铝板初轧机自动位置控制系统
王 宏文‘ 李韶远’ 杨宏丽“
河北工业大学2.深圳职业技术学院
摘 要 文 章介绍r1种以PLC C200H为核心的铝板初轧机自动位置控制系统及其模糊控制器的设计方
法，对传统的比例积分调节器和模糊拉制器分别进行了理论分析和仿真研究，给出了系统的软、硬件结构，PLC
配置及现场运行结果。本系统的特点是动态响应快，成本低，工作可靠.操作简单，定位精度可达士。.02 nmm
关 健 词 :比例积分控制模糊控制自动位置控制系统
Automatic Position Control System for an Aluminum Plate Roughing Mill
Wa ng H o ng we n L i S h ao yu an Ya ngH ongh
Ab st ra d:A C2001 PLC-based automaticp oeitionc onrtols ystem fora na luminum plate roughing milla nd
it's fuzzy controller designing method are presented. The theoretic analysis for PI regulator and the simulating
study for FUZZY controller are respectively put forward. The software and hardware structures, the configarx
tfon of PLC, and the practical operation results are also described. The features of the system is of ,{nick dy
ndmic response, low cost, high reliability, simple and flexible operation. The positioning accuracy of the system
is within 土0. 02 mm
Ke yw o rds;PIc ontrol fuzzyc ontrol auotmaticp ositionc ontrols ystem
1 前言
张家 口铝 制品厂1号初轧机的压下位置自动
控制系统，是以C200H可编程控制器为核心，配
置了相应的位置检测元件及二次仪表、输出执行
机构和供操作人员使用的操作台，并设计了全部
轧制过程的应用软件。现场生产实践表明:本系统
工作可靠，操作简单，提高了铝板成材率。下面介
绍系统的概况。
1号 初 轧 机由1台交流电机传动。在此轧机
上要把厚50 mm,温度在450-500℃之间的铝锭
R制成6 mm左右的铝板，每块铝锭需轧制3-7
道次在改造前的生产条件下，每1道次的压下量
是靠目测轧机机架顶上机械指示盘的指针位置来
确定的，由此带来的后果有以下几点。
1) 每 1 班要有2名操作人员专门负责压下位
置的设定。平均每班轧约360个铝锭，就要设定
1 500次左右，操作人员劳动强度较大。
2) 后 续 轧制工艺要求轧机轧出的铝板厚度误
差为士。. 1 mm,超出此误差范围的铝板须回炉熔
化浇铸成铝锭后再重新轧制。而人工设置压下量
轧出的铝板厚度误差最大可达士1'm m左右，降
低了铝板成材率，提高了生产成本。
3) 当 操 作人员过度疲劳或机械指示盘指针窜
动时，容易造成1次压下量过大，使轧机“闷车”，
损坏机械及电气设备
鉴 于 上 述原因，我们对此轧机采用PLC实现
压下位置自动控制，以节省劳动力、减轻劳动强
度、提高压下位置定位精度并增加经济效益
2 系统的构成及原理
2.1 硬件系统的构成
压 下 位 置自动控制系统的构成如图1所示
其工作过程如下。
先 通 过 操作台上的拨码开关置人铝板轧制的
总道次及各个分道次的压下量，然后由现场操作
人员通过按钮站灵活地选择自动轧制、半自动轧
制、手动轧制、手动顺动轧制等控制方式PLC根
据安装在轧机压下螺丝上的编码器发出的脉冲信
号，判断压卞轧辊的位置并将其实时显示在数显
箱上，供现场操作人员参考，根据来自现场的轧制
和行程开关信号，PLC输出控制信号，决定压下
电机正转、反转、停车，即对应的轧辊压下、提升、
停止3种状态和辅助机械设备的顺序动作。
本 系 统 的PLC模块，配置了3个输人模块:
ID215X3,3个输出模块:OD411 X I,OD215 X 2,
1个高速计数器模块CT001-V 1,1个数模转换模
块:DA001 e
化因子G G,G 。均已选定，输人、输出的论域分
别为[-N,N],[-N,N],[-M,M]，两输人的
语言变量值均为3个(NB,ZE,PB),输出的语言
值为5个(NB,NS,ZE,PS,PB)。隶数度函数曲
线采用三角形，如图5所示。
图 1 位 置 控 制 系 统 框 图
2.2 APC数字控制器的设计
根 据 工 艺过程，缩短轧辊行程时间可以减少
轧制等待时间提高生产效率，因此需要设计1个
动态响应快、无静差、抗扰强并且鲁棒性好的数字
控制器。
系 统 的动 态结构如图2所示。
图4 P工FUZZY模糊控制器的动态结构图
(+)输入索属度函致曲线
控制卜」功放.医c_n'627o.3x ..s.}} +
系统动态结构图
(O A出隶月度函数曲线
首 先 按 照三阶工程最佳的方法设计传统的
PI控制器，得到在阶跃输人和阶跃扰动下的系统
位置输出，曲线如图3所示。可以看出使用传统的
控制方法其动态特性中超调量较大、调节时间
长、抗干扰能力差等缺点。
图 5 翰 人 、输 出 的 隶 属 度 函数曲线
运 用 M amdani型模糊推理算法，清晰化采用
重心法，公式为
Zo=df(z)=
卫·。(二)dz
卫U(z)dz
s0 模 糊 控 制规则采用“IF"""THEN”规则，规则
如表to
表1 模糊控制规则表
图 3 采 用 PI 控 制 器 的 位 里响应曲线
而 作 为 智能控制分支之一的模糊控制，却具
有鲁棒性强、易理解、操作简单、响应快、易修正、
不需系统模型的特点。由于模糊控制器的输人一
般为误差、误差的变化率，所以可以将它看作PD
控制器，其动态特性很好，可以平滑地到达稳态，
而且上升时间，调节时间很短。但是其抗扰效果
差，同时会产生静差，因此为了增强抗扰动的能力
和减小静差，我们采用模糊控制和PI调节器共同
使用，其动态结构如图4所示。
在 本 设 计中分别采用误差e和误差变化率
de/de作为输入，输出为“，此控制为位置控制。量
52
合e
从 图 6 中我们可以看到，在系统开始运行时
〔即轧辊开始运动时)，超调量很小，上升时间短;
同时遇到干扰后的跳变也很小，而且位置静差为
零。
2.3 保持辊缝值的方法
本 系 统 用的是增量型编码器。为了方便系统
操作，在系统掉电期间要对辊缝值进行记忆。本系
统是利用PLC的DM 区具有掉电保护功能(锉电
池保护，有效期5年)来完成辊缝值记忆的。具体万方数据
电气传动2003年第1期
APC控制程序和在自动方式下轧制程序的程序
框图。
图 6 采 用 PI-FUZZY模糊控制器的位置响应曲线
过程见图7 通道126存的是现行累计计数值，
DM2。存的是要记忆的计数值。
图9 APC控制程序框图
图 7 辊 缝 值 记 忆 程 序 框 图
2.4 软件系统的功能
本 系 统 应用软件主要分为两大功能区:现场
按钮站工作区和机房操作工作台工作区。其主要
功能如下。
VA P C 控制程序。
2) 对 应 自动、半自动、手动顺动工作方式下3
^-7道次的轧制程序。
3) 处 理 “闷车”后启车用的调左、调右程序。
4) 手 动 轧制程序。
5) 调 节 轧辊水平度的上调、下调程序。
6) 输 人 控制数据和检查输人数据是否正确的
置数程序和检查程序。
7)调 整轧 制板厚的动态修正程序。
8)故 障 状 态报警程序。
9) 检 测 数码管与显示灯好坏的数测、灯测程
序
10 )辊 缝 值修正程序。
图 8, 图 9、图10分别给出系统主程序、系统
图10 自动轧制程序框图
图8 系统主程序框图
3 提高系统定位精度的措施
本 系 统 在提高系统的定位精度上采取了如下
措施。
1) 将 编码 器通过软连接器直接安装在压下螺
丝上，使压下螺丝与编码器同步转动无间隙，直接
反映压下轧辊的位置。
2) 提 高 系统位置分辨率。本系统选用的脉冲
编码器为每转1000脉冲，压下螺丝的螺距是12
mm，通过高速计数器的4倍频电路，可得到每转
4000脉冲，即PLC的1位数字量代表0.0 03m m
位移。
3) 尽量 减 少系统的采样时间，即在满足香农采
样定理的前提下尽量减少检测量输入和控制量输
出的滞后时间，实现实时控制。由于高速计数器与
PLC的CPU每1个扫描周期通讯1次，所以要尽
量减小CPU的扫描周期，即在保证完成系统各种
功能的前提下，压缩程序量和尽量采用子程序。本
系统通过巧妙的程序设计使在执行APC控制程序
时CPU的扫描周期为8.2 ms。当需要进行APC
控制时，每个扫描周期进行一次APC运算
系统启动后即可进人各种轧制过程，操作十分简
单。本系统对有此类生产要求的厂家来说可达到
投资少，收效快的效果，有一定的推广意义。
今考文献
4 结束语
本 系统 研 制完成后，于2001年2月投人现场
运行，至今未出现任何问题，定位精度可达士。.02
mm，完全达到预期效果。由于选用了智能模块高
速计数器，使得PLC除了完成逻辑运算，参数运
算外，亦可完成实时控制，而其可靠性大大高于一
般的计算机控制系统当不需要改变轧制工艺时，
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收 稿日期:2002-03-19
修 |
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