基于S7-300的接触线拉丝机拉力控制的研究*

2021-06-28黄金霖宣艳张莉刘太钢

菏泽学院学报 2021年2期

黄金霖，宣艳，张莉，刘太钢

(1.安徽机电职业技术学院电气工程学院，安徽芜湖 241000;2.江西理工大学电气工程与自动化学院，江西赣州 341000)

引言

随着铁路的快速发展，高速列车覆盖范围增大，电气化技术显得更加重要，而接触线是电气化的重要介质，它性能的优劣决定列车的运行.因此提高接触线的性能具有重要意义.接触线拉丝机是生产接触线的重要设备，在机械设计与制造、电网电缆、材料和有色冶金等行业广泛应用；其工艺水平的高低决定了接触线质量的优劣.

接触线拉丝机生产环节中拉力是重要参数，本文以拉力控制为主线，采用PLC S7-300作为核心，对接触线拉丝机进行研究控制，设计BP-PID控制器优化拉力值.

1 接触线拉丝机控制系统工艺流程

线材金属初制品首先进入放线环节，由放线装置放出，随后进入拉丝环节，由矫直机矫直，然后在鼓轮上固定，转动的鼓轮使铜杆进入相应模具进而减小直径，在计米器的作用下改变铜杆长度，最后是收线环节，由收线装置打卷，确定最终的形状和大小[1].如图1所示.

图1 拉丝机生产环节工艺图

在拉丝环节，线材穿过模具在拉丝轮上绕卷，通过卷取轮的拉力使线材从粗到细[2].恒定的拉力可以提高成品率，因此在拉丝机控制系统中拉力控制尤为重要.在拉丝过程中，线材从粗到细，卷曲半径不断变化使得系统不确定性大大增加[3].而拉力具有非线性、时变性和大滞后性等特点，传统的PID控制很难满足拉力的精度控制要求[4].BP神经网络可以根据输入层数据的改变寻求一组近似最优的PID参数，得到有效广泛的应用[5].因此本文采用BP-PID控制器对拉丝机拉力进行控制.

2 接触线拉丝机拉力的BP-PID设计

2.1 BP神经网络结构

BP(Back Propagation)神经网络由Rumelhart等人于1986年提出的，它是一种误差传播训练的多层前馈网络，已被广泛应用[6].文中的BP神经网络包含3个输入层、4个隐含层和3个输出层.3个输入层分别对应拉力目标值fin、拉力检测值yout和偏差ek、3个输出层对应常规PID控制算法中的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd，过程参数可以动态调节找到最优的比例、积分和微分系数，使误差最小.其结构图如图2所示.

图2 BP神经网络结构图

2.2 BP-PID算法

传统的PID控制器按照偏差的比例、积分和微分对系统进行控制，控制过程如图3所示.

图3 PID控制过程图

位置式PID算法表达式为：

(1)

式中：u(k)为控制量；k为采样时刻；e(k)为偏差；Kp为比例系数；Ti为积分时间；Td为微分时间；T为采样周期.

实践应用中，通常采用增量式PID控制算法来降低积累误差的影响.增量式PID控制算法是在上一次控制的基础上改变控制量[6]，表达式为

Δu(k)=Kp(e(k)-e(k-1)+Kie(k)+
Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(2)

通过增量式PID的表达式可以看出，只要确定Kp、Ki、Kd的值，便可通过前后三次采样值的偏差计算出控制量增量，从而消除误差累积.

2.3 BP-PID控制器

神经网络和PID控制器组成BP-PID控制器.传统的PID算法不适用于非线性、时变性的系统[7].而BP神经网络利用其自学能力可以输出最优PID控制器参数.BP-PID控制器的整体架构如图4所示.

图4 BP-PID控制器整体架构

拉丝机拉力控制系统BP-PID算法的结构图如图5所示，与普通PID算法比较，增加了一个PID参数自整定环节.神经网络依据系统的拉力目标值、拉力检测值和拉力偏差，利用梯度下降计算法，算出PID算法中Kp、Ki、Kd的实时修正值ΔKd、ΔKi和ΔKd，从而及时修正Kp、Ki、Kd的值，进而实现对拉丝机控制系统中拉力的闭环控制，使拉力在合理误差范围之内.

图5 BP-PID算法结构图

文中输入层函数为：

Oj=X(j)j=1,2,3

(3)

x1和x2是拉力检测值和卷曲速度值.

隐含层输入为：

(4)

隐含层输出为：

oi(k)=f(neti(k))i=1,2,3,4

(5)

活化函数采用：

(6)

输出层的输入为：

(7)

输出层的输出：

ol(k)=g(netl(k))l=1,2,3,4

(8)

由于PID参数不能为负数，因此输出层神经元的活化函数为非负的Sigmoid函数:

(9)

指标函数为：

(10)

为了加快算法的收敛能力，按E(k)对加权系数的负方向搜索，引入惯性系数：

(11)

式中η为学习速率.

最终可得输出层权值的学习算法：

(12)

(13)

其中

g′(·)=g(x)(1-g(x))

(14)

f′(·)=(1-f2(x))/2

(15)

3 接触线拉丝机控制系统的硬件配置

控制系统采用S7-300PLC为核心，利用装有CP5611卡的工控机与PLC通信；CPU选用315T-2DP，通过DP口与接口功能模块IM174连接，组态成现场总线网络，完成对伺服电机的控制.选用2个SM321 DI8(24V DC(数字量输入模块)、2个SM322 DO8(24V DC(数字量输出模块)、2个SM331 AI4(24V DC(模拟量输入模块)实现对系统的控制.CP343-1是以太网通信模块，将工控机与PLC通过RJ45实现在线监控.硬件配置图如图6所示.

图6 硬件配置图

4 软件方案设计

控制系统的软件设计包括S7-300程序设计和监控组态界面的绘制两部分.

拉丝机控制系统在上电后要先穿线控制，启用点动穿线控制子程序，经系统故障检测判断后，启动运行，收线、卷曲运行，调用子程序对拉力进行PID调节，PLC控制程序流程图如图7所示.

图7 S7-300控制程序流程图

由于CPU选用的是315T-2DP，编程软件需要选件包SIMATIC S7-TechnolgyV3.0.S7-300是模块化的PLC，编程也是模块化编程方法.OB1是主程序，实现对子程序的调用.FC1是穿线子程序，FC3是模拟量信息采集子程序，FC4是PID控制调节子程序，FC30是故障检测子程序.

利用MCGS组态软件设计监控界面，监控系统主画面控制整个系统的运行，可以在线实时监控拉丝机的实际速度、给定速度，驱动电机的电流和拉取的实际长度值.如图8所示.