CN108723321B

CN108723321B - 铝线轧机浇铸铝液位控制方法

Info

Publication number: CN108723321B
Application number: CN201810531984.4A
Authority: CN
Inventors: 徐缪华; 李亚鹏; 徐海波; 缪小林; 徐春建
Original assignee: Shanghai Zhongtian Aluminium Wire Co ltd
Current assignee: Shanghai Zhongtian Aluminium Wire Co ltd
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2038-05-29
Also published as: CN108723321A

Abstract

本发明公开了一种基于变参数增量PI控制算法的铝线轧机浇铸铝液位控制方法，通过激光液位计连续采集多个液位数据，并将多个液位数据传输至PLC控制器；PLC控制器将激光液位计采集到的多个液位数据首先采用中值滤波，再经平滑滤波得到本次液位值；PLC控制器对本次液位值进行分析，判定该液位属于哪种液位界限，通过本次液位值y_k与铝液位的设定高度值g_k，形成偏差值e(k)＝g_k‑y_k，通过增量PI控制算法来控制步进电机正转或反转。

Description

铝线轧机浇铸铝液位控制方法

技术领域

本发明属于自动化控制技术领域，具体涉及一种基于变参数增量PI控制算法的铝线轧机浇铸铝液位控制方法。

背景技术

传统的铝线轧机浇铸液位控制采用人工操作方法，如附图4所示。通过拨动控制杆12上的滑动法码19向左(或向右)，使锥形塞14向上(或向下)，从而控制铝液存储箱15向下的开度和流量。实现对浇铸铝液契口的铝液位高度的有效控制。浇铸铝液楔口的铝液位高度过高，易形成楔口铝液溢出；浇铸铝液楔口的铝液位高度过低，易形成浇铸铝带的断带。因铝线轧机浇铸液位的工作范围较小，要求工人频繁操作且责任心强。同时，铝线轧机浇铸液的温度高(通常600℃左右)，在夏季，操作工人非常辛苦。

而在高温铝水通过铝液存储槽圆孔下流时，因落差大流速较高，会引起铝液液面波动，下流速度越快，激起波动越大，在所测楔口铝液表面形成连续波动，难以保证所测楔口铝液位的精确度。

且本控制对象，带有纯滞后的一阶系统，由于铝液存储槽的下流口孔口较大，通过锥形塞控制其开度的难度较大，锥形塞的向上或向下的微小变化，流量很大变化，常规PID算法无法实现有效控制。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种基于变参数增量PI控制算法的铝线轧机浇铸铝液位控制方法，通过采用高精度的激光液位计实现轧机浇铸液位的实时监测，并将检测到的液位进行滤波算法处理，有效克服了波动铝液位的虚信号；通过采用增量PI控制算法来控制步进电机，实现了液位的有效控制；并通过采用步进电机及杠杆运动机构，实现了轧机浇铸液位的自动化控制，具有控制精确、自动化程度高以及安全性高等优点。

技术方案：本发明所述的一种基于变参数增量PI控制算法的铝线轧机浇铸铝液位控制方法，包括如下步骤：

(1)通过激光液位计连续采集多个液位数据，并将多个液位数据传输至PLC控制器；

(2)PLC控制器将激光液位计采集到的多个液位数据首先采用中值滤波，再经平滑滤波得到本次液位值；

(3)PLC控制器对本次液位值进行分析，判定该液位属于哪种液位界限，通过本次液位值y_k与铝液位的设定高度值g_k，形成偏差值e(k)＝g_k-y_k，通过增量PI控制算法来控制步进电机正转或反转，增量PI控制算法具体控制过程如下：

(A)当误差|e(k)|≤ε时，控制输出的增量值△u(k)计算如下：

△u(k)＝k_P(e(k)-e(k-1))+k_Ie(k)；

(B)当误差|e(k)|>ε时，控制输出的增量值△u(k)计算如下：

其中k_P为比例系数、k_I为积分系数、e(k)为当前误差、e(k-1)为上次误差，ε为设置的误差带宽度。

进一步的，步骤(1)通过激光液位计连续采集至少10个数据，并将这些数据按照从小到大的顺序进行排序；步骤(2)采用中值滤波，取其中间值作为本次采集值y；步骤(3) 采用平滑滤波，y_k＝0.6*y+0.3*y_k-1+0.1*y_k-2，其中，本次采集值y占60％，上次液位值 y_k-1占30％，上上次液位值y_k-2占10％；y_k为本次液位值。

进一步的，所述k_P取值范围是0.1-0.2，k_I取值范围为0.01-0.1。

本发明还公开了上述一种基于变参数增量PI控制算法的铝线轧机浇铸铝液位控制方法，所述的铝线轧机浇铸铝液位控制的装置包括：

PLC控制系统、激光液位计、步进电机及杠杆运动机构、铝液存储槽、浇铸铝液契口机构；

所述的PLC控制系统包括PLC控制器、触摸屏、RS422通信模块和步进电机驱动器，所述的PLC控制器分别与所述触摸屏、通信模块和步进电机驱动器连接，所述通信模块与所述激光液位计连接，所述步进电机驱动器与步进电机连接；

所述的步进电机及杠杆运动机构包括步进电机、联轴器、丝杆、传动滑块、传动杆、支撑杆、控制杆、步进电机支架、锥形塞，所述步进电机通过联轴器、丝杆与所述传动滑块活动连接，所述传动滑块通过传动杆连接有控制杆的一端，所述控制杆的另一端连接有锥形塞，所述控制杆下方设有支撑杆，所述锥形塞与第一铝液存储槽的底部孔形成开度；

所述的铝液存储槽包括设置在不同高度的第一铝液存储槽和第二铝液存储槽，所述第二铝液存储槽与浇铸铝液楔口机构相互连通。

进一步的，所述通信模块采用RS422通信模块，所述RS422通信模块通过RS422通信线缆与所述激光液位计连接。

进一步的，所述激光液位计采用MSE-AL30激光液位计，激光液位计的激光方向与楔口机构上线条切向方向平行。

进一步的，所述支撑杆设置在控制杆靠近锥形塞侧的1/4-1/3处。

进一步的，所述第一铝液存储槽设置在第二铝液存储槽的上方。

进一步的，所述触摸屏作为人机界面，能够实现参数设置及实时数据、曲线的显示、故障信号报警。

进一步的，通过激光液位计实时监测轧机浇铸液位，并把液位数据通过RS422通信方式实时传输给PLC控制器，通过PLC控制器驱动步进电机正转或反转实现锥形塞的开度流量。

有益效果：本发明通过采用高精度的激光液位计实现轧机浇铸液位的实时监测，并将检测到的液位进行滤波算法处理，有效克服了波动铝液位的虚信号；通过采用增量PI控制算法来控制步进电机，实现了液位的有效控制；并通过采用步进电机及杠杆运动机构，实现了轧机浇铸液位的自动化控制，具有控制精确、自动化程度高以及安全性高等优点。

附图说明

图1为本发明的铝线轧机浇铸铝液位控制装置整体结构示意图；

图2为步进电机正转带动锥形塞运动示意图；

图3为步进电机反转带动锥形塞运动示意图；

图4为现有技术中人工手动操作控制液位结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示的一种铝线轧机浇铸铝液位控制的装置，包括PLC控制系统、激光液位计5、步进电机及杠杆运动机构、铝液存储槽、浇铸铝液楔口机构18。

PLC控制系统有PLC控制器1、触摸屏2、RS422通信模块3和步进电机驱动器4组成，是整个液位监控系统的核心部分。PLC控制器1与触摸屏2相连接；PLC控制器1与RS422 通信模块3相连接；PLC控制器1与步进电机驱动器4相连接。PLC控制器1实现液位检测处理，触摸屏2作为人机界面，实现参数设置及实时数据、曲线的显示、故障信号报警等。

激光液位计5，通过RS422通信模块3、RS422通信线17与PLC控制器1相连接，实现对铝线轧机浇铸液位的实时检测，并把液位数据通过RS422通信方式实时传输给PLC控制器1。

激光液位计5选用高温铝液专用激光液位计MSE-AL30，该激光液位计采用相位比较原理进行测量，激光传感器发射不同频率的可见光束，接收从被测物返回的散射激光，将接收到的激光信号与发射信号进行相位比较，用内置处理器计算出相应相位偏差所对应的被测距离。其精度达到mm级。

其中，为了保证激光液位计测量准确性，激光液位计5的激光方向与楔口机构18上线条切向方向平行，同时激光点定位在正常液位位置处。

所述的步进电机及杠杆运动机构包括步进电机6、联轴器7、丝杆8、传动滑块9、传动杆10、支撑杆11、控制杆12、步进电机支架13、锥形塞14。所述步进电机6通过联轴器7、丝杆8与所述传动滑块9活动连接，传动滑块9两侧设有导向滑杆，导向滑杆与步进电机支架13固定连接，所述传动滑块9通过传动杆10连接有控制杆12的一端，所述控制杆12的另一端连接有锥形塞14，所述控制杆12下方设有支撑杆11，所述锥形塞14与第一铝液存储槽15的底部孔形成开度。

PLC控制器1通过步进电机驱动器4控制步进电机6正转(或反转)，经联轴器7和丝杆 8带动传动滑块9向上(或向下)运动，同时，带动传动杆10向上(或向下)运动，使控制杆12左端升高(或降低)，控制杆12的右端降低(或升高)，从而带动控制杆12右端的锥形塞14向下(或向上)，从而控制铝液存储箱15向下的开度和流量。

所述的铝液存储槽包括设置在不同高度的第一铝液存储槽15和第二铝液存储槽16，第一铝液存储槽15设置在第二铝液存储槽16的上方形成高度差，所述第二铝液存储槽16与浇铸铝液契口机构18相互连通。控制杆12右端的锥形塞14与第一铝液存储槽15底部的圆孔，形成开度，PLC控制器1通过步进电机及杠杆运动机构控制其开度达到控制流量的目的。浇铸铝液契口机构18，实现铝液浇铸进入后道铝带装置。

上述铝线轧机浇铸铝液位控制的控制过程(基于变参数增量PI控制算法)包括：

(1)通过激光液位计连续采集至少10个(本实施例以11个为例进行说明，但本发明不仅限于11个数据)液位数据，d1、d2、…、d11，并将这11个液位数据传输至PLC控制器；

(2)PLC控制器将激光液位计采集到的11个液位数据按照从小到大进行排序，Rank(d1、 d2、…、d11)，形成11个排列数据：r1、r2、…、r11；采用中值滤波，取其y＝r6，即为本次采集值，有效克服了铝液位波动的虚信号；再经平滑滤波：本次采集值占60％，上次液位值占30％，上上次液位值占10％，经综合计算得出本次液位值y_k。

(A)当误差|e(k)|≤ε时，控制输出的增量值△u(k)计算如下：

△u(k)＝k_P(e(k)-e(k-1))+k_Ie(k)；

(B)当误差|e(k)|>ε时，控制输出的增量值△u(k)计算如下：

其中，k_P和k_I在实际生产过程中是固定的一个值，根据生产情况的不同，一般在一定范围内进行取值，具体的k_P取值范围是0.1-0.2，k_I取值范围为0.01-0.1。

本发明的难点在于铝液位的检测以及动态化控制，由于铝液位是在一个不停的波动状态，其液位检测和动态化控制必须配合好才能实现精确的液位控制。本发明根据上述难点，特定设置了一个误差带宽度ε，当误差量|e(k)|大于该值ε时，说明此时误差较大，因此需要对计算增量值△u(k)中的系数进行调整。而如果是通常的增量值△u(k)计算公式，它的比例系数和积分系数为固定的，因此不会根据实际情况进行系数调整。

浇铸铝液契口的开度具体控制流程如下：

A.图2所示，激光液位计5检测到液位过远或偏远(即代表液位低)，则通过PLC控制器1控制步进电机6正转，带动传动滑块9向上，同时，带动传动杆10向上运动，使控制杆 12左端升高，控制杆12的右端降低，从而带动控制杆12右端的锥形塞14向下，从而控制铝液存储箱15向下的开度和流量加大，使浇铸铝液契口的铝液位高度升高；

B.图3所示，激光液位计5检测到液位过近或偏近(即代表液位高)，则通过PLC控制器1控制步进电机6反转，带动传动滑块9向下，同时，带动传动杆10向下运动，使控制杆 12左端降低，控制杆12的右端升高，从而带动控制杆12右端的锥形塞14向上，从而控制铝液存储箱15向下的开度和流量减慢，使浇铸铝液契口的铝液位高度下降；

C.激光液位计检测到液位正常距离时即代表液位正常，无需进行任何操作。

本发明通过采用高精度的激光液位计实现轧机浇铸液位的实时监测，并将检测到的液位进行滤波算法处理，有效克服了波动铝液位的虚信号；通过采用增量PI控制算法来控制步进电机，实现了液位的变量精确控制；并通过采用步进电机及杠杆运动机构，实现了轧机浇铸液位的自动化控制，具有控制精确、自动化程度高以及安全性高等优点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种基于变参数增量PI控制算法的铝线轧机浇铸铝液位控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

(A)当误差|e(k)|≤ε时，控制输出的增量值△u(k)计算如下：

△u(k)＝k_P(e(k)-e(k-1))+k_Ie(k)；

(B)当误差|e(k)|>ε时，控制输出的增量值△u(k)计算如下：

其中k_P为比例系数、k_I为积分系数、e(k)为当前误差、e(k-1)为上次误差、ε为设置的误差带宽度；

所述k_P和k_I在实际生产过程中是固定的一个值，根据生产情况的不同，一般在一定范围内进行取值，所述k_P取值范围是0.1-0.2，k_I取值范围为0.01-0.1。

2.根据权利要求1所述的一种基于变参数增量PI控制算法的铝线轧机浇铸铝液位控制方法，其特征在于：步骤(1)通过激光液位计连续采集至少10个数据，并将这些数据按照从小到大的顺序进行排序；步骤(2)采用中值滤波，取其中间值作为本次采集值y；步骤(2)采用平滑滤波，y_k＝0.6*y+0.3*y_k-1+0.1*y_k-2，其中，本次采集值y占60％，上次液位值y_k-1占30％，上上次液位值y_k-2占10％；y_k为本次液位值。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种基于变参数增量PI控制算法的铝线轧机浇铸铝液位控制方法，其特征在于：所述的铝线轧机浇铸铝液位控制的装置包括：

PLC控制系统、激光液位计(5)、步进电机及杠杆运动机构、铝液存储槽、浇铸铝液楔口机构(18)；

所述的PLC控制系统包括PLC控制器、触摸屏、RS422通信模块和步进电机驱动器，所述的PLC控制器分别与所述触摸屏、通信模块和步进电机驱动器连接，所述通信模块与所述激光液位计(5)连接，所述步进电机驱动器与步进电机(6)连接；

所述的步进电机及杠杆运动机构包括步进电机(6)、联轴器(7)、丝杆(8)、传动滑块(9)、传动杆(10)、支撑杆(11)、控制杆(12)、步进电机支架(13)、锥形塞(14)，所述步进电机(6)通过联轴器(7)、丝杆(8)与所述传动滑块(9)活动连接，所述传动滑块(9)通过传动杆(10)连接有控制杆(12)的一端，所述控制杆(12)的另一端连接有锥形塞(14)，所述控制杆(12)下方设有支撑杆(11)，所述锥形塞(14)与第一铝液存储槽(15)的底部孔形成开度；

所述的铝液存储槽包括设置在不同高度的第一铝液存储槽(15)和第二铝液存储槽(16)，所述第二铝液存储槽(16)与浇铸铝液楔口机构(18)相互连通。

4.根据权利要求3所述的一种基于变参数增量PI控制算法的铝线轧机浇铸铝液位控制方法，其特征在于：所述通信模块采用RS422通信模块，所述RS422通信模块通过RS422通信线缆(17)与所述激光液位计(5)连接。

5.根据权利要求3所述的一种基于变参数增量PI控制算法的铝线轧机浇铸铝液位控制方法，其特征在于：所述激光液位计(5)采用MSE-AL30激光液位计，激光液位计(5)的激光方向与楔口机构(18)上线条切向方向平行。

6.根据权利要求3所述的一种基于变参数增量PI控制算法的铝线轧机浇铸铝液位控制方法，其特征在于：所述支撑杆(11)设置在控制杆(12)靠近锥形塞(14)侧的1/4-1/3处。

7.根据权利要求3所述的一种基于变参数增量PI控制算法的铝线轧机浇铸铝液位控制方法，其特征在于：所述第一铝液存储槽(15)设置在第二铝液存储槽(16)的上方。

8.根据权利要求3所述的一种基于变参数增量PI控制算法的铝线轧机浇铸铝液位控制方法，其特征在于：所述触摸屏(2)作为人机界面，能够实现参数设置及实时数据、曲线的显示、故障信号报警。

9.根据权利要求3所述的一种基于变参数增量PI控制算法的铝线轧机浇铸铝液位控制方法，其特征在于：通过激光液位计(5)实时监测轧机浇铸液位，并把液位数据通过RS422通信方式实时传输给PLC控制器，通过PLC控制器驱动步进电机(6)正转或反转实现锥形塞(14)的开度流量。