浮法玻璃生產(chǎn)線退火窯溫度靠控制冷卻風(fēng)閥的氣動或電動執(zhí)行器來實現(xiàn)，該執(zhí)行器能否穩(wěn)定運行直接關(guān)系到退火窯的作業(yè)制度，是保證玻璃退火質(zhì)量的關(guān)鍵因素。我公司一條浮法生產(chǎn)線的退火窯采用的是法國Bergard公司的電動執(zhí)行器，但因現(xiàn)場環(huán)境溫度過高，造成執(zhí)行器的伺服系統(tǒng)元器件老化，伺服放大器經(jīng)常出現(xiàn)不動作、振蕩等故障，嚴重時燒壞執(zhí)行器的電動機，雖經(jīng)多次維修，更換新的伺服模塊或整套執(zhí)行器，但都難以在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運行，使設(shè)備的運行維護成本大大增加，還給生產(chǎn)帶來較大影響，為此，決定對15臺執(zhí)行器進行技術(shù)改造。

1、原系統(tǒng)工作原理

　　退火窯風(fēng)閥執(zhí)行器受控于DCS系統(tǒng)，我公司DCS采用的是SIEMENS公司的S7-400H冗余系統(tǒng)，各風(fēng)閥開度值由中控室操作人員從上位機給定，4～20mA電流信號經(jīng)DCS的模擬量輸出模塊SM332輸出到控制風(fēng)閥的電動執(zhí)行器，執(zhí)行器內(nèi)部的伺服放大器將此信號與位置反饋信號進行比較，得到偏差信號，此信號經(jīng)過放大，驅(qū)動伺服電機的正反轉(zhuǎn)，再經(jīng)執(zhí)行器減速器減速，帶動輸出軸改變轉(zhuǎn)角，輸出軸轉(zhuǎn)角的變化又使新的位置信號反饋給伺服放大器比較，直至偏差信號小于死區(qū)位置，此時輸出軸就穩(wěn)定在與輸入信號相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角位置上，原理如圖1所示。

圖1原系統(tǒng)原理圖

　　根據(jù)以往經(jīng)驗經(jīng)常出現(xiàn)故障的部位集中體現(xiàn)在電動執(zhí)行器內(nèi)部的伺服放大器部分，伺服放大器雖然接收的是模擬信號，但最終控制執(zhí)行器伺服電機的確是開關(guān)量信號(數(shù)字信號)，我們能否去掉因不能在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作的伺服放大器，而改由DCS系統(tǒng)直接控制伺服電機的動作從而實現(xiàn)伺服放大器的功能呢?答案是肯定的。

2、改造措施

2.1、硬件構(gòu)成

　　在原來的S7-400H系統(tǒng)中拆除模擬量輸出模塊SM332，增加二塊8路模擬量輸入模塊SM331，增加一塊16路數(shù)字量輸出模塊SM322，出于安全考慮，我們不用數(shù)字量輸出模塊直接驅(qū)動電機，而是增設(shè)歐姆龍24V繼電器用于控制電機正反轉(zhuǎn)，并保留原限位開關(guān)實現(xiàn)電機及傳動機構(gòu)的硬件保護。模擬量輸入模塊的輸入信號種類用安裝在模塊側(cè)面的量程卡(或稱量程模塊)來設(shè)置，模塊每兩個通道為一組，共用一個量程卡，將所有量程卡均設(shè)置在B位置，即量程卡上的標(biāo)記B旁邊的三角形箭頭應(yīng)對準(zhǔn)模塊上的標(biāo)記，B位置包括4種電壓輸入，量程為+/-10V。位置反饋信號接入模塊之前，要確保量程卡在正確位置，否則將損壞模擬量輸入模塊。0～10V的位置反饋信號通過屏蔽電纜接至模擬量輸入模塊SM331，屏蔽層在柜內(nèi)要可靠接地。改造后的系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 改造后的系統(tǒng)原理圖

2.2、軟件組態(tài)

　　軟件方面的首要工作就是通過西門子公司的PLC編程軟件Step7對新的硬件系統(tǒng)進行組態(tài)和參數(shù)設(shè)置，以確保模塊正常工作。

　　(1)擬量輸入模塊SM331要在參數(shù)設(shè)置中設(shè)為允許診斷中斷和模擬值超過限制值的硬件中斷，并將各通道產(chǎn)生超限中斷的上限值和下限值設(shè)為10V和0.1V。

　　(2)SM331各通道的測量種類均選擇為“E”表示測量種類為電壓，量程選項均選+/-10V，要確保量程卡的位置與step7中的設(shè)置保持一致，否則模塊不能正常工作。

　　(3)下面我們要編制plc程序來實現(xiàn)原伺服放大器的功能，0～10V的“位置反饋信號”由模擬量輸入模塊SM332接入dcs，經(jīng)SM332內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量對應(yīng)為0～27648，dcs將此值即程序中的過程變量“position”與設(shè)定的上下限閥值比較，如超限則電機停轉(zhuǎn)，鎖定閥位，此時電機轉(zhuǎn)動的控制信號只能反向輸出，從而實現(xiàn)電機及傳動機構(gòu)的軟件保護，上下限閥值根據(jù)實際情況選為60～27586，對應(yīng)實際閥位為0.2～89.8°;如未超過上下限值，dcs將此信號與給定值(程序中的“DB4.MAN1”)比較后控制電機轉(zhuǎn)動，特別需要指出的是，由于反饋信號不可避免地混有噪聲信號，所以為了避免電機頻繁動作，在控制程序中必須加入不靈敏區(qū)即：“死區(qū)”，并合理設(shè)值。以正轉(zhuǎn)為例部分程序如下：

　　⋯

　　Network3：

　　AN #protect_R //正轉(zhuǎn)保護未動作

　　JNB_0c2 //如保護動作跳轉(zhuǎn)結(jié)束本段程序

　　L "DB4"。MAN1 //閥位人工給定值

　　L #position //位置反饋值

　　-R //求差

　　T#difference //得到位置反饋與人工給定的差值

　　⋯

　　L #difference

　　L #d_zone //死區(qū)值

　　>R //比較，若差值大于死區(qū)值

　　=

　　⋯ #FWD //輸出正轉(zhuǎn)信號

　　從上述程序可以看出，當(dāng)位置信號#position小于給定值"DB4".MAN1，且偏差#difference大于死區(qū)設(shè)定值#d_zone時，執(zhí)行器正傳(#FWD=1)，隨著執(zhí)行器的運動，位置反饋信號將逐步增加(減少)當(dāng)偏差值小于死區(qū)的設(shè)定值時，給執(zhí)行器斷電，利用執(zhí)行器的慣性保持偏差進一步縮小。如果死區(qū)值設(shè)置過大，則會使執(zhí)行器輸出不能很好地跟蹤輸入信號，降低控制精度。若死區(qū)值設(shè)置過小當(dāng)電動機斷電時，由于慣性惰走，反饋增大使偏差值反向越過死區(qū)，從而導(dǎo)致電動機反向轉(zhuǎn)動，如此反復(fù)動作，出現(xiàn)自振蕩故障，對系統(tǒng)危害較大。我們實際調(diào)試時，電機停轉(zhuǎn)后因慣量前沖，反饋信號還有約0.02V左右的變化，因此我們將信號死區(qū)值定為0.05V，程序中對應(yīng)的數(shù)字量為27648/10×0.05=138.24，實際對應(yīng)閥位變化約為0.45°。風(fēng)閥轉(zhuǎn)角有0.45°的不靈敏區(qū)對風(fēng)量控制基本沒有影響，因此將程序中的死區(qū)定值在138，即d_zone=138。另外，盡量減小執(zhí)行器傳動機構(gòu)的機械配合間隙，也是避免振蕩、提高控制精度的有效手段。

3、結(jié)束語

　　利用dcs系統(tǒng)靈活、強大的編程功能，通過軟件實現(xiàn)電動執(zhí)行器的開關(guān)量控制，去除了成本昂對、故障率高的伺服驅(qū)動器，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，減小了維修量，降低了維修成本。自09年該項目技改調(diào)試成功后，退火風(fēng)閥控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，為提高退火質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。