高爐環(huán)行吊車的電機(jī)同步控制

崔桂梅，鞏 華，劉丕亮

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

傳統(tǒng)的高爐出鐵廠采用直行式起重機(jī)，長(zhǎng)方體的作業(yè)區(qū)域在出鐵廠留有作業(yè)死角，為了滿足多個(gè)出鐵口的需求必須配備多臺(tái)起重機(jī)。如果采用360°環(huán)行式起重機(jī)，整個(gè)環(huán)形出鐵廠房?jī)?nèi)配備一臺(tái)起重機(jī)即可，不占用任何有效空間，且無作業(yè)死角。高爐環(huán)行吊車在武鋼、首鋼、包鋼等鋼廠的成功應(yīng)用表明：環(huán)行吊車能滿足大容量高爐多個(gè)出鐵口的需要，提高了企業(yè)的生產(chǎn)率。

基于環(huán)形軌跡的特殊要求，高爐環(huán)行吊車的大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行特別設(shè)計(jì)。吊車環(huán)行作業(yè)時(shí)，內(nèi)、外環(huán)軌道的車輪應(yīng)具有完全相同的角速度，它們的線速度之比應(yīng)等于車輪踏面中心線至高爐爐缸垂直中心線間的半徑比。為實(shí)現(xiàn)高爐環(huán)行吊車穩(wěn)定安全的運(yùn)行，本設(shè)計(jì)中大車系統(tǒng)采用PLC＋變頻器的方式進(jìn)行同步控制，PLC作為核心控制器采集內(nèi)外軌道的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過CPU內(nèi)部運(yùn)算控制變頻器的輸出，最終達(dá)到內(nèi)、外軌電機(jī)的同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

1 同步控制策略

電機(jī)的同步控制策略有很多種，如并行控制、主從控制和交叉耦合控制等［1］。并行控制采用同一給定值的并聯(lián)控制方式，雖然控制簡(jiǎn)單，但同步性差；主從同步控制是串聯(lián)控制方式，將前一臺(tái)電機(jī)的輸出作為后一臺(tái)電機(jī)的參考輸入，跟隨性好，但同步精度不高；交叉耦合控制是在并行同步控制的基礎(chǔ)上加入了兩臺(tái)電機(jī)的速度或者位置信號(hào)反饋值，可抗干擾，同步性能良好。本設(shè)計(jì)在選用交叉耦合同步控制策略的基礎(chǔ)上將傳統(tǒng)的PID控制器替換為模糊PID控制器，彌補(bǔ)了上述各種控制方式的不足，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)同步。圖1為加入模糊控制算法的交叉耦合控制方式。其中，a為內(nèi)、外軌電機(jī)的轉(zhuǎn)速比值。

2 環(huán)行吊車控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

環(huán)行吊車的控制系統(tǒng)由西門子S7-300系列PLC和WinCC工控機(jī)構(gòu)成［2］。遠(yuǎn)程通訊采用西門子CP343-1通訊處理器和光纖電氣轉(zhuǎn)換器為主的工業(yè)以太網(wǎng)，RJ45接口可以直接連接到工控機(jī)，確保工業(yè)以太網(wǎng)的快速鏈接。通過Profibus-DP掛接大、小車系統(tǒng)和ET200M，高速傳輸速率DP總線保證了控制器與輸入/輸出系統(tǒng)間的順暢通訊。圖2為環(huán)行吊車控制系統(tǒng)組成。

圖1 加入模糊控制算法的交叉耦合控制方式

3 環(huán)行吊車控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

大車運(yùn)行系統(tǒng)核心控制器采用西門子公司的S7-300系列，CPU型號(hào)為315-2DP，該CPU利用Profibus-DP通訊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)兩臺(tái)變頻器的控制。根據(jù)環(huán)行吊車實(shí)際輸入/輸出量的需要，采用8點(diǎn)模擬量輸入模塊（SM331）進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流等信號(hào)的采集；32點(diǎn)數(shù)字量輸入輸出模塊（SM322、SM321）實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的輸入輸出，對(duì)吊車進(jìn)行啟停、調(diào)速控制；ET200M模塊采集現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)并進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作；通訊模塊（CP343-1Lean）負(fù)責(zé)工控機(jī)與PLC以太網(wǎng)的通訊。

4 變頻器Profibus-DP通訊

4.1 確定用戶數(shù)據(jù)類型

變速傳動(dòng)的要義中定義了主從訪問的用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即過程參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)象PPO。PPO的類型有5種：4PKW/2PZD、4PKW/6PZD、0PKW/2PZD、0PKW/6PZD、4PKW/10PZD，其中PKW為參數(shù)數(shù)據(jù)，PZD為過程數(shù)據(jù)。

圖2 環(huán)行吊車控制系統(tǒng)組成

PPO類型的選擇取決于該傳動(dòng)在自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù)，MM420變頻器僅支持PPO 1與PPO 3，根據(jù)本系統(tǒng)參數(shù)的需要，確定用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型為PPO 3［3］，如表1所示。該類型用戶數(shù)據(jù)只有過程數(shù)據(jù)區(qū)域，在主－從訪問過程中，控制字PZD1將主站命令寫入變頻器，控制電機(jī)的工作類型，PZD2則設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速；在從－主傳輸過程中，狀態(tài)字PZD1顯示變頻器當(dāng)前狀態(tài)，PZD2反饋電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速［4］。

表1 PPO 3用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

4.2 通訊程序設(shè)計(jì)

在Step7的程序設(shè)計(jì)中，F(xiàn)C10利用系統(tǒng)功能SFC14和SFC15來實(shí)現(xiàn)PLC和變頻器之間的通訊。系統(tǒng)功能SFC14用來給數(shù)據(jù)解包，讀取從站的數(shù)據(jù)；系統(tǒng)功能SFC15用來給數(shù)據(jù)打包，將數(shù)據(jù)寫入從站［5－6］。

以PLC和變頻器1之間的通訊為例，F(xiàn)C10的具體通訊程序如圖3所示。

5 模糊PID在PLC中的實(shí)現(xiàn)

5.1 模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)

模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。模糊PID在運(yùn)行中以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修正，PID控制器在得到新的比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd之后，得到新的控制輸出量。模糊PID控制器可提高控制系統(tǒng)的魯棒性和精度。

5.2 在PLC中實(shí)現(xiàn)模糊PID控制

在MATLAB環(huán)境下建立模糊控制規(guī)則，得到ΔKp，ΔKi，ΔKd模糊控制量查詢表，并將其存入PLC的數(shù)據(jù)塊中。PLC在工作時(shí)會(huì)循環(huán)采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，繼而得到控制量的誤差值e（k）和誤差變化ec，經(jīng)過模糊化處理后轉(zhuǎn)化為E與EC。查詢模糊控制表，獲得控制器參數(shù)的模糊修正值ΔKp，ΔKi和ΔKd，再經(jīng)過解模糊運(yùn)算，最終實(shí)現(xiàn)PID控制器實(shí)際參數(shù)的整定。

圖3 FC10的通訊程序

圖4 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

6 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)主要利用SIMATIC WinCC的軟件來實(shí)現(xiàn)。通過系統(tǒng)所需變量的建立，完成工藝畫面與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作情況的連接，再通過變量的連接與對(duì)象屬性的管理最終實(shí)現(xiàn)畫面的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。根據(jù)高爐環(huán)行吊車的實(shí)際作業(yè)要求，本文設(shè)計(jì)了狀態(tài)畫面、過程畫面、趨勢(shì)畫面和報(bào)警畫面。系統(tǒng)狀態(tài)界面如圖5所示，系統(tǒng)過程控制界面如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，即兩臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，可直觀地看到2個(gè)指針重合在一起，否則運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)不同步。

圖5 系統(tǒng)狀態(tài)界面

7 結(jié)束語

本系統(tǒng)自調(diào)試成功以來，電機(jī)同步性能精度提高，微調(diào)性能有所改善，抗干擾能力強(qiáng)，可保證環(huán)行吊車運(yùn)行的可靠穩(wěn)定，繼而完成環(huán)形出鐵廠的吊運(yùn)與安裝工作。

圖6 系統(tǒng)過程控制界面

［1］陳沖.三電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009，22（11）：53-56.

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［4］楊益洲.現(xiàn)場(chǎng)總線在牙輪鉆機(jī)電氣化改造中的應(yīng)用［D］.衡陽：南華大學(xué)，2009：27.

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［6］陸秀銀.基于S7-300的多電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2006：46.