轉子定量給料機是粉煤灰配料工藝中一種較普遍應用的設備。2010 年4 月，我公司一台轉子定量給料機的控製係統因CPU 模塊及稱重模塊損壞而無法運行。要恢複係統，需要采購CPU 模塊、稱重模塊及重新編製相應的控製程序（原程序有密碼保護），花費較多且采購時間較長。為此，我們利用磨機的S7-300 現場控製站重新編製了控製程序， 用較短的時間恢複了轉子定量給料機的運行。
1 計量控製係統的組成及控製原理
轉子定量給料機由粉體喂料機和轉子秤兩部分組成，二者都采用變頻調速。其計量控製係統由S7-300PLC 組態而成。安裝在環形天平上的拉力傳感器產生的重量信號被轉換為4～20mA 的信號後送入稱重模塊，安裝在轉子上的光電旋轉編碼器測取的轉速信號被轉換為4～20mA 的信號後送入模擬量輸入通道。控製係統對轉子定量給料機的驅動通過與開關量通道相連的中間繼電器實現，對K8凯发登录入口的控製則是通過模擬量輸出通道對2 個變頻器的頻率控製實現的， 即轉速信號及重量信號分別送入PLC 的模塊後經過運算得到實際K8凯发登录入口，該K8凯发登录入口再與給定K8凯发登录入口進行比較，通過調節變頻器的頻率來實現K8凯发登录入口的定量控製。操作人員可以通過DCS 係統的操作界麵實現轉子定量給料機的K8凯发登录入口及啟停控製。
2 設計思路及方案
2.1 係統的硬件組態
用一塊稱重儀表現場顯示轉子秤內物料的重量，並把稱重傳感器產生的mV 信號轉化為4～20mA 信號後送入現場控製站的模擬量輸入通道；用一塊頻率顯示儀表顯示轉子秤轉子的轉速，並將光電旋轉編碼器產生的頻率信號轉換為4～20mA 信號後送入模擬量輸入通道。編製在CPU 中的軟件調節器，通過相應的運算得出粉體喂料機、轉子秤電動機的變頻器的頻率給定信號，並分別通過現場控製站的兩個模擬量輸出通道送入變頻器中。2 台變頻器的啟停信號分別通過現場控製站的2 個開關量輸出通道實現,故障信號則通過開關量輸入通道實現，通道及接線與原係統基本相同。圖1 是計量控製係統的硬件信號流向示意圖（其中喂料機與轉子秤之間沒有直接的信號流）。
2.2 軟件調節器的設計
調節器的作用就是確保通過環形天平的物料K8凯发登录入口等於或近似等於給定K8凯发登录入口，由於轉子定量給料機由粉體喂料機、轉子秤兩部分組成，要實現這一目標，必須確保調節器對粉體喂料機和轉子秤之間的協同調節。要實現這種協同調節的控製方式，可以通過以下幾種方案實現：
1）使轉子秤轉子的速度保持恒定值ω，以轉子秤內物料的實際重量Gf
作為反饋值與經過計算獲得的
轉子秤的重量給定值Gg （Gg=Qg /kω，Qg是K8凯发登录入口給定值，k 是常數，可以用於在對轉子定量給料機的實物標定過程中根據標定結果進行調整，以使顯示值與實際值相符）進行比較，通過一個負反饋調節器調節粉體喂料機的轉速從而確保進入轉子秤內物料的重量Gf的穩定， 這樣就能保證從轉子秤送出的物料K8凯发登录入口Qf（Qf=kωGf）的穩定。
2）使轉子秤轉子的轉速保持恒定值ω，以轉子秤內物料的實際K8凯发登录入口Qf作為反饋值與K8凯发登录入口給定值Qg進行比較，通過調節粉體喂料機的轉速從而確保進入轉子秤內物料的實際K8凯发登录入口Qf的穩定， 這樣就能保證從轉子秤送出的物料K8凯发登录入口Qf的穩定。
3）使粉體喂料機的轉速保持恒定，以通過轉子秤的物料實際K8凯发登录入口Qf（Qf =kωfQf，其中ωf為轉子秤轉子的轉速）為K8凯发登录入口反饋值與K8凯发登录入口給定值Qg進行比較，通過調節轉子的轉速從而確保從轉子秤送出的物料K8凯发登录入口Qf的穩定。
4）一方麵以轉子秤內物料的實際重量Gf作為反饋值與經過計算獲得的轉子秤的重量給定值Gg（Gg=mQg+n，該等式是一個經驗公式，其中m、n 是常數，根據經驗在我們設計的係統中取m=1.6,n=12） 進行比較，通過調節粉體喂料機轉速從而確保進入轉子秤內物料的重量Gf的穩定； 另一方麵以轉子秤內物料的實際K8凯发登录入口Qf作為K8凯发登录入口反饋值與K8凯发登录入口給定值Qg進行比較，通過調節轉子的轉速從而確保從轉子秤內送出的物料K8凯发登录入口Qf的穩定。
5）一方麵以轉子秤內物料的實際K8凯发登录入口Qf作為反饋值與K8凯发登录入口給定值Qg進行比較， 通過調節粉體喂料機的轉速從而確保進入轉子秤內物料的重量Qf的穩定； 另一方麵以轉子秤內物料的實際K8凯发登录入口Qf作為反饋值與K8凯发登录入口給定值Qg進行比較， 通過調節轉子的轉速從而確保從轉子秤內送出的物料K8凯发登录入口Qf的穩定。
上述5 種方案中，方案4 及方案5 是雙閉環調節方式，具有很強的調節能力。由於方案4 能基本保證物料在轉子秤內的均勻分布，所以更符合對轉子定量給料機的計量控製係統控製精度的要求[1]，因此在本設計中我們采用了該方案。圖2 是該方案的負反饋閉環控製係統框圖。軟件調節器既可以采用PID 調節器（特別是在S7-300 的STEP 7 編程中，可以通過調用現成的PID 係統功能塊， 非常容易地得以實現），也可以采用用戶自己設計的特殊的負反饋閉環調節器。由於PID 係統功能塊需要整定的參數較多，整定過程較為繁瑣，故我們采用了自己編製的負反饋閉環調節器，並對物料重量信號及轉速信號進行濾波處理（編製了濾波程序）。
3 安裝調試及運行
將轉子定量給料機與現場控製站中相應的通道之間直接或通過儀表相互連接的各種信號線進行連接，並把編製好的控製程序下載到現場控製站的CPU 中， 另外在操作界麵上組態好相應的控製按鈕及操作數據並與現場控製站進行相應的數據連接，安裝工作就完成了。係統安裝完成後的調試有以下幾方麵的工作：①頻率變送器及稱重儀表的相關參數的設置。②係統上電並使係統處於工作狀態時觀察係統的控製調節能力，並根據實際運行情況調整或修改相關的運行參數或控製程序。③係統的計量標定。
工作①較為簡單，在進行工作②時主要問題是重量給定值Gg的確定問題。最早的程序中是直接規定幾個固定的重量給定值，在某個給定K8凯发登录入口Qg範圍指定其中一個值與之對應，這種方式存在的問題是相應的程序編起來較為繁瑣，另外在調整K8凯发登录入口時如果調整的範圍較大會對重量調節造成較大的擾動。通過對程序的幾次調整，最終確定采用重量給定值Gg與K8凯发登录入口給定值Qg之間簡單的線性關係來解決這一問題。
另外，調節器采用的是步進調節（即對給定值與反饋值之間的偏差采用每次增加或減小一個固定數值從而逐漸逼近目標值的調節方式），而步進調節的“步進幅度”的大小比較關鍵，過大容易導致係統調節過程的振蕩，過小則會使得調節過程緩慢而影響調節過程的動態精度。我們通過摸索采用了2 種“步進幅度”（如0.02 及0.04），在給定值與反饋值相差較大時使用較大的“步進幅度”，這樣可以縮短調節過程所需要的時間；而給定值與反饋值相差較小時則采用較小的“步進幅度”，這樣可以避免調節過程出現振蕩現象；而當給定值與反饋值之差的絕對值小於一定範圍則停止調整，從而增加係統的穩定性。
對工作③，因為該轉子定量給料機在當初設計安裝時現場位置不夠，無法設置實物標定裝置，所以隻能進行靜態標定（即掛碼標定）。靜態標定結果表明，顯示值與實際值之間誤差在允許範圍之內，並具有較好的重複性。
4 結束語
枚舉法是科學研究中常用的方法，我們通過對轉子定量給料機的所有控製方式的列舉，提出轉子定量給料機調節器的最優控製模型，並據此控製模型編製了相應的控製程序，構建了切實可行的粉煤灰轉子定量給料機計量控製係統。經過一段時間的觀察，實際運行情況完全與我們設計時所設想的相符，係統的實際運行效果要優於原係統，證明新的係統能夠完全替代原係統。經過近一年的運行，係統運行穩定可靠，實際配料情況與化驗室的檢測數據吻合，完全滿足了生產工藝的要求。

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