PID控制在乳化炸药井下装药车上的应用

沈言夫

（湖南金能科技股份有限公司，湖南 长沙 410006）

乳化炸药井下装药车作为地下矿山开采现场混制装填乳化炸药的生产设备，其有成本低廉、结构紧凑、自动化程度高、能适应40m以上全方位炮孔、机械化作业、人工劳动强度小等优点。是地下矿山爆破作业设备的最佳选择，代表了其发展方向。

PID控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。

装填炸药时，装填过多则炸药返料、装药管堵塞。装填过少造成爆破效果差。采用PID控制，将退管速度与装药速度做闭环控制，实现连续稳定装药。

1 PID基本原理

在模拟控制系统中，控制器中最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出构成控制偏差。

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其控制原理如图1。

图1 控制原理

PID控制的传递函数为：

简单来说，PID控制各校正环节的作用如下：

（1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控作用，以减少偏差。

（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。

（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率）、并能在偏差信号变得过大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

2 系统硬件组成

乳化炸药井下装药车的设备采用液压驱动，液压元件采用美国丹佛斯比例多路阀进行收放管的控制，比例控制为0～10V的电压信号。

电控系统采用西门子300PLC，编程软件采用西门子STEP7-5.5。其组态图如图2。

图2 系统组态

送/退输药管的速度，通过卷筒轴芯上的高速计数接近开关，测量卷筒转动时脉冲数，最终计算得出。

装药柱塞泵的运转效率，通过柱塞泵上的接近开关，可测量装药柱塞泵的往复运动次数。

3 控制思路

采用PID控制时，需要得到SP_INT和PV_IN，即目标值与实际值。此处我们需要算出退管速度的目标值与退管的实际速度值。

测量每次扫描周期内装药泵的运动次数，通过炮孔半径，装药泵每次运动输出的装药量，可计算出扫描周期内退管速度，即为PID的目标退管速度。其计算公式为：

其中C为单次扫描周期内泵的运动次数。T为扫描周期时间，此处扫描时间设置为1S。N为基质泵往复运动一次的装药容积。R为装药孔半径。L为扫描周期（1S）时间内的目标退管速度。则目标退管速度公式：

测量退管速度，通过每次扫描周期内退管卷筒的脉冲次数，每个脉冲的间距长度，测量出退管实际速度，其计算公式为：

其中C为每次扫描周期内退管卷筒的脉冲次数。T为扫描周期时间，此处扫描时间设置为1S。M为每个脉冲的间距长度。S为扫描周期（1S）时间内的实际退管速度。

由于西门子300的PID中，SP_INT和PV_IN是为-100和 +100 %间的浮点格式值。则需要通过公式将其转换：

4 程序的编写

根据公式，可将程序进行编写。

目标退管速度编写：

PID的编写：调用西门子300标准库中的FB41功能块，进行连续控制。将目标速度与实际速度填入SP_INT和PV_IN。

其中COM_RST为自动执行的初始化程序。GAIN为"比例值"输入指定控制器增益。TI为"复位时间"输入决定积分器的时间响应。TD为"微分时间"输入决定微分单元的时间响应，此项目未使用微分。LMN_HLM为"操作值上限"输入指定上限。LMN_LLM为"操作值下限"输入指定下限。输出参数LMN为"操作值"输出处的浮点格式输出。

其中CAIN和TI，需要在实际现场进行调试设定。根据输出的震荡情况和响应时间关系进行实时调整，达到最终的设定值。

图3 PID块调用

5 实际应用

乳化炸药井下装药车在青海庆华矿业肯德可克铁矿的实际使用中，原先采用传统的固定速度退管，常因为装药装填过多造成炸药返料、装药管堵塞。装填过少造成爆破效果差。后经过改进，采用PID进行装药退管速度匹配，装药返料、装药管堵塞现象极大减少，且爆破效果好，爆破块度小。获得了公司和客户的一致好评。

6 结语

本文介绍了PID控制在乳化炸药井下装药车中的应用，介绍了原理，得到了运算公式，编写了程序，并以实际使用得到验证。以此得出结论：在井下装药时，使用PID控制，可有效提高爆破效率和爆破效果。