在工业控制领域.doc

引言在工业控制领域，如何有效的实现控制算法一直是人们普遍关心的问题。目前，工控组态软件能够提供友好的人机交互界面，强大的通讯功能，但是计算能力不强，很难实现一些复杂的控制策略1。Visual Basic是Microsoft公司开发的Windows平台的主力编程语言之一，它避开了C+编程繁琐和抽象的缺点，综合运用了BAIC语言和新的可视化设计工具，不仅简单易学，而且功能强大。同时，VB还具有事件驱动的编程机制，在开发时可以充分扩充其功能，如在函数层调用功能态链接库（DLL）、在控件层使用VBX、在应用层使用shell函数调用其他应用程序等2。因此，可以利用组态软件作为系统主控，定时进行数据采样、动态工艺图显示、数据记录等;利用VB来实现复杂的控制算法，而二者之间的无缝连接可以通过ActiveX技术来实现，如图1所示。这样就可以充分发挥工控组态软件和VB各自的优势，实现复杂系统的控制。图1、ActiveX技术通信统结构图1 电线加塑生产工艺简介单芯裸铜线的自动加塑过程中，主牵引机带动裸铜线经过挤塑机塑封上塑料，经测径、水冷、打字、耐压测试合格后由收线机收卷成盘。生产过程中要求线材必须保持适当的张力，才能保证加塑均匀、铜芯不被拉断或堆挤、卷取排列整齐、松紧适度。而线径大小，卷筒直径，电机速度等因素，都会影响到系统的张力，影响产品质量。1.1 电线加塑生产中张力的产生及特点根据胡克定律，卷绕系统中卷材的张力来源于放卷和收卷的线速度差3，当放卷速度恒定时，保持卷取张力恒定实质上就是控制收卷速度。而在卷取过程中，当电机转速一定时，卷径的变化也会影响卷取速度;主牵引机进行加减速时，即建张阶段，还会存在张力的震荡4，所以张力控制系统不仅要对速度的冲击有较强的抵抗力，同时对卷径的变化也应具有较强的鲁棒性。1.2 电线加塑生产恒张力系统的简单自适应控制要解决好上述问题，采用传统算法的张力闭环系统很难达到令人满意的效果，因此，设计了电流、速度、张力三环变结构串级控制系统。建张过程中投入速度调节器，系统为转速电流双闭环调速系统，PI型调节律，通过控制转速间接控制张力，属于间接张力控制系统;建张完成后，即张力偏差小于5%时，张力环投入工作，形成张力电流双闭环系统，并引入一种新的控制策略简单自适应控制律，系统为直接张力控制系统4。系统结构图如图2所示。图2、电线加塑恒张力简单自适应控制系统原理框图图中BF为张力检测环节;PLG为光电码盘测速环节;M为直流收卷电机;ASR、ACR分别为全数字直流调速装置中的转速调节器和电流调节器;TA为电流互感器;D/P为脉冲生成环节;P/D为脉冲整形环节;ATR为张力调节器;Ke，Kx和Ku为简单自适应算法中的PI调节律。简单自适应控制的主要特征是控制器组成结构简单，且与被控对象模型基本无关。控制的目标是使被控对象的输出性能按照参考模型的输出性能变化，参考模型的阶次可以大大低于被控对象的阶次。在简单自适应控制的算法中，不仅使用了参考模型的输出与被控对象实际输出的误差信息，还利用了参考模型的输入和其状态信息，这些信息的运用，提高了系统的控制精度，因而只要选择好参考模型，就能达到张力闭环控制系统的要求。2 利用组态王设计电线加塑恒张力控制系统结合生产实际情况，电线加塑生产张力控制系统由直流收卷电机、全数字直流调速装置、PC机和张力传感器构成。转速、电流双闭环由传动级实现，本系统采用了德国西门子的SIMOREG DC-MASTER 6RA70全数字直流调速装置。该装置主回路采用三相桥式反并联电路，16位的微处理器完成电流和转速的PI调节。双闭环系统基本上实现了在电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性方法，达到了“准时间最优控制”。可逆调速系统采用电枢反接线路进行切换，电机由正反两组晶闸管供电的逻辑无环流控制，以确保主回路没有环流产生5。张力调节部分采用数字量控制，由PC机完成。2.1 现场信号的检测及采集数据采集是系统的基础。对于张力控制而言需要将各点的张力信号及时准确地采集到控制计算机中，而收卷电机转速、电枢电流等作为辅助变量也有必要实时采集。从现场传感器输出的模拟值，经PCI数据采集板卡AD通道就可以变化成数字量传输到计算机中。由MCL-T1型张力传感器输出的05V信号经过科日新KPCI811板卡12位ADC转换为04095的数字量，存放在板卡的寄存器中。组态王下设置的I/O变量通过PCI总线读取数据，将其进行标度变换，还原为物理量，就可以与用户输入的设定值比较运算。例如在组态王数据词典里建立“张力测量值”I/O变量，板卡将传感器的输出转换为12位数字量，通过该变量就可以将数字量取出并得到对应的物理量，其基本属性为：变量名：张力测量值 变量类型：I/O实型最小值：0 最大值：20（对应物理量的最大值）最小原始值：0 最大原始值：4095（对应板卡数字量）连接设备：KPCI811 寄存器：AD0数据类型：USHORT 采集频率：300ms读写属性：只读2.2 上位机控制算法的实现ActiveX技术是Microsoft对OLE技术的更新和发展，它通常以动态链接库的形式存在，其设计思想是将一个程序嵌入到另一个程序中。ActiveX的优势在于它的动态可交互性，用户可以在使用过程中，通过改变它的属性和参数，在应用程序中实现自己的特殊要求5。利用VB将简单自适应控制算法打包成ActiveX控件，将测量值、设定值和控制输出量留做控件的接口，在组态王下，通过设置I/O变量，与控件接口变量一一对应连接，就可以将板卡转换得到的现场信号送入控制算法控件，算法运算得到的控制量，经过板卡也可以送到现场执行机构。组态王I/O变量输出的控制量可根据执行机构的情况，设为电压或电流形式。811板卡有2路模拟量输出通道，本系统选择010V的电压输出，与全数字直流调速装置的电流内环组成张力闭环控制系统，对直流收卷电机进行转速控制，从而保持系统恒张力运行。现场信号、组态王与控制算法之间的连接关系如图3所示。图3、现场信号、组态王与控制算法之间的连接关系2.3 监控界面的设计整个监控界面如图4所示，以组态王6.51为开发平台，利用其丰富的图形库和灵活的动画功能，创建了逼真的动态画面来实时显示现场的控制过程。系统的各参数不仅可以直观显示，还能够做实时和历史记录，并根据需要将其打印成报表;完善的报警管理可以及时提示报警事件，并记录报警信息，以备故障诊断时查询。图4 电线加塑恒张力监控系统组态界面3 结论在北方工业大学研制的“电线生产线自动化控制系统实验平台”上多次实验后，这种基于工控组态软件和ActiveX控件形式的控制系统，从传感器经过KPCI-811板卡完成A/D采样的时间2s（测量精度0.1%），D/A输出的建立时间10s（精度0.01%）。简单自适应控制进行张力控制后，收线放线两侧的张力最大误差都小于0.2kg，相对误差小于2%，很好的满足了生产的基本要求。电线加塑生产过程中,保证系统恒张力运行是保证产品质量的必要条件。对于张力这样复杂的时变非线性耦合系统，简单自适应控制可以做到张力的精确控制;上