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0引言
文中以鐵合金冶煉生產(chǎn)過程為具體研究對象，通過氧氧精煉鐵合金節(jié)能減排工藝研究，構(gòu)建鐵合金生產(chǎn)過程DCS節(jié)能控制系統(tǒng)，創(chuàng)建高碳素鐵水直接生產(chǎn)中低碳銘（錠）鐵的新工藝，開創(chuàng)氣氧精煉鐵合金節(jié)能工藝產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的先例，實(shí)現(xiàn)銖合金企業(yè)生產(chǎn)過程節(jié)能降耗的全局優(yōu)化，提升吉林省工業(yè)節(jié)能科技創(chuàng)新的水平。
實(shí)際生產(chǎn)過程中，配料小車能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地到達(dá)指定的料倉口，并且定位精度要求控制在+10mm以內(nèi)，完成與料倉口的快速、準(zhǔn)確對位,對于提高整個(gè)配料系統(tǒng)的工作效率是極其重要的。然而，我國多數(shù)鐵合金生產(chǎn)企業(yè)配料系統(tǒng)配料小車仍是人工操作或半自動化操作，自動化水平低，故障率較高，定位精度不高，與國外先進(jìn)水平的差距較大⑴。所以，有必要研究一種工作效率高、自動化水平高、故障率低、精確定位的配料小車智能定位控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)則是采用以DSP與PLC相結(jié)合的智能控制策略，充分利用DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力⑵和PLC控制的可靠性。DSP通過模糊控制算法完成了對小車的快速、精確、穩(wěn)定的定位，大大提高了配料工作效率。
1系統(tǒng)組成及原理
小車智能定位控制系統(tǒng)主要由PLC（帶高速計(jì)數(shù)模塊）、DSP、變頻器、異步電機(jī)及光電編碼器等組成。其工作原理為當(dāng)DSP收到由中央控制室傳送來的裝載信號（料倉口號）指令時(shí),DSP將傳送過來的料倉口號與配料小車現(xiàn)停料倉口號進(jìn)行比較，即可得到一個(gè)帶符號數(shù)值。該符號數(shù)值與兩個(gè)料倉間距離系數(shù)相乘并取絕對值，即小車需要運(yùn)行的距離⑶。該數(shù)值的符號用以判斷小車將要運(yùn)動的方向，從而決定輸出給驅(qū)動電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)信號,DSP以此計(jì)算出小車走行該段距離編碼器需發(fā)岀的脈沖數(shù)作為設(shè)定脈沖數(shù)。通過設(shè)定脈沖數(shù)和運(yùn)行實(shí)時(shí)釆集的脈沖數(shù)之間差值來判斷小車是否到達(dá)指定的倉口。DSP判斷預(yù)配料倉口號與現(xiàn)停倉口號之間的距離之后，根據(jù)距離的大小來給出初始速度值,小車初始速度值與距離成正比。DSP將初始速度值傳送給PLC控制器,PLC控制變頻器使電動機(jī)在較高的速度下運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)編碼器獲得電動機(jī)轉(zhuǎn)速信息并送到PLC中，旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖計(jì)數(shù)即異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測由PLC（帶高速計(jì)數(shù)器）完成。由于PLC是一種順序控制器,難以單獨(dú)完成復(fù)雜的控制算法，因此檢測結(jié)果傳送給DSP,根據(jù)PLC傳送過來的位置信號,DSP完成控制算法，得到輸出控制量——速度給定值,DSP再將控制指令傳送給PLC,并進(jìn)行結(jié)果顯示，使配料小車減速到相應(yīng)速度下運(yùn)行，當(dāng)DSP發(fā)出配料小車停車定位指令并傳送給PLC,控制電動機(jī)延時(shí)停車。同時(shí)，編碼器檢測停車定位誤差，并將信息重新送回到PLC,且上傳給DSP,測到的定位誤差對延遲時(shí)間進(jìn)行修正,PLC將速度給定值的模擬量送到變頻器的模擬控制端進(jìn)行控制，形成位置閉環(huán)控制。為了確保小車安全精確定位在軌道上，設(shè)置接近開關(guān)并形成反饋的信號，進(jìn)行階段行程觸發(fā)和硬限位保護(hù)作用。障礙物主要包括人和除人以外的任何物品。與之相應(yīng)的檢測方法為用GAF型反射式光電開關(guān)檢測軌前是否有物品；用0P型紅外線開關(guān)檢測軌道前是否有人。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)中的任何一個(gè)檢測到障礙物時(shí)，都將停止配料小車運(yùn)行，待障礙物清除后，配料車?yán)^續(xù)向目標(biāo)料倉口運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)在要求的精度范圍內(nèi)快速、準(zhǔn)確、可靠地停車定位。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)
2.1PLC控制器
PLC控制器根據(jù)小車本身控制系統(tǒng)總體要求而選擇確定，附帶高速計(jì)數(shù)功能。本系統(tǒng)選用西門子S7-3OO（帶高速計(jì)數(shù)器），中央控制單元選用CPU315-2DP作為PLC的核心部件，進(jìn)行邏輯和數(shù)字運(yùn)算，協(xié)調(diào)整個(gè)控制系統(tǒng)。
2.2DSP處理器
數(shù)字信息處理器TMS320F2812作為核心處理器.TMS320F2812具有32位定點(diǎn)的C28xTM內(nèi)核和150-MIPS的高速處理能力，TMS320F2812是一塊高集成度的控制芯片，可自如地完成大量復(fù)雜的控制算法。利用其豐富的片上外設(shè)可以方便地采集和處理各種傳感器的信號，實(shí)時(shí)控制配料小車的運(yùn)動，同時(shí)完成與上位機(jī)的通信。
2.3變頻器
系統(tǒng)選用MM440⑸變頻器，利用變頻器外控開關(guān)量輸入端5和9以及6和9之間的開關(guān)輸入信號，可實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的啟動及正反轉(zhuǎn)控制功能。利用變頻器本身帶有的可反映變頻器工作狀態(tài)的集電極開路輸出電路，實(shí)現(xiàn)配料小車的制動功能。利用變頻器內(nèi)在的保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的失壓、過壓、過流、過載、過熱等保護(hù)功能。
2.4編碼器
系統(tǒng)選用內(nèi)密控公司OVW2-10-2MHC型號旋轉(zhuǎn)編碼器，每轉(zhuǎn)輸出1000個(gè)脈沖。編碼器⑹作為反饋元件安裝在小車從動輪上，從動輪每轉(zhuǎn)一圈時(shí)發(fā)出1000個(gè)脈沖，配料小車的輪直徑為250mm,根據(jù)傳動比例關(guān)系,可以計(jì)算出編碼器每個(gè)脈沖代表小車所走的距離是0.8mm。
3軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)
軟件設(shè)計(jì)主要是DSP程序設(shè)計(jì)和PLC程序設(shè)計(jì)。DSP程序設(shè)計(jì)包括主程序、運(yùn)算子程序、與上位機(jī)通信子程序、與PLC通信子程序、輸出子程序、實(shí)時(shí)報(bào)警子程序。PLC程序設(shè)計(jì)包括主程序、與DSP通信子程序、控制子程序。其中，DSP程序設(shè)計(jì)中運(yùn)算子程序是軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，該部分主要用到的控制算法為模糊控制算法,下面給出了該系統(tǒng)模糊控制算法的設(shè)計(jì)。
3.1模糊控制器設(shè)計(jì)
異步電動機(jī)是一個(gè)高階非線性、多變量的復(fù)雜對象，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此給控制帶來較大困難。而模糊控制無需依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型，只要求將專家的經(jīng)驗(yàn)和知識進(jìn)行歸納總結(jié),形成控制規(guī)則，采用模糊控制理論進(jìn)行推理、判斷，從而得到符合實(shí)際的控制輸出。設(shè)計(jì)模糊控制器的輸入量為位置偏差E和位置偏差變化率E。，輸出控制量為給定轉(zhuǎn)速U,考慮該控制系統(tǒng)在各個(gè)不同階段呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，應(yīng)實(shí)施不同的'控制策略。而異步電動機(jī)定位控制性能的關(guān)鍵是定位精度的提高，因此，在位置誤差較大的地方采用“粗調(diào)”，在位置誤差很小時(shí)采用“細(xì)調(diào)”方案。
3.1.1粗調(diào)
考慮旋轉(zhuǎn)編碼器的計(jì)數(shù)范圍為［-600000,+600000］個(gè)脈沖數(shù)（PLC采用上/下計(jì)數(shù)方式），因此，粗調(diào)時(shí)偏差E的取值范圍為［—600000,+600000］個(gè)脈沖，E和的論域定為［—6,+6］,量化為13個(gè)等級。輸出控制量U的取值'范圍為］-1500,+1500Jr/min,論域?yàn)椋?mdash;6,+6］,量化為13個(gè)等級。將上述3個(gè)連續(xù)變量離散化，描述E和Ec的模糊語言變量為7個(gè):NB,NM,NS,O,PS,FM,PB；描述U的模糊語言變量為7個(gè):NB,NM,NS,O,PS,PM,PB。

3.1.2細(xì)調(diào)
輸入變量仍為E和在粗調(diào)的“零”域內(nèi)進(jìn)行細(xì)調(diào)，給定E的取值范圍為［—50000,+50000］個(gè)脈沖。E和Ec的論域定為［—5,+5］,位置偏差E量化為11個(gè)等級，即一5?+5,離散化后的模糊語言變量為7個(gè):NB,NM,NS,O,PS,PM,PB。輸出控制量U的取值范圍為［—100,+100］r/min,論域定為［_4,+4］,&和U量化為9個(gè)等級，離散化后的模糊語言變量為7個(gè):NB,NM,NS,O,PS,PM.PB。
為了調(diào)高控制的靈敏度,盡快消除誤差，選取正態(tài)函數(shù)作為模糊變量的隸屬函數(shù)。根據(jù)大量的操作經(jīng)驗(yàn)可知，若使異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸在給定位置定位，則當(dāng)轉(zhuǎn)子位置距離給定位置較遠(yuǎn)（即位置偏差較大），希望電動機(jī)以較高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，給定轉(zhuǎn)速應(yīng)該大一些；當(dāng)位置偏差較小時(shí),希望電動機(jī)轉(zhuǎn)速低一些，盡量不沖過給定位置，此時(shí)，給定轉(zhuǎn)速應(yīng)該小一些；當(dāng)位置偏差到達(dá)誤差限之內(nèi)時(shí)，希望電動機(jī)停轉(zhuǎn),給定轉(zhuǎn)速應(yīng)該為零。將E,Ec，U進(jìn)行總結(jié)，可分別得到粗調(diào)、細(xì)調(diào)時(shí)模糊控制規(guī)則曹一旳。其中細(xì)調(diào)模糊控制規(guī)則見表1。

根據(jù)表中規(guī)則進(jìn)行模糊推理，求出每條模糊規(guī)則的R,,在計(jì)算出每一條模糊條件語句的模糊關(guān)系R后，由于存M語句之間的“或”關(guān)系，可計(jì)算岀整個(gè)控制系統(tǒng)模糊控制規(guī)則的總模糊關(guān)系,即：

還可根據(jù)推理和規(guī)則求出其輸出語言變量論域上的模糊集合U,即：

最后按加權(quán)平均法(加權(quán)平均法應(yīng)用最為普遍)對每個(gè)模糊子集U進(jìn)行模糊判決運(yùn)算，得到粗調(diào)和細(xì)調(diào)的模糊控制查詢表。此表可以直接用于電動機(jī)的實(shí)時(shí)控制，減少了復(fù)雜的運(yùn)算，保證了控制的實(shí)時(shí)性，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)在指定位置的停車定位。
3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
通過實(shí)踐運(yùn)行結(jié)果可以得到配料小車運(yùn)動的曲線，如圖2所示。

從圖中可以看出，配料小車的運(yùn)行曲線分為升速、恒速、降速3個(gè)階段。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況可以看出，配料小車當(dāng)前所停留倉口號位置與目標(biāo)倉口號距離較近時(shí),小車恒速階段f值較小，且升速、降速時(shí)間會相對較短。當(dāng)該距離較遠(yuǎn)時(shí)，恒速階段的值會很大,且升速、降速時(shí)間會相對較長。這說明配料小車能夠根據(jù)預(yù)運(yùn)行距離的長短自動選擇升速、降速階段的運(yùn)行時(shí)間和恒速階段的速度值,實(shí)現(xiàn)了配料小車的自動化和智能控制。
4結(jié)語
配料小車實(shí)驗(yàn)運(yùn)行100h后結(jié)果表明，定位精度達(dá)到了土5mm,完全滿足系統(tǒng)士10mm的要求，且配料小車的運(yùn)行、定位速度完全滿足系統(tǒng)要求運(yùn)行最長3min的時(shí)間要求，而且小車啟動和制動停止沒有明顯的抖動，較為平穩(wěn)。
本研究提出了基于DSP芯片與PLC控制器相結(jié)合的配料小車精確定位控制系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度，減少了大量的繼電器和硬件接線，增強(qiáng)了配料控制系統(tǒng)的可靠性和高效性。采用DSP完成控制算法和PLC控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對配料小車的位置控制，具有定位精度高、動態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)，能夠平穩(wěn)、快速、精確定位。
從節(jié)能角度說，鐵合金企業(yè)配料系統(tǒng)一般有幾十個(gè)料倉,都是采用傳送帶加配料秤的配料形式,這樣需要幾十條傳送帶和幾十個(gè)配料秤。而用到配料小車，且將配料秤安裝在小車上則只需一條傳送帶和一個(gè)配料秤，大大降低了硬件投入和能源的消耗，達(dá)到了節(jié)能減排和高效率的目標(biāo)。

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