高溫鋁液液面自動控制系統設計及應用

陳仁祥,邱天然,劉建剛,潘流平

(1.重慶交通大學 交通工程應用機器人重慶市工程實驗室, 重慶 400074;2.貴陽市智能制造技術研究院, 貴陽 550000)

0 引言

鋁及鋁合金因密度小、比強度高、耐腐蝕、易加工成形等優點,被廣泛應用于航空航天、建筑交通、電子通信和國防軍工等領域[1]。鋁產業是材料產業的重要組成部分[2]。鋁液溫度為660.4 ℃,在鋁板生產過程中,須保持高溫鋁液液面穩定,才能安全地生產出高質量鋁板。在傳統鋁板生產中,依靠人工觀察浮標判斷液面情況并進行手動調節,實時性差,且需要依靠經驗,還存在危險性。因此,實現自動鋁液控流十分必要。

國內外鋁液控制設備中多采用傳統PID控制。但因熔爐壓強具有時變性、滯后性,難以建立精確的數學模型,PID控制效果往往難以滿足要求。黃卓超等[3]用粒子群算法整定PID參數,對PID算法進行改進,使超調減小、響應速度變快。劉曄等[4]提出預估器和專家規則整定PID參數的方法,提高了調節精度。這些方法控制效果良好,但難以適應動態變化的模型特性。相關學者[5-8]提出用模糊PID控制流量,控制效果良好。但模糊規則依賴經驗,受主觀因素影響大,缺乏自學習能力。

針對上述問題,設計鋁液液面控制系統,提出自適應神經模糊推理系統的控制策略,該策略既具備良好的控制調節能力,又具備自適應和學習能力,在對比測試中控制效果優于傳統PID控制。同時設計合理的機械結構,通過PLC控制,使控制系統能夠精確控制高溫鋁液液面。

1 系統結構及硬件選擇

1.1 系統結構及原理

融化鋁液儲存在熔爐中,通過鋁液流出口,流入溶液槽。在調節時,PLC控制電機驅動器驅動步進電機轉動,通過減速機,帶動執行裝置,控制控流釬調節鋁液流出口大小,對鋁液流量進行控制。對該設備的機械結構進行設計,包括控流釬、圓周動力輸出組、控流釬快速夾緊機構和激光液位監測機構。設備結構如圖1所示。

1.控制系統,2.鑄鋁溶液槽,3.鋁溶液,4.控流釬,5.控流釬快速夾緊機構,6.圓周動力輸出組,7.激光液位監測機構,8.熔爐墻及熔爐

設計可調懸架把激光測距儀器置于鋁液槽正上方。控流釬快速夾緊裝置可實現控流釬與圓周動力輸出組的快速拆裝,為設備維護和調試提供便捷。

液面控制系統結構如圖2所示。設備啟動后,由PLC接收液位情況,并把液位信息實時顯示在組態屏上[9],在組態屏中設置了對應按鈕,可以通過手動和自動2種方式對液面高度進行調節。

圖2 液面控制系統結構框圖

1.2 硬件選擇

PLC控制器。通過分析設備控制需求、輸入輸出信號的種類、數量,綜合考慮經濟性和穩定性等因素,選擇西門子1200系列PLC。在本設備中,PLC控制模塊型號為S7-1212DC/DC/DC,該PLC具有運行穩定、結構外形緊湊、處理高效等特點,可適應40～50 ℃的工作環境,同時額外配有CM 1241信號接收模塊,用于接收RS485通信數據。PLC編程使用了博圖V15軟件對設備的PLC程序進行設計和編寫。程序負責處理設備信號以及控制設備的運作流程。

傳感器。在鋁液加工槽上方,設置激光測距單元,該單元可以測出鋁液當前的液位情況,數據信息通過RS485通訊,傳輸到PLC的接收模塊,在輸入程序中進行液位情況監控。設備還配有接近開關,接近開關負責發送控流釬到達正負限位的信號給PLC,方便系統程序判斷控流釬的位置。

HMI組態屏。使用了MT8102iE,在實現人機交互的過程中,組態屏在鋁液生產現場的抗干擾性和耐高溫性相對于計算機控制系統具有一定優勢[10]。方便使用者更好地對液面情況進行監控和對設備動作進行控制。

供電與散熱。設備配有UPS電源。在停電情況下,還可以持續給設備供電1 h左右。同時工作環境溫度較高,電器柜配有2臺散熱風扇,保證工作溫度良好。

2 控制系統設計

2.1 PLC與人機交互系統設計

PLC的控制程序流程圖如圖3所示。系統的控制包括組態屏和PLC程序。組態屏通過Modbus TCP/IP以太網與PLC通訊,直接訪問PLC寄存器中的變量[11]。通過點擊組態屏上按鈕,可以對系統進行操控和管理。

圖3 PLC控制程序流程框圖

在手動模式調節過程中,現場操作人員可以實時監控當前鋁液的液位情況。通過點擊組態屏上的按鈕,可直接對控流釬位置進行調節。在自動模式調節過程中,如果熔爐中鋁液存量過少,自動液面控制過程中液面持續過低。PLC程序會檢測到并且報警,驅動報警器蜂鳴并且亮紅燈,提示生產現場工人熔爐中鋁液存量異常[12]。另外,程序對通訊狀態異常、電機狀態異常等情況設置了自查功能,一旦出現異常情況,程序便會報警提醒,增加了設備可靠性。組態屏界面如圖4所示。

圖4 人機交互界面

設備的I/O點位匯總如表1所示。

表1 控制系統I/O分配

在鋁板生產過程中,如停電,鋁板生產線會停止工作,但鑄鋁溶液槽中的鋁液還在不斷外流,如果不及時處理,高溫鋁液會溢出鋁溶液槽,從而引發危險。為解決這個問題,加裝UPS電源,該電源具有蓄電功能,在停電的瞬間,轉為UPS電源供電,此時PLC接到停電信號后,驅動電機反向運動,直到控流釬把熔爐口堵死,使流量減小到最低。這樣最大程度上保證了停電后的生產安全問題。

2.2 ANFIS-PID控制器設計

自適應模糊推理系統(ANFIS)將模糊推理系統與神經網絡結合。該算法根據輸入輸出信息提取模糊規則,從而獲得更合適的隸屬度函數。自適應模糊推理系統具有依據經驗獲得更好控制效果的優勢,并具有神經網絡的學習能力[13]。因此,采用ANFIS方法,實現對PID參數的自動調節,使控制的穩定性和調節速度得到提高。設計的ANFIS-PID控制器結構原理如圖5所示。

圖5 ANFIS-PID結構原理圖

設計的ANFIS結構有5層,結構的輸入為誤差e及其變化率ec,第1層計算隸屬度,其表達式為

(1)

式中:x為輸入變量;i為輸入變量的數量;j為模糊變量的個數;hij(xi)為輸入變量對應的模糊變量值;h為模糊變量值;cij為高斯函數的中心值;σij為高斯函數的寬度。

第2層用于模糊推理層每個節點表示模糊規則庫中的一條規則,該層可以確定每個模糊規則的適應情況,用于進行模糊規則的匹配[14]。

wk=hij(x1)hij(x2)hij(x3)hij(x4)

(2)

式中,wk為第k個節點的權重參數。

第3層用于將各個節點的模糊規則的觸發強度歸一化。該層的節點數與上層相同。

(3)

第4層用于得到每個規則的輸出。

(4)

第5層用于解模糊后最后計算系統的總輸出。

(5)

ANFIS網絡的經典結構如圖6所示。

圖6 ANFIS網絡結構

3 系統仿真與測試

3.1 Matlab仿真實驗

為驗證ANFIS-PID控制器的有效性,在Matlab中搭建Simulink聯合仿真模型進行仿真。首先建立被控對象的數學模型。工業過程控制中,連續變化的參數可簡化為一階慣性純滯后的數學模型來描述,傳遞函數模型簡化表示為:

(6)

式中:k為系統增益;T為系統時間常數;τ為延遲時間;s為傳遞函數中的變量。

記錄調節過程中液面高度數據與控制器輸出數據,導入Matlab系統辨識工具箱,得到該控制模型近似傳遞函數為:

(7)

根據ANFIS結構與傳遞函數,創建基于Matlab/Simulink的控制系統仿真模型如圖7所示。

圖7 Simulink仿真模型

模型給定階躍信號,采用傳統PID、線性自抗擾控制(LADRC)、ANFIS-PID模型分別進行仿真,仿真結果如圖8所示。曲線調節至目標值且后續調節中偏離目標值均小于0.1時,可認為調節完成,以此為調節時間?？刂品椒ǖ姆抡娼Y果如表2所示。

表2 仿真結果分析

該模型相較于實際模型,調節時所用方法一致。實際調節過程中,鋁液液面影響因素更加復雜,但該仿真模型可以較為準確模擬實際模型的調節過程。結果顯示ANFIS-PID方法在調節過程中峰值為1.046,超調量為4.6%,上升時間為27 s,均小于傳統PID方法與LADRC方法。ANFIS-PID調節至穩定所用時間為40 s,與LADRC方法相同且小于傳統PID控制方法。

仿真結果顯示,ANFIS-PID控制方法曲線更平滑,峰值、超調量、上升時間在3種方法中最小,調節時間與LADRC方法相同,調節精度有所提高。由此可見,ANFIS-PID算法總體控制效果最好。

圖8 階躍響應曲線

3.2 液面控制實驗

為進一步驗證控制算法的合理性,在生產過程中分別采用傳統PID與ANFIS-PID方法對高溫鋁液液面進行調節。由于實驗條件限制,在仿真測試中對比的LADRC方法未參與液面控制實驗。圖9為測試現場以及生產現場情況圖。

圖9 測試及生產現場圖

為保證正常生產,液面從開始調節到液面穩定在目標高度所耗時間不宜過長,且須保證2種控制方法測試初值相同,所以在測試前將液位調節到接近目標液位附近。將液面高度用手動模式調節到9.0 cm,穩定30 s后。將目標液面高度設置為12.10 cm,開啟自動調節模式后開始測試。分別使用2種調節算法進行測試,測試時間設定為 110 s,測試結果如圖10所示。結果曲線調節至目標值且后續調節中偏離目標值均小于0.1 cm時,可認為調節完成,以此為調節時間。

圖10 液面調節曲線

觀察圖10可知,普通PID控制在調節過程超調量較大。液位峰值上升到12.64 cm,超調量達到了4.46%,且較難達到穩定狀態。

傳統PID算法上升時間為40 s,液面穩定在目標高度所用時間為85 s。而超調量過大和調節時間過長會導致液面長時間處在不適合生產的位置?？赡軐е庐a品質量下降甚至出現廢品,采用ANFIS-PID后,超調量下降為2.39%,且上升時間縮短5 s,高溫鋁液液面高度穩定在目標液面高度所用時間縮短35 s。液面調節情況如表3所示。

表3 鋁液液面調節結果分析

實驗表明,在傳統PID控制下,超調量較大且調節所需時間長,當采用ANFIS-PID控制時,調節峰值較小,超調量下降且上升時間、調節時間明顯縮短,證明該高溫鋁液液面控制系統能快速有效地對鋁液液面進行調節。

4 結論

提出ANFIS-PID高溫鋁液液面控制方法,并對控制系統進行設計,通過仿真實驗和現場實驗結果表明,提出的ANFIS-PID控制方法對比傳統PID控制方法,穩定性及調節速度提升。同時,針對現場生產流程,合理設計機械結構及人機交互模塊?？刂葡到y在生產現場使用情況良好,進一步證明了該系統的合理性。