1 引言
在造紙、紡織、印染、冶金等多單元電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中,常采用多臺(tái)交流電機(jī)或直流電機(jī)作為拖動(dòng)裝置, 而多電機(jī)的同步傳動(dòng)控制技術(shù)則是系統(tǒng)的核心,它直接影響系統(tǒng)的可靠性和控制精度[1。2 ]。隨著電力電子技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,采用由微機(jī)控制的全數(shù)字同步傳動(dòng)控制裝置來實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的同步控制對(duì)我國(guó)工業(yè)發(fā)展有重要的意義[2 、4 ]。
本文采用基于PCC 2005 的分布式控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步傳動(dòng)控制。應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線和通信技術(shù), 上位機(jī)可以方便地實(shí)現(xiàn)與總線上任意一臺(tái)變頻器之間的串行通信: 發(fā)送控制信息、設(shè)定運(yùn)行參數(shù)、讀取運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)節(jié)輸出頻率(即電機(jī)轉(zhuǎn)速) 等；模糊控制算法的使用,改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,徹底解決了現(xiàn)場(chǎng)干擾以及電機(jī)慣性大、滯后時(shí)間長(zhǎng)等因素給傳動(dòng)系統(tǒng)帶來的控制難題,提高了系統(tǒng)的可靠性。
2 設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)為兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),上級(jí)為監(jiān)督控制系統(tǒng), 用于計(jì)算機(jī)監(jiān)控操作, 通過RS232 總線相連；下級(jí)為PCC 對(duì)變頻器控制系統(tǒng), 用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制, 通過RS485 總線相連, 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。PCC 通過對(duì)速度信號(hào)的采集、判斷和處理得到電機(jī)運(yùn)行速度的對(duì)應(yīng)數(shù)值,再由RS485 總線寫入變頻器執(zhí)行。
2. 1 PCC 模塊化設(shè)計(jì)[8]
本系統(tǒng)由PCC 來實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步傳動(dòng)控制。在PCC 的軟件編程環(huán)境AS(B &R Automation Studio)建立一個(gè)工程, 該工程包括四個(gè)任務(wù)模塊: 電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋模塊、變頻器通訊模塊、上位機(jī)通訊模塊、Profibus 通訊模塊。各模塊相互獨(dú)立, 可單獨(dú)調(diào)節(jié),也可作為一個(gè)模塊導(dǎo)入或?qū)С瞿骋还こ獭?br />
任務(wù)1 負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集,通過查表進(jìn)行調(diào)節(jié),對(duì)實(shí)時(shí)性要求最高,應(yīng)具有最高的優(yōu)先級(jí);
任務(wù)2 負(fù)責(zé)PCC 與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間的通信, 是非常重要的任務(wù), 對(duì)實(shí)時(shí)性要求也很高, 應(yīng)放在較高的任務(wù)等級(jí)中; 任務(wù)3 完成數(shù)據(jù)顯示, 對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高, 但需要長(zhǎng)期運(yùn)行; 任務(wù)4 負(fù)責(zé)完成Profibus 通信功能,實(shí)現(xiàn)PCC 之間的通信,要求盡可能快。系統(tǒng)中運(yùn)行的不同任務(wù)如表1 所示。
表1 PCC多任務(wù)
由PCC的多任務(wù)處理原理可知, 高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)應(yīng)該中斷低優(yōu)先級(jí)的任務(wù), 保證了較為重要的任務(wù)能夠首先被完成。在系統(tǒng)完成之后,如果需要增加新的任務(wù),只要把新的任務(wù)增加到該工程中即可。
2. 2 串行通訊的實(shí)現(xiàn)[3 、8]
盡管各大公司相繼推出了帶有標(biāo)準(zhǔn)接口的通用變頻器, 為用戶設(shè)計(jì)滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求的控制系統(tǒng)帶來了極大方便, 但仍有很多公司的變頻器具有自己的通信協(xié)議。Micr．ｍａｓｔｅｒ6SE3115 變頻器是較早的產(chǎn)品,它不支持標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議,但實(shí)際控制現(xiàn)場(chǎng)要求與該變頻器進(jìn)行通信, 而普通的PLC不具有與第三方產(chǎn)品通信的能力,造成系統(tǒng)集成巨大困難,讓開發(fā)人員從底層開發(fā)通信協(xié)議是一項(xiàng)復(fù)雜且工作量相當(dāng)大的工作, 而且系統(tǒng)的可靠性也難以得到保證。基于上述問題,某2000 系列PCC產(chǎn)品除了支持標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議之外, 還向用戶提供了用于與第三方產(chǎn)品通信的協(xié)議開發(fā)工具———幀驅(qū)動(dòng)器, 用戶只需要了解第三方產(chǎn)品的通信協(xié)議(包括信息幀格式的組成等) ,并用幀驅(qū)動(dòng)器寫出與第三方產(chǎn)品通信協(xié)議一樣的通信規(guī)約, 就可以方便地實(shí)現(xiàn)PCC與第三方產(chǎn)品之間的通信。本系統(tǒng)利用PCC的幀驅(qū)動(dòng)器,成功地實(shí)現(xiàn)了PCC對(duì)多臺(tái)變頻器的通訊控制。系統(tǒng)的串行通信程序是用B &R Automation Basic 來開發(fā)的, 作為完整的任務(wù)模塊可以添加到任何其它復(fù)雜任務(wù)中,不僅能夠提高系統(tǒng)的可靠性,而且可以提高代碼的可重用性,縮短項(xiàng)目的開發(fā)周期。
PCC與變頻器通過RS- 485 相連,如圖1 所示,每臺(tái)變頻器被設(shè)置各自獨(dú)立的地址碼(0 - 31) 用來識(shí)別各自的身份, 這樣, PCC便能通過RS- 485 接口,對(duì)掛接在總線的所有變頻器進(jìn)行控制操作。
2. 3 基于PVI 的上位機(jī)串行通信
PVI( Process Visualization Interface 過程可視化接口) 是基于Win32 平臺(tái)的軟件模塊, 它負(fù)責(zé)管理應(yīng)用程序和現(xiàn)場(chǎng)總線之間的數(shù)據(jù)交換。PVI 應(yīng)用程序都使用PVICOM. DLL 接口來實(shí)現(xiàn)和PVI 管理器之間的通信。當(dāng)PVI 管理器的數(shù)據(jù)有變化時(shí), PVICOM接口通過Windows 消息(或回調(diào)函數(shù)) 來通知應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。PVICOM接口為用戶提供了大量用來實(shí)現(xiàn)串行通信的函數(shù),利用這些函數(shù)可以非常容易地編寫RS232、RS485、CAN、PROFIBUS等通信程序, 且程序的可移植性強(qiáng), 針對(duì)不同的通信介質(zhì)和通信協(xié)議,只需要修改相應(yīng)的PVI 參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)通信任務(wù), 極大地縮短了項(xiàng)目的開發(fā)周期,提高了應(yīng)用程序的可重用性。
把上述實(shí)現(xiàn)通信的過程進(jìn)行封裝, 通過VB、VC或Delphi 軟件編程提供給用戶控制界面, 用戶只需對(duì)界面進(jìn)行直觀地操作就可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、頻率設(shè)定(速度設(shè)定) 、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、連接任務(wù)設(shè)定、連接參數(shù)設(shè)定等,從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話控制。本文采用Delphi 編程,其用戶操作界面如圖2 所示。
3 速度反饋控制回路的設(shè)計(jì)
在造紙、印染工業(yè)中,由于產(chǎn)品的不可延展性,所以為防止其出現(xiàn)斷裂、卷曲、壓痕,必須對(duì)各傳動(dòng)部分進(jìn)行速度上的控制。本系統(tǒng)對(duì)速度的控制原理是采用光電編碼器反饋速度信號(hào), 由PCC 的NC150 模塊計(jì)脈沖個(gè)數(shù), 形成一個(gè)閉環(huán)控制回路。速度的實(shí)際值與速度設(shè)定值進(jìn)行比較,通過模糊控制算法反饋到執(zhí)行結(jié)構(gòu)中。為了克服電機(jī)慣性大、輸入調(diào)節(jié)滯后時(shí)間長(zhǎng)、超調(diào)量大等因素引起的時(shí)間延長(zhǎng),在實(shí)驗(yàn)過程中,通過軟硬件結(jié)合,選擇了一種智能控制方法。實(shí)驗(yàn)證明, 模糊控制算法的使用,對(duì)電機(jī)因負(fù)載變化、電壓波動(dòng)、外界干擾等引起的速度波動(dòng)能夠發(fā)揮精確、快速調(diào)節(jié)的作用, 同時(shí)又可減小電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間,提高對(duì)多臺(tái)電機(jī)同步傳動(dòng)的控制精度。
4 智能控制原理
由于對(duì)象模型難以精確化,系統(tǒng)又是非線性的,同時(shí), 慣性大、滯后時(shí)間長(zhǎng)等因素的存在, 使得采用傳統(tǒng)的PID控制難以滿足要求[6] [7] ,決定采用模糊控制。要提高模糊控制的精度和跟蹤性能,必須對(duì)語(yǔ)言變量取更多的語(yǔ)言值,分檔越細(xì),性能越好。圖3 所示是模糊控制的基本結(jié)構(gòu)框圖, 本文所應(yīng)用的模糊控制為典型的雙輸入單輸出二維模糊控制, 變量有三個(gè),即偏差E、偏差變化EC和控制量f。
4. 1 模糊化過程
模糊化是指將輸入變量的精確值轉(zhuǎn)化成適當(dāng)論域上的語(yǔ)言變量值(模糊輸入值) ,針對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏差范圍大, 精度要求高的特點(diǎn), 取3個(gè)語(yǔ)言變量的量化等級(jí)為15 ,即{ - 7 , - 6 , - 5 , - 4 , - 3 , -2 , - 1 , + 1 , + 2 , + 3 , + 4 , + 5 , + 6 , + 7} ,為設(shè)計(jì)計(jì)算方便,輸入輸出模糊子集的隸屬度函數(shù)采用三角形曲線, 語(yǔ)言變量取值七種, 即“正大”( PB) ,“正中”( PM) “, 正小”( PS) “, 零”(ZE) “, 負(fù)小”(NS) “, 負(fù)中”(NM) “, 負(fù)大”(NB) ,如圖4 所示。
4. 2 模糊控制規(guī)則的確定和推理
模糊控制規(guī)則是專家的經(jīng)驗(yàn)和操作者的技能加以總結(jié)而得出的一條模糊條件語(yǔ)句的集合。確定模糊控制規(guī)則必須保證控制器輸出能夠使系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性達(dá)到最佳。這里采用人工的控制經(jīng)驗(yàn)得出模糊控制規(guī)則表。
5 結(jié)論
通過對(duì)多電機(jī)同步傳動(dòng)控制系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究, 在多電機(jī)同步傳動(dòng)中應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線和通信技術(shù), 大大提高了系統(tǒng)的控制精度; 模糊控制算法,在實(shí)際調(diào)試過程中表現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)越性,使系統(tǒng)具有良好的智能控制效果。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明,本系統(tǒng)具有可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、調(diào)節(jié)時(shí)間短、同步效果好、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。該控制方案具有先進(jìn)性,將其與具體的被控對(duì)象(如紡織、印染、軋鋼等) 相結(jié)合,可適用于任何需要實(shí)現(xiàn)同步傳動(dòng)的控制系統(tǒng)。
