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第 3 9卷第 2期 2 0 1 5年 3月 冶 金自 动 化 Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y Au t o ma t i o n Vo 1 ． 3 9 No． 2． p 636 7 Ma r c h 201 5 经验 交流 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 7 0 5 9 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 1 2 基于 S 7 3 0 0 P LC的飞剪模糊控制系统 刘 锐 ， 刘惠康 ， 周文玲 1 。 武汉科技大学信息工程与科学学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 8 0 ； 2 ． 中冶南方武汉钢铁设计研究院有限公司电气室， 湖北 武汉 4 3 0 0 8 0 摘耍 飞剪剪切精度很大程度取决于剪刃位置控制。针对飞剪系统具有强扰动 、 变参数、 模型不确定等特点 ， 结合武汉钢铁集团公司 C S P 厂飞剪系统改造工程实际情况 ， 根据模糊控制原理和 P L C的特点， 设计了基于西 门子 7 - 3 0 0 P L C的模糊控制系统， 利用模糊规则在线调整速度环的 P I 参数 ， 并构造了一个阶梯型位置控制 环。 通过 6 S E 7 0 变频器实现飞剪控制。现场应用结果表明， 该系统在超调量、 调节时间、 抗干扰等方面有较好 的控制品质。 关键词 飞剪； 位置控制； 模糊控制 ； s 7 ． 3 0 0 ； 连铸； 板坯 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 - 7 0 5 9 2 0 1 5 0 2 - 0 0 6 3 -0 5 Fu z z y c o n t r o l s y s t e m o f fl y i n g s h e a r b a s e d o n S i e me n s S 7 - 3 0 0 PLC L I U R u i ， L I U Hu i ． k a n g ， Z HOU W e n ． 1 i n g 1 ． C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 8 0 ， C h i n a ； 2 ． E l e c t r i c a l D e p a r t me n t ， WI S C O D R I Wu g a n g E n g i n e e ri n g C o ． ， L t d ． ， Wu h a n 4 3 0 0 8 0 ， C h i n a Ab s t r a c t S h e a r i n g a c c u r a c y l a r g e l y d e p e n d s o n t h e p o s i t i o n c o n t r o l o f t h e fl y i n g s h e a r ． Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a c t u a l i n d u s t r i a l fl y i n g s h e a r s y s t e m ， s u c h a s s t r o n g d i s t u r b a n c e， v a r i a b l e p a r a me t e r ， mo d e l u n c e r t a i n t y ， e t c ． ， c o mb i n i n g t h e a c t u a l c o n d i t i o n s o f t h e fl y i n g s h e a r s y s t e m r e c o n - s t r u c t i o n p r o j e c t o f t h e C S P p l a n t o f WI S C O， a f u z z y c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n S i e me n s S 7 3 0 0 P L C i s d e s i g n e d ， i n w h i c h t h e P I p a r a me t e r s o f t h e s p e e d l o o p a r e a d j u s t e d o n l i n e u s i n g f u z z y r u l e s a n d a l a d d e r t y p e p o s i t i o n c o n t r o l l o o p i s c o n s t r u c t e d ． T h e fl y i n g s h e a r c o n t r o l i s i mp l e me n t e d t h r o u g h t h e 6 S E 7 0 c o n v e r t e r ． T h e a p p l i c a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m h a s b e t t e r c o n t r o l q u a l i t y i n a s p e c t s s u c h a s o v e r s h o o t ， s e t t l i n g t i me ， a n t i - i n t e r f e r e n e e ， e t c ． Ke y wo r d s fl y i n g s h e a r ； p o s i t i o n c o n t r o l ； f u z z y c o n t r o l ； S 7 - 3 0 0； c o n t i n u o u s c a s t ； s l a b 0 引言 武汉钢铁集 团公 产线是公 司“ 十一五” 行剪切 ， 分块送人均热炉 ， 之后进行轧制 ， 因此飞 司紧凑式带 钢生产 C S P生 剪是衔接连铸和轧钢生产 、 保证 C S P生产顺行 的 计划的重点项目， 该厂 2台 关键设备之一。该飞剪系统用 1台功率6 0 0 k W、 连铸机设计年产能 2 5 0万 t ， 生产板坯厚度 5 0 9 0 m m， 宽度 9 0 0 1 6 0 0 m m， 最大拉速6 m ／ m i n 。 飞剪将连铸机拉出的板坯按照定尺 2 1 0 0 m m进 转速 1 4 9 2 r ／ m i n的交流电动机驱动 ， 由1 台功率 为 8 5 0 k W 的6 S E 7 0变频器进行传动控制， 由 1 套西门子 S 7 3 0 0 P L C进行逻辑联锁及剪切启动 、 作者简 介 刘锐 1 9 8 9 一 ， 男 ， 硕士研究 生 ； 收稿 日期 2 0 1 4 - O 7 - t O 6 4 冶 金自 动化 第3 9卷 停止 、 定位等控制。C S P生产线要求分块板坯最 大长度公差为 - t- 2 m m_ 1 j 。自2 0 1 1年 3月 7日试 运行以来 ， 生产线 板坯长 度误差 均在 5 mm左 右 ， 最大达到 1 0 mm， 误差对后续生产造成很大 影响。在升级了位置环光 电编码器 以后 ， 问题依 然没有得到有效解决 。对误差进行分析后 ， 发现 实 际生产中编码器安装刚性不 足造成振动 、 编码 器模拟信号的偏置等干扰因素均对剪切误差有 一 定影响。当出现干扰时 ， 原剪刃位置 的开环 比 例控制无法快 速跟随并适 应系统 。为了提 高 精度 ， 笔 者通过 s 7 ． 3 0 0 P L C设 计 了模糊控 制 环 节 ， 在线实时调整速度环 的 P I 参数 ， 并将优化 后 的参数发送到 6 S E 7 0变频器 ， 通过变频器调整电 动机的速度使飞剪剪切更精确 ， 同时引入更精确 的阶梯型位置环。2 0 1 2年 3月正式投入后 ， 运行 半年 以来 ， 剪切误差稳定在 2 mm内 ， 满足 了生 产需求。 1 模糊 控制 系统 结构 飞剪控制采用三环系统 ， 即电动机 的电流控 制环 、 速度控制环和剪刃位置控制环 ‘ 。结合飞 剪控制的特点 ， 笔者在系统中加入模糊控制环节 并引入 阶梯型位置环 ， 如 图 1所示。通过 电动机 轴后的位置环 光电编码器对 剪刃实 际位置进行 测量 ， 利用位置设定值与实际值 的偏 差对速度进 行修正 ， 将优化后的参数通过 P r o fi b u s D P通信协 议发送到 6 S E 7 0变频器 ， 通过调节 电动机速度达 到更精确的控制效果 J 。 △ 一飞 剪剪 刃位置设 定值 与实 际值 偏差 ； d s ／ d ￡ 一 剪 剪刃位置偏差 变化 率 ； △ 尸、 △ P I 调节 器模糊 控制修 正值 。 图 l 优 化的模糊控 制飞剪系统 Fi g ．1 Opt i mi z e d f u z z y c o nt r o l s y s t e m o f fly i ng s he a r 速度环 中 P 【 K K △ ， 式 中 、 K 为速度环模糊修 正前 的 P I 参数 ； K 、 为模糊修正后 的 P I 参数 。 2 模糊控 制器设 计 如图 2所示 ， 模糊控 制环节 采用 双输 入 、 双 输出的二维模糊 控制结构 。在 飞剪 电动机 的非 传动端同轴连接有光电编码器， 以电信号的形式 将飞剪实时位置传送至 P L C的模拟量输 入模块 ， 转化为数字量后 ， 通过运算并与预先设定 的位置 对 比， 就可以得 到这一时刻 的飞剪位 置偏 差 。 为 了反映位置偏差 的变化速度和变化方 向 ， 定义 采样周期 内位置偏 差变 化率 为 E C 。 。经 过模糊 化 后 ， 设 该位 置偏 差 为 E， 位 置 偏 差 变 化率 为 E C。设模糊输 出信号为 、 即 将其 解模糊后 即可得到精确控制信号 △ P、 △ ， 。通过模糊控制 ， 使 l I ， l E C l ， 则位置偏差及其变化率可 以分别稳定在 经验值 允许 的范 围 、 内 ， 保 证 了系统 的稳定运行 J 。 △n 一 电动机速度调节量 。 图 2 飞剪位 置模 糊控制器 F i g ． 2 F l y i n g s h e a r p o s i t i o n c o n t r o l l e r b a s e d o n f uz z y c o n t r o l 2 ． 1 模糊化 通过模糊 化 ， 将 位 置偏差 、 位 置偏 差变 化 率 E c以及输出变量 、 u 转换 成模糊集 合 的 隶属函数 。为了保证控制精度 ， 同时为了简化计 算 ， 模糊化选用三 角形隶 属度 函数 法。E、 E C以 及 、 的模 糊子集 为 { 负大 ， 负 中 ， 负小 ， 零 ， 正小 ， 正 中， 正 大 } ， 对 应 { N B， N M， N S， Z O， P S ， P M， P B} ， 定义其论 域 为 {一0 ． 3 ，一0 ． 2 ， 一0 ． 1 ， 0 ， 0 ． 1 ， 0 ． 2 ， 0 ． 3} 。结合专家经验 和实 际控制要 求 ， 输入量和输 出量的隶属度 函数 曲线如 图 3所 示 6 6 冶 金自 动 化 第3 9卷 法快速跟 随并 适应系统 ， 造成 剪切不 准确 ， 并 会在接下 来 的周期 中形 成误差 累积。在分析 了 误差产生的原 因后 ， 在 P L C里设定 An 0 △S1 mm 1 ％ n 1 mm≤ AS2 mm 2 ％ n 2 mm≤ A S 3 mm 优化后位置环 如图 5 b 所示 ， 相对 于原调 节系统， 优化后的位置环反应更快、 更灵敏， 跟随 性 比传统环节更好 。 An 2％ n l 一 2 1 0 2 A S ．． ． ．．．．．． 一2 ％ a 传统位置环 An 3％ n。 三 2％ n。 1％ n。 i l O 1 2 3 4 ； ⋯ A S ／ n L _ J ． ． ． ． ． ． ． b 优化位置环 图 s 传统和优化的位置环 F i g ． 5 T r a d i t i o n a l a n d o p t i mi z e d p o s i t i o n l o o p s 4 系统实现 本模糊控制系统和优化的位置环通过 S i e ． m e n s s 7 3 0 0 P L C编程实现。通过 S t e p 7 V 5 ． 4完 成系统组态及编程 ， 实现对飞剪位置 的控制。通 过 Wi n C C 6 ． 0调节并监控现场各参数 ， 实现人机 交互 [ 引。 编制软件程序 主循环程序模 块 O B 1调用各 种功能块 F B和功能 F c完成控制任务 。功能块 F B 1 、 F B 2为模 糊控 制器 ， 完成 整个 模 糊控 制 功 能 ， 与之对应的背景数据块 D B 1存储位置偏差参 数 E。F B 1由功能 F C 1～F C 4子程 序组成 ， 其 中 F C 1完成 E和 E C的计算 ， F C 2进行模糊化处理 ， F C 3实现模糊控制规则表 的查询功能 ， F C 4完成 A P和 △ ， 的清晰化处理。功能块 F B 3为位置环 优化模块， 用比较指令 C M P实现按位置偏差输 出不同速度调节值的功能。模糊控制算法程序 流程如图6 所示。 将位置偏差置入 P L C中 适时 采 样 时 间 到 ＼ ／ Y 上 将 、 E C置入 P L C存储区 将 输入量分别量化到 l 1 晕 输入语言变量的模糊 I I 论域中并置入存储区 I l 查询模糊控制表 求得 、 。 二二]二 将 、 。 解模糊 调整后的参数 置入 P I 模糊控制模块 图 6 模糊控制算法程序流程图 F i g ． 6 P r o g r a m fl o w c h a n o f f u z z y c o n t r o l a l g o r i t h m 在 S t e p 7中完成系统的硬件组态后 ， 用梯形 图及 S T L编写各 功能块 。首先将 量化 因子 、 K 朋分 别 写 入 P L C 的数 据 寄 存 器 D B 3 ． D B D 4、 D B 3 ． D B D 8中 ， 然 后 采 样 E和 E C， 置 人 D B 1 ． D B D 3 6和 D B 1 ． D B D 4 8 ； 计 算得 出的模糊 控制量 K P、 放 入 D B 1 ． D B D 6 8 、 D B1 ． D B D 6 0， 解 模糊 得到的精 确控制 量 △ P、 △ ， 放入 D B 1 ． D B D 7 6和 D B 1 ． D B D 6 4中 。 在模糊控制算法 中， 模糊控 制量 表的查 询即 F C 3子程 序块 是程 序设 计 的关键 。将模 糊论 域 的元素 {一0 ． 3 ，一 0 ． 2， 一0 ． 1 ， 0， 0 ． 1 ， 0 ． 2 ， 0 ． 3} 转换为 { 0， 1 ， 2， 3， 4， 5 ， 6} 以便于寻址查询 ， 然后 采用“ 基址地址 变址地 址” 的寻址方式 将模糊 控制量表 中 的 P I 控 制结果 按从上 到下 、 从左 到 右 的顺序 填入 P L C的数据 寄存 区 D B 2 ． D B D 0～ D B D 2 ． D B D 9 6和 D B 3 ． D B D 0～D B 3 ． D B D 9 6 中 。 第2 期 刘 锐， 等 基于 S 7 3 0 0 P L C的飞剪模糊控制 系统 6 7 控制量 的基 址为 0， 其偏 移地址 为 0E C x 7 ，寻址得到模糊输 出量 、 。经过解模糊 即 得精确控制量 △ P、 △ ， 。 最后 ， P L C将 优化过 的 、 I ， 通过 P r o fi b u s 协议经控制字送至变频器 ， 由变频 器调节 电动机 速度 即可实现对飞剪位置的在线实时调整 。 5 应 用效果 通过西门子 的组态软件监控功能可以得到 2 种控制方案对于人为加入现场干扰 以后 ， 系统调 节 的变化 曲线 ， 如图 7所示 。 1 2 o o 1 o o O g 8 0 0 6 0 0 4 0o 2 0 0 0 1 2 o o 1 0 0 0 g 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 o o O 时间／ s a 未加入模糊控制 时间／ s b J 3 l 入模糊控制 图 7 模块 输 出 Fi g． 7 Ou t p ut s o f mo d ul e 从 图中可以看 出， 在飞剪运行周期 1 S内， 加 入 △ P、 △ ，的修正值 后 ， 在有干扰 的情况下 ， 传统 系统需要 0 ． 7 5 s 左右才能跟 随上位置设定 曲线 ， 而加入模糊控制模块在 0 ． 4 5 s 左右即可跟随上 设定值 ， 对系统位置偏差反应能力更快 ， 偏差 小。 该模糊控制系统运行半年后 ， 板坯长度误差从原 来 的 5 m m下 降到 2 mm， 满 足 了 C S P生 产线 的需求 。 生产实践表 明， 改造后 的系统有效地减少 了 由于剪切造成的精轧和卷取出现 的设备故障 ， 有 效提高 了带钢成材率 和产 品质量 。通 过 P L C编 程实现模糊 控制 ， 既简单 易行 ， 又提高 了系统 的 智能化程度 ， 这种方法和思路 对现有设备低 成本 条件下 的改造有参考意义 。 参考文献 [ 1 ] 王海文． 轧钢机械设计 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 93． [ 2 ] 吴四清 ， 易清． 影响飞剪切头精度 的因素及改进措施 [ J ] ． 冶金 自动化， 2 0 0 9 ， 3 3 2 6 9 - 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1 6 ． [ 编辑 薛 朵]
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