明正CH-1型供棉箱电气控制系统的改造及PID应用

摘要： CH-1型供棉箱是明正清梳联工艺流程中重要的一环，它主要的作用是将开松、除杂后的棉束转换成供MC403型梳棉机使用的、厚度均匀的棉层，它是否正常运转将直接影响棉条质量的稳定性。该供棉箱1995年开始使用，已使用12年，电气控制系统为继电器控制系统，采用间歇控制方式，为供棉箱内部提供密度一定的储棉量。该设备由于是24小时运转状态，使用至今，控制系统老化严重，控制方式落后，电气故障频繁，时常导致“挤爆”故障发生。经过反复的理论分析与验证，将供棉箱改造为PID与梳棉机双系统联合控制，提高了输出棉层的质量，增强设备运行的稳定性，杜绝“挤爆”故障发生，减少企业的经济损失，还增加了其它控制功能，有效降低电能的消耗，提高设备运行的经济效益。 关键词：间歇式控制、PID控制、双系统联合控制、降低损耗、运转效率 引言：台湾明正清梳联设备中，为MC403新型梳棉机提供高质量棉层的重要设备就是CH-1型供棉箱（图1），该设备已经运行了12年之久，目前的运行状态不良。由于它的控制方式采取过时的间歇式控制机制，因此，给棉电机启停及加减速时间都很短，导致控制元件动作频率高，控制元件快速老化。上述这些原因都不能适应新型梳棉机高质、高速、高产的要求，由于电气故障频发，造成梳棉机非计划停机时间增多，对设备机械部分也造成一定程度的损伤，设备“挤爆”后的处理很麻烦，人力物力投入多，停机时间过长。鉴于以上各种因素的考虑，加之目前没有现成的解决方案可以借鉴，因此将较成熟的PID控制方式应用到该系统上。废弃原控制系统并与梳棉机电气控制系统组成PID双系统联合控制。以达到供棉箱电气控制系统运行稳定的目的，同时能够为梳棉机提供密度、厚度稳定的棉层，从而保证输出棉条的质量。 图1 供棉箱位置 1．供棉箱电气控制系统和运行故障分析 CH-1型供棉箱的电气控制系统为继电器间歇式控制，控制元件老化和控制问题突出，设备发生故障的几率较高，下面对此控制系统和运行故障及损失情况进行全面分析。 1．1．供棉箱控制原理和运行现状分析 供棉箱的控制系统由交流接触器、热继电器、时间继电器、按钮、小型继电器、光电传感器、给棉电机、打手电机等组成控制系统（图2）。 图2 改造前供棉箱控制系统 该控制系统开机后打手持续运转，而给棉电机则间歇性运行，给棉电机运行是由1个小型继电器、2个时间继电器控制给棉电机变频器，使变频器由停止到高低速的交替运行，既而使给棉电机高速－低速－停止这样循环运转（图3），从而实现间歇控制过程。具体控制过程如下： 图3 间歇控制过程 第一个控制段是供棉箱储棉高度达到设定高度后,给棉罗拉停止运转，给棉变频器为0，棉满光电被遮挡，持续3秒左右；第二个控制段是供棉箱持续输出，储棉高度下降，低于棉满光电后，给棉电机运转，变频器开始加速，高速运转2秒左右；第三个控制段是棉满光电再次被遮挡后，给棉变频器继续高速运转3秒左右；第四个控制段是通过延时控制，高速运转3秒后转为低速运转，低速运转4秒左右，给棉变频器停止运转。这里需要说明的是：在这4个控制段当中，2、3、4这3个控制段在每个间歇控制周期中的运行时间是固定不变的，只有第一个控制段的运行时间是随供棉箱的输出变化而决定的。根据实际测量每个运转周期耗时12秒左右，按照清梳联每班运行7小时，全年运行350天计算，设备运转正常的情况下，一年下来继电器KA1、时间继电器KT2将动作220万次左右，时间继电器KT1由于受棉满光电传感器控制，棉束在下落时光电传感器不断接通断开，致使时间继电器KT1在极短时间内动作很多次，因此要远大於KA1和KT2的动作次数。如果设备运转出现问题，又没有得到及时的处理，这些继电器的动作次数会远远大于每年220万次。 1．2．供棉箱运行故障分析 根据对供棉箱的控制原理和运行现状的分析，各种继电器的动作频率都大大超过继电器厂商提供的数据，还有控制元件在重复通断过程中电流和电弧对元件和触点的伤害也很严重。使用进口元件时，元件的使用寿命可维持在8个月左右，当使用国产元件时，它们的使用寿命将缩短6个月左右，KT1的使用寿命会更短。这样一来明正清梳联的14台供棉箱每年更换的元件数量就相当可观了，维修费用也不可小视。再有控制特点的因素，导致给棉变频器、给棉电机在短时间内反复启停，电流对它们的冲击很大，同时对机械设备也很不利。根据分析得知，继电器的动作频率非常高，在极短时间内动作频率过高会使触点烧蚀或粘连，当粘连发生时，控制系统将失去控制作用，导致变频器持续运转，结果就是给棉电机不停的向供棉箱内部供棉。根据工艺特点，供棉箱输出棉层速度远远小于给棉电机的供给速度。当供棉箱不可能及时输出这些棉层时，给棉电机供给的这些棉束都将滞留在供棉箱内部，棉束经过累积，首先会被反复打击成索丝棉，很快就将供棉箱内部填满，如果仍然没有得到处理，继而会将打手噎实，打手严重变形。由于打手的结构和传动特点等，在短时间内不会立刻引起过载而跳闸，在这个时间内，给棉电机继续给棉，在很短时间内就将观察窗、面板等多处“挤爆”，“挤爆”的同时将多处固定螺钉拉断（图4）。 图4 挤爆过程 此时，打手和变频器都因为过载而跳闸，机台停车。但故障依然存在，如果复位合闸，给棉电机仍然会持续高速运转。 1．3．故障带来的各种损失 通过对供棉箱故障原因进行分析以后，基本知道KA1、KT1、KT2是最容易损耗的控制元件。原控制系统所使用的控制元件皆为进口元件，小型继电器根据不同质量，价值在10～30元不等；时间继电器根据不同质量，价格在80～300元不等。14台车每年更换的小型继电器在40个左右，更换的时间继电器在50个左右，每年需要购买1万多元的电气元件。 再来看“挤爆”后的损失。“挤爆”使供棉箱箱体多处和多个机件变形或损坏，需要设备保全进行维修，变形后的面板和打手等需要用手工进行钣金修复。还有被拉断的螺钉部分需要重新打孔攻丝。还有维修时段内整台设备不能运转，产量得不到保障。然而，这些工作需要工时和人力物力的投入，仅维修费用将达到每年1万元左右。 总体分析得知，全年要为14台供棉箱正常运行，需要各种电气材料和人工物料投入，及原棉损失等共计3万元左右。由于该设备操作上的不便，经常在完成正常生产任务后挡车工没有及时关闭该供棉箱，每年电能损失接近2万元。还有因故障所产生的索丝棉造成的损失也很大，发生一次“挤爆”事故，将造成20公斤的原棉变成索丝棉，不能再用于生产，只能做废棉处理。 2．供棉箱改造方案和PID控制的应用 根据前面对供棉箱各种故障进行分析后，供棉箱的电气改造方案势在必行。将间歇供棉改造为PID连续供棉。PID属于闭环控制，将压力变送器提供的PV值（目标值）信号反馈到PID控制器，与SV值（设定值）进行比较，PID控制器根据测量信号与给定值的偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）运算，从而输出某个适当的控制信号给PLC和变频器等执行机构，促使目标值恢复到设定值（图5）。 图5 PID控制原理 PID控制方式（图6）已经比较成熟，在工控业得到了较广泛的应用。根据统计，工业控制的控制器中PID类控制器占有90％以上。它有控制稳定、操作简单、控制精度高等特点。 图6 PID控制方式 对供棉箱的改造需要一定的技术措施，并进行复杂的调试过程，才能保证该设备长期运行的稳定性，下面对这些措施作进一步的阐述。 2．1．改造方案 根据供棉箱发生故障的机理，首先确定将继电器控制的间歇供棉方式取消，再利用梳棉机的PID控制系统，将两个控制系统联合起来，重新设计后的控制系统更加合理，并减少了电气控制元件的使用（图7）。 图7 改造后的电气系统 请看改造后两台变频器连接图（图8）。 图8 两台变频器连接图 图中可看出将供棉箱给棉变频器的速度控制权交给梳棉机的PID来控制，同时加上KT1（补偿时间设定）来进行辅助控制，这样就可以使供棉箱的给棉罗拉转速略低于梳棉机给棉罗拉的转速，此设计就是让供棉箱的棉层输出量略低于梳棉机的要棉量，防止因不确定因素导致的供棉箱给棉过大，而导致锁丝产生。但略低的速度是需要弥补的，我就用棉满光电来补偿储棉量的损失，而当供棉箱供棉量略小于梳棉机需要时，会被棉满光电及时检测到，同时会给变频器一个提速信号，用KT1的时间来控制给棉量时间的大小，这样就可以对储棉棉量得到及时的补偿（见图9），使供棉箱输出的棉层厚度更加稳定。 图9 PID与光电传感器联合控制 供棉箱给棉变频器的运行停止都由梳棉机和供棉箱联锁控制，只有当供棉箱的打手和梳棉机的给棉罗拉同时运转后，供棉箱的给棉变频器才会启动，这样可以防止误操作的发生，是对操作人员和控制系统的保护。取消老系统中不需要的控制元件，改<