1 前言

在工礦企業(yè)中．破碎系統(tǒng)是一個常見的工藝環(huán)節(jié)、各種具有工序進行篩分處理。破碎機給料，一般采用人工調(diào)控閘門方式、這種調(diào)整方式存在的主要問題是操作人員需頻繁操作，勞動強度大、而且難以實現(xiàn)對負載波動的實時有效控制，破碎系統(tǒng)工作效率低，對電氣和機械設備的使用壽命也很不利。

目前電力拖動控制中較為先進的模糊控制技術(shù)，在國內(nèi)已有成功的應用，取得了較好的效果。本文結(jié)合首鋼礦業(yè)公司燒結(jié)廠破碎機采用的模糊控制系統(tǒng)，實現(xiàn)恒功率控制進行分析、論證。

2 控制系統(tǒng)總體方案論證

2.1 破碎系統(tǒng)工礦分析

燒結(jié)廠破碎系統(tǒng)的工作任務是：將來自原料系統(tǒng)（灰石等）各種物料由皮帶運輸機輸送至料倉，料倉下設熔字號皮帶給料機，向破碎機下料，物料在破碎機內(nèi)部經(jīng)過旋轉(zhuǎn)破碎后經(jīng)皮帶輸送至下一道工序，其工藝流程如圖1所示。

熔字號皮帶(熔l—熔4皮帶)給料采用人工手動調(diào)整料倉下料口機械閘門開度的方式進行控制。

由于受外部供料條件的限制，原料系統(tǒng)上料成分變化較大，造成錘子負荷波動很大，表現(xiàn)在運行電流大幅度擺動．而且經(jīng)常處于超載狀態(tài)，影響電機及傳動機械的正常運行，電機燒損故障時有發(fā)生。崗位操作難度很大，靠人工調(diào)節(jié)大法準確和動態(tài)的控制到最佳下料量，有時很長一段時間內(nèi)被迫將閘門調(diào)至很小，負荷雖然是控制住了，但是下料量小，生產(chǎn)效率低下，常常無法滿足供料需要，使下道丁序出現(xiàn)待科，延長了設備運轉(zhuǎn)時間，浪費了能源。

以前，我們對機械傳動部分進行了多次改進以及對上道工序物料的質(zhì)量穩(wěn)定方面也進行了侖效控制，有一定效果，但是仍不能從根本上解決問題，特別是從企業(yè)提高效益和提高科技水平的角度看，建立起科學有效的自動緒料控制系統(tǒng)，已成為一個發(fā)展的必然趨勢。

2.2 不同控制方式的分析論證

從對電力拖動系統(tǒng)進行控制的角度看，控制給料量一般有三種方式可供選擇、即人工控制方式、PID控制方式和模糊控制方式。

2.2.1 人工調(diào)整控制方式

此方式是燒結(jié)廠以前采用的方式，采用傳統(tǒng)的調(diào)整給料閘門的方式近行控制點作崗位要隨時根據(jù)現(xiàn)場負荷變化及時調(diào)整閘門開度，工人的勞動強度大，而且存在滯后現(xiàn)象。

2.2.2 PID控制方式

帶有比例(P)、積分(I)和微分(D)控制的調(diào)節(jié)器，一般能實現(xiàn)有效的閉環(huán)控制，獲得比較滿意的控制效果。但是PID控制系統(tǒng)要求被控制對象要相對穩(wěn)定，控制變量不宜過大，在不同的擾動下系統(tǒng)的輸出值應能保持在給定值附近。但在破碎系統(tǒng)中，由丁負荷波動的頻率和幅度均較大，這樣被控對象的模型參數(shù)是一個隨時變化且有隨機擾動影響的過程，所以無法建立具體的自動控制模型．從現(xiàn)場條件和技術(shù)角度看，不具備府用的條件。

2.2.3 模糊邏輯拄制方式

模糊邏輯控制方式采用20世紀90年代模糊智能控制技術(shù)，是智能Fuzzy理論的發(fā)展，自20世紀60年代模糊理論的提出，至今已在自動控制、人工智能、圖像識別、農(nóng)作物培育等諸多領(lǐng)域得到廣泛應用，特別是對那些非線性的、影響因素多、難以建立準確數(shù)學模型的復雜系統(tǒng)，有著無可比擬的優(yōu)越性。

應用模糊理論，可將人工經(jīng)驗上升為數(shù)值運算，使以往憑操作者經(jīng)驗實現(xiàn)的手動控制，通過控制器來實現(xiàn)自動控制。模糊控制器的設計通過單片機根據(jù)輸人信息，按照總結(jié)于手動控制的策略取得的語言控制進行推理，給出輸出判斷，并且將其轉(zhuǎn)化為準確量反饋到控制對象，從而達到實時控制。這種控制過程可以不具備數(shù)學模型，把一個復雜的過程以語言形式定性描述，并實現(xiàn)對控制設備的可靠輸出。

基于上述分析，我們不難發(fā)現(xiàn)模糊控制技術(shù)能夠適應破碎機系統(tǒng)參數(shù)變化頻繁以及調(diào)節(jié)量大的工況需要，可設定由理論和經(jīng)驗得來的最佳運行功率值�？刂破骱歉鶕�(jù)模糊邏輯推理，追蹤破碎機電機電流的變化，調(diào)節(jié)給料皮帶轉(zhuǎn)速，時時地改變下料量，使破碎機的工作電流控制在設定的最佳值附近，實現(xiàn)破碎機保持恒功率高效運行。

2.2.4 總體方案設計

決定破碎機電機保持恒功率使之處于理想范圍下的關(guān)鍵是實時改善給料條件，調(diào)節(jié)皮帶給料機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)下料量，控制破碎機運行電流�；�于上述控制思路，采用模糊控制技術(shù)、設計出以下總體方案，如圖2所示。

其基本工作方式是：根據(jù)破碎機電機主回路側(cè)電流互感器采集的電流值，經(jīng)霍爾變送器傳人模糊控制器，經(jīng)過模糊推理作出判斷、并發(fā)出指令．給變頻器輸出信號、調(diào)镕皮帶給料機的轉(zhuǎn)速，這種采集一判斷一輸出一控制的過程在反復和連續(xù)不斷地進行，使破碎機的工作始終保持在理想恒功率狀態(tài)下。

此系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：

(1)可根據(jù)生產(chǎn)需要和實際情況進行參數(shù)沒定，模糊智能控制的結(jié)果是在保護電機及傳動設備的前提下，可最大限度地提高設備利用率以提高生產(chǎn)效率；

(2)可設計具備多種聯(lián)鎖控制和保護功能，實現(xiàn)自動起�？刂疲�可有效防止設備埋料、堵轉(zhuǎn)等惡性故障的發(fā)生；

(3)設計了手動、自動給料方式，便于特殊情況下維持設備運行，及便于檢修和其他操作；

(4)實現(xiàn)了控制智能化，操作簡單，可靠性強，維護量很小。

3 系統(tǒng)組成及工作原理

從系統(tǒng)原理簡圖上．我們呵看出系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

(1)破碎機電機的電流采集和轉(zhuǎn)換部分、包括電機主凹路側(cè)的電流互感器和霍爾變送器；

(2)模糊邏輯控制器；

(3)三相交流變頻器；

(4)電機及現(xiàn)場附加控制部分。

以下對系統(tǒng)中主要元器件的工作原理進行分別說明。

3.1 霍爾變送器

霍爾變送器主要用于特檢測到的電機負荷電流信號轉(zhuǎn)換成模糊控制器可接受的標準毫安級電信號，霍爾變送器是利用霍爾元件的霍爾效應來進行工作的。所謂霍爾效應，即霍爾元件在電磁力的作用下，其內(nèi)部的自由電子在磁場中運動受格倫茲力的作用，使電子向垂直于磁場和自由電子運動的方向移動，并在端面上產(chǎn)生電荷積累，而此時霍爾元件兩側(cè)會產(chǎn)生一個與控制電流J和磁場磁通5乘積成正比例的電勢UH，其公式為：

單位電流、單位磁場作用下，開路的霍爾電勢輸出值，產(chǎn)生的電勢叫霍爾電勢�；魻栕兊�器就是由霍爾元件組成的，具有在靜止狀態(tài)下感受磁場從而糧較大電流轉(zhuǎn)換成一定的微電壓信號的能力，其具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應寬、動態(tài)范圍大、使用壽命長等特點．其原理如圖3所示。

破碎機電機主回路側(cè)的電流互感器二次側(cè)電流范圍是0-5A，而模糊控制器要求的輸入電流為毫安級，根據(jù)霍爾變送器的規(guī)格標準選擇型號為：LM型，變換比為1000∶1。

3.2 模糊邏輯控制器

設計一個Fuzzy模糊邏輯控制器，必須解決以下三個方面的問題：

(1)準確量的Fuzzy化，把語言變量的語言值轉(zhuǎn)換為某適當?shù)恼撚蛏系腇uzzy子集；

(2)Fuzzy控制算法的設計，通過一組Fuzzy條件語句構(gòu)成控制規(guī)則、并計算控制規(guī)則決定的Fuzzy關(guān)系；

(3)輸出信息的Fuzzy判斷，完成由Fuzzy量到相確量的轉(zhuǎn)化。所渭Fuzzy控制只是在所采用的控制方法上使用了Fuzzy即數(shù)學理論．但它所進行的完全是定性的工作。

但Fuzzy控制器的設計也存在—些有待解決的問題：如怎樣更實用、有效地判別控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如何選取確定采樣時間量化等級以及Fuzzy條件語條數(shù)的優(yōu)化語控制規(guī)則的修正有無普通方法，如何規(guī)定所使用語言值的辭義的定義，如何減少對計算機儲量的要求等等，還有待進一步的探索、研究和完善。

本系統(tǒng)具體應用時，考慮到破碎系統(tǒng)具有頻繁的隨機變化情況和較強的時滯特性、采用基本的Fu研控制器難以取得滿意的控制效果，因此選擇了通過測量、控制量校正和控制規(guī)則修正，實現(xiàn)在線修正和改善控制規(guī)則的智能模糊控制方案。

模糊控制器是本系統(tǒng)的核心部分，破碎機負荷及狀態(tài)信號經(jīng)過控制器模糊推理之后發(fā)出指令，傳送到交流變頻器控制其輸出。

模糊控制器的控制結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

原理說明：設W為當前設定值；en為當前誤差；M1、M2為控制模式切換界面，M2＜M1。

(1)當誤差｜en｜≥M1時，用二位式控制模式．只有當｜en｜≤M1時，才考慮其他特征值，并用相應的模式控制以減少動態(tài)過程時間；

(2)當誤差M2≤｜en｜＜M1時，若誤差有增大趨勢或保持不變，應加上一個較大的統(tǒng)制量，以盡快糾正誤差。如果此時誤差具有收斂趨勢，顯然這個控制是合適的，應保持它。而控制量en改變的大小取決于歷史數(shù)據(jù)對誤差變化的速度等參數(shù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行在線推測，以得到相應的控制規(guī)則；

(3)當｜en｜＜M2此時，系統(tǒng)誤差很小，控制量應謹慎，因為此時控制對象已趨于設定位并正在穩(wěn)定下降，這時只能在原來的控制值上加一個很小的糾正量，以便逐漸趨于設定值，特別是誤差收斂時，還應及時盡早減少控制量，在規(guī)則中應保持模式參數(shù)來控制該提前量的大小。

3.3 變額器

變頻控制技術(shù)是目前交流異步電動機調(diào)速控制中一種較先進和值得推廣的一項技術(shù)。變頻器通過改變電機的輸人頻率，來實現(xiàn)對交流異步電動機的無極調(diào)速，對其工作原理在此不作過多的論述。破碎機上料系統(tǒng)皮帶電機采用了變頻調(diào)速控制，變頻器選用的是日本東芝生產(chǎn)的VF—A5系列變頻器，型號為VF—A5—4055P。

4 系統(tǒng)具體實現(xiàn)功能

本系統(tǒng)中破碎機主電機的額定電流為46A，額定電壓為6kv，功率380kw。根據(jù)實際情況，取定的設定值為42A，第一上限值為37A，第二上限值為48A，下限報警值為34A。

4.1 控制器的主要控制功能

破碎機的負荷調(diào)節(jié)：在控制器上可通過鍵盤設定最優(yōu)負荷電流值(設定值)、負荷電流上限(第一、第二兩級)報警值和下限報警使。

(1)在正常情況下(報警值以內(nèi))，當破碎機在一段時間的平均負荷低于設定值時，使給料電機加速，反之則使電機減速；

(2)當破碎機在一段時間的平均負荷高于第一上限報警時，給料電機減速至低于報警值的10％消除報警，破碎機連續(xù)超出第一上限值達8s時使給料電機急劇陣至當前速度的50％，當連續(xù)超出第一上限值達12s時，給料電機速度急降至零；

(3)一旦破碎機的平均負荷高于第二上限報警值時，使給料電機速度急降至零，直至負荷降至低于第一上限報警值的10％時，給料電機方可加速，連續(xù)超過第二上限值達8s時全系統(tǒng)停機。

4.2 聯(lián)鎖功能

控制器與主電機設計有聯(lián)鎖啟動功能，即只有當主電機正常工作信號到達控制器，才能啟動給料電機，正常運行中一旦得到主電動機故障信號、立即停止給料，防止事故進一步擴大。

4.3 機旁停機

在日常巡撿時，若發(fā)現(xiàn)進料中有異物或其他緊急情況，會對人身和設備造成不良后果時，可進行機旁停機，模糊控制器停止工作，給料機隨之停機。

5 系統(tǒng)總體調(diào)試

系統(tǒng)安裝全部完成后，在正式投人生產(chǎn)前，需要對系統(tǒng)的功能和工作過程進行全面調(diào)試，檢驗系統(tǒng)是否按要求正常工作。

5.1 系統(tǒng)調(diào)試工作過程和攝作步驟

系統(tǒng)調(diào)試工作過程和操作步驟如下：

(1)檢查控制柜上元件及儀表接線是否正確，檢查破碎機電機互感器電流端子回路是否連接可靠；

(2)合上控制器電源開關(guān)，相應的指示燈亮；

(3)將選擇開關(guān)打到自動位置，將控制器的給料開關(guān)合上，系統(tǒng)進人工作準備狀態(tài)；

(4)啟動破碎機電機及以下流程聯(lián)鎖皮帶，可由電氣聯(lián)鎖集中控制方式進行；

(5)控制器得到聯(lián)鎖起車指令后，立即進入工作狀態(tài)，控制給料電機開始運轉(zhuǎn)，并進人自動控制狀態(tài)；

(6)停機時可由集中控制實現(xiàn)，也可按操作箱上停機按鈕，并將選擇開關(guān)打至零位；

(7)當采用手動控制即選擇開關(guān)打至手動位置時，模糊控制器停止工作，由手動進行開停機和調(diào)速控制；

(8)當操作系統(tǒng)斷電、破碎機故障停機或破碎機電流過小系統(tǒng)判斷為主機聯(lián)軸節(jié)脫開等情況發(fā)生時，控制器進行保護性停機。

5.2 系統(tǒng)調(diào)試

前面我們已經(jīng)對系統(tǒng)的控制功能進行了介紹，在系統(tǒng)調(diào)試過程中要進一步確認控制功能是否完全滿足預設的控制給料電機的調(diào)速規(guī)則。我們采用人為形成負荷波動即人為變化料倉閘門開度的方法，實際觀察并檢驗了系統(tǒng)對給料電機的速度調(diào)節(jié)情況和主電機電流變化情況。

(1)使全系統(tǒng)進入自動工作狀態(tài)，并開始下料；

(2)調(diào)節(jié)料倉閘門開口度的大小，增大開口度，使主電機電流增加，觀察給料電機速度及主電機電流的變化；

(3)繼續(xù)加大閘門開口度，使破碎機電機電流增大，觀察給料電機速度是否急劇下降，以及主電機電流的變化；

(4)繼續(xù)加大閘門開口度，使破碎機電機電流快速達到47A以上，觀察給料電機是否停止運行；

(5)減小閘門的開口度，使破碎機電機工作電流小于42A，觀察給料電機運行速度及主電機電流變化情況。

如上述每一步調(diào)試過程中，與預定的規(guī)則不符，則需檢查硬件和軟件系統(tǒng)存在的問題，如發(fā)現(xiàn)破碎機生產(chǎn)效率比人工調(diào)節(jié)時低，可適當調(diào)整設定值、如果破碎機運行到上限值時發(fā)生了壓料、堵轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，則需適當調(diào)低上限電流值，上述調(diào)整可通過模徹控制器的操作鋌盤來實現(xiàn)。

通過現(xiàn)場實際運行調(diào)試，確認好最優(yōu)負荷電流值(設定值)、負荷電流上限(第一、第二兩級)報警值和下限報警值后，即可將整個控制系統(tǒng)投入自動運行狀態(tài)，使破碎機保持恒功率高效穩(wěn)定運行。

6 結(jié)語

該控制系統(tǒng)已成功應用在首鋼礦業(yè)公司燒結(jié)廠4臺錘式破碎機給料控制中，效果顯著，一方面使破碎機一直滿負荷高效運行，大大節(jié)約了電能消耗；另一方面又避免了電機過負荷運轉(zhuǎn)，降低了電機燒損故障的發(fā)生，具有廣泛的推廣應用價值。