基于PLC和AGC系統在鋁箔板厚度控制中的應用

摘 要:為實現鋁箔板厚度的精確控制，采用了西門子S7-400PLC為核心的AGC系統，同時把模糊PID控制原理應用于某鋁廠的鋁箔板厚度控制系統，獲得了理想的效果。詳細闡述了AGC的工作原理、系統硬件和軟件設計。實踐表明，系統的軋制精度得到有效的提高，性能指標滿足了生產的需要。

關鍵詞:PLC應用; AGC系統; 模糊PID控制; 控制精度

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0169-03

Application of PLC and AGC System in Aluminum Foil Thickness Control

ZHANG Guo-wei，MAN Gao-hua

(Guangxi Technological College of Machinery and Electricity， Nanning 530007， China)

Abstract: In order to control the thickness of aluminum foil accurately， the AGC system based on Siemens S7-400PLC and the control principle of fuzzy PID are applied to the thickness control of aluminum foil in an aluminum manufacturer. An ideal effect is obtained. The hardware and software design as well as the working principle of AGC are elaborated. The practical results show that the rolling accuracy of the aluminum foil is improved by the system， and the performance index can meet the requirements of the practical production.

Keywords: application of PLC; AGC system; fuzzy PID control; control accuracy

目前，鋁箔產品競爭日趨激烈，市場對鋁箔的種類、質量、精度的要求也越來越高，特別是對于厚度僅為幾十微米的鋁箔產品。為了能在市場中立于不敗之地，必須對鋁箔的生產過程進行技術革新或改造。現階段軋鋁箔行業的自動厚度控制(Automatic Gauge Control，AGC)系統，大多數是依靠工業PC進行控制，由于工業PC的穩定性和實時性不如PLC，所以本文針對冷軋鋁箔生產過程，采取增設液壓控制系統和以PLC為核心的AGC系統，實現了控制系統模塊化、網絡化的同時，也大幅度地提高了鋁箔冷軋機系統的控制精度。

1 AGC系統的組合控制

AGC控制的目的是將軋機出口的鋁箔厚度盡可能地控制在要求的目標值范圍之內。因此，為獲得良好的控制精度，AGC系統設置了多種控制器和補償環節，這些控制器和補償環節分別由不同的測量儀表和傳感器組成[1]。AGC控制的輸出值，始終作為補償值施加到冷壓機系統的液壓壓下伺服機構內環控制器之中。現階段的鋁箔生產過程中，為了獲得厚度更加精確的鋁箔，盡量減少坯料波動、軋制速度不穩定等因素對鋁箔厚度帶來的誤差，AGC系統利用組合控制的方法使鋁箔厚度誤差處于可以控制的范圍之內。

組合控制的具體過程如圖1所示，通過PI調節器的增益參數來實現對輥縫、 液壓伺服缸的位置以及壓力的控制，確保了鋁箔厚度誤差值處于允許范圍之內。一次PI調節起到了反饋控制的作用，控制器在一定的調節范圍內對鋁箔厚度作初步的PI調節;假如鋁箔厚度沒有達到期望的精度要求，AGC系統將會自動對鋁箔厚度進行二次PI調節，二次PI調節是基于一次PI調節的溢出部分(處于盲區位置)作為誤差信號進行的。

圖1 AGC的組合控制

2 AGC系統的硬件組成

如圖2所示，采用西門子S7-400系列PLC作為AGC系統的核心控制單元。利用FM485功能模板提高了AGC系統實時性的同時，也與分散的ET200通訊模塊組成FROFIBUS-DP網絡，進而減少了主站與測量點的接線。人機界面采用西門子公司生產TP27-6觸摸屏，使用S7-400系列的443-1CPU完成主站與人機界面計算機的通信。位移信號的測量采用德國生產的MTS絕對值傳感器，左/右卷機的轉速測量選用增量編碼器，利用FM485功能模板上的絕對值和增量編碼器模塊讀取位移和轉速值。相對于液壓壓下伺服機構的位置內環控制(APC)而言，AGC是鋁箔厚度的外環控制，其輸出信號主要是用來修正位置內環的輥縫設定值，通過液壓伺服驅動，使軋輥快速動作，以達到迅速消除厚度誤差的目的。

圖2 AGC系統硬件組成

參與控制的信號有模擬量和開關量[2]。模擬量信號可以使AGC系統的響應速度加快，進而提高了對于鋁箔的精度要求 (μm級)，模擬輸入信號主要由傳感器采集的位移、 壓力、速度值和測厚儀所測的厚度值組成，模擬輸出信號由速度調節量和液壓機伺服的調節量組成。設置開關量信號，主要是方便操作人員通過這些開關和按鈕控制軋制鋁箔的過程，開關輸入量有測厚儀的狀態信號和觸摸屏的控制信號，輸出則包括對測厚儀的控制以及與系統其他部分的通訊信號等。

AGC系統的控制原理框圖如圖3所示。該控制系統采用雙閉環控制方式，測厚儀、S7-400系列PLC和軋機構成鋁箔厚控制的外環，該外環控制由厚度監控環的下位機完成。內環使用了兩個閉環，分別是控制伺服液壓缸的位移傳感器回路和液壓壓下伺服機的壓力傳感回路。

圖3 AGC原理框圖

3 AGC系統的軟件組成

AGC系統的監控軟件部分主要憑借TP27-6觸摸屏的WinCCflexible組態軟件來進行編寫，能夠實現對鋁箔厚度、液壓壓力、直流調速電機的速度等值的顯示，以及AGC系統參數設置和報警等功能。對于S7-400系列PLC來說，AGC系統的軟件設計部分，主要依靠STEP7編程軟件來實現，STEP7是用于SIMATIC PLC組態和編程的標準軟件包，該軟件包提供了一系列的應用程序(工具)，其能夠支持自動化項目創建的各個階段，利用STEP7，系統設計人員可以通過在線診斷 PLC硬件狀態、控制 PLC運行狀態和I/O 通道狀態，開發出符合現實需要的PLC控制程序。

3.1 系統的軟件設計原理

在進行軟件設計之前，需要考慮AGC的功能執行過程和通信過程。如圖4所示，系統軟件設計的基礎主要由三部分組成。

圖4 AGC功能和信道

(1) 觸摸屏用來實現實時數據、系統狀態和報警信息的顯示，以及操作人員對軋機參數的設定和修改。

(2) 傳感器和伺服系統屬于檢測和執行部分，實時采集各種需要的信號并傳入PLC，同時將PLC輸出的數字信號或模擬信號轉換成傳感器和伺服系統的操作。

(3) PLC則是整個系統數據交換和處理的中心，主要功能是數據格式轉換、 報警判斷、 輸出顯示和厚度控制。從模板輸入的數據信號必須轉換成統一數據格式才能參與數據的運算與顯示。此外，設立公共數據區，無論是操作人員通過觸摸屏設置的參數，還是傳感器采集的參數，都必須存入公共數據區。數據區設為事件觸發模式，當AGC控制器或其他運算需要讀寫數據時，事件觸發之后就可以對數據區的數據進行操作。

3.2 軟件設計

系統的軟件設計流程圖如圖5所示，具體可分為自動操作和手動操作兩部分。

鋁軋機在工作之前，需要先將液壓站的冷水泵和加熱器打開，以便降低油溫和均勻乳化液的溫度。在自動操作或手動操作之后，必須進行調零處理和P-H曲線測試，調零是為了使軋輥充分接觸;P-H曲線測試是為了去掉軋機彈性曲線中的非直線部分，消除軋輥軸承引起的輥縫誤差，避免輥縫差過大對鋁箔板行造成不良影響。當進行輥縫調零和P-H曲線測試時，FM485通過壓力傳感器檢測到帶鋁的張力，使液壓缸工作在軋制力閉環控制方式下。其他情況下，液壓缸一般工作在位置閉環控制方式下[3]，具體過程如下:MTS高精度位移傳感器檢測液壓缸的位置，被FM485模板上的絕對值編碼器獲取，然后經過PI算法之后，輸出電壓值到伺服驅動，從而完成對液壓缸的位置閉環控制。

圖5 軟件設計流程圖

鋁箔的厚度控制過程具有時間滯后性、多時變性和非線性。為解決此問題，本系統采取模糊PID控制算法，模糊PID控制適合于多變量、非線性、多擾動、強耦合的對象模型難以建立的系統。

模糊PID控制器由三個主要的環節組成[4]。

(1) 模糊化:模糊化是將模糊控制器輸入量的確定值轉換為相應模糊語言變量值的過程;

(2) 模糊推理:模糊推理包括三個組成部分:大前提、小前提和結論。大前提是多個多維模糊條件語句，構成規則庫;小前提是一個模糊判斷句，稱為事實。以已知的規則庫和輸入變量為依據，基于模糊變換推出新的模糊命題作為結論的過程叫做模糊推理;

(3) 清晰化:清晰化是將模糊推理后得到的模糊值轉換為用作控制的數字值的過程，提高了系統的響應速度，并且能夠在最短時間內獲得較高的控制精度。

模糊PID控制器的控制效果如圖6所示。圖6中PID控制曲線幾乎沒有超調的過程，就快速穩定地達到了設定值厚度為0.1 mm，基于模糊控制的PID調節比簡單的PID調節穩定性高，能夠解決整個AGC系統對鋁箔控制的時間滯后問題。

圖6 模糊PID控制效果

經過實踐應用，基于PLC和AGC的鋁箔板厚度控制系統在產品生產中獲得了令人滿意的效果。如表1所示，針對厚度為0.1 mm的鋁箔板，AGC控制厚度在20 μm范圍內的比例為95%，遠遠高于人工軋制78%的比例，事實驗證，本方案所采取的模糊PID控制器完全能滿足鋁箔板厚度控制的要求。

表1 人工軋制和AGC軋制的精度比較

厚差 /μm人工軋制AGC控制

104762

203133

30154

4051

≥5020

4 結 語

在實際使用過程中，FM458工作穩定可靠，編程功能強大且易于修改維護，并能很好地融入到S7-400的控制系統中。鋁箔厚度在基于S7-400PLC的AGC系統作用下，滿足了預期的效果。具體生產過程驗證了在鋁軋機上安裝AGC系統提高了軋機精度的同時，也方便了現場操作人員的人工操作。基于S7-400的AGC系統人機界面友好、維護方便、成本投入低的優點，對我國鋁箔生產產生了較大的社會效益和經濟效益。

參考文獻

[1]程立英，野瑩瑩，彭澤波.PLC教程:原理#8226;應用#8226;設計#8226;實驗[M].北京:人民郵電出版社，2009.

[2]李超，龔海斌.FM458在鋁冷軋機AGC系統中的應用[J].冶金自動化，2004，30(2):19-22.

[3]王君，張殿華，李建平，等.中厚板軋機液壓輥縫控制系統研究及其PLC實現[J].東北大學學報，2001，8(4):435-438.

[4]肖軍，王金章.模糊控制在軋機厚度控制系統中的應用[J].控制與決策，1993(5):213-217.

[5]楊景明，連家創，王洪瑞，等.鋁帶冷軋機板形冷卻控制系統剖析[J].冶金自動化，1995，19(3):12-15.

[6]金茲伯格 V B.高精度板帶材軋制理論與實踐[M].姜明東，王國棟，譯.北京:冶金工業出版社，2000.

[7]章衛國，楊向忠.模糊控制理論與應用[M].西安:西北工業大學出版社，1999.

[8]姜樹春.鋁薄板軋制中的板形控制[J].輕合金加工技術，2002，30(2):19-22.

[9]JOHNS R L， REINER V R ， MENGEL J D. Hydraulic AGC at bethlehem′s burns harbor 1602 in plate mill [J].Engineer， 1994， 71 (8): 52-57.

[10]HUZYA K P， GERBER T L. Desigin and application of hydraulic gap cont rol systems [J]. Iron and Steering， 1984， 61 (8): 67-71.