1 引言
在造紙、紡織、印染、冶金等多單元電氣傳動系統中,常采用多臺交流電機或直流電機作為拖動裝置, 而多電機的同步傳動控制技術則是系統的核心,它直接影響系統的可靠性和控制精度[1。2 ]。隨著電力電子技術、通訊技術、計算機技術以及現代控制理論的發展,采用由微機控制的全數字同步傳動控制裝置來實現高精度、高可靠性的同步控制對我國工業發展有重要的意義[2 、4 ]。
本文采用基于PCC 2005 的分布式控制系統來實現多電機同步傳動控制。應用現場總線和通信技術, 上位機可以方便地實現與總線上任意一臺變頻器之間的串行通信: 發送控制信息、設定運行參數、讀取運行狀態、調節輸出頻率(即電機轉速) 等；模糊控制算法的使用,改善了系統的動態性能,徹底解決了現場干擾以及電機慣性大、滯后時間長等因素給傳動系統帶來的控制難題,提高了系統的可靠性。
2 設計方案
本系統為兩級計算機控制系統,上級為監督控制系統, 用于計算機監控操作, 通過RS232 總線相連；下級為PCC 對變頻器控制系統, 用于對現場進行實時控制, 通過RS485 總線相連, 其系統結構圖如圖1 所示。PCC 通過對速度信號的采集、判斷和處理得到電機運行速度的對應數值,再由RS485 總線寫入變頻器執行。
2. 1 PCC 模塊化設計[8]
本系統由PCC 來實現多電機同步傳動控制。在PCC 的軟件編程環境AS(B &R Automation Studio)建立一個工程, 該工程包括四個任務模塊: 電機轉速反饋模塊、變頻器通訊模塊、上位機通訊模塊、Profibus 通訊模塊。各模塊相互獨立, 可單獨調節,也可作為一個模塊導入或導出某一工程。
任務1 負責完成現場數據的采集,通過查表進行調節,對實時性要求最高,應具有最高的優先級;
任務2 負責PCC 與現場控制設備之間的通信, 是非常重要的任務, 對實時性要求也很高, 應放在較高的任務等級中; 任務3 完成數據顯示, 對實時性要求不高, 但需要長期運行; 任務4 負責完成Profibus 通信功能,實現PCC 之間的通信,要求盡可能快。系統中運行的不同任務如表1 所示。
表1 PCC多任務
由PCC的多任務處理原理可知, 高優先級的任務應該中斷低優先級的任務, 保證了較為重要的任務能夠首先被完成。在系統完成之后,如果需要增加新的任務,只要把新的任務增加到該工程中即可。
2. 2 串行通訊的實現[3 、8]
盡管各大公司相繼推出了帶有標準接口的通用變頻器, 為用戶設計滿足工業現場需求的控制系統帶來了極大方便, 但仍有很多公司的變頻器具有自己的通信協議。Micr．ｍａｓｔｅｒ6SE3115 變頻器是較早的產品,它不支持標準的通信協議,但實際控制現場要求與該變頻器進行通信, 而普通的PLC不具有與第三方產品通信的能力,造成系統集成巨大困難,讓開發人員從底層開發通信協議是一項復雜且工作量相當大的工作, 而且系統的可靠性也難以得到保證。基于上述問題,某2000 系列PCC產品除了支持標準的通信協議之外, 還向用戶提供了用于與第三方產品通信的協議開發工具———幀驅動器, 用戶只需要了解第三方產品的通信協議(包括信息幀格式的組成等) ,并用幀驅動器寫出與第三方產品通信協議一樣的通信規約, 就可以方便地實現PCC與第三方產品之間的通信。本系統利用PCC的幀驅動器,成功地實現了PCC對多臺變頻器的通訊控制。系統的串行通信程序是用B &R Automation Basic 來開發的, 作為完整的任務模塊可以添加到任何其它復雜任務中,不僅能夠提高系統的可靠性,而且可以提高代碼的可重用性,縮短項目的開發周期。
PCC與變頻器通過RS- 485 相連,如圖1 所示,每臺變頻器被設置各自獨立的地址碼(0 - 31) 用來識別各自的身份, 這樣, PCC便能通過RS- 485 接口,對掛接在總線的所有變頻器進行控制操作。
2. 3 基于PVI 的上位機串行通信
PVI( Process Visualization Interface 過程可視化接口) 是基于Win32 平臺的軟件模塊, 它負責管理應用程序和現場總線之間的數據交換。PVI 應用程序都使用PVICOM. DLL 接口來實現和PVI 管理器之間的通信。當PVI 管理器的數據有變化時, PVICOM接口通過Windows 消息(或回調函數) 來通知應用程序進行數據處理。PVICOM接口為用戶提供了大量用來實現串行通信的函數,利用這些函數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, 針對不同的通信介質和通信協議,只需要修改相應的PVI 參數即可實現通信任務, 極大地縮短了項目的開發周期,提高了應用程序的可重用性。
把上述實現通信的過程進行封裝, 通過VB、VC或Delphi 軟件編程提供給用戶控制界面, 用戶只需對界面進行直觀地操作就可實現啟動、停止、頻率設定(速度設定) 、左轉、右轉、連接任務設定、連接參數設定等,從而實現人機對話控制。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計
在造紙、印染工業中,由于產品的不可延展性,所以為防止其出現斷裂、卷曲、壓痕,必須對各傳動部分進行速度上的控制。本系統對速度的控制原理是采用光電編碼器反饋速度信號, 由PCC 的NC150 模塊計脈沖個數, 形成一個閉環控制回路。速度的實際值與速度設定值進行比較,通過模糊控制算法反饋到執行結構中。為了克服電機慣性大、輸入調節滯后時間長、超調量大等因素引起的時間延長,在實驗過程中,通過軟硬件結合,選擇了一種智能控制方法。實驗證明, 模糊控制算法的使用,對電機因負載變化、電壓波動、外界干擾等引起的速度波動能夠發揮精確、快速調節的作用, 同時又可減小電機的啟動時間,提高對多臺電機同步傳動的控制精度。
4 智能控制原理
由于對象模型難以精確化,系統又是非線性的,同時, 慣性大、滯后時間長等因素的存在, 使得采用傳統的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,必須對語言變量取更多的語言值,分檔越細,性能越好。圖3 所示是模糊控制的基本結構框圖, 本文所應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,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化成適當論域上的語言變量值(模糊輸入值) ,針對電動機轉速偏差范圍大, 精度要求高的特點, 取3個語言變量的量化等級為15 ,即{ - 7 , - 6 , - 5 , - 4 , - 3 , -2 , - 1 , + 1 , + 2 , + 3 , + 4 , + 5 , + 6 , + 7} ,為設計計算方便,輸入輸出模糊子集的隸屬度函數采用三角形曲線, 語言變量取值七種, 即“正大”( PB) ,“正中”( PM) “, 正小”( PS) “, 零”(ZE) “, 負小”(NS) “, 負中”(NM) “, 負大”(NB) ,如圖4 所示。
4. 2 模糊控制規則的確定和推理
模糊控制規則是專家的經驗和操作者的技能加以總結而得出的一條模糊條件語句的集合。確定模糊控制規則必須保證控制器輸出能夠使系統的動靜態特性達到最佳。這里采用人工的控制經驗得出模糊控制規則表。
5 結論
通過對多電機同步傳動控制系統的理論分析和實驗研究, 在多電機同步傳動中應用現場總線和通信技術, 大大提高了系統的控制精度; 模糊控制算法,在實際調試過程中表現出強大的優越性,使系統具有良好的智能控制效果。實驗運行結果表明,本系統具有可靠性高、可擴展性強、調節時間短、同步效果好、易于維護等優點。該控制方案具有先進性,將其與具體的被控對象(如紡織、印染、軋鋼等) 相結合,可適用于任何需要實現同步傳動的控制系統。
