基于PLC的冷连轧卷取机预测控制模块设计.pdf

电 气自 动 化 2 0 1 3 年 第3 5 卷第4 期 电气传动和 自动控制 E le c t r ic Dr iv e＆ Au toma t ic Co n t r o I 基于 P L C的冷连轧卷取机预测控制模块设计 陈景召 ，刘斌 ，蒋峥 I 武汉科技大学 冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心。 湖北武汉4 3 0 0 8 1 摘要 针对冷连轧卷取机张力控制系统 中被普遍关注 的控制精度及设备 改造成本问题 ， 设计 了一款基 于 P L C的广义预测控制模块 ， 代替了常规控制系统稳态轧制过程中的张力 P I 控制器。在分析了卷取机张力系统的数学模型与常规控制方案后， 着重介绍 了基于 P L C的预测控制算法模块设计方法， 并将研究的算法模块嵌入到实际系统中去。运行结果验证了模块的有效性 与经 济性。 关键词卷取张力； 冷连轧； 广义预测控制； 可编程控制器 ； 结构化控制语言 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 0 3 8 8 6 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 0 2 [ 中图分类号]T P 2 7 3 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 03 8 8 6 2 0 1 3 0 4 0 0 0 4 0 2 Co ld Mi l I Co i l e r Te n s io n Pr e d ic t iv e Co n t r o l Mo d u le De s ig n B a s e d O n P L C C HE N J i n g - z h a o，L I U B i n ，J I ANG Z h e n g E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r f o r Me t a l l u r g i c a l A u t o m a t i o n a n d D e t e c t i n g T e c h n o l o g y E d u c a t i o n D e p a r t m e n t ， W u h a n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y U n i v e r s i t y ， Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 8 1 ， C h i n a Abs t r a c tI n t h i s p a p e r ，a g e ne r a l i z a t i o n p r e d i c t i v e c o nt r o l mo d u l e i s d e s i g ne d o n P LC f o r c o l d mi l l c o i l e r t e ns i o n s y s t e m，t o i mp r o v e t he c o n t r o l p r e c i s i o n a n d t O r e d u c e e q u i p me n t c o s t ．C o l d mi l l c o i l e r t e n s i o n s y s t e m mo d e l a n d i t s g e n e r a l c o n t r o l s c h e me s a r e s t u d i e d ，a n d t h e n a g e n e r a l i z a t i o n p r e d i c t i v e c o n t r o l a l g o r i t h m i s i mp l e me n t e d i n S I MEN S S 7 P L C i n t h e for m o f a u n i v e r s a l mo d u l e ．F u r t h e r mo r e ．t h e g e n e r al PI c o n t r o l l e r h a s be e n r e pl a c e d b y t hi s mo du l e i n s t e a dy s t a t e r o l l i ng pr o c e s s ．S y s t e m o pe r a t i o n r e s u l t s s h o w t he e f f e c t i v e ne s s a n d e c o no my o f t he p r e s e n t e d mo d u l e ． Ke ywor ds c o i l e r t e n s i o n；c o l d mi l l ；g e ne r a l i z a t i o n p r e di c t i v e c o nt r o l ；p r o g r a mma bl e l o g i c c o nt r o l l e r；s t r uc t u r e d c o n t r o l l a n g ua g e O 引 言 在冷连轧生产线上， 卷取机张力系统的控制精度直接影响着 连轧机组生产能力的发挥以及产品质量的优劣， 但由于卷取机负 载力矩受张力、 材料弯曲、 摩擦及加减速等多方面力矩的影响， 就 张力控制而言， 其方案通常比较复杂， 且系统改造成本较高⋯。 针对控制精度及设备改造成本等重要问题， 本文提出了一种新的 系统改造方案， 即在建张阶段仍采取一般系统的张力开环建张或 低速建张 ； 而在稳态轧制 阶段的张力 闭环控制环 节 ， 设 计 了一 款 广义预测控制 G P C 模块， 取代原系统中的 P I 控制器， 以适应常 规的 P L c 一调速传动装置方案， 形成了业内普遍认可的间接一直 接张力复合控制。G P C算法能够在线辨识， 能够解决由卷径和其 他参数变化带来的模型失配以及 A G C工作带来的张力波动等问 题， 提高系统的鲁棒性与控制精度。同时， 由于 G P C模块基于 P L C设计 ， 系统改造方案也得以简化 ， 减小了系统的改造成本。 1 系统模 型 研究对象为贵州某钢铁厂冷连轧生产线卷取机 ， 系统主要参 数为 卷筒直径0 ． 7 5 m； 最大卷取直径 1 ． 4 m； 穿带速度 2 0 07 0 0 r p m； 最大卷取速度 1 2 ． 5 m ／ s ， 采用恒张力卷取； 卷筒直流电机额 定功率 2 5 0 k w， 转速范围2 5 0～ 7 5 0 r p m， 额定电枢电压 3 3 0 V， 额 定电枢电流 8 4 0 A 。根据系统的工作特性与参数 ， 得到的张力控 制系统模型如图 1 所示 。图 1中的传递函数 G S 表征了卷 取张力 与卷取 电机转速 之问 的关 系。根据金属单位 时 问流量相 等原理， 推导出的传递函数如 1 式所示。 r 一 兰 ， 1 、 。 ， 一 百D N ，6Oi L s ／ 其中 D 为带卷外径， Ⅳ 为卷取电机转速， E 、 、 h 、 和 ， J 均为常 量， 分别表示弹性模量、 带材宽度、 带材 自然厚度、 转速比和棍卷 距离 ， 均可由系统实际参数确定 。显然， 由于带卷外径的变化 收稿 日期2 0 1 21 01 9 基金项 目湖北省教育厅重点项 目 项 目编号 D 2 0 0 9 1 1 0 3 4 Ele c t r i c a J Au t o ma t ion 图 1 张力控制 系统模 型 电气传动和自动控制 皇 竺 兰竺 E le c t r ic Dr iv e ＆ Au t o ma t i c Co n t r o l 贯穿于卷取过程的始终， 故该系统实际上为一时变系统 ， 本课题 的研究重心也在 于此 。 2 广义预 测控制方案实现 改进后的控制方案如图 1中的虚线框所示， 即在该环节引入 广义预测控制算法模块， 以修正模型失配以及时滞带来的卷取张 力震荡 ， 提高系统控制精度。 根据 G P C的一般方法， 需要进行系统建模以得到其参数模 型。但考虑到实际系统建模的复杂性， 该项 目选用 了一种 G P C 直接算法， 不仅简化了算法流程， 提高 了 P L C运行效率 ， 而且采 用系统阶跃 响应模 型来代替系统参数模 型， 使其更具 实用价 值 J 。该 G P C模块基于 P L C平台设计是本项 目的创新所在， 但 同时由于 P L C软 、 硬件的局限性， 基于该平台的算法模块编程也 是项目的难点所在。 MAN pN M AN L MN HL M L MN_ L I M RHO SP I NT I DE N- oN I PUT ．NU M O P U T _ NuM N P R I M N U_ cO N T I M P v _ “ 算法模块的内部原理如图2所示， 主要分为构造模型、 控制 律参数辨识以及控制律求解三部分。其中， 构造模型部分主要通 过系统输入的阶跃响应序列 MO D E L 、 过去时刻的控制律系数 序列 [ ] 及控制律增量 △ u t 一1 用来表征当前时刻的系统 模型， 而控制律参数辨识环节则根据当前时刻系统模型参数序列 计算最优控制律参数序列 [ ] ， 然后由控制律参数计算 当前 时刻的控制律增量 A u t 及控制律 t ， 最后通过输出限幅以及 正则化处理后输 出。 项 目选用 S I ME N S s 7 4 0 0 P L C作为 目标系统， 软件平台为 S T E P 7 P r o f e s s i o n a l 2 0 1 0 4 J 。由于 G P C算 法涉及矩 阵运 算， 故 采用结构化控制语言 S C L 来实现 G P C算法函数块 F B 的独立 设计 ， 而在 主程序 中进行该 函数块 F B 及其 它函数 F C 的 调用 。 图 2 算法模块的内部原理框图 3张力控 制效果分析 系统投入运行之后采集的卷取张力历史数据曲线如图 3所 示 ， 从图中可以直观地看出， 系统稳态运行阶段， 卷取张力被控制 在一个较小的范围， 能够较好地满足冷连轧系统的要求 J 。根据 历史数据计算得到的带材卷取张力震荡约在 4 ． 6 ％ ， 比该设备 以往的控制精度提高了约 1 ． 3个百分点， 卷取机系统改造取得了 较好 的效果 J 。 堇 爱 姻 时 间／ m s 图 3 系统卷 取张力曲线 4 结束语 由系统运行结果可以看出， 为该类系统设计的 G P CP L C模 块具有在线辨识功能， 能够较好地改善由卷径及其他参数变化而 引起系统模型失配、 导致控制性能变差的问题。同时， 由于该模 块在原系统的基础上加以改进， 大大缩短了设备改造周期， 降低 了成本。贵州某钢铁厂卷取机项目改造至今， 系统运行稳定， 取 得了良好的经济效益。 参考文献 [ 1 ]E u g e n A r i n t o n， S e r g i u C a r a m a n ． N e u r a l n e t w o r k s f o r mo d e l i n g a n d f a u l t d e t e c t i o n o f t h e i n t e r - s t a n d s t ri p t e n s i o n o f a c o l d t a n d e m mi l l [ J ] ． C o n t r o l E n g i n e e ri n g P r a c t i c e ， 2 0 1 2， 2 0 7 6 8 46 9 4 ． [ 2 ]V a l e n c i a G，R o s s i t e r J ．E f f i c i e n t s u b o p t i m a l p a r a m e t ri c s o l u t i o n s t o p r e d i c t i v e c o n t r o l for P L C a p p l i c a t i o n s [ J ] ． C o n t r o l E n g i n e e r i n g P r a c t i c e ， 2 0 1 1 ， 1 9 2 7 3 2 7 4 5 ． [ 3 ] L i u B，J i a n g Z ，F ang K L ．S t a b l e P r e i c t i v e C o n t r o l b a s e d o n T e o p l i t z E q u a t i o n and L SS V M[ C] ． C h i n e s e C o n t r o l a n d D e c i s i o n C o n f e r e n c e ， 2 0 0 81 5 1 7 1 5 2 1． [ 4 ]S I E ME N S A G F WB S I E，N Y S E S I ．Wh i t e P a p e r S I MA T I C P C S 7 A P C P o r tf o l i o[ M] ．2 0 0 8 ． [ 5 ]李静 ， 王京． 可逆冷连轧卷取张力系统 中的预测控制应用 [ J ] ． 北京科 技大学学报 ， 2 0 0 3， 2 5 4 3 5 43 5 7 ． [ 6 ]李良洪． 冷轧可逆式大张力卷取机研制[ J ] ． 冶金设备， 2 0 1 1 ， 6 3 2 93 4 【 作者简介】陈景召 1 9 8 7 一 ， 男， 河南郑州人， 硕士， 研究方向为预测控 制 及 工 业 自动 化 。 E l e c t r ic a I Au t o ma t i o n 5