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。詳細闡述了AGC的工作原理、系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計。實踐表明，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)品競爭日趨激烈，市場對鋁箔的種類、質(zhì)量、精度的要求也越來越高，特別是對于厚度僅為幾十微米的鋁箔產(chǎn)品。為了能在市場中立于不敗之地，必須對鋁箔的生產(chǎn)過程進行技術(shù)革新或改造?，F(xiàn)階段軋鋁箔行業(yè)的自動厚度控制(Automatic Gauge Control，AGC)系統(tǒng)，大多數(shù)是依靠工業(yè)PC進行控制，由于工業(yè)PC的穩(wěn)定性和實時性不如PLC，所以本文針對冷軋鋁箔生產(chǎn)過程，采取增設(shè)液壓控制系統(tǒng)和以PLC為核心的AGC系統(tǒng)，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的同時，也大幅度地提高了鋁箔冷軋機系統(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償環(huán)節(jié)，這些控制器和補償環(huán)節(jié)分別由不同的測量儀表和傳感器組成。AGC控制的輸出值，始終作為補償值施加到冷壓機系統(tǒng)的液壓壓下伺服機構(gòu)內(nèi)環(huán)控制器之中?，F(xiàn)階段的鋁箔生產(chǎn)過程中，為了獲得厚度更加精確的鋁箔，盡量減少坯料波動、軋制速度不穩(wěn)定等因素對鋁箔厚度帶來的誤差，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)。
    組合控制的具體過程如圖1所示，通過PI調(diào)節(jié)器的增益參數(shù)來實現(xiàn)對輥縫、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)對鋁箔厚度作初步的PI調(diào)節(jié)；假如鋁箔厚度沒有達到期望的精度要求，AGC系統(tǒng)將會自動對鋁箔厚度進行二次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)作為誤差信號進行的。

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)實時性的同時，也與分散的ET2 00通訊模塊組成FROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，進而減少了主站與測量點的接線。人機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完成主站與人機界面計算機的通信。位移信號的測量采用德國生產(chǎn)的MTS絕對值傳感器，左／右卷機的轉(zhuǎn)速測量選用增量編碼器，利用FM485功能模板上的絕對值和增量編碼器模塊讀取位移和轉(zhuǎn)速值。相對于液壓壓下伺服機構(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，其輸出信號主要是用來修正位置內(nèi)環(huán)的輥縫設(shè)定值，通過液壓伺服驅(qū)動，使軋輥快速動作，以達到迅速消除厚度誤差的目的。

    參與控制的信號有模擬量和開關(guān)量。模擬量信號可以使AGC系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，進而提高了對于鋁箔的精度要求(μm級)，模擬輸入信號主要由傳感器采集的位移、壓力、速度值和測厚儀所測的厚度值組成，模擬輸出信號由速度調(diào)節(jié)量和液壓機伺服的調(diào)節(jié)量組成。設(shè)置開關(guān)量信號，主要是方便操作人員通過這些開關(guān)和按鈕控制軋制鋁箔的過程，開關(guān)輸入量有測厚儀的狀態(tài)信號和觸摸屏的控制信號，輸出則包括對測厚儀的控制以及與系統(tǒng)其他部分的通訊信號等。
    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，測厚儀、S7-400系列PLC和軋機構(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)的下位機完成。內(nèi)環(huán)使用了兩個閉環(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)軟件來進行編寫，能夠?qū)崿F(xiàn)對鋁箔厚度、液壓壓力、直流調(diào)速電機的速度等值的顯示，以及AGC系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和報警等功能。對于S7-400系列PLC來說，AGC系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分，主要依靠STEP7編程軟件來實現(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)，其能夠支持自動化項目創(chuàng)建的各個階段，利用STEP7，系統(tǒng)設(shè)計人員可以通過在線診斷PLC硬件狀態(tài)、控制PLC運行狀態(tài)和I／O通道狀態(tài)，開發(fā)出符合現(xiàn)實需要的PLC控制程序。
3．1 系統(tǒng)的軟件設(shè)計原理
    在進行軟件設(shè)計之前，需要考慮AGC的功能執(zhí)行過程和通信過程。如圖4所示，系統(tǒng)軟件設(shè)計的基礎(chǔ)主要由三部分組成。

    (1)觸摸屏用來實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)和報警信息的顯示，以及操作人員對軋機參數(shù)的設(shè)定和修改。
    (2)傳感器和伺服系統(tǒng)屬于檢測和執(zhí)行部分，實時采集各種需要的信號并傳入PLC，同時將PLC輸出的數(shù)字信號或模擬信號轉(zhuǎn)換成傳感器和伺服系統(tǒng)的操作。
    (3)PLC則是整個系統(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、報警判斷、輸出顯示和厚度控制。從模板輸入的數(shù)據(jù)信號必須轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式才能參與數(shù)據(jù)的運算與顯示。此外，設(shè)立公共數(shù)據(jù)區(qū)，無論是操作人員通過觸摸屏設(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控制器或其他運算需要讀寫數(shù)據(jù)時，事件觸發(fā)之后就可以對數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)進行操作。
3．2 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖如圖5所示，具體可分為自動操作和手動操作兩部分。

    鋁軋機在工作之前，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。在自動操作或手動操作之后，必須進行調(diào)零處理和P-H曲線測試，調(diào)零是為了使軋輥充分接觸；P-H曲線測試是為了去掉軋機彈性曲線中的非直線部分，消除軋輥軸承引起的輥縫誤差，避免輥縫差過大對鋁箔板行造成不良影響。當(dāng)進行輥縫調(diào)零和P-H曲線測試時，F(xiàn)M485通過壓力傳感器檢測到帶鋁的張力，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，具體過程如下：MTS高精度位移傳感器檢測液壓缸的位置，被FM485模板上的絕對值編碼器獲取，然后經(jīng)過PI算法之后，輸出電壓值到伺服驅(qū)動，從而完成對液壓缸的位置閉環(huán)控制。
    鋁箔的厚度控制過程具有時間滯后性、多時變性和非線性。為解決此問題，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、強耦合的對象模型難以建立的系統(tǒng)。
    模糊PID控制器由三個主要的環(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)模糊語言變量值的過程；
    (2)模糊推理：模糊推理包括三個組成部分：大前提、小前提和結(jié)論。大前提是多個多維模糊條件語句，構(gòu)成規(guī)則庫；小前提是一個模糊判斷句，稱為事實。以已知的規(guī)則庫和輸入變量為依據(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)字值的過程，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并且能夠在最短時間內(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控制曲線幾乎沒有超調(diào)的過程，就快速穩(wěn)定地達到了設(shè)定值厚度為O．1 mm，基于模糊控制的PID調(diào)節(jié)比簡單的PID調(diào)節(jié)穩(wěn)定性高，能夠解決整個AGC系統(tǒng)對鋁箔控制的時間滯后問題。

    經(jīng)過實踐應(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％，遠遠高于人工軋制78％的比例，事實驗證，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
    在實際使用過程中，F(xiàn)M458工作穩(wěn)定可靠，編程功能強大且易于修改維護，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)過程驗證了在鋁軋機上安裝AGC系統(tǒng)提高了軋機精度的同時，也方便了現(xiàn)場操作人員的人工操作?；赟7-400的AGC系統(tǒng)人機界面友好、維護方便、成本投入低的優(yōu)點，對我國鋁箔生產(chǎn)產(chǎn)生了較大的社會效益和經(jīng)濟效益。