鋁電解多功能機組智能定位控制系統設計與實踐

楚文江，高軍永，柴婉秋，馬 靚，吳中鼎

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司， 貴州 貴陽 550081)

0 前言

鋁電解多功能機組是鋁電解生產中最重要、最復雜的作業裝備。在生產中作業機組需要運行到各種不同工位上完成多種組合操作，對鋁電解槽進行打殼、扭拔、撈渣、加料、陽極測高、出鋁、抬母線等生產作業[1]。電解鋁車間由于存在高溫、多塵、強磁等環境因素，目前較為成熟的機器人控制技術、伺服液壓控制技術及高精傳感器技術都不能直接應用到鋁電解多功能機組上。現有鋁電解多功能機組整體控制水平不高、勞動強度大、自動化以及智能化措施缺失，已成為鋁電解產業技術升級的瓶頸和短板。

對于智能鋁電解多功能機組而言，機組的大、小車自動運行及精確定位是實現機組各項作業智能化升級的必要前提，而對于機組自身及目標對象的空間位置信息獲取又是重中之重。為此，本文結合現代鋁工藝電解機組的工作特點，研究其定位控制原理、開展定位控制系統的設計與應用實踐。

1 定位控制原理及控制策略

隨著近年來先進控制技術的發展及應用，起重機定位技術的研究也取得了較大的發展，總的來說大致可以分為相對定位和絕對定位兩大類[2]。相對定位法在控制上是一種開環系統，通過自身傳感器對機組相關參數(具體包括線速度、角速度、加速度等)的測量進行計算，獲取目標對象相對位置信息，再與已知的原點信息關聯，得到實時的空間位置信息；絕對定位法在控制上是一種閉環系統，通過視覺識別、激光測距等方式對目標對象進行特征選取、位置測量，實時反饋目標對象的空間位置信息，期間不需要進行位置信息的積分迭代，相比相對定位法更加可靠[3]。目前絕對定位法是實現鋁電解多功能機組精確定位作業的重要方式。

鋁電解多功能機組從結構上主要由主梁、大車行走機構、小車行走機構、工具回轉機構及各功能工具組成。對于本定位控制系統而言，主要涉及兩個方向上的水平定位和一個方向上的旋轉定位。即：沿大車軌道方向的Y軸定位，沿小車軌道方向的X軸定位和沿工具回轉軌道的旋轉定位。X、Y方向上的水平定位分別由大車定位機構和小車定位機構完成，回轉定位由工具回轉機構完成。

鋁電解多功能機組三維定位控制模型如圖1所示。其中，定位模型的選取、多變負載的添加、軌道現狀的限制及制動器的磨損等問題都是制約定位精確控制的難點所在。設小車質量為Mx，大車質量為My，工具機構質量為m,與小車的距離為l。fx和fy分別為小車沿X軸方向和Y軸方向收到的驅動力，Dx和Dy為摩擦系數。機組定位系統的線性模型為：

圖1 鋁電解多功能機組三維模型

(1)

定位系統面臨著調節和跟蹤兩大問題，其中調節問題可以看成跟蹤問題的特殊情況[4]。迭代控制系統適用于具有重復運動特點的被控系統，它以實現有限時間區間上輸出軌跡完全跟蹤期望軌跡為目標。通過迭代控制算法對機組大車定位的系統模型進行仿真分析，其結果如圖2所示，速度曲線平滑，沖擊較小。

圖2 鋁電解多功能機組定位系統數學模型仿真

鋁電解多功能機組難以精準定位的主要原因有軌道不平(焊接點、縫隙處、基礎沉降及使用磨損變形)、負載波動大、制動器磨損以及機組本身傳動機構、電機轉速的誤差。使用“快伸張、慢收緊”的控制策略，自適應調整定位窗口值，目標位置兩側的小區間為定位窗口，當機組進入定位窗口時，發出制動信號，當機組停在目標位置的定位窗口內時，即認為機組定位成功，如圖3所示。

2 定位控制系統設計

圖3 鋁電解多功能機組定位窗口示意圖

鋁電解多功能機組定位控制是一個比較典型的系統控制問題，它包含了系統控制的各個環節。控制系統一般可分為開環控制系統和閉環控制系統兩種基本形式，閉環控制又稱為反饋控制[5]。閉環控制系統相對于開環控制系統最大優點是根據偏差對被控對象進行修正，具有系統控制精度高、抗干擾性能好、穩定性能好的特點。

控制器的主要作用是對偏差信號進行分析處理，并做出控制。在運動控制領域中，PLC由于其產品成熟、可靠性高，抗干擾能力強多用于工業控制系統中，本定位控制系統中采用AB公司的PLC為SLC500系統1747系列，整車采用DH+總線通訊的方式并增加DH+轉Ethernet/IP的通訊模塊。

執行機構直接作用于被控對象，完成被控對象的驅動，本定位系統采用帶制動功能的SEW公司K系列減速變頻交流電機。電機變頻器采用ABB公司的ACS880系列變頻器，工業以太網總線控制方式，具備無級調速、故障信號的檢測、電機的電壓、電流等各項電量數據實時顯示，并進行數據分析及報警處理。

圖4 鋁電解多功能機組智能定位系統拓撲結構圖

位置反饋裝置有旋轉編碼器、光柵及激光測距儀等。其作用是將檢測到的位置信號反饋到控制器中，構成閉環控制。位置檢測對機組定位精度起著決定性的作用，位置傳感器是機組定位系統的主要組成部分之一，它的性能決定了系統的定位精度。本定位系統采用編碼定位傳感器及激光測距傳感器，檢測機組的實時運動位置。

控制系統各模塊的型號或參數，如表1所示。

表1 控制系統的型號或參數表

鋁電解多功能機組智能定位系統的拓撲結構，如圖4所示。

3 定位技術應用實踐

通過對試驗現場的調研，了解現場機組的實際狀況及相關配置，結合試驗的需求及目的，制定了相應的試驗方案。試驗場地選擇某鋁廠電解車間一臺靠廠房端頭的機組進行試驗。

試驗前對原機組進行相應的技術改造，安裝相應的位置傳感器，重新搭建PLC控制網絡，編寫相應的程序及人機界面。電氣控制系統主要包括低壓配電系統、測控系統、操作系統、故障檢測及報警系統等。根據機組的狀況，增加其它自動化改造項目，加裝了定位模塊、PLC通訊模塊、以太網交換機，更換大小車變頻器及通訊卡。并在試驗開始前檢查了機組運行軌道的安裝精度，做了必要的校正工作。

根據鋁電解車間現場電解槽的分布情況，設置了若干測試點，通過坐標確定及設定，機組隨機智能運行并定位，對數據進行記錄和分析，進行偏差分析。

定位測試系統界面及現場標定，如圖5所示。

定位試驗結果誤差分析，如圖6所示。

圖5 智能定位系統操作界面及現場標定

圖6 定位系統試驗結果誤差分析(單位：mm)

4 結論

(1)在鋁電解車間對鋁電解多功能機組采用絕對位置定位方法，使用“快伸張、慢收緊”的控制策略、閉環控制系統，可以實現機組的實時位置精確定位。但需對傳感器、控制器及執行機構采取防磁、防塵等措施。

(2)大車在隨機試驗的23個數據中，除有4個數據偏差較大，分別為9 mm、7 mm、6 mm、6 mm，其余數據均在±5 mm范圍內；小車在隨機試驗的23個數據中，除有3個數據偏差較大，分別為7 mm、6 mm、6 mm，其余數據均在±5 mm范圍內；考慮到試驗現場場地及設備老舊等因素，定位系統達到了試驗前所確定的精度要求。

(3)試驗結果基本能滿足智能化的鋁電解多功能機組發展要求，為實現智能打殼、扭拔、撈渣及下料作業提供了支撐條件。如實現更高精度的控制要求，還需對機組軌道的安裝精度、控制模型及策略、執行機構的性能進行優化和提升。