铝电解多功能机组智能定位控制系统设计与实践

楚文江，高军永，柴婉秋，马 靓，吴中鼎

(贵阳铝镁设计研究院有限公司， 贵州 贵阳 550081)

0 前言

铝电解多功能机组是铝电解生产中最重要、最复杂的作业装备。在生产中作业机组需要运行到各种不同工位上完成多种组合操作，对铝电解槽进行打壳、扭拔、捞渣、加料、阳极测高、出铝、抬母线等生产作业[1]。电解铝车间由于存在高温、多尘、强磁等环境因素，目前较为成熟的机器人控制技术、伺服液压控制技术及高精传感器技术都不能直接应用到铝电解多功能机组上。现有铝电解多功能机组整体控制水平不高、劳动强度大、自动化以及智能化措施缺失，已成为铝电解产业技术升级的瓶颈和短板。

对于智能铝电解多功能机组而言，机组的大、小车自动运行及精确定位是实现机组各项作业智能化升级的必要前提，而对于机组自身及目标对象的空间位置信息获取又是重中之重。为此，本文结合现代铝工艺电解机组的工作特点，研究其定位控制原理、开展定位控制系统的设计与应用实践。

1 定位控制原理及控制策略

随着近年来先进控制技术的发展及应用，起重机定位技术的研究也取得了较大的发展，总的来说大致可以分为相对定位和绝对定位两大类[2]。相对定位法在控制上是一种开环系统，通过自身传感器对机组相关参数(具体包括线速度、角速度、加速度等)的测量进行计算，获取目标对象相对位置信息，再与已知的原点信息关联，得到实时的空间位置信息；绝对定位法在控制上是一种闭环系统，通过视觉识别、激光测距等方式对目标对象进行特征选取、位置测量，实时反馈目标对象的空间位置信息，期间不需要进行位置信息的积分迭代，相比相对定位法更加可靠[3]。目前绝对定位法是实现铝电解多功能机组精确定位作业的重要方式。

铝电解多功能机组从结构上主要由主梁、大车行走机构、小车行走机构、工具回转机构及各功能工具组成。对于本定位控制系统而言，主要涉及两个方向上的水平定位和一个方向上的旋转定位。即：沿大车轨道方向的Y轴定位，沿小车轨道方向的X轴定位和沿工具回转轨道的旋转定位。X、Y方向上的水平定位分别由大车定位机构和小车定位机构完成，回转定位由工具回转机构完成。

铝电解多功能机组三维定位控制模型如图1所示。其中，定位模型的选取、多变负载的添加、轨道现状的限制及制动器的磨损等问题都是制约定位精确控制的难点所在。设小车质量为Mx，大车质量为My，工具机构质量为m,与小车的距离为l。fx和fy分别为小车沿X轴方向和Y轴方向收到的驱动力，Dx和Dy为摩擦系数。机组定位系统的线性模型为：

图1 铝电解多功能机组三维模型

(1)

定位系统面临着调节和跟踪两大问题，其中调节问题可以看成跟踪问题的特殊情况[4]。迭代控制系统适用于具有重复运动特点的被控系统，它以实现有限时间区间上输出轨迹完全跟踪期望轨迹为目标。通过迭代控制算法对机组大车定位的系统模型进行仿真分析，其结果如图2所示，速度曲线平滑，冲击较小。

图2 铝电解多功能机组定位系统数学模型仿真

铝电解多功能机组难以精准定位的主要原因有轨道不平(焊接点、缝隙处、基础沉降及使用磨损变形)、负载波动大、制动器磨损以及机组本身传动机构、电机转速的误差。使用“快伸张、慢收紧”的控制策略，自适应调整定位窗口值，目标位置两侧的小区间为定位窗口，当机组进入定位窗口时，发出制动信号，当机组停在目标位置的定位窗口内时，即认为机组定位成功，如图3所示。

2 定位控制系统设计

图3 铝电解多功能机组定位窗口示意图

铝电解多功能机组定位控制是一个比较典型的系统控制问题，它包含了系统控制的各个环节。控制系统一般可分为开环控制系统和闭环控制系统两种基本形式，闭环控制又称为反馈控制[5]。闭环控制系统相对于开环控制系统最大优点是根据偏差对被控对象进行修正，具有系统控制精度高、抗干扰性能好、稳定性能好的特点。

控制器的主要作用是对偏差信号进行分析处理，并做出控制。在运动控制领域中，PLC由于其产品成熟、可靠性高，抗干扰能力强多用于工业控制系统中，本定位控制系统中采用AB公司的PLC为SLC500系统1747系列，整车采用DH+总线通讯的方式并增加DH+转Ethernet/IP的通讯模块。

执行机构直接作用于被控对象，完成被控对象的驱动，本定位系统采用带制动功能的SEW公司K系列减速变频交流电机。电机变频器采用ABB公司的ACS880系列变频器，工业以太网总线控制方式，具备无级调速、故障信号的检测、电机的电压、电流等各项电量数据实时显示，并进行数据分析及报警处理。

图4 铝电解多功能机组智能定位系统拓扑结构图

位置反馈装置有旋转编码器、光栅及激光测距仪等。其作用是将检测到的位置信号反馈到控制器中，构成闭环控制。位置检测对机组定位精度起着决定性的作用，位置传感器是机组定位系统的主要组成部分之一，它的性能决定了系统的定位精度。本定位系统采用编码定位传感器及激光测距传感器，检测机组的实时运动位置。

控制系统各模块的型号或参数，如表1所示。

表1 控制系统的型号或参数表

铝电解多功能机组智能定位系统的拓扑结构，如图4所示。

3 定位技术应用实践

通过对试验现场的调研，了解现场机组的实际状况及相关配置，结合试验的需求及目的，制定了相应的试验方案。试验场地选择某铝厂电解车间一台靠厂房端头的机组进行试验。

试验前对原机组进行相应的技术改造，安装相应的位置传感器，重新搭建PLC控制网络，编写相应的程序及人机界面。电气控制系统主要包括低压配电系统、测控系统、操作系统、故障检测及报警系统等。根据机组的状况，增加其它自动化改造项目，加装了定位模块、PLC通讯模块、以太网交换机，更换大小车变频器及通讯卡。并在试验开始前检查了机组运行轨道的安装精度，做了必要的校正工作。

根据铝电解车间现场电解槽的分布情况，设置了若干测试点，通过坐标确定及设定，机组随机智能运行并定位，对数据进行记录和分析，进行偏差分析。

定位测试系统界面及现场标定，如图5所示。

定位试验结果误差分析，如图6所示。

图5 智能定位系统操作界面及现场标定

图6 定位系统试验结果误差分析(单位：mm)

4 结论

(1)在铝电解车间对铝电解多功能机组采用绝对位置定位方法，使用“快伸张、慢收紧”的控制策略、闭环控制系统，可以实现机组的实时位置精确定位。但需对传感器、控制器及执行机构采取防磁、防尘等措施。

(2)大车在随机试验的23个数据中，除有4个数据偏差较大，分别为9 mm、7 mm、6 mm、6 mm，其余数据均在±5 mm范围内；小车在随机试验的23个数据中，除有3个数据偏差较大，分别为7 mm、6 mm、6 mm，其余数据均在±5 mm范围内；考虑到试验现场场地及设备老旧等因素，定位系统达到了试验前所确定的精度要求。

(3)试验结果基本能满足智能化的铝电解多功能机组发展要求，为实现智能打壳、扭拔、捞渣及下料作业提供了支撑条件。如实现更高精度的控制要求，还需对机组轨道的安装精度、控制模型及策略、执行机构的性能进行优化和提升。