張一帆,程 琤

(1.漯河醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校,河南 漯河 462002; 2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院,河南 鄭州 450046)

要實(shí)現(xiàn)毛紡工業(yè)的高質(zhì)量自動(dòng)化生產(chǎn),就要提高毛紡織機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化控制程度[1]。速度是紡織機(jī)械設(shè)備工作過程中最為關(guān)鍵的參數(shù)之一,受機(jī)械設(shè)備本身、生產(chǎn)工藝水平以及生產(chǎn)材料等因素的影響,生產(chǎn)過程中,設(shè)備的運(yùn)行速度很容易偏離理想數(shù)值。速度過慢雖然能保證生產(chǎn)質(zhì)量,但是無法保證高工作效率;速度過快雖然提高了效率,但是生產(chǎn)質(zhì)量就會(huì)受到影響[2]。如何讓速度這一參數(shù)穩(wěn)定在理想水平上一直是毛紡工業(yè)生產(chǎn)中研究的重點(diǎn)。在自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,控制器的選擇及其對應(yīng)控制算法的使用是關(guān)鍵?？刂扑惴ㄍㄟ^不斷調(diào)節(jié)系統(tǒng),糾正生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的速度偏移,以便讓紡織設(shè)備的工作速度能盡可能地回到設(shè)定的理想水平上。目前,控制器對應(yīng)的控制算法主要有3種,PID控制算法、模糊控制算法以及二者混合控制算法,其中前2種各有缺陷,PID控制算法容易產(chǎn)生累積誤差,模糊控制算法則是魯棒性能差,二者混合控制算法雖然彌補(bǔ)了彼此存在的缺陷,但是運(yùn)算量大[3]。針對這一點(diǎn),本文擬設(shè)計(jì)一種毛紡工業(yè)可編程控制器(PLC)自動(dòng)化系統(tǒng),通過研究數(shù)據(jù)訪問層、PL業(yè)務(wù)邏輯層和表示層的實(shí)現(xiàn)方式及其之間的交互方式,深入分析速度傳感器的工作原理,并優(yōu)化實(shí)時(shí)濾波處理算法,同時(shí)研究可編程控制器中的粒子群PID算法,確保準(zhǔn)確計(jì)算毛紡織設(shè)備的速度控制量,探究變頻器的工作原理和控制方法,以期設(shè)計(jì)一個(gè)功能完善的系統(tǒng)框架,將毛紡織設(shè)備運(yùn)行速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為控制指令并發(fā)送給變頻器,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行控制,并驗(yàn)證該系統(tǒng)在提高毛紡織設(shè)備速度控制精度和穩(wěn)定性方面的效果,以期降低毛紡織設(shè)備速度誤差,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于B/S 3層結(jié)構(gòu)模型,設(shè)計(jì)本文系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)框架分為3層,如圖1 所示。數(shù)據(jù)訪問層主要負(fù)責(zé)采集實(shí)現(xiàn)PLC控制器所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫當(dāng)中;中間層是PLC的業(yè)務(wù)邏輯層,負(fù)責(zé)運(yùn)行各個(gè)功能模塊,解析控制指令、發(fā)送控制指令;表示層負(fù)責(zé)人與系統(tǒng)的交互以及結(jié)果的反饋。

圖1 PLC自動(dòng)化系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 PLC automation system framework structure diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以PLC為核心,上端連接觸摸屏顯示單元,下端連接傳感單元,左端連接系統(tǒng)電源單元,右端連接執(zhí)行單元[4]。下面將對其中關(guān)鍵硬件進(jìn)行分析。

2.1 磁電式速度傳感器

PLC運(yùn)算得出的毛紡織設(shè)備速度控制量,以傳感器采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。本文系統(tǒng)是基于控制紡織設(shè)備運(yùn)行速度而設(shè)計(jì)的,采用HCH-M12-C43T-H磁電式速度傳感器(湖北杭榮電氣有限公司)[5]為傳感器設(shè)備,其供電電源為DC 4.5～24V,輸出電流≤50 mA,響應(yīng)頻率≤20 kHZ,環(huán)境溫度為-30～50 ℃,動(dòng)作距離≤3 mm,如圖2所示。

圖2 磁電式速度傳感器Fig.2 Magnetoelectric speed sensor

紡織設(shè)備的運(yùn)行速度主要來源于電動(dòng)機(jī)。為了測量紡織設(shè)備的運(yùn)行速度,首先需要在目標(biāo)設(shè)備的電動(dòng)機(jī)上安裝傳感器。傳感器中的感應(yīng)元件可以感知電動(dòng)機(jī)的速度信號,并通過感應(yīng)元件帶動(dòng)傳感器線圈產(chǎn)生磁力線變化。這個(gè)過程會(huì)在傳感器線圈中生成周期性的電壓,其電壓值與速度呈正相關(guān)關(guān)系。因此,通過測量電壓輸出頻率,可以準(zhǔn)確測量紡織設(shè)備的運(yùn)行速度[6]。

本文系統(tǒng)中使用的速度傳感器包含內(nèi)置磁電式加速度敏感線圈,以及放大、濾波、積分等主要電路。該傳感器具有輸出信號強(qiáng)、頻率范圍寬、抗干擾性能好、動(dòng)態(tài)范圍大和可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢,能夠保證對紡織設(shè)備運(yùn)行速度的準(zhǔn)確采集[7]。

2.2 可編程控制器PLC

PLC屬于一種特殊的計(jì)算機(jī),是專門為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。與普通類型的計(jì)算機(jī)相比,PLC的運(yùn)算能力更強(qiáng),抗干擾能力更為優(yōu)秀,將其作為自動(dòng)化系統(tǒng)的核心,能夠有效提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行能力[8]。本文系統(tǒng)中的PLC選用FX5U-80 MT/ESS三菱PLC(上?？狭怆姎庥邢薰?,其優(yōu)勢在于:①中央處理器CPU處理速度達(dá)到了0.065 μs/基本指令,能夠提高系統(tǒng)的運(yùn)算速度;②內(nèi)置高達(dá)64 K步的大容量RAM存儲(chǔ)器,幫助系統(tǒng)硬件更快地運(yùn)行;③通過CC-Link網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展可以實(shí)現(xiàn)最多達(dá)384點(diǎn)的控制,可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制多臺(tái)紡織設(shè)備;④內(nèi)部軟元件的數(shù)量較多,能夠?yàn)橄到y(tǒng)軟件模塊的開發(fā)提供有力支持。

以PLC為核心,與外圍設(shè)備進(jìn)行接線,實(shí)現(xiàn)互相通信?？偨泳€圖如圖3所示。

圖3 PLC總接線圖Fig.3 PLC general wiring diagram

2.3 變頻器

變頻器的主要作用是調(diào)節(jié)紡織設(shè)備中電動(dòng)機(jī)的電壓或電流,從而控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度[9]。變頻器是系統(tǒng)執(zhí)行單元中最為關(guān)鍵的執(zhí)行設(shè)備,本文系統(tǒng)采用FR-E700型變頻器(上饒市共創(chuàng)電氣有限公司),其優(yōu)勢是具有多種磁通矢量控制方式,在0.5 Hz情況下,使用先進(jìn)磁通矢量控制模式可以使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩在短時(shí)間內(nèi)提高到200%,使系統(tǒng)的自動(dòng)化執(zhí)行能力得到極大提升。此外,該變頻器短時(shí)超載增加到200%時(shí)能允許3 s持續(xù)時(shí)間,可以極大減少誤執(zhí)行的發(fā)生。該變頻器通過三菱CC-LINK網(wǎng)路方式,與PLC直接通信以執(zhí)行PLC下達(dá)的控制指令[10]。

3 軟件設(shè)計(jì)

在PLC可編程控制程序中主要包括2個(gè)子程序,即PLC輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理子程序以及PLC自動(dòng)化運(yùn)算和控制子程序[11]。下面針對這2個(gè)子程序進(jìn)行具體分析。

3.1 預(yù)處理

利用PLC算法進(jìn)行控制時(shí),需要以磁電式速度傳感器采集到的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度信號為參照。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度以電信號形式輸出,受到采集環(huán)境以及采集操作等因素的影響,輸出的速度數(shù)據(jù)需要進(jìn)行濾波處理[12]。

變分模態(tài)分解(VMD,Variational Mode Decomposition)是一種多尺度、自適應(yīng)的信號分解方法,可以將原始信號分解為多個(gè)具有不同調(diào)頻特性和能量分布的模態(tài)分量。這些模態(tài)分量表示了原始信號在不同頻率范圍和振幅變化上的特征。在振動(dòng)信號處理中,IFM分量是指通過VMD方法對不同狀態(tài)下的振動(dòng)信號進(jìn)行分解得到的各個(gè)分量。每個(gè)IFM代表著振動(dòng)信號中存在的一個(gè)特定頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)成分。各個(gè)IFM可以根據(jù)其頻率特性和能量分布進(jìn)行獨(dú)立的分析和處理,以提取其中的特征信息。

處理流程如下:首先輸入采集到的速度數(shù)據(jù),記為A(t)。信號A(t)中包含:

(1)

式中:ai(t)代表第i個(gè)IFM分量;bn(t)代表殘余分量;n代表IFM分量總數(shù);t代表數(shù)據(jù)采集時(shí)刻。

從式(1)可以看出,A(t)中包含若干個(gè)IFM分量和1個(gè)bn(t)。噪聲大部分都存在高頻分量,而有效成分多集中在低頻部分,因此只要從若干個(gè)IFM分量中區(qū)分出高頻分量和低頻分量就可以實(shí)現(xiàn)濾波處理?；诖?計(jì)算每個(gè)IFM 分量的能量值,能量值最小對應(yīng)的IFM 分量就是臨界 IFM 分量,將能量值大于臨界 IFM 分量能量值的IFM 分量視為存在噪聲的高頻分量[13]。針對前高頻分量,利用小波閾值方法進(jìn)行去噪。

(2)

式中:f(t)代表Harr小波函數(shù);t代表支撐域。

(3)

3.2 粒子群優(yōu)化PID算法

PLC自動(dòng)化運(yùn)算和控制子程序是系統(tǒng)的核心程序,其以PLC對應(yīng)的控制算法為核心,包括PID控制算法、模糊控制算法以及二者混合控制算法,其中PID控制算法最為常用,它通過輸入采集到的紡織設(shè)備電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度與理想速度之間差值,在比例、積分和微分3種運(yùn)算下,得出變頻器的控制量,從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)[14]。然而,PID控制算法受到比例、積分和微分3個(gè)參數(shù)的影響,其累積誤差往往較大。針對這一點(diǎn),本文利用粒子群算法對PLC的PID控制算法進(jìn)行優(yōu)化,即對PID 3個(gè)參數(shù)進(jìn)行整定。將每個(gè)粒子都通過PID 3個(gè)參數(shù)描述出來,確定每個(gè)粒子的初始位置和速度,然后執(zhí)行下述過程,得到3個(gè)最優(yōu)PID參數(shù)[15]。具體過程如下:

①設(shè)置粒子群算法參數(shù)。

②確定PID 3個(gè)參數(shù)的取值范圍。

③生成初始化種群,種群中每個(gè)個(gè)體都代表1個(gè)PID 的3個(gè)參數(shù)取值組合。

表1 相對平均誤差以及波形因數(shù)對比表Tab.1 Comparison of relative average error and waveform factor

④讓每個(gè)個(gè)體都執(zhí)行PID控制過程,然后計(jì)算控制紡織設(shè)備電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度與理想速度之間差值,將差值的倒數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù),即

(4)

式中:V′(t)代表理想速度;V(t)代表實(shí)際速度;f(xi)代表個(gè)體xi的適應(yīng)度函數(shù)值。

由所求得的相對重要度可知，人力資源政策對精益生產(chǎn)實(shí)施結(jié)果的影響最大，其次依次是企業(yè)績效管理系統(tǒng)、持續(xù)改善思想等。由影響因素的相對重要度排序得，在企業(yè)實(shí)施精益生產(chǎn)時(shí)，最應(yīng)該注意的就是企業(yè)的人力資源政策，好的人力資源政策可以凝聚員工的向心力，使員工可以更好地全身心參與精益改革的過程中去，推動(dòng)改革的成功。

⑤個(gè)體最優(yōu)和全局最優(yōu)位置替換判斷。

⑥更新個(gè)體的位置和速度。

(5)

Ik+1=Ik+υk+1

(6)

式中:υk+1、υk代表k+1次迭代和k次迭代時(shí)的粒子速度,r/min;η1、η2代表0～1之間的隨機(jī)常數(shù);Ik+1、Ik代表k+1次迭代和k次迭代時(shí)的粒子位置;Z1、Z2代表慣性因子;k代表迭代次數(shù)。

⑦重復(fù)上述過程,直至達(dá)到最大迭代次數(shù)。選出群體中適應(yīng)度最大的個(gè)體,即為PID 3個(gè)參數(shù)的最佳組合。

確定最優(yōu)參數(shù)后,按照式(7)計(jì)算變頻器的控制量。

(7)

ΔV(t)=V(t)-V′(t)

(8)

式中:ΔV(t)代表t時(shí)刻樓宇室內(nèi)溫度差;R(t)代表PID控制器的輸出量;KP代表比例系數(shù);Ki代表積分系數(shù);Kd代表微分系數(shù);V′(t)代表理想速度,r/min;V(t)代表實(shí)際速度,r/min。

得到R(t)之后,數(shù)據(jù)將被發(fā)送給變頻器,然后變頻器按照R(t)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)工作電源頻率,從而控制紡織設(shè)備電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度[16]。

4 系統(tǒng)應(yīng)用測試

4.1 應(yīng)用對象

為測試所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在毛紡織自動(dòng)化生產(chǎn)中的控制效果,以JY-01針?biāo)髢捎棉硬紮C(jī)(常熟市金堯服裝機(jī)械有限公司)作為系統(tǒng)的應(yīng)用對象進(jìn)行測試,如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)應(yīng)用對象——毛紡織設(shè)備Fig.4 System application object-wool textile machinery equipment

4.2 設(shè)備理想速度與實(shí)際運(yùn)行速度

針對圖4中的毛紡織設(shè)備,設(shè)置1個(gè)周期(50 s)內(nèi)的理想運(yùn)行速度,將傳感器布設(shè)到上述毛紡織設(shè)備的電動(dòng)機(jī)上,利用傳感器中的感應(yīng)元件感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度信號并進(jìn)行濾波處理,得到1個(gè)周期內(nèi)該設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行速度值,如圖5所示。

圖5 設(shè)備理想運(yùn)行速度與實(shí)際運(yùn)行速度對比Fig.5 Comparison between the ideal operating speed of the equipment and the actual operating speed

對比圖5中2條速度曲線可以看出,設(shè)備實(shí)際運(yùn)行速度曲線明顯偏離理想運(yùn)行速度曲線,且存在較大的波動(dòng),速度參數(shù)不僅無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制,還存在穩(wěn)定性差的問題。

4.3 粒子群算法優(yōu)化PID 3個(gè)參數(shù)

利用粒子群算法對PID 3個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果結(jié)果如圖6所示。

圖6 粒子群算法優(yōu)化PID 3個(gè)參數(shù)過程Fig.6 Particle swarm optimization process for three PID parameters

從圖6可以看出,粒子群算法優(yōu)化后,以適應(yīng)度函數(shù)值最大值為參數(shù)選取依據(jù),PID 3個(gè)參數(shù)KP、Ki、Kd的取值分別為4.23、3.14、6.52。

4.4 PLC應(yīng)用后的速度曲線

將采集到的實(shí)際運(yùn)行速度值輸入到PLC自動(dòng)化運(yùn)算和控制子程序中,計(jì)算控制量,實(shí)現(xiàn)對JY-01針?biāo)髢捎棉硬紮C(jī)1個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)行速度控制。相同測試條件下,利用傳統(tǒng)PID控制算法、模糊控制算法以及二者混合控制算法進(jìn)行毛紡織機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行速度調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)后的周期速度如圖7所示。

圖7 控制調(diào)節(jié)后毛紡織機(jī)械設(shè)備運(yùn)行速度Fig.7 Control and Adjust the Running Speed of Wool Textile Machinery Equipment

將圖7中4條運(yùn)行速度曲線分別與理想值進(jìn)行對比,經(jīng)過本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制后,毛紡織機(jī)械設(shè)備運(yùn)行速度曲線波動(dòng)明顯變小且更加靠近理想運(yùn)行速度,說明本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)起到了有效的自動(dòng)化控制效果。

4.5 系統(tǒng)應(yīng)用效果對比

為進(jìn)一步證明本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用效果,分別計(jì)算3種傳統(tǒng)PLC控制算法應(yīng)用后以及所設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用后與理想值之間的相對平均誤差以及本身波動(dòng)的波形因數(shù),相對平均誤差波形因數(shù)評估自動(dòng)化控制的準(zhǔn)確性,波形因數(shù)用于評估自動(dòng)化控制的穩(wěn)定性,見式(9)(10):

(9)

(10)

相對平均誤差以及波形因數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出,與其他3個(gè)對比項(xiàng)相比,在本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用下,紡織設(shè)備速度的相對平均誤差、波形因數(shù)更小,說明應(yīng)用該系統(tǒng)能夠讓JY-01針?biāo)髢捎棉硬紮C(jī)的工作速度更接近設(shè)定的理想水平且控制的穩(wěn)定性強(qiáng),減少了設(shè)備運(yùn)行速度的波動(dòng)。

5 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)一種毛紡織設(shè)備可編程控制器(PLC)自動(dòng)化系統(tǒng),采用B/S 3層結(jié)構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu),利用速度傳感器對毛紡織設(shè)備的運(yùn)行速度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,并進(jìn)行濾波處理,將處理后的數(shù)據(jù)傳遞給PLC,通過內(nèi)部的粒子群PID算法計(jì)算出毛紡設(shè)備的速度控制量,將控制量發(fā)送給變頻器,通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)工作電源頻率來實(shí)現(xiàn)毛紡織設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行控制。得出以下結(jié)論:

①在實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中,通過該自動(dòng)化系統(tǒng),毛紡織設(shè)備的速度相對平均誤差和波形因數(shù)較小,說明系統(tǒng)能夠使設(shè)備的工作速度更接近預(yù)設(shè)的理想水平。

②該自動(dòng)化系統(tǒng)具有較強(qiáng)的控制穩(wěn)定性和抗干擾能力,降低了設(shè)備運(yùn)行速度的波動(dòng),提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化系統(tǒng)不僅適用于毛紡織行業(yè),同樣可以推廣應(yīng)用到其他紡織行業(yè),如棉紡、化纖等,由此實(shí)現(xiàn)對不同類型的紡織設(shè)備的精確控制和穩(wěn)定運(yùn)行,提高生產(chǎn)線的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。