基于PLC和AGC系统在铝箔板厚度控制中的应用

摘要：为实现铝箔板厚度的精确控制，采用了西门子S7-400PLC为核心的AGC系统，同时把模糊PID控制原理应用于某铝厂的铝箔板厚度控制系统，获得了理想的效果。详细阐述了AGC的工作原理、系统硬件和软件设计。实践表明，系统的轧制精度得到有效的提高，性能指标满足了生产的需要。
关键词：PLC应用；AGC系统；模糊PID控制；控制精度

    目前，铝箔产品竞争日趋激烈，市场对铝箔的种类、质量、精度的要求也越来越高，特别是对于厚度仅为几十微米的铝箔产品。为了能在市场中立于不败之地，必须对铝箔的生产过程进行技术革新或改造。现阶段轧铝箔行业的自动厚度控制(Automatic Gauge Control，AGC)系统，大多数是依靠工业PC进行控制，由于工业PC的稳定性和实时性不如PLC，所以本文针对冷轧铝箔生产过程，采取增设液压控制系统和以PLC为核心的AGC系统，实现了控制系统模块化、网络化的同时，也大幅度地提高了铝箔冷轧机系统的控制精度。

1 AGC系统的组合控制
    AGC控制的目的是将轧机出口的铝箔厚度尽可能地控制在要求的目标值范围之内。因此，为获得良好的控制精度，AGC系统设置了多种控制器和补偿环节，这些控制器和补偿环节分别由不同的测量仪表和传感器组成。AGC控制的输出值，始终作为补偿值施加到冷压机系统的液压压下伺服机构内环控制器之中。现阶段的铝箔生产过程中，为了获得厚度更加精确的铝箔，尽量减少坯料波动、轧制速度不稳定等因素对铝箔厚度带来的误差，AGC系统利用组合控制的方法使铝箔厚度误差处于可以控制的范围之内。
    组合控制的具体过程如图1所示，通过PI调节器的增益参数来实现对辊缝、液压伺服缸的位置以及压力的控制，确保了铝箔厚度误差值处于允许范围之内。一次PI调节起到了反馈控制的作用，控制器在一定的调节范围内对铝箔厚度作初步的PI调节；假如铝箔厚度没有达到期望的精度要求，AGC系统将会自动对铝箔厚度进行二次PI调节，二次PI调节是基于一次PI调节的溢出部分(处于盲区位置)作为误差信号进行的。

2 AGC系统的硬件组成
    如图2所示，采用西门子S7-400系列PLC作为AGC系统的核心控制单元。利用FM485功能模板提高了AGC系统实时性的同时，也与分散的ET2 00通讯模块组成FROFIBUS-DP网络，进而减少了主站与测量点的接线。人机界面采用西门子公司生产TP27-6触摸屏，使用S7-400系列的443-1CPU完成主站与人机界面计算机的通信。位移信号的测量采用德国生产的MTS绝对值传感器，左／右卷机的转速测量选用增量编码器，利用FM485功能模板上的绝对值和增量编码器模块读取位移和转速值。相对于液压压下伺服机构的位置内环控制(APC)而言，AGC是铝箔厚度的外环控制，其输出信号主要是用来修正位置内环的辊缝设定值，通过液压伺服驱动，使轧辊快速动作，以达到迅速消除厚度误差的目的。

    参与控制的信号有模拟量和开关量。模拟量信号可以使AGC系统的响应速度加快，进而提高了对于铝箔的精度要求(μm级)，模拟输入信号主要由传感器采集的位移、压力、速度值和测厚仪所测的厚度值组成，模拟输出信号由速度调节量和液压机伺服的调节量组成。设置开关量信号，主要是方便操作人员通过这些开关和按钮控制轧制铝箔的过程，开关输入量有测厚仪的状态信号和触摸屏的控制信号，输出则包括对测厚仪的控制以及与系统其他部分的通讯信号等。

AGC系统的控制原理框图如图3所示。该控制系统采用双闭环控制方式，测厚仪、S7-400系列PLC和轧机构成铝箔厚控制的外环，该外环控制由厚度监控环的下位机完成。内环使用了两个闭环，分别是控制伺服液压缸的位移传感器回路和液压压下伺服机的压力传感回路。

3 AGC系统的软件组成
    AGC系统的监控软件部分主要凭借TP27-6触摸屏的WinCCflexible组态软件来进行编写，能够实现对铝箔厚度、液压压力、直流调速电机的速度等值的显示，以及AGC系统参数设置和报警等功能。对于S7-400系列PLC来说，AGC系统的软件设计部分，主要依靠STEP7编程软件来实现，STEP7是用于SIMATICPLC组态和编程的标准软件包，该软件包提供了一系列的应用程序(工具)，其能够支持自动化项目创建的各个阶段，利用STEP7，系统设计人员可以通过在线诊断PLC硬件状态、控制PLC运行状态和I／O通道状态，开发出符合现实需要的PLC控制程序。
3．1 系统的软件设计原理
    在进行软件设计之前，需要考虑AGC的功能执行过程和通信过程。如图4所示，系统软件设计的基础主要由三部分组成。

    (1)触摸屏用来实现实时数据、系统状态和报警信息的显示，以及操作人员对轧机参数的设定和修改。
    (2)传感器和伺服系统属于检测和执行部分，实时采集各种需要的信号并传入PLC，同时将PLC输出的数字信号或模拟信号转换成传感器和伺服系统的操作。
    (3)PLC则是整个系统数据交换和处理的中心，主要功能是数据格式转换、报警判断、输出显示和厚度控制。从模板输入的数据信号必须转换成统一数据格式才能参与数据的运算与显示。此外，设立公共数据区，无论是操作人员通过触摸屏设置的参数，还是传感器采集的参数，都必须存入公共数据区。数据区设为事件触发模式，当AGC控制器或其他运算需要读写数据时，事件触发之后就可以对数据区的数据进行操作。
3．2 软件设计
    系统的软件设计流程图如图5所示，具体可分为自动操作和手动操作两部分。

    铝轧机在工作之前，需要先将液压站的冷水泵和加热器打开，以便降低油温和均匀乳化液的温度。在自动操作或手动操作之后，必须进行调零处理和P-H曲线测试，调零是为了使轧辊充分接触；P-H曲线测试是为了去掉轧机弹性曲线中的非直线部分，消除轧辊轴承引起的辊缝误差，避免辊缝差过大对铝箔板行造成不良影响。当进行辊缝调零和P-H曲线测试时，FM485通过压力传感器检测到带铝的张力，使液压缸工作在轧制力闭环控制方式下。其他情况下，液压缸一般工作在位置闭环控制方式下，具体过程如下：MTS高精度位移传感器检测液压缸的位置，被FM485模板上的绝对值编码器获取，然后经过PI算法之后，输出电压值到伺服驱动，从而完成对液压缸的位置闭环控制。

铝箔的厚度控制过程具有时间滞后性、多时变性和非线性。为解决此问题，本系统采取模糊PID控制算法，模糊PID控制适合于多变量、非线性、多扰动、强耦合的对象模型难以建立的系统。
    模糊PID控制器由三个主要的环节组成。
    (1)模糊化：模糊化是将模糊控制器输入量的确定值转换为相应模糊语言变量值的过程；
    (2)模糊推理：模糊推理包括三个组成部分：大前提、小前提和结论。大前提是多个多维模糊条件语句，构成规则库；小前提是一个模糊判断句，称为事实。以已知的规则库和输入变量为依据，基于模糊变换推出新的模糊命题作为结论的过程叫做模糊推理；
    (3)清晰化：清晰化是将模糊推理后得到的模糊值转换为用作控制的数字值的过程，提高了系统的响应速度，并且能够在最短时间内获得较高的控制精度。
    模糊PID控制器的控制效果如图6所示。图6中PID控制曲线几乎没有超调的过程，就快速稳定地达到了设定值厚度为O．1 mm，基于模糊控制的PID调节比简单的PID调节稳定性高，能够解决整个AGC系统对铝箔控制的时间滞后问题。

    经过实践应用，基于PLC和AGC的铝箔板厚度控制系统在产品生产中获得了令人满意的效果。如表1所示，针对厚度为0．1 mm的铝箔板，AGC控制厚度在20μm范围内的比例为95％，远远高于人工轧制78％的比例，事实验证，本方案所采取的模糊PID控制器完全能满足铝箔板厚度控制的要求。

4 结语
    在实际使用过程中，FM458工作稳定可靠，编程功能强大且易于修改维护，并能很好地融入到S7-400的控制系统中。铝箔厚度在基于S7-400PLC的AGC系统作用下，满足了预期的效果。具体生产过程验证了在铝轧机上安装AGC系统提高了轧机精度的同时，也方便了现场操作人员的人工操作。基于S7-400的AGC系统人机界面友好、维护方便、成本投入低的优点，对我国铝箔生产产生了较大的社会效益和经济效益。