鋁電解多功能機(jī)組智能定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

楚文江，高軍永，柴婉秋，馬 靚，吳中鼎

(貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司， 貴州 貴陽 550081)

0 前言

鋁電解多功能機(jī)組是鋁電解生產(chǎn)中最重要、最復(fù)雜的作業(yè)裝備。在生產(chǎn)中作業(yè)機(jī)組需要運(yùn)行到各種不同工位上完成多種組合操作，對鋁電解槽進(jìn)行打殼、扭拔、撈渣、加料、陽極測高、出鋁、抬母線等生產(chǎn)作業(yè)[1]。電解鋁車間由于存在高溫、多塵、強(qiáng)磁等環(huán)境因素，目前較為成熟的機(jī)器人控制技術(shù)、伺服液壓控制技術(shù)及高精傳感器技術(shù)都不能直接應(yīng)用到鋁電解多功能機(jī)組上。現(xiàn)有鋁電解多功能機(jī)組整體控制水平不高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、自動(dòng)化以及智能化措施缺失，已成為鋁電解產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)的瓶頸和短板。

對于智能鋁電解多功能機(jī)組而言，機(jī)組的大、小車自動(dòng)運(yùn)行及精確定位是實(shí)現(xiàn)機(jī)組各項(xiàng)作業(yè)智能化升級(jí)的必要前提，而對于機(jī)組自身及目標(biāo)對象的空間位置信息獲取又是重中之重。為此，本文結(jié)合現(xiàn)代鋁工藝電解機(jī)組的工作特點(diǎn)，研究其定位控制原理、開展定位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)踐。

1 定位控制原理及控制策略

隨著近年來先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，起重機(jī)定位技術(shù)的研究也取得了較大的發(fā)展，總的來說大致可以分為相對定位和絕對定位兩大類[2]。相對定位法在控制上是一種開環(huán)系統(tǒng)，通過自身傳感器對機(jī)組相關(guān)參數(shù)(具體包括線速度、角速度、加速度等)的測量進(jìn)行計(jì)算，獲取目標(biāo)對象相對位置信息，再與已知的原點(diǎn)信息關(guān)聯(lián)，得到實(shí)時(shí)的空間位置信息；絕對定位法在控制上是一種閉環(huán)系統(tǒng)，通過視覺識(shí)別、激光測距等方式對目標(biāo)對象進(jìn)行特征選取、位置測量，實(shí)時(shí)反饋目標(biāo)對象的空間位置信息，期間不需要進(jìn)行位置信息的積分迭代，相比相對定位法更加可靠[3]。目前絕對定位法是實(shí)現(xiàn)鋁電解多功能機(jī)組精確定位作業(yè)的重要方式。

鋁電解多功能機(jī)組從結(jié)構(gòu)上主要由主梁、大車行走機(jī)構(gòu)、小車行走機(jī)構(gòu)、工具回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及各功能工具組成。對于本定位控制系統(tǒng)而言，主要涉及兩個(gè)方向上的水平定位和一個(gè)方向上的旋轉(zhuǎn)定位。即：沿大車軌道方向的Y軸定位，沿小車軌道方向的X軸定位和沿工具回轉(zhuǎn)軌道的旋轉(zhuǎn)定位。X、Y方向上的水平定位分別由大車定位機(jī)構(gòu)和小車定位機(jī)構(gòu)完成，回轉(zhuǎn)定位由工具回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)完成。

鋁電解多功能機(jī)組三維定位控制模型如圖1所示。其中，定位模型的選取、多變負(fù)載的添加、軌道現(xiàn)狀的限制及制動(dòng)器的磨損等問題都是制約定位精確控制的難點(diǎn)所在。設(shè)小車質(zhì)量為Mx，大車質(zhì)量為My，工具機(jī)構(gòu)質(zhì)量為m,與小車的距離為l。fx和fy分別為小車沿X軸方向和Y軸方向收到的驅(qū)動(dòng)力，Dx和Dy為摩擦系數(shù)。機(jī)組定位系統(tǒng)的線性模型為：

圖1 鋁電解多功能機(jī)組三維模型

(1)

定位系統(tǒng)面臨著調(diào)節(jié)和跟蹤兩大問題，其中調(diào)節(jié)問題可以看成跟蹤問題的特殊情況[4]。迭代控制系統(tǒng)適用于具有重復(fù)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的被控系統(tǒng)，它以實(shí)現(xiàn)有限時(shí)間區(qū)間上輸出軌跡完全跟蹤期望軌跡為目標(biāo)。通過迭代控制算法對機(jī)組大車定位的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果如圖2所示，速度曲線平滑，沖擊較小。

圖2 鋁電解多功能機(jī)組定位系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型仿真

鋁電解多功能機(jī)組難以精準(zhǔn)定位的主要原因有軌道不平(焊接點(diǎn)、縫隙處、基礎(chǔ)沉降及使用磨損變形)、負(fù)載波動(dòng)大、制動(dòng)器磨損以及機(jī)組本身傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)轉(zhuǎn)速的誤差。使用“快伸張、慢收緊”的控制策略，自適應(yīng)調(diào)整定位窗口值，目標(biāo)位置兩側(cè)的小區(qū)間為定位窗口，當(dāng)機(jī)組進(jìn)入定位窗口時(shí)，發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，當(dāng)機(jī)組停在目標(biāo)位置的定位窗口內(nèi)時(shí)，即認(rèn)為機(jī)組定位成功，如圖3所示。

2 定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 鋁電解多功能機(jī)組定位窗口示意圖

鋁電解多功能機(jī)組定位控制是一個(gè)比較典型的系統(tǒng)控制問題，它包含了系統(tǒng)控制的各個(gè)環(huán)節(jié)。控制系統(tǒng)一般可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩種基本形式，閉環(huán)控制又稱為反饋控制[5]。閉環(huán)控制系統(tǒng)相對于開環(huán)控制系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)偏差對被控對象進(jìn)行修正，具有系統(tǒng)控制精度高、抗干擾性能好、穩(wěn)定性能好的特點(diǎn)。

控制器的主要作用是對偏差信號(hào)進(jìn)行分析處理，并做出控制。在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中，PLC由于其產(chǎn)品成熟、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)多用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，本定位控制系統(tǒng)中采用AB公司的PLC為SLC500系統(tǒng)1747系列，整車采用DH+總線通訊的方式并增加DH+轉(zhuǎn)Ethernet/IP的通訊模塊。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接作用于被控對象，完成被控對象的驅(qū)動(dòng)，本定位系統(tǒng)采用帶制動(dòng)功能的SEW公司K系列減速變頻交流電機(jī)。電機(jī)變頻器采用ABB公司的ACS880系列變頻器，工業(yè)以太網(wǎng)總線控制方式，具備無級(jí)調(diào)速、故障信號(hào)的檢測、電機(jī)的電壓、電流等各項(xiàng)電量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及報(bào)警處理。

圖4 鋁電解多功能機(jī)組智能定位系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

位置反饋裝置有旋轉(zhuǎn)編碼器、光柵及激光測距儀等。其作用是將檢測到的位置信號(hào)反饋到控制器中，構(gòu)成閉環(huán)控制。位置檢測對機(jī)組定位精度起著決定性的作用，位置傳感器是機(jī)組定位系統(tǒng)的主要組成部分之一，它的性能決定了系統(tǒng)的定位精度。本定位系統(tǒng)采用編碼定位傳感器及激光測距傳感器，檢測機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)位置。

控制系統(tǒng)各模塊的型號(hào)或參數(shù)，如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)的型號(hào)或參數(shù)表

鋁電解多功能機(jī)組智能定位系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。

3 定位技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

通過對試驗(yàn)現(xiàn)場的調(diào)研，了解現(xiàn)場機(jī)組的實(shí)際狀況及相關(guān)配置，結(jié)合試驗(yàn)的需求及目的，制定了相應(yīng)的試驗(yàn)方案。試驗(yàn)場地選擇某鋁廠電解車間一臺(tái)靠廠房端頭的機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)前對原機(jī)組進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造，安裝相應(yīng)的位置傳感器，重新搭建PLC控制網(wǎng)絡(luò)，編寫相應(yīng)的程序及人機(jī)界面。電氣控制系統(tǒng)主要包括低壓配電系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、故障檢測及報(bào)警系統(tǒng)等。根據(jù)機(jī)組的狀況，增加其它自動(dòng)化改造項(xiàng)目，加裝了定位模塊、PLC通訊模塊、以太網(wǎng)交換機(jī)，更換大小車變頻器及通訊卡。并在試驗(yàn)開始前檢查了機(jī)組運(yùn)行軌道的安裝精度，做了必要的校正工作。

根據(jù)鋁電解車間現(xiàn)場電解槽的分布情況，設(shè)置了若干測試點(diǎn)，通過坐標(biāo)確定及設(shè)定，機(jī)組隨機(jī)智能運(yùn)行并定位，對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析，進(jìn)行偏差分析。

定位測試系統(tǒng)界面及現(xiàn)場標(biāo)定，如圖5所示。

定位試驗(yàn)結(jié)果誤差分析，如圖6所示。

圖5 智能定位系統(tǒng)操作界面及現(xiàn)場標(biāo)定

圖6 定位系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果誤差分析(單位：mm)

4 結(jié)論

(1)在鋁電解車間對鋁電解多功能機(jī)組采用絕對位置定位方法，使用“快伸張、慢收緊”的控制策略、閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的實(shí)時(shí)位置精確定位。但需對傳感器、控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)采取防磁、防塵等措施。

(2)大車在隨機(jī)試驗(yàn)的23個(gè)數(shù)據(jù)中，除有4個(gè)數(shù)據(jù)偏差較大，分別為9 mm、7 mm、6 mm、6 mm，其余數(shù)據(jù)均在±5 mm范圍內(nèi)；小車在隨機(jī)試驗(yàn)的23個(gè)數(shù)據(jù)中，除有3個(gè)數(shù)據(jù)偏差較大，分別為7 mm、6 mm、6 mm，其余數(shù)據(jù)均在±5 mm范圍內(nèi)；考慮到試驗(yàn)現(xiàn)場場地及設(shè)備老舊等因素，定位系統(tǒng)達(dá)到了試驗(yàn)前所確定的精度要求。

(3)試驗(yàn)結(jié)果基本能滿足智能化的鋁電解多功能機(jī)組發(fā)展要求，為實(shí)現(xiàn)智能打殼、扭拔、撈渣及下料作業(yè)提供了支撐條件。如實(shí)現(xiàn)更高精度的控制要求，還需對機(jī)組軌道的安裝精度、控制模型及策略、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行優(yōu)化和提升。