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關(guān)鍵詞：張力控制;?組態(tài)軟件;?PCI板卡;?ActiveX控件

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引言

在工業(yè)控制領(lǐng)域，如何有效的實(shí)現(xiàn)控制算法一直是人們普遍關(guān)心的問(wèn)題。目前，工控組態(tài)軟件能夠提供友好的人機(jī)交互界面，強(qiáng)大的通訊功能，但是計(jì)算能力不強(qiáng)，很難實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的控制策略[1]。Visual?Basic是Microsoft公司開(kāi)發(fā)的Windows平臺(tái)的主力編程語(yǔ)言之一，它避開(kāi)了C++編程繁瑣和抽象的缺點(diǎn)，綜合運(yùn)用了BAIC語(yǔ)言和新的可視化設(shè)計(jì)工具，不僅簡(jiǎn)單易學(xué)，而且功能強(qiáng)大。同時(shí)，VB還具有事件驅(qū)動(dòng)的編程機(jī)制，在開(kāi)發(fā)時(shí)可以充分?jǐn)U充其功能，如在函數(shù)層調(diào)用功能態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）、在控件層使用VBX、在應(yīng)用層使用shell函數(shù)調(diào)用其他應(yīng)用程序等[2]。因此，可以利用組態(tài)軟件作為系統(tǒng)主控，定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、動(dòng)態(tài)工藝圖顯示、數(shù)據(jù)記錄等;利用VB來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，而二者之間的無(wú)縫連接可以通過(guò)ActiveX技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。這樣就可以充分發(fā)揮工控組態(tài)軟件和VB各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。

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????? 圖1、ActiveX技術(shù)通信統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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1?電線(xiàn)加塑生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

單芯裸銅線(xiàn)的自動(dòng)加塑過(guò)程中，主牽引機(jī)帶動(dòng)裸銅線(xiàn)經(jīng)過(guò)擠塑機(jī)塑封上塑料，經(jīng)測(cè)徑、水冷、打字、耐壓測(cè)試合格后由收線(xiàn)機(jī)收卷成盤(pán)。生產(chǎn)過(guò)程中要求線(xiàn)材必須保持適當(dāng)?shù)膹埩?，才能保證加塑均勻、銅芯不被拉斷或堆擠、卷取排列整齊、松緊適度。而線(xiàn)徑大小，卷筒直徑，電機(jī)速度等因素，都會(huì)影響到系統(tǒng)的張力，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

1.1?電線(xiàn)加塑生產(chǎn)中張力的產(chǎn)生及特點(diǎn)

根據(jù)胡克定律，卷繞系統(tǒng)中卷材的張力來(lái)源于放卷和收卷的線(xiàn)速度差[3]，當(dāng)放卷速度恒定時(shí)，保持卷取張力恒定實(shí)質(zhì)上就是控制收卷速度。而在卷取過(guò)程中，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，卷徑的變化也會(huì)影響卷取速度;主牽引機(jī)進(jìn)行加減速時(shí)，即建張階段，還會(huì)存在張力的震蕩[4]，所以張力控制系統(tǒng)不僅要對(duì)速度的沖擊有較強(qiáng)的抵抗力，同時(shí)對(duì)卷徑的變化也應(yīng)具有較強(qiáng)的魯棒性。

1.2?電線(xiàn)加塑生產(chǎn)恒張力系統(tǒng)的簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制

要解決好上述問(wèn)題，采用傳統(tǒng)算法的張力閉環(huán)系統(tǒng)很難達(dá)到令人滿(mǎn)意的效果，因此，設(shè)計(jì)了電流、速度、張力三環(huán)變結(jié)構(gòu)串級(jí)控制系統(tǒng)。建張過(guò)程中投入速度調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，PI型調(diào)節(jié)律，通過(guò)控制轉(zhuǎn)速間接控制張力，屬于間接張力控制系統(tǒng);建張完成后，即張力偏差小于5%時(shí)，張力環(huán)投入工作，形成張力電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，并引入一種新的控制策略——簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制律，系統(tǒng)為直接張力控制系統(tǒng)[4]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

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???????????? 圖2、電線(xiàn)加塑恒張力簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理框圖

圖中BF為張力檢測(cè)環(huán)節(jié);PLG為光電碼盤(pán)測(cè)速環(huán)節(jié);M為直流收卷電機(jī);ASR、ACR分別為全數(shù)字直流調(diào)速裝置中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器;TA為電流互感器;D/P為脈沖生成環(huán)節(jié);P/D為脈沖整形環(huán)節(jié);ATR為張力調(diào)節(jié)器;Ke，Kx和Ku為簡(jiǎn)單自適應(yīng)算法中的PI調(diào)節(jié)律。

簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制的主要特征是控制器組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且與被控對(duì)象模型基本無(wú)關(guān)?？刂频哪繕?biāo)是使被控對(duì)象的輸出性能按照參考模型的輸出性能變化，參考模型的階次可以大大低于被控對(duì)象的階次。在簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制的算法中，不僅使用了參考模型的輸出與被控對(duì)象實(shí)際輸出的誤差信息，還利用了參考模型的輸入和其狀態(tài)信息，這些信息的運(yùn)用，提高了系統(tǒng)的控制精度，因而只要選擇好參考模型，就能達(dá)到張力閉環(huán)控制系統(tǒng)的要求。

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2?利用組態(tài)王設(shè)計(jì)電線(xiàn)加塑恒張力控制系統(tǒng)

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，電線(xiàn)加塑生產(chǎn)張力控制系統(tǒng)由直流收卷電機(jī)、全數(shù)字直流調(diào)速裝置、PC機(jī)和張力傳感器構(gòu)成。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)由傳動(dòng)級(jí)實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)采用了德國(guó)西門(mén)子的SIMOREG?DC-MASTER?6RA70全數(shù)字直流調(diào)速裝置。該裝置主回路采用三相橋式反并聯(lián)電路，16位的微處理器完成電流和轉(zhuǎn)速的PI調(diào)節(jié)。雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了在電流受限制下的快速起動(dòng)，利用了飽和非線(xiàn)性方法，達(dá)到了“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。可逆調(diào)速系統(tǒng)采用電樞反接線(xiàn)路進(jìn)行切換，電機(jī)由正反兩組晶閘管供電的邏輯無(wú)環(huán)流控制，以確保主回路沒(méi)有環(huán)流產(chǎn)生[5]。張力調(diào)節(jié)部分采用數(shù)字量控制，由PC機(jī)完成。

2.1?現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)及采集

數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)的基礎(chǔ)。對(duì)于張力控制而言需要將各點(diǎn)的張力信號(hào)及時(shí)準(zhǔn)確地采集到控制計(jì)算機(jī)中，而收卷電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流等作為輔助變量也有必要實(shí)時(shí)采集。從現(xiàn)場(chǎng)傳感器輸出的模擬值，經(jīng)PCI數(shù)據(jù)采集板卡AD通道就可以變化成數(shù)字量傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。

由MCL-T1型張力傳感器輸出的0—5V信號(hào)經(jīng)過(guò)科日新KPCI—811板卡12位ADC轉(zhuǎn)換為0—4095的數(shù)字量，存放在板卡的寄存器中。組態(tài)王下設(shè)置的I/O變量通過(guò)PCI總線(xiàn)讀取數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行標(biāo)度變換，還原為物理量，就可以與用戶(hù)輸入的設(shè)定值比較運(yùn)算。

例如在組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典里建立“張力測(cè)量值”I/O變量，板卡將傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量，通過(guò)該變量就可以將數(shù)字量取出并得到對(duì)應(yīng)的物理量，其基本屬性為：

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　　變量名：張力測(cè)量值?變量類(lèi)型：I/O實(shí)型

　　最小值：0?最大值：20（對(duì)應(yīng)物理量的最大值）

　　最小原始值：0?最大原始值：4095（對(duì)應(yīng)板卡數(shù)字量）

　　連接設(shè)備：KPCI811?寄存器：AD0

　　數(shù)據(jù)類(lèi)型：USHORT?采集頻率：300ms

　　讀寫(xiě)屬性：只讀

2.2?上位機(jī)控制算法的實(shí)現(xiàn)

ActiveX技術(shù)是Microsoft對(duì)OLE技術(shù)的更新和發(fā)展，它通常以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式存在，其設(shè)計(jì)思想是將一個(gè)程序嵌入到另一個(gè)程序中。ActiveX的優(yōu)勢(shì)在于它的動(dòng)態(tài)可交互性，用戶(hù)可以在使用過(guò)程中，通過(guò)改變它的屬性和參數(shù)，在應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)自己的特殊要求[5]。

利用VB將簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制算法打包成ActiveX控件，將測(cè)量值、設(shè)定值和控制輸出量留做控件的接口，在組態(tài)王下，通過(guò)設(shè)置I/O變量，與控件接口變量一一對(duì)應(yīng)連接，就可以將板卡轉(zhuǎn)換得到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)送入控制算法控件，算法運(yùn)算得到的控制量，經(jīng)過(guò)板卡也可以送到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

組態(tài)王I/O變量輸出的控制量可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的情況，設(shè)為電壓或電流形式。811板卡有2路模擬量輸出通道，本系統(tǒng)選擇0—10V的電壓輸出，與全數(shù)字直流調(diào)速裝置的電流內(nèi)環(huán)組成張力閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)直流收卷電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，從而保持系統(tǒng)恒張力運(yùn)行。

現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)、組態(tài)王與控制算法之間的連接關(guān)系如圖3所示。

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??????????? 圖3、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)、組態(tài)王與控制算法之間的連接關(guān)系

2.3?監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)控界面如圖4所示，以組態(tài)王6.51為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用其豐富的圖形庫(kù)和靈活的動(dòng)畫(huà)功能，創(chuàng)建了逼真的動(dòng)態(tài)畫(huà)面來(lái)實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)的控制過(guò)程。系統(tǒng)的各參數(shù)不僅可以直觀顯示，還能夠做實(shí)時(shí)和歷史記錄，并根據(jù)需要將其打印成報(bào)表;完善的報(bào)警管理可以及時(shí)提示報(bào)警事件，并記錄報(bào)警信息，以備故障診斷時(shí)查詢(xún)。

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??????? 圖4?電線(xiàn)加塑恒張力監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)界面

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3?結(jié)論

在北方工業(yè)大學(xué)研制的“電線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”上多次實(shí)驗(yàn)后，這種基于工控組態(tài)軟件和ActiveX控件形式的控制系統(tǒng)，從傳感器經(jīng)過(guò)KPCI-811板卡完成A/D采樣的時(shí)間<2μs（測(cè)量精度0.1%），D/A輸出的建立時(shí)間<10μs（精度0.01%）。簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制進(jìn)行張力控制后，收線(xiàn)放線(xiàn)兩側(cè)的張力最大誤差都小于0.2kg，相對(duì)誤差小于2%，很好的滿(mǎn)足了生產(chǎn)的基本要求。

電線(xiàn)加塑生產(chǎn)過(guò)程中,保證系統(tǒng)恒張力運(yùn)行是保證產(chǎn)品質(zhì)量的必要條件。對(duì)于張力這樣復(fù)雜的時(shí)變非線(xiàn)性耦合系統(tǒng)，簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制可以做到張力的精確控制;上位機(jī)借助組態(tài)軟件和PCI數(shù)據(jù)采集板卡可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和控制參數(shù)的實(shí)時(shí)修改，二者通過(guò)ActiveX控件無(wú)縫連接，交互數(shù)據(jù)，達(dá)到控制的目的。組態(tài)軟件與ActiveX控件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)控制的實(shí)驗(yàn)方案，彌補(bǔ)了組態(tài)軟件命令語(yǔ)言功能單一的缺點(diǎn),?也為在工業(yè)控制領(lǐng)域中使用組態(tài)軟件來(lái)完成復(fù)雜的控制算法開(kāi)辟了新的途徑。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：組態(tài)軟件的圖形動(dòng)畫(huà)顯示功能已經(jīng)非常成熟，但是控制能力卻相對(duì)較弱。因此，本文介紹了一種利用ActiveX特性擴(kuò)充組態(tài)軟件控制功能的新方法。利用高級(jí)語(yǔ)言將控制算法打包成控件，將輸入輸出量留作接口，組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境下調(diào)用算法控件，并設(shè)置變量與控件接口相連，就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，為組態(tài)軟件在過(guò)程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用拓展了新天地。

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