間內勻量上料[1]。1/cosφ調速模型缺點是：①對垛形要求高，在每一個回轉角度下都對應既定的速度，對料垛厚度和走行進尺量要求高，理想情況下才能獲得目標流量；②調速區間局限，函數1/cosφ在φ>60°時，cosφ值迅速下降，當φ=90°時，cosφ值為0，斗輪回轉線速度接近無窮大,所以1/cosφ調速模式調速區間一般為0°～60°[2]；③抗干擾能力差，比如塌垛情況出現后，速度無法自適應調整，會出現超載。

圖1 斗輪取料機回轉取料模型圖

2.3 PID調速模式

PID控制是一種控制策略。由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于工業過程控制。PID調速控制中主控變量是回轉速度，過程變量是瞬時流量。PID控制器實時比較瞬時流量與設定點的偏差，調節主控變量輸出，以保持過程變量在希望的設定點。如果瞬時流量高于設定點，則PID控制器減少控制變量降低回轉速度，使瞬時流量降低來趨近設定點。瞬時流量低于設定點時同理。PID調速原理見圖2。

圖2 PID調速原理圖

PID調速適用各種垛形、調速區間大、響應速度快、抗干擾能力強，可以解決1/cosφ調速模式的缺點。對于取料模型，PID調速需要解決的問題有：①處理好出入垛后斗輪空載時回轉速度與效率的關系；②入垛邊界時，防止因速度過快引起超調；③異常情況下回轉保護性限速措施。

3 自動調速方法設計

應用PID控制設計一種懸臂式斗輪取料機回轉自動調速控制方法。

3.1 控制方法的條件

控制方法適用于回轉上料的懸臂式斗輪取料機。取料機硬件應具有能夠提取斗輪功率數據的綜?；騻鞲衅?、變頻驅動的回轉機構以及基于logix5000的羅克韋爾PLC控制系統。取料機的走行進尺量與垛層厚度由司機手動控制，需保持在合理的范圍內。

3.2 調速環節設計

取料機作業是往復的回轉上料過程，根據斗輪在料垛中的特定位置，將一次回轉上料過程分解為垛外、入垛、垛中3個環節，不同環節對回轉調速有特定的設計。垛外環節中，為了保證作業高效，以較大的回轉速度來縮短空載時間；入垛環節中，初期具有垛外環節的高速，同時要避免PID調節中的超調引起超載，速度控制較復雜，所以設計了超調預防程序來控制速度；垛中環節中，流量趨于穩定，速度呈現規則的增大或減小。

4 自動調速方法實現

4.1 瞬時流量的等效

斗輪有功功率能夠反應瞬時流量的大小，對比同時刻皮帶秤瞬時流量曲線與斗輪有功功率曲線，發現二者趨勢一致，高度同步，所以可以通過斗輪有功功率經過變換來等效瞬時流量。斗輪實時有功功率可由斗輪高壓柜綜保傳輸給主控PLC得到，然后將斗輪有功功率作為PID控制中過程變量的計算因子。

4.2 PID控制器

自動調速程序設計核心是PID控制算法，現場設備主控制器是羅克韋爾PLC，利用PLC軟件logix5000自帶的PID/PIDE功能。對PID指令輸入參數，通過對設定值與過程變量之間的偏差進行比例、積分、微分調節，將PID輸出的控制變量換算后作為回轉變頻器的速度給定，實現回轉自動調速。

通過實驗，確定最佳的PID指令關鍵參數：比例增益為0.8，積分增益為0.8，微分時間為0，偏差為設定點值與過程變量的偏差，采樣周期是0.1 s，無死區、無偏置，選擇自動模式，不選擇級聯控制。通過PID指令的運算，將輸出結果作用到回轉速度控制程序中，驅動回轉變頻器。PID調速后得到的回轉速度曲線與流量曲線見圖3。

圖3 PID調速后的速度曲線與流量曲線圖

4.3 垛中調速

垛中調速時PID調速處于穩定期，根據實際，回轉速度不宜過大，設定回轉速度上限為全速的50%，回轉速度根據回轉角度規律的增大或減小，速度曲線與1/cosφ函數曲線接近，具有很好的動態特性，瞬時流量趨于設定點穩定波動。

4.4 垛外調速

取料機在每次回轉結束后需要走行進車，在進車前后，斗輪會有出垛與入垛的過程，在這個過程中，斗輪一直在垛外，處于空載狀態。為了保證作業的高效，出入垛時間要盡可能短。斗輪功率可判定是否空載，垛外調速時，回轉速度上限設定為全速的80%，因為PID控制器檢測到瞬時流量遠低于設定點，會快速增大回轉速度，實現快速出垛和入垛。

4.5 邊界調速

PID調節單周期中的超調是固有屬性，又加之斗輪以較高的速度進入料垛邊界，會出現上料太快引發超載的情況。邊界調速中設計了超調預防程序，程序首先根據斗輪功率判斷上料開始，在PID調節周期的起始，或超調發生前，將調節過程分解，使系統在流量穩定前經歷多次超調，但這些超調全在設定點以下，不會引發超載。邊界調速時瞬時流量見圖4。程序在合適的時間內將PID指令參數中setpiont設定點值從小逐漸增大，回轉速度經歷由大到小再逐漸增大的過程，使瞬時流量逐步逼近目標設定點，當設定點值達到目標值時完成調節。當超調預防程序執行完成后，PID自動調速進入穩定期，流量能夠跟隨目標量穩定波動。

圖4 邊界調速時瞬時流量

4.6 保護性調速

當出現異常情況或者到大臂限速區域內時，回轉速度需要快速降低甚至停止來保護設備，這種情況下，PID指令中的inhold功能可以實現快速降低輸出至低速設定值，持續低速或停止直至限制解除。

4.7 調速的連貫性

對于取料機這種大慣性系統，速度變化要保證連貫性，不能出現速度的階躍，作業中速度的跳變會造成嚴重的設備損傷。以上幾種調速環節，必須全部經PID控制器調節后輸出，才能保證速度是連續變化的，不可剛性地拋開PID控制器直接限定回轉速度大小。

5 應用效果

5.1 流量穩定性分析

通過瞬時流量歷史曲線來分析取料機自動調速模式下瞬時流量的穩定性。圖5是一臺取料機的瞬時流量歷史曲線。該取料機目標瞬時流量為4 000 t/h，從曲線可以得出，多次回轉上料過程中瞬時流量基本穩定在目標量下小幅波動。該瞬時流量歷史曲線表明，自動調速模式投用后，取料瞬時流量非常穩定。

圖5 取料機自動調速時的瞬時流量歷史曲線圖

5.2 取料效率分析

5.2.1 瞬時流量均勻度分析

瞬時流量均勻度越好則取料效率越高。圖6記錄了PID回轉自動調速與司機手動操作兩種模式下的皮帶秤瞬時流量曲線。可以看出，PID回轉自動調速模式下，瞬時流量基本穩定在目標瞬時流量附近；而司機手動操作模式下，瞬時流量則呈現出不規則的曲線。結果表明PID回轉自動調速模式下瞬時流量均勻度好，能夠收獲比較滿意的流量曲線。

圖6 PID自動調速與司機手動兩種模式下皮帶秤瞬時流量對比圖

5.2.2 平均流量分析

2021年6月20日系統正式投用，統計對比系統投用前后10天內單流程中平均流量超過3 600 t/h的次數和占比，分析平均流量的提升效果。統計數據見表1，平均流量從次數和占比上都有了大幅的提升。

表1 PID自動調速投用前后單流程中平均流量超3 600 t/h的次數與占比

平均艙時量是衡量取料機平均流量的重要指標，平均艙時量越高取料機平均流量越大。2021年1月、7月、10月平均艙時量數據統計見表2，1月是自動調速投用前，7月和10月是自動調速投用后。通過投用前后平均艙時量數據對比可以得出，應用自動調速后，取料機平均流量可以普遍提升300～400 t/h。

表2 2021年1月、7月、10月平均艙時量

6 結語

采用羅克韋爾logix-5000系列PLC自帶的PID功能，對取料機回轉驅動控制方法進行了改造，對邊界調速程序和速度調節連貫性進行了創新性設計，實現了取料機回轉自動調速和超調預防。實踐表明，該控制方法運行穩定，實現了取料機勻量取料，提高了取料效率，有效減少了超載的發生次數，降低了司機的勞動強度。該方案具有良好的可移植性，對港口無人化建設具有一定的參考意義。