基于PLC和AGC系統(tǒng)在鋁箔板厚度控制中的應(yīng)用

摘要：為實(shí)現(xiàn)鋁箔板厚度的精確控制，采用了西門子S7-400PLC為核心的AGC系統(tǒng)，同時(shí)把模糊PID控制原理應(yīng)用于某鋁廠的鋁箔板厚度控制系統(tǒng)，獲得了理想的效果。詳細(xì)闡述了AGC的工作原理、系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明，系統(tǒng)的軋制精度得到有效的提高，性能指標(biāo)滿足了生產(chǎn)的需要。
關(guān)鍵詞：PLC應(yīng)用；AGC系統(tǒng)；模糊PID控制；控制精度

    目前，鋁箔產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，市場(chǎng)對(duì)鋁箔的種類、質(zhì)量、精度的要求也越來(lái)越高，特別是對(duì)于厚度僅為幾十微米的鋁箔產(chǎn)品。為了能在市場(chǎng)中立于不敗之地，必須對(duì)鋁箔的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行技術(shù)革新或改造?，F(xiàn)階段軋鋁箔行業(yè)的自動(dòng)厚度控制(Automatic Gauge Control，AGC)系統(tǒng)，大多數(shù)是依靠工業(yè)PC進(jìn)行控制，由于工業(yè)PC的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性不如PLC，所以本文針對(duì)冷軋鋁箔生產(chǎn)過(guò)程，采取增設(shè)液壓控制系統(tǒng)和以PLC為核心的AGC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的同時(shí)，也大幅度地提高了鋁箔冷軋機(jī)系統(tǒng)的控制精度。

1 AGC系統(tǒng)的組合控制
    AGC控制的目的是將軋機(jī)出口的鋁箔厚度盡可能地控制在要求的目標(biāo)值范圍之內(nèi)。因此，為獲得良好的控制精度，AGC系統(tǒng)設(shè)置了多種控制器和補(bǔ)償環(huán)節(jié)，這些控制器和補(bǔ)償環(huán)節(jié)分別由不同的測(cè)量?jī)x表和傳感器組成。AGC控制的輸出值，始終作為補(bǔ)償值施加到冷壓機(jī)系統(tǒng)的液壓壓下伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)環(huán)控制器之中?，F(xiàn)階段的鋁箔生產(chǎn)過(guò)程中，為了獲得厚度更加精確的鋁箔，盡量減少坯料波動(dòng)、軋制速度不穩(wěn)定等因素對(duì)鋁箔厚度帶來(lái)的誤差，AGC系統(tǒng)利用組合控制的方法使鋁箔厚度誤差處于可以控制的范圍之內(nèi)。
    組合控制的具體過(guò)程如圖1所示，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器的增益參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輥縫、液壓伺服缸的位置以及壓力的控制，確保了鋁箔厚度誤差值處于允許范圍之內(nèi)。一次PI調(diào)節(jié)起到了反饋控制的作用，控制器在一定的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)對(duì)鋁箔厚度作初步的PI調(diào)節(jié)；假如鋁箔厚度沒(méi)有達(dá)到期望的精度要求，AGC系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)對(duì)鋁箔厚度進(jìn)行二次PI調(diào)節(jié)，二次PI調(diào)節(jié)是基于一次PI調(diào)節(jié)的溢出部分(處于盲區(qū)位置)作為誤差信號(hào)進(jìn)行的。

2 AGC系統(tǒng)的硬件組成
    如圖2所示，采用西門子S7-400系列PLC作為AGC系統(tǒng)的核心控制單元。利用FM485功能模板提高了AGC系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的同時(shí)，也與分散的ET2 00通訊模塊組成FROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而減少了主站與測(cè)量點(diǎn)的接線。人機(jī)界面采用西門子公司生產(chǎn)TP27-6觸摸屏，使用S7-400系列的443-1CPU完成主站與人機(jī)界面計(jì)算機(jī)的通信。位移信號(hào)的測(cè)量采用德國(guó)生產(chǎn)的MTS絕對(duì)值傳感器，左／右卷機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量選用增量編碼器，利用FM485功能模板上的絕對(duì)值和增量編碼器模塊讀取位移和轉(zhuǎn)速值。相對(duì)于液壓壓下伺服機(jī)構(gòu)的位置內(nèi)環(huán)控制(APC)而言，AGC是鋁箔厚度的外環(huán)控制，其輸出信號(hào)主要是用來(lái)修正位置內(nèi)環(huán)的輥縫設(shè)定值，通過(guò)液壓伺服驅(qū)動(dòng)，使軋輥快速動(dòng)作，以達(dá)到迅速消除厚度誤差的目的。

    參與控制的信號(hào)有模擬量和開關(guān)量。模擬量信號(hào)可以使AGC系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，進(jìn)而提高了對(duì)于鋁箔的精度要求(μm級(jí))，模擬輸入信號(hào)主要由傳感器采集的位移、壓力、速度值和測(cè)厚儀所測(cè)的厚度值組成，模擬輸出信號(hào)由速度調(diào)節(jié)量和液壓機(jī)伺服的調(diào)節(jié)量組成。設(shè)置開關(guān)量信號(hào)，主要是方便操作人員通過(guò)這些開關(guān)和按鈕控制軋制鋁箔的過(guò)程，開關(guān)輸入量有測(cè)厚儀的狀態(tài)信號(hào)和觸摸屏的控制信號(hào)，輸出則包括對(duì)測(cè)厚儀的控制以及與系統(tǒng)其他部分的通訊信號(hào)等。
    AGC系統(tǒng)的控制原理框圖如圖3所示。該控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方式，測(cè)厚儀、S7-400系列PLC和軋機(jī)構(gòu)成鋁箔厚控制的外環(huán)，該外環(huán)控制由厚度監(jiān)控環(huán)的下位機(jī)完成。內(nèi)環(huán)使用了兩個(gè)閉環(huán)，分別是控制伺服液壓缸的位移傳感器回路和液壓壓下伺服機(jī)的壓力傳感回路。

3 AGC系統(tǒng)的軟件組成
    AGC系統(tǒng)的監(jiān)控軟件部分主要憑借TP27-6觸摸屏的WinCCflexible組態(tài)軟件來(lái)進(jìn)行編寫，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋁箔厚度、液壓壓力、直流調(diào)速電機(jī)的速度等值的顯示，以及AGC系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和報(bào)警等功能。對(duì)于S7-400系列PLC來(lái)說(shuō)，AGC系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分，主要依靠STEP7編程軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，STEP7是用于SIMATICPLC組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，該軟件包提供了一系列的應(yīng)用程序(工具)，其能夠支持自動(dòng)化項(xiàng)目創(chuàng)建的各個(gè)階段，利用STEP7，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)在線診斷PLC硬件狀態(tài)、控制PLC運(yùn)行狀態(tài)和I／O通道狀態(tài)，開發(fā)出符合現(xiàn)實(shí)需要的PLC控制程序。
3．1 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)原理
    在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)之前，需要考慮AGC的功能執(zhí)行過(guò)程和通信過(guò)程。如圖4所示，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)主要由三部分組成。

    (1)觸摸屏用來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)和報(bào)警信息的顯示，以及操作人員對(duì)軋機(jī)參數(shù)的設(shè)定和修改。
    (2)傳感器和伺服系統(tǒng)屬于檢測(cè)和執(zhí)行部分，實(shí)時(shí)采集各種需要的信號(hào)并傳入PLC，同時(shí)將PLC輸出的數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成傳感器和伺服系統(tǒng)的操作。
    (3)PLC則是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和處理的中心，主要功能是數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、報(bào)警判斷、輸出顯示和厚度控制。從模板輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)必須轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式才能參與數(shù)據(jù)的運(yùn)算與顯示。此外，設(shè)立公共數(shù)據(jù)區(qū)，無(wú)論是操作人員通過(guò)觸摸屏設(shè)置的參數(shù)，還是傳感器采集的參數(shù)，都必須存入公共數(shù)據(jù)區(qū)。數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)為事件觸發(fā)模式，當(dāng)AGC控制器或其他運(yùn)算需要讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，事件觸發(fā)之后就可以對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。
3．2 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示，具體可分為自動(dòng)操作和手動(dòng)操作兩部分。

    鋁軋機(jī)在工作之前，需要先將液壓站的冷水泵和加熱器打開，以便降低油溫和均勻乳化液的溫度。在自動(dòng)操作或手動(dòng)操作之后，必須進(jìn)行調(diào)零處理和P-H曲線測(cè)試，調(diào)零是為了使軋輥充分接觸；P-H曲線測(cè)試是為了去掉軋機(jī)彈性曲線中的非直線部分，消除軋輥軸承引起的輥縫誤差，避免輥縫差過(guò)大對(duì)鋁箔板行造成不良影響。當(dāng)進(jìn)行輥縫調(diào)零和P-H曲線測(cè)試時(shí)，F(xiàn)M485通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)到帶鋁的張力，使液壓缸工作在軋制力閉環(huán)控制方式下。其他情況下，液壓缸一般工作在位置閉環(huán)控制方式下，具體過(guò)程如下：MTS高精度位移傳感器檢測(cè)液壓缸的位置，被FM485模板上的絕對(duì)值編碼器獲取，然后經(jīng)過(guò)PI算法之后，輸出電壓值到伺服驅(qū)動(dòng)，從而完成對(duì)液壓缸的位置閉環(huán)控制。
    鋁箔的厚度控制過(guò)程具有時(shí)間滯后性、多時(shí)變性和非線性。為解決此問(wèn)題，本系統(tǒng)采取模糊PID控制算法，模糊PID控制適合于多變量、非線性、多擾動(dòng)、強(qiáng)耦合的對(duì)象模型難以建立的系統(tǒng)。
    模糊PID控制器由三個(gè)主要的環(huán)節(jié)組成。
    (1)模糊化：模糊化是將模糊控制器輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模糊語(yǔ)言變量值的過(guò)程；
    (2)模糊推理：模糊推理包括三個(gè)組成部分：大前提、小前提和結(jié)論。大前提是多個(gè)多維模糊條件語(yǔ)句，構(gòu)成規(guī)則庫(kù)；小前提是一個(gè)模糊判斷句，稱為事實(shí)。以已知的規(guī)則庫(kù)和輸入變量為依據(jù)，基于模糊變換推出新的模糊命題作為結(jié)論的過(guò)程叫做模糊推理；
    (3)清晰化：清晰化是將模糊推理后得到的模糊值轉(zhuǎn)換為用作控制的數(shù)字值的過(guò)程，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并且能夠在最短時(shí)間內(nèi)獲得較高的控制精度。
    模糊PID控制器的控制效果如圖6所示。圖6中PID控制曲線幾乎沒(méi)有超調(diào)的過(guò)程，就快速穩(wěn)定地達(dá)到了設(shè)定值厚度為O．1 mm，基于模糊控制的PID調(diào)節(jié)比簡(jiǎn)單的PID調(diào)節(jié)穩(wěn)定性高，能夠解決整個(gè)AGC系統(tǒng)對(duì)鋁箔控制的時(shí)間滯后問(wèn)題。

    經(jīng)過(guò)實(shí)踐應(yīng)用，基于PLC和AGC的鋁箔板厚度控制系統(tǒng)在產(chǎn)品生產(chǎn)中獲得了令人滿意的效果。如表1所示，針對(duì)厚度為0．1 mm的鋁箔板，AGC控制厚度在20μm范圍內(nèi)的比例為95％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工軋制78％的比例，事實(shí)驗(yàn)證，本方案所采取的模糊PID控制器完全能滿足鋁箔板厚度控制的要求。

4 結(jié)語(yǔ)
    在實(shí)際使用過(guò)程中，F(xiàn)M458工作穩(wěn)定可靠，編程功能強(qiáng)大且易于修改維護(hù)，并能很好地融入到S7-400的控制系統(tǒng)中。鋁箔厚度在基于S7-400PLC的AGC系統(tǒng)作用下，滿足了預(yù)期的效果。具體生產(chǎn)過(guò)程驗(yàn)證了在鋁軋機(jī)上安裝AGC系統(tǒng)提高了軋機(jī)精度的同時(shí)，也方便了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的人工操作。基于S7-400的AGC系統(tǒng)人機(jī)界面友好、維護(hù)方便、成本投入低的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)我國(guó)鋁箔生產(chǎn)產(chǎn)生了較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。