基于西門子PLC的模糊控制在電弧爐電極調節中的應用

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（河北工業大學 電氣學院，天津 300130）

電弧爐煉鋼是靠電極和爐料間產生電弧，把電能在弧光中轉化成熱能，并借助輻射和電弧的直接作用把爐料融化。電弧爐在工作期間由于電網電壓波動、爐料融化導致液面變化、爐內受熱不均或有雜質導致液面波動等狀況的影響，使得電弧的長度不穩定，從而導致輸入電爐內的功率急劇變化，影響電爐的冶煉效率。而電極調節的作用正是通過調節電極的位置達到調節功率的目的。確定最優的電極調節控制方案對縮短融化時間，節省電能消耗，降低每噸鋼的成本都有極其重要的作用。

1 模糊控制在電弧爐電極調節中的應用

電弧爐電極調節控制算法中采用的模糊控制算法為“二輸入一輸出”的二維模糊控制，恒阻抗控制策略。在控制系統中，從主電路采集到電壓電流信號輸入到PLC中，在PLC中完成偏差計算、模糊控制等計算，其控制原理圖如圖1所示。

圖1 電極調節控制原理圖Fig.1 Electrode control schematic diagram

1.1 偏差的計算

電弧爐電極調節系統采用恒阻抗調節策略，從主電路采集電壓值和電流值，按照下式計算偏差：

式中：E（k）為阻抗的當前偏差；U′a，I′a為實測電壓值和電流值；Ua，Ia為設定電壓與電流值。

偏差的變化量ΔE（k）＝E（k）－E（k－1）。

1.2 確定模糊論域和量化因子

根據現場記錄的數據，阻抗偏差E（k）的變化范圍為［－200，200］。定義偏差E（k）的模糊論域為［－6，6］，量化因子K＝6／200＝0.03。

同理，阻抗偏差的變化量ΔE（k）的變化范圍為［－120，120］，定義其模糊論域為［－6，6］，量化因子K＝6／120＝0.05。控制量U的輸出實際范圍為［－10，10］，定義控制量U的模糊論域為［－7，7］，量化因子K＝10／7。

1.3 確定模糊變量的隸屬度

根據現場專家和生產人員的經驗，選擇輸入輸出量的模糊語言為：PB（正大）、PM（正中）、PS（正小）、O（零）、NS（負小）、NM（負中）、NB（負大）。選擇三角形隸屬度函數分布。

1.4 確定模糊控制規則

根據E和ΔE的賦值表和專家經驗，總結了49條模糊條件語句構成控制規則，據此規則建立模糊控制規則表，如表1所示。表1中行與列交叉處的每個元素及其所在列的第1行元素和所在行的第1列元素，對應一個形式為“IfE＝Aiand ΔE＝BiThenU＝Ci”的模糊語句。

表1 模糊控制規則Tab.1 Fuzzy control rules

1.5 解模糊

模糊關系推理法采用Mamdani推理法，每條控制規則寫成Ri＝（Ai×Bi）×Ci，共49條，則總的模糊控制規則為

然后按照下式計算控制量U的模糊量

將運算后的模糊量U采用中心平均法進行模糊判決，得到精確量。最后得到模糊控制器查詢表如表2所示。

表2 模糊控制器查詢表Tab.2 Fuzzy controller query table

1.6 仿真

在Simulink中建立電弧爐控制系統的數學模型，在同一個模型下，采用原來的死區控制和模糊控制2種不同的算法，仿真比較弧長調節情況。仿真中，在t＝0s時給系統1個階躍信號，表示調節過程開始；在t＝10s時加1個擾動信號，模擬運行過程中弧長受到干擾因素而發生突變。弧長調節的仿真曲線如圖2所示。

圖2 弧長調節的仿真曲線Fig.2 Simulation curves of arc adjustment

從圖2中可以明顯看出采用模糊控制，系統調節超調小，速度快，調節性能明顯優于死區控制。

2 模糊控制在西門子PLC中的實現

在電弧爐電極調節控制系統中，選用西門子公司S7－400型PLC，選擇412－2DP型 CPU。在程序設計中采用模塊化編程，在主程序OB1中編寫控制系統的開關邏輯程序，三相電極模糊控制程序分別存放在功能FC11，FC12，FC13中。由于需要設定采樣周期，所以將采樣程序存放在OB35中，并設定循環中斷周期，在OB35中計算偏差E及偏差變化量Er。運行開始，閉合相關控制開關啟動引弧程序，等到產生連續電弧后進入電極調節的模糊控制階段。此時，在主程序中調用電極調節的模糊控制功能程序。

下面以A相電極為例，介紹模糊控制在電極調節中的編程方法。在OB35中計算偏差以及偏差變化量，并將結果存入背景數據塊DB5中。將模糊控制量化因子也存放在DB5中。將模糊控制查詢表中的控制量按照從左往右從上往下的順序依次存放到背景數據塊DB7中，地址為DB7.DBD0～DBD7.DBD672。在功能FC11中編寫A相模糊控制程序的梯形圖，首先從DB5中調用偏差、偏差變化量以及相應的量化因子，分別進行相乘。進行取整運算，若取整后結果大于6則按照等于6處理，同理如果結果小于－6則按等于－6處理，從而將精確量模糊化為（－6，6）內的整數，然后對其進行加6使其偏移到（0，12）內。最后利用基址＋偏移地址的方法查詢控制量，基址為0，偏移地址為4×（E＋13×Ec）。從DB7中對應的地址讀出控制量，乘以量化因子并輸出。圖3為部分關鍵語句表程序。程序段13為偏移地址計算程序，程序段14為模糊查詢程序。

圖3 部分關鍵語句表程序Fig.3 The part of key STL program

3 結論

模糊控制在電極調節這種大時滯、非線性、時變的復雜系統中能達到很好的控制效果，將模糊控制與PLC結合，通過軟件編程的方法在西門子PLC中實現模糊控制，不增加硬件投入，低成本改善控制性能。

［1］劉沖.交流電弧爐電極調節系統的智能控制［J］.電氣傳動自動化，2009，31（2）：11－14.

［2］劉曙光，魏俊民.模糊控制技術［M］.北京：中國紡織出版社，2001.

［3］譚彥彬，陳鋮.PLC模糊控制程序設計［J］.信息工程大學學報，2010，11（1）：79－82.

［4］西門子公司.S7－300可編程序控制器硬件和安裝手冊［Z］.2001.

［5］瞿楓，徐中宏.基于西門子S7－300PLC的模糊控制實現［J］.南京師范大學學報，2007，7（4）：23－27.