基于PLC的步進梁式加熱爐步距模糊自適應控制

王 敏 張曉江

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

加熱爐是鋼鐵企業中的重要設備，它的作用是在鋼材軋制之前，使用高爐煤氣將鋼坯燒成1 000℃以上的紅熱狀態。蓄熱型步進梁式加熱爐與傳統的加熱爐相比，具有節能環保、加熱均勻及爐體壽命長等優點，因而廣泛使用于鋼鐵企業。采用S7-400 PLC控制步進梁式加熱爐的運動系統，提高了加熱爐的自動化水平。然而，目前這種加熱爐存在一個問題：在步進梁移動時，由于各種原因(如負載大小和阻力的變動以及液壓站提供的油壓波動等)會造成活動梁每一步運行的步距都有誤差[1，2]，盡管每一步誤差僅有幾毫米甚至零點幾毫米，可是從進料端到出料端運行近一百步的累積誤差就相當可觀。可能會導致鋼坯在加熱爐中的最后一步不能準確落在出料懸臂輥上，從而造成設備故障，影響正常生產。因而迫切需要對步進梁的步距進行控制，確保每一根鋼坯出爐時都能夠準確地落在出料懸臂輥上。

筆者所研究的步進梁式加熱爐的基本參數有：爐內進料與出料輥道中心線之間的距離為28 000mm，爐內寬12 600mm，移動梁由5根固定梁和4根活動梁組成，鋼坯尺寸為200mm×200mm×9000mm，活動梁升降距離為200mm，水平移動距離為300mm[3]。

如圖1所示，鋼坯沿著爐外傳送輥道進入爐內進料懸臂輥道，在爐內對鋼坯定位后，推鋼機動作，把鋼坯推到固定梁上。然后通過爐內活動梁的循環運動將鋼坯從爐子的進料端一步步送到爐子的出料懸臂輥道上，在爐內鋼坯被燒紅，最后順著出料輥道離開加熱爐[4]。

圖1 加熱爐內固定梁、活動梁和鋼坯分布示意圖

其中，鋼坯在步進梁上的移動依靠的是活動梁從最低位開始完成上升200mm、前進300mm、下降200mm、后退300mm的循環運動(圖2)。

圖2 步進梁運動軌跡

2 步進梁式加熱爐模糊自適應控制的基本原理

為了避免鋼坯落錯位的事故發生，步進梁式加熱爐的步距采用模糊自適應控制的方法，其原理如圖3所示。在這個系統中，激光測距裝置周期性地測量最靠近出料懸臂輥的鋼坯與出料懸臂輥中心線之間的距離，得到鋼坯所在位置與系統設定的步距之間的偏差，通過模糊控制規則來調整控制器的步距參數，使鋼坯落在出料輥上。通過在線識別，當系統出現規律性的誤差時，自主地自適應調整系統的步距設定值，可對規律性誤差進行修正，通過PLC實現了這一控制策略。使系統安全性能得到改善，提高了系統對內外環境變化的適應能力。該設計發揮了自適應控制系統的優點，在沒有人干預的情況下，系統可以隨著運行環境的改變而自動調節自身控制參數，達到滿意的控制效果[5]。

圖3 步進梁式加熱爐自適應模糊控制原理

3 步進梁步距調整的模糊自適應控制策略

當活動梁水平行程為300mm時，爐內共有91個料位，即鋼坯在爐內走91步。鋼坯在第91個料位到出料懸臂輥中心線的距離為d。系統設定的步距與d相比，過大或過小都會造成鋼坯落錯位的事故。為了準確、可靠地將鋼坯送上出料懸臂輥道，必要時就需要修正步距。

對于加熱爐，在選擇測距傳感器時，需要注意測量精度和使用場合，尤其在本系統中，需要考慮到高溫環境和測量的誤差。經過篩選，決定使用激光測距傳感器，因為其價格在不斷下調，降低了經濟成本。其次，激光測距傳感器在向著測距快、體積小、耐高溫、性能穩定的方向發展，而且可測得與高溫物體表面之間的距離，測量精度高，僅有小于1mm的測量誤差，因此，可以安裝在爐內出爐側的爐壁上，測得活動梁的每一個正循環(即前進一步)之前，離出爐側最近的一根鋼坯前側面到激光測距儀的距離，進而計算出該鋼坯中心線與出料懸臂輥中心線之間的距離。

設第91個料位上的鋼坯中心線與出料懸臂輥中心線之間的距離為l′，假設理想狀態下第91個料位的中心線位置與出料懸臂輥中心線之間的距離為l(系統設定的步距就是l)。判斷鋼坯是否已經達到第91個料位的依據是l′≤l+150，如果不滿足該條件，則認為鋼坯尚未到達第91個料位，不需要調整步距。誤差e=l′-l為實際距離與理想距離之差。對于本系統，可以設計雙輸入、單輸出的模糊控制器，即將e和ec作為輸入，步距d作為輸出，且輸入輸出變量的隸屬度函數均采用三角函數[6]，如圖4、5所示。為了便于分析，將誤差d定到(-30，30)之間，將e、ec和d模糊化為E、EC和D，將E和EC量化到(-30，30)的區域中，則其模糊子集為{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。將D量化到(270，330)的區域中，模糊子集為{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}[7]。

圖4 e和ec的隸屬度函數

圖5 d的隸屬度函數

模糊控制規則的設計采用IF-THEN的模糊條件句來作為控制規則[8]。當系統產生一定誤差時，控制器就會在線修正d，修正公式為：d=300+e。例如，本系統中當e=-10mm時，即第91個料位處的鋼坯的實際位置比標準位置離出爐側近了10mm，則步進梁的下一步應在300mm的基礎上少移動10mm，由此可改變水平步進距離d=290mm。當EC值為NB、NM、PM、PB時，需要考慮其變化率和噪聲的影響，控制強度需減弱；當EC值為NS、ZO、PS時，可忽略噪聲的影響，控制需根據E的變化而變化。

根據以上原理可以得到表1所示的模糊控制規則。

表1 模糊控制規則表

確定好模糊控制規則后，PLC步距控制的程序流程如圖6所示，其中由于系統可能會出現一定規律性的誤差，如每一步的步距均偏大或者均偏小，針對規律性的誤差設計的誤差修改程序如圖7所示。

圖6 PLC步距模糊控制的程序流程

整體而言，當有位置信號l′反饋回PLC時， PLC根據步距模糊控制程序調整每步的步距，使出爐誤差減小。并且，當誤差e呈現連續為正或連續為負時，即可判斷為系統存在著規律性的誤差，系統可以自主地根據誤差規律自適應修改系統預先設定的步距，進而實現了自適應控制的目的。步進機構模糊自適應控制原理如圖8所示。

圖7 δ修改規則

圖8 步進機構自適應模糊控制原理

4 結束語

實際運行結果表明，該模糊自適應控制步距的方法有效地避免了鋼坯落錯位的事故發生，保障了安全生產，提高了勞動生產率。采用模糊自適應控制策略，自動地修正步進梁移動步距。自主識別系統具有規律性的誤差，自適應調整步距的設定值，提高了生產的安全性，使步進梁運動系統工作更加穩定可靠。

[1] 葉光平，徐建平，李龍濤.步進式加熱爐內鋼坯扭轉的分析與控制[J].軋鋼，2012，29(4)：67～70.

[2] 張雪榮.步進梁式加熱爐跑偏原因分析及控制[J].武鋼技術，2011，49(2)：54～56.

[3] 查道正.三加熱段步進梁式加熱爐自動控制系統研

究及應用[D].合肥：合肥工業大學，2013.

[4] 張佳.加熱爐步進梁控制策略的研究[D].合肥：合肥工業大學，2014.

[5] 孫增圻.智能控制理論與技術[M].北京：清華大學出版社，1997：16～124.

[6] 楊益興，崔大連，周愛軍.模糊自適應PID控制器及Simulink仿真實現[J].艦船電子工程，2010，30(4)：127～130.

[7] 葛新成，胡永霞.模糊控制的現狀與發展概述[J].現代防御技術，2008，36(3)：51～55.

[8] 王永富，柴天佑.自適應模糊控制理論的研究綜述[J].控制工程，2006，13(3)：193～198.