基于PLC的步進(jìn)梁式加熱爐步距模糊自適應(yīng)控制

王 敏 張曉江

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009)

加熱爐是鋼鐵企業(yè)中的重要設(shè)備，它的作用是在鋼材軋制之前，使用高爐煤氣將鋼坯燒成1 000℃以上的紅熱狀態(tài)。蓄熱型步進(jìn)梁式加熱爐與傳統(tǒng)的加熱爐相比，具有節(jié)能環(huán)保、加熱均勻及爐體壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛使用于鋼鐵企業(yè)。采用S7-400 PLC控制步進(jìn)梁式加熱爐的運(yùn)動系統(tǒng)，提高了加熱爐的自動化水平。然而，目前這種加熱爐存在一個問題：在步進(jìn)梁移動時，由于各種原因(如負(fù)載大小和阻力的變動以及液壓站提供的油壓波動等)會造成活動梁每一步運(yùn)行的步距都有誤差[1，2]，盡管每一步誤差僅有幾毫米甚至零點(diǎn)幾毫米，可是從進(jìn)料端到出料端運(yùn)行近一百步的累積誤差就相當(dāng)可觀?？赡軙?dǎo)致鋼坯在加熱爐中的最后一步不能準(zhǔn)確落在出料懸臂輥上，從而造成設(shè)備故障，影響正常生產(chǎn)。因而迫切需要對步進(jìn)梁的步距進(jìn)行控制，確保每一根鋼坯出爐時都能夠準(zhǔn)確地落在出料懸臂輥上。

筆者所研究的步進(jìn)梁式加熱爐的基本參數(shù)有：爐內(nèi)進(jìn)料與出料輥道中心線之間的距離為28 000mm，爐內(nèi)寬12 600mm，移動梁由5根固定梁和4根活動梁組成，鋼坯尺寸為200mm×200mm×9000mm，活動梁升降距離為200mm，水平移動距離為300mm[3]。

如圖1所示，鋼坯沿著爐外傳送輥道進(jìn)入爐內(nèi)進(jìn)料懸臂輥道，在爐內(nèi)對鋼坯定位后，推鋼機(jī)動作，把鋼坯推到固定梁上。然后通過爐內(nèi)活動梁的循環(huán)運(yùn)動將鋼坯從爐子的進(jìn)料端一步步送到爐子的出料懸臂輥道上，在爐內(nèi)鋼坯被燒紅，最后順著出料輥道離開加熱爐[4]。

圖1 加熱爐內(nèi)固定梁、活動梁和鋼坯分布示意圖

其中，鋼坯在步進(jìn)梁上的移動依靠的是活動梁從最低位開始完成上升200mm、前進(jìn)300mm、下降200mm、后退300mm的循環(huán)運(yùn)動(圖2)。

圖2 步進(jìn)梁運(yùn)動軌跡

2 步進(jìn)梁式加熱爐模糊自適應(yīng)控制的基本原理

為了避免鋼坯落錯位的事故發(fā)生，步進(jìn)梁式加熱爐的步距采用模糊自適應(yīng)控制的方法，其原理如圖3所示。在這個系統(tǒng)中，激光測距裝置周期性地測量最靠近出料懸臂輥的鋼坯與出料懸臂輥中心線之間的距離，得到鋼坯所在位置與系統(tǒng)設(shè)定的步距之間的偏差，通過模糊控制規(guī)則來調(diào)整控制器的步距參數(shù)，使鋼坯落在出料輥上。通過在線識別，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)規(guī)律性的誤差時，自主地自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)的步距設(shè)定值，可對規(guī)律性誤差進(jìn)行修正，通過PLC實(shí)現(xiàn)了這一控制策略。使系統(tǒng)安全性能得到改善，提高了系統(tǒng)對內(nèi)外環(huán)境變化的適應(yīng)能力。該設(shè)計發(fā)揮了自適應(yīng)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在沒有人干預(yù)的情況下，系統(tǒng)可以隨著運(yùn)行環(huán)境的改變而自動調(diào)節(jié)自身控制參數(shù)，達(dá)到滿意的控制效果[5]。

圖3 步進(jìn)梁式加熱爐自適應(yīng)模糊控制原理

3 步進(jìn)梁步距調(diào)整的模糊自適應(yīng)控制策略

當(dāng)活動梁水平行程為300mm時，爐內(nèi)共有91個料位，即鋼坯在爐內(nèi)走91步。鋼坯在第91個料位到出料懸臂輥中心線的距離為d。系統(tǒng)設(shè)定的步距與d相比，過大或過小都會造成鋼坯落錯位的事故。為了準(zhǔn)確、可靠地將鋼坯送上出料懸臂輥道，必要時就需要修正步距。

對于加熱爐，在選擇測距傳感器時，需要注意測量精度和使用場合，尤其在本系統(tǒng)中，需要考慮到高溫環(huán)境和測量的誤差。經(jīng)過篩選，決定使用激光測距傳感器，因?yàn)槠鋬r格在不斷下調(diào)，降低了經(jīng)濟(jì)成本。其次，激光測距傳感器在向著測距快、體積小、耐高溫、性能穩(wěn)定的方向發(fā)展，而且可測得與高溫物體表面之間的距離，測量精度高，僅有小于1mm的測量誤差，因此，可以安裝在爐內(nèi)出爐側(cè)的爐壁上，測得活動梁的每一個正循環(huán)(即前進(jìn)一步)之前，離出爐側(cè)最近的一根鋼坯前側(cè)面到激光測距儀的距離，進(jìn)而計算出該鋼坯中心線與出料懸臂輥中心線之間的距離。

設(shè)第91個料位上的鋼坯中心線與出料懸臂輥中心線之間的距離為l′，假設(shè)理想狀態(tài)下第91個料位的中心線位置與出料懸臂輥中心線之間的距離為l(系統(tǒng)設(shè)定的步距就是l)。判斷鋼坯是否已經(jīng)達(dá)到第91個料位的依據(jù)是l′≤l+150，如果不滿足該條件，則認(rèn)為鋼坯尚未到達(dá)第91個料位，不需要調(diào)整步距。誤差e=l′-l為實(shí)際距離與理想距離之差。對于本系統(tǒng)，可以設(shè)計雙輸入、單輸出的模糊控制器，即將e和ec作為輸入，步距d作為輸出，且輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)均采用三角函數(shù)[6]，如圖4、5所示。為了便于分析，將誤差d定到(-30，30)之間，將e、ec和d模糊化為E、EC和D，將E和EC量化到(-30，30)的區(qū)域中，則其模糊子集為{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。將D量化到(270，330)的區(qū)域中，模糊子集為{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}[7]。

圖4 e和ec的隸屬度函數(shù)

圖5 d的隸屬度函數(shù)

模糊控制規(guī)則的設(shè)計采用IF-THEN的模糊條件句來作為控制規(guī)則[8]。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生一定誤差時，控制器就會在線修正d，修正公式為：d=300+e。例如，本系統(tǒng)中當(dāng)e=-10mm時，即第91個料位處的鋼坯的實(shí)際位置比標(biāo)準(zhǔn)位置離出爐側(cè)近了10mm，則步進(jìn)梁的下一步應(yīng)在300mm的基礎(chǔ)上少移動10mm，由此可改變水平步進(jìn)距離d=290mm。當(dāng)EC值為NB、NM、PM、PB時，需要考慮其變化率和噪聲的影響，控制強(qiáng)度需減弱；當(dāng)EC值為NS、ZO、PS時，可忽略噪聲的影響，控制需根據(jù)E的變化而變化。

根據(jù)以上原理可以得到表1所示的模糊控制規(guī)則。

表1 模糊控制規(guī)則表

確定好模糊控制規(guī)則后，PLC步距控制的程序流程如圖6所示，其中由于系統(tǒng)可能會出現(xiàn)一定規(guī)律性的誤差，如每一步的步距均偏大或者均偏小，針對規(guī)律性的誤差設(shè)計的誤差修改程序如圖7所示。

圖6 PLC步距模糊控制的程序流程

整體而言，當(dāng)有位置信號l′反饋回PLC時， PLC根據(jù)步距模糊控制程序調(diào)整每步的步距，使出爐誤差減小。并且，當(dāng)誤差e呈現(xiàn)連續(xù)為正或連續(xù)為負(fù)時，即可判斷為系統(tǒng)存在著規(guī)律性的誤差，系統(tǒng)可以自主地根據(jù)誤差規(guī)律自適應(yīng)修改系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的步距，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)控制的目的。步進(jìn)機(jī)構(gòu)模糊自適應(yīng)控制原理如圖8所示。

圖7 δ修改規(guī)則

圖8 步進(jìn)機(jī)構(gòu)自適應(yīng)模糊控制原理

4 結(jié)束語

實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該模糊自適應(yīng)控制步距的方法有效地避免了鋼坯落錯位的事故發(fā)生，保障了安全生產(chǎn)，提高了勞動生產(chǎn)率。采用模糊自適應(yīng)控制策略，自動地修正步進(jìn)梁移動步距。自主識別系統(tǒng)具有規(guī)律性的誤差，自適應(yīng)調(diào)整步距的設(shè)定值，提高了生產(chǎn)的安全性，使步進(jìn)梁運(yùn)動系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定可靠。

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