高炉环行吊车的电机同步控制

崔桂梅，巩 华，刘丕亮

（内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头 014010）

0 引言

传统的高炉出铁厂采用直行式起重机，长方体的作业区域在出铁厂留有作业死角，为了满足多个出铁口的需求必须配备多台起重机。如果采用360°环行式起重机，整个环形出铁厂房内配备一台起重机即可，不占用任何有效空间，且无作业死角。高炉环行吊车在武钢、首钢、包钢等钢厂的成功应用表明：环行吊车能满足大容量高炉多个出铁口的需要，提高了企业的生产率。

基于环形轨迹的特殊要求，高炉环行吊车的大车运行机构应进行特别设计。吊车环行作业时，内、外环轨道的车轮应具有完全相同的角速度，它们的线速度之比应等于车轮踏面中心线至高炉炉缸垂直中心线间的半径比。为实现高炉环行吊车稳定安全的运行，本设计中大车系统采用PLC＋变频器的方式进行同步控制，PLC作为核心控制器采集内外轨道的电机转速信号，通过CPU内部运算控制变频器的输出，最终达到内、外轨电机的同步转动。

1 同步控制策略

电机的同步控制策略有很多种，如并行控制、主从控制和交叉耦合控制等［1］。并行控制采用同一给定值的并联控制方式，虽然控制简单，但同步性差；主从同步控制是串联控制方式，将前一台电机的输出作为后一台电机的参考输入，跟随性好，但同步精度不高；交叉耦合控制是在并行同步控制的基础上加入了两台电机的速度或者位置信号反馈值，可抗干扰，同步性能良好。本设计在选用交叉耦合同步控制策略的基础上将传统的PID控制器替换为模糊PID控制器，弥补了上述各种控制方式的不足，实现了动态同步。图1为加入模糊控制算法的交叉耦合控制方式。其中，a为内、外轨电机的转速比值。

2 环行吊车控制系统总体结构设计

环行吊车的控制系统由西门子S7-300系列PLC和WinCC工控机构成［2］。远程通讯采用西门子CP343-1通讯处理器和光纤电气转换器为主的工业以太网，RJ45接口可以直接连接到工控机，确保工业以太网的快速链接。通过Profibus-DP挂接大、小车系统和ET200M，高速传输速率DP总线保证了控制器与输入/输出系统间的顺畅通讯。图2为环行吊车控制系统组成。

图1 加入模糊控制算法的交叉耦合控制方式

3 环行吊车控制系统硬件构成

大车运行系统核心控制器采用西门子公司的S7-300系列，CPU型号为315-2DP，该CPU利用Profibus-DP通讯实现上位机对两台变频器的控制。根据环行吊车实际输入/输出量的需要，采用8点模拟量输入模块（SM331）进行电机转速、电流等信号的采集；32点数字量输入输出模块（SM322、SM321）实现开关量的输入输出，对吊车进行启停、调速控制；ET200M模块采集现场控制信号并进行相关动作；通讯模块（CP343-1Lean）负责工控机与PLC以太网的通讯。

4 变频器Profibus-DP通讯

4.1 确定用户数据类型

变速传动的要义中定义了主从访问的用户数据结构，即过程参数数据对象PPO。PPO的类型有5种：4PKW/2PZD、4PKW/6PZD、0PKW/2PZD、0PKW/6PZD、4PKW/10PZD，其中PKW为参数数据，PZD为过程数据。

图2 环行吊车控制系统组成

PPO类型的选择取决于该传动在自动化网络中的任务，MM420变频器仅支持PPO 1与PPO 3，根据本系统参数的需要，确定用户数据结构类型为PPO 3［3］，如表1所示。该类型用户数据只有过程数据区域，在主－从访问过程中，控制字PZD1将主站命令写入变频器，控制电机的工作类型，PZD2则设定电机的转速；在从－主传输过程中，状态字PZD1显示变频器当前状态，PZD2反馈电机的实际转速［4］。

表1 PPO 3用户数据结构

4.2 通讯程序设计

在Step7的程序设计中，FC10利用系统功能SFC14和SFC15来实现PLC和变频器之间的通讯。系统功能SFC14用来给数据解包，读取从站的数据；系统功能SFC15用来给数据打包，将数据写入从站［5－6］。

以PLC和变频器1之间的通讯为例，FC10的具体通讯程序如图3所示。

5 模糊PID在PLC中的实现

5.1 模糊PID控制器的结构

模糊PID控制器结构如图4所示。模糊PID在运行中以误差e和误差变化率ec作为输入，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修正，PID控制器在得到新的比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd之后，得到新的控制输出量。模糊PID控制器可提高控制系统的鲁棒性和精度。

5.2 在PLC中实现模糊PID控制

在MATLAB环境下建立模糊控制规则，得到ΔKp，ΔKi，ΔKd模糊控制量查询表，并将其存入PLC的数据块中。PLC在工作时会循环采集现场信号，继而得到控制量的误差值e（k）和误差变化ec，经过模糊化处理后转化为E与EC。查询模糊控制表，获得控制器参数的模糊修正值ΔKp，ΔKi和ΔKd，再经过解模糊运算，最终实现PID控制器实际参数的整定。

图3 FC10的通讯程序

图4 模糊PID控制器结构图

6 人机界面设计

上位机人机界面的设计主要利用SIMATIC WinCC的软件来实现。通过系统所需变量的建立，完成工艺画面与现场实际工作情况的连接，再通过变量的连接与对象属性的管理最终实现画面的实时动态显示。根据高炉环行吊车的实际作业要求，本文设计了状态画面、过程画面、趋势画面和报警画面。系统状态界面如图5所示，系统过程控制界面如图6所示。当系统正常运行时，即两台电机同步运转，可直观地看到2个指针重合在一起，否则运行时系统不同步。

图5 系统状态界面

7 结束语

本系统自调试成功以来，电机同步性能精度提高，微调性能有所改善，抗干扰能力强，可保证环行吊车运行的可靠稳定，继而完成环形出铁厂的吊运与安装工作。

图6 系统过程控制界面

［1］陈冲.三电机变频调速系统的设计与实现［J］.工业控制计算机，2009，22（11）：53-56.

［2］崔坚.西门子工业网络通信指南［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［3］翟世宽.通过Profibus-DP实现S7-300与MM420通信的两种编程方法［J］.电气应用，2011，30（8）：42-45.

［4］杨益洲.现场总线在牙轮钻机电气化改造中的应用［D］.衡阳：南华大学，2009：27.

［5］胡建群.基于自抗扰控制技术的三电机同步控制系统研究［D］.镇江：江苏大学，2010：37.

［6］陆秀银.基于S7-300的多电机神经网络控制系统的研究［D］.镇江：江苏大学，2006：46.