趙 濤 虎恩典 丁曉軍

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川 750021)

1 概述

變壓器鐵芯橫剪線是變壓器廠的生命線，幾乎所有的變壓器的硅鋼片都要經(jīng)過(guò)橫剪線的剪切。如果橫剪線出現(xiàn)故障，變壓器將無(wú)法正常生產(chǎn)。變壓器鐵芯橫剪線原控制系統(tǒng)由許多單片機(jī)、大量的數(shù)字、模擬電子元器件組成。隨著時(shí)間的推移，許多元器件嚴(yán)重老化，故障時(shí)有發(fā)生，任意一個(gè)元器件的故障可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作。由于原有元器件老化的緣故，只靠維修來(lái)解決問(wèn)題難度很大，很多元器件很難買(mǎi)到，再加上大量的數(shù)字、模擬器件老化嚴(yán)重，使得維護(hù)難度加大，要想從根本上解決這種現(xiàn)狀，就必須對(duì)原有的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。

現(xiàn)運(yùn)用歐姆龍CQM1H系列PLC對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，并且用到3個(gè)輸入模塊，分別是:模塊1、模塊2、模塊3，3個(gè)模塊均為16點(diǎn);4個(gè)輸出模塊，分別是:模塊1，8點(diǎn)，模塊 2，16點(diǎn)、模塊 3，16點(diǎn)、模塊 4，16點(diǎn)。由于CQM1H本身就是一個(gè)輸入模塊，故該控制系統(tǒng)是四輸入四輸出型的。該橫剪線有3把剪刀，分別是:V剪、I剪和II剪，這3把剪刀都是用液壓缸來(lái)控制的。V剪主要是在硅鋼片上剪出V形缺口，I剪主要是對(duì)硅鋼片進(jìn)行45°剪斷，II剪主要是對(duì)硅鋼片進(jìn)行135°剪斷。

2 橫剪線工藝簡(jiǎn)介

圖1為變壓器鐵芯橫剪線示意圖。整個(gè)設(shè)備主要由雙頭開(kāi)卷機(jī)、送料機(jī)構(gòu)、沖床和剪床、出料機(jī)構(gòu)、分理料機(jī)構(gòu)等組成。

(1)雙頭開(kāi)卷機(jī) 在手動(dòng)狀態(tài)下，可以慢速進(jìn)料或退料。在自動(dòng)狀態(tài)下，通過(guò)光電開(kāi)關(guān)B24、B25、B23和帶環(huán)檢測(cè)的信號(hào)，根據(jù)實(shí)際剪切的需要，雙頭開(kāi)卷機(jī)的工作機(jī)頭可以正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，快速或者慢速，并且及時(shí)的停止。始終保持緩沖坑中有一定長(zhǎng)度的余料，以便送料輥能正常地工作，避免硅鋼帶受到較大拉力影響其使用性能。

(2)送料機(jī)構(gòu) 主要由測(cè)量輥、送料輥組成。測(cè)量輥由電動(dòng)機(jī)M42和M44驅(qū)動(dòng)，測(cè)量輥上面裝有光電編碼器，主要提供系統(tǒng)調(diào)速和定位的反饋信息。送料輥由電動(dòng)機(jī)M33和M35驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)速器和位置控制來(lái)實(shí)現(xiàn)速度控制和精確定位。

(3)沖床和剪床機(jī)構(gòu) 沖床是V剪，剪床是I剪和II剪。V剪在硅鋼片上剪切V形缺口，I剪主要是對(duì)硅鋼片進(jìn)行45°剪斷，II剪主要是對(duì)硅鋼片進(jìn)行135°剪斷。3把刀主要由液壓缸控制，配合送料機(jī)構(gòu)的精確定位及沖、剪床的控制實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)計(jì)的硅鋼片剪切片型。

(4)出料機(jī)構(gòu) 主要包括壓輥、排輥I、排輥II和傳送帶。主要實(shí)現(xiàn)全剪后的片料輸送，壓輥、排輥和傳送帶可保證各種形狀的片頭能水平輸送，進(jìn)入分理料機(jī)構(gòu)。

(5)分理料機(jī)構(gòu) 主要有分料頭、磁性輸送帶、上、下壓頭和堆疊臺(tái)組成。分料頭可以實(shí)現(xiàn)不同片行的分類(lèi)，理料機(jī)構(gòu)分為上、下兩層，上、下磁性輸送帶都有多個(gè)磁條組成，通過(guò)電動(dòng)機(jī)M26帶動(dòng)齒形帶進(jìn)行拖動(dòng)。片料倒吸在磁性輸送帶上向前傳送，到位后，經(jīng)過(guò)上、下壓頭的落料、下拍、定位等動(dòng)作將片料整齊地堆放在疊料臺(tái)上。疊料臺(tái)裝置可以手動(dòng)調(diào)節(jié)高度和前后，也可以自動(dòng)根據(jù)堆疊高度來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)器的高度，使其能夠正常壓片［1］。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)原有控制系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)的前提下，盡可能降低開(kāi)發(fā)成本。改造后的系統(tǒng)保留了原有設(shè)備的機(jī)械、液壓和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，原控制系統(tǒng)大部分被更換為由歐姆龍CQM1H系列PLC組成的控制系統(tǒng)，使得可靠性大大提高，設(shè)備維護(hù)十分方便。

3.1 控制方法的確定

硅鋼片的尺寸(長(zhǎng)度和角度)精度和剪切毛刺是影響變壓器質(zhì)量的重要因素。剪切毛刺直接影響變壓器的空載損耗，而送料速度對(duì)變壓器生產(chǎn)效率有著至關(guān)重要的影響。因此橫剪線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不但要滿(mǎn)足高速度下的片料定位要求，以保證尺寸精度，還要滿(mǎn)足很高的毛刺要求［2］。圖2為總體控制框圖。

由圖2可知，該控制系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分是由PLC控制，另一部分是對(duì)硅鋼片的速度控制。

手動(dòng)把片型的數(shù)據(jù)輸送給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)片型的形狀給出分段速度控制波形，調(diào)用相關(guān)的程序，把脈沖信號(hào)送給PLC來(lái)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、指示燈、3把刀的動(dòng)作、制動(dòng)以及液壓缸解鎖等。同時(shí)上位機(jī)對(duì)速度給定，通過(guò)速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器，整流觸發(fā)、直流電動(dòng)機(jī)、電流互感器TA、整流轉(zhuǎn)換和測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)硅鋼片運(yùn)行的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)速部分采用單片機(jī)進(jìn)行控制。

速度調(diào)節(jié)采用PI調(diào)節(jié)。由于電流調(diào)節(jié)比速度調(diào)節(jié)速度快，超調(diào)小，波形變化復(fù)雜，而且要經(jīng)常調(diào)節(jié)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制要恒定，電流調(diào)節(jié)器相對(duì)速度調(diào)節(jié)器的時(shí)間間隔要小，所以電流調(diào)節(jié)采用模糊PI控制，對(duì)系統(tǒng)性能的提升更加有利。

本文將模糊控制與常規(guī)PI控制相結(jié)合，利用模糊推理的思想，根據(jù)不同誤差e，誤差變化ec對(duì)PI的參數(shù)Kp、Ti進(jìn)行在線整定。常規(guī)PI控制原理簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好，建立在被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型已知的前提下，而實(shí)際系統(tǒng)中往往很難得到確切的數(shù)學(xué)模型。模糊控制可以不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就可以實(shí)現(xiàn)較好的控制，這是因?yàn)楸豢貙?duì)象的動(dòng)態(tài)特性已經(jīng)隱含在模糊控制器輸入、輸出的模糊集和模糊規(guī)則中。模糊控制器本質(zhì)上是一種非線性控制器，它是將輸入量模糊化后根據(jù)設(shè)計(jì)的模糊推理規(guī)則進(jìn)行模糊推理，再把推理結(jié)果反模糊化后輸出精確控制量的一種控制方式［3］。

3.2 模糊PI控制算法的實(shí)現(xiàn)

模糊PI控制主要由參數(shù)可調(diào)整的常規(guī)PI控制器和模糊推理器兩部分組成，模糊推理器以偏差e和偏差變化率ec作為輸入，以常規(guī)PI控制器的兩個(gè)參數(shù)Kp、Ti為輸出，采用模糊推理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)Kp、Ti的調(diào)整，以滿(mǎn)足不同時(shí)刻偏差e和偏差變化率ec對(duì)PI參數(shù)自調(diào)整的要求，其方框圖如圖3所示。模糊PI控制器的核心是模糊控制器的設(shè)計(jì)，根據(jù)模糊控制器的工作原理，可以將控制器的設(shè)計(jì)分為輸入模糊化、建立控制規(guī)則表、模糊判決等。

對(duì)于模糊PI控制器而言，為了獲得良好的動(dòng)靜態(tài)特性，在不同的輸入量區(qū)域內(nèi)，選取了PI參數(shù)的要求是不同的。需要從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、超調(diào)量、響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度等特性考慮。通過(guò)Kp、Ti兩個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響進(jìn)行歸納，可以根據(jù)PI參數(shù)整定原則［4］及專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，列出ΔKp、ΔTi的模糊控制規(guī)則表，如表1所示。

表1 ΔKp、ΔTi模糊控制規(guī)則表

模糊控制表可以通過(guò)查詢(xún)將當(dāng)前時(shí)刻模糊控制器的輸入變量量化值所對(duì)應(yīng)的控制輸出值作為模糊邏輯控制器的最終輸出，從而達(dá)到實(shí)時(shí)快速控制的目的。取模糊語(yǔ)言變量e、ec、ΔKp、ΔTi的論域均為［－3，+3］，確定它們的隸屬度函數(shù)，采用Mamdani模糊推理方法，并根據(jù)不同偏差及偏差變化率對(duì)PI參數(shù)的要求及其現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)的經(jīng)驗(yàn)，由模糊控制規(guī)則表對(duì)輸入語(yǔ)言變量量化后的各種組合通過(guò)模糊邏輯推理離線計(jì)算出每一個(gè)狀態(tài)的模糊控制器輸入，最終得出一張模糊控制表［5］，ΔKp、ΔTi的模糊控制表如表 2 所示。

在進(jìn)行PI參數(shù)在線整定時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)采樣和變換來(lái)的e和ec值直接查表得出ΔKp、ΔTi在論域內(nèi)的精確值，將這些值代入下式進(jìn)行離線計(jì)算就可以得到控制系統(tǒng)的最佳的PI參數(shù):

表 2 ΔKp、ΔTi模糊控制表

3.3 上位機(jī)界面

上位機(jī)采用普通的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，工控軟件采用組態(tài)王軟件，人機(jī)界面使用中文，方便操作員操作。界面包括:預(yù)置循環(huán)數(shù)、實(shí)際循環(huán)數(shù)、剩余循環(huán)數(shù)、程序號(hào)、寬度、級(jí)數(shù)、步距、每級(jí)長(zhǎng)度、長(zhǎng)度1、長(zhǎng)度2、長(zhǎng)度3、打料調(diào)整、啟動(dòng)信號(hào)燈、自動(dòng)停信號(hào)燈、手動(dòng)信號(hào)燈、程序代碼顯示、硅鋼帶的走料速度以及片料的形狀等。人機(jī)界面如圖4所示。

4 程序設(shè)計(jì)

程序通過(guò)CX—Programmer編程軟件采用梯形圖語(yǔ)言設(shè)計(jì)完成，主控制器采用歐姆龍CQM1H系列PLC為整個(gè)橫剪線的實(shí)時(shí)控制器，其中擴(kuò)展了7個(gè)I/O模塊，整個(gè)系統(tǒng)的I/O量有100多個(gè)，輸入模塊主要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的傳感器、繼電器和控制按鍵信號(hào)的采集，輸出模塊主要對(duì)控制系統(tǒng)的各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其狀態(tài)信息的顯示。程序結(jié)構(gòu)采用主、子程序的形式，子程序又分為自動(dòng)剪切子程序和手動(dòng)剪切子程序，程序流程圖如圖5所示。

5 結(jié)語(yǔ)

在變壓器鐵芯橫剪線控制系統(tǒng)改造升級(jí)中，運(yùn)用上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，上位機(jī)由普通工業(yè)控制機(jī)和組態(tài)王軟件組成。PLC控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、指示燈、三把刀的動(dòng)作、橫剪線的制動(dòng)以及液壓缸解鎖等。速度調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)均采用單片機(jī)，速度控制采用PI控制，電流控制采用模糊PI控制，實(shí)現(xiàn)了在線修正PI參數(shù)。實(shí)際運(yùn)行表明:方案設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，提高了硅鋼片的生產(chǎn)效率，降低了變壓器的生產(chǎn)成本，達(dá)到了預(yù)期的改造目的，為其他型號(hào)的鐵芯橫剪線的改造升級(jí)提供了參考，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］張立平，吳乃貫，王波，等.喬格剪切線的控制系統(tǒng)改造［J］.電氣傳動(dòng)，2008，38(12):2.

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