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(shè)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(yīng)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(wù)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(shè)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(zhǔn)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(shè)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(xué)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(yīng)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(jì)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(jì)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(yīng)用，特別是對那些非線性的、影響因素多、難以建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)，有著無可比擬的優(yōu)越性。

應(yīng)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(shè)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(zhǔn)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(xué)模型，把一個復(fù)雜的過程以語言形式定性描述，并實現(xiàn)對控制設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(fù)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(shè)備的前提下，可最大限度地提高設(shè)備利用率以提高生產(chǎn)效率；

(2)可設(shè)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(shè)備埋料、堵轉(zhuǎn)等惡性故障的發(fā)生；

(3)設(shè)計了手動、自動給料方式，便于特殊情況下維持設(shè)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(biāo)準(zhǔn)毫安級電信號，霍爾變送器是利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)來進行工作的。所謂霍爾效應(yīng)，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?fàn)顟B(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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)選擇型號為：LM型，變換比為1000∶1。

3.2 模糊邏輯控制器

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

(2)Fuzzy控制算法的設(shè)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(xué)理論．但它所進行的完全是定性的工作。

但Fuzzy控制器的設(shè)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(yīng)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(shè)W為當(dāng)前設(shè)定值；en為當(dāng)前誤差；M1、M2為控制模式切換界面，M2＜M1。

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

(2)當(dāng)誤差M2≤｜en｜＜M1時，若誤差有增大趨勢或保持不變，應(yīng)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(yīng)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(yīng)的控制規(guī)則；

(3)當(dāng)｜en｜＜M2此時，系統(tǒng)誤差很小，控制量應(yīng)謹(jǐn)慎，因為此時控制對象已趨于設(shè)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(shè)定值，特別是誤差收斂時，還應(yīng)及時盡早減少控制量，在規(guī)則中應(yīng)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(shè)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(shè)定最優(yōu)負荷電流值(設(shè)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(dāng)破碎機在一段時間的平均負荷低于設(shè)定值時，使給料電機加速，反之則使電機減速；

(2)當(dāng)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(dāng)前速度的50％，當(dāng)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(shè)計有聯(lián)鎖啟動功能，即只有當(dāng)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(shè)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(yīng)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(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(yù)設(shè)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(yù)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(dāng)調(diào)整設(shè)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(dāng)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(shè)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(yīng)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(yīng)用價值。