基于S7-300 PLC與觸摸屏的燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 寧，虎恩典，王志剛

（寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750021）

0 引言

硬質(zhì)合金是將高硬度難熔金屬碳化物和金屬粘合劑按粉末冶金方法進(jìn)行比例混合、壓制成胚，在經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)等處理工藝制成的合金材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、汽車(chē)制造和航空航天等行業(yè)[1]。硬質(zhì)合金燒結(jié)是硬質(zhì)合金生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，而真空燒結(jié)爐溫度控制的精度決定了硬質(zhì)合金的品質(zhì)，是硬質(zhì)合金燒結(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。

本文針對(duì)燒結(jié)爐控制系統(tǒng)特點(diǎn)及控制要求，選擇S7-300 PLC作為核心控制器，選用昆侖通態(tài)Hi1561觸摸屏和MCGS軟件為上位機(jī)設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真空燒結(jié)爐溫度自動(dòng)控制和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)真空燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)要求，控制系統(tǒng)主要由信號(hào)檢測(cè)及執(zhí)行系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)三個(gè)部分組成。該系統(tǒng)以S7-300 CPU315-2DP作為核心控制器，實(shí)際運(yùn)行時(shí)接收上位機(jī)指令并根據(jù)實(shí)際程序?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制；信號(hào)檢測(cè)部分實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換，K型熱電偶[2]測(cè)溫，SM331 A18*TC模擬量輸入模塊接收溫度信號(hào)，SM332 A04*16模擬量輸出模塊輸出溫度控制信號(hào)，西門(mén)康SKKH57/16E可控硅作為調(diào)壓設(shè)備控制加熱器；執(zhí)行部分實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制；上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由觸摸屏和MCGS組態(tài)軟件組成，MCGS作為人機(jī)界面，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)配置昆侖通態(tài)HI1561觸摸屏，提高控制系統(tǒng)可視性和可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制流程模擬仿真、過(guò)程數(shù)據(jù)和曲線的實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警信息顯示等功能?？傮w設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)真空度達(dá)到控制要求后，加熱器根據(jù)實(shí)際控制要求進(jìn)行加熱。K型熱電偶將檢測(cè)的溫度信號(hào)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)4mA～20mA信號(hào)經(jīng)模擬量輸入模塊送入PLC，PLC根據(jù)控制程序進(jìn)行運(yùn)算，輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)化為4mA～20mA電流信號(hào)，此電流信號(hào)經(jīng)可控硅調(diào)壓轉(zhuǎn)化為0V～220V電壓信號(hào)，經(jīng)變壓器作用于爐內(nèi)加熱器，實(shí)現(xiàn)對(duì)燒結(jié)爐溫度自動(dòng)控制。

2 控制策略

燒結(jié)爐加熱過(guò)程具有時(shí)滯性、大慣性、非線性等特點(diǎn)，而且一臺(tái)燒結(jié)爐可能生產(chǎn)多種產(chǎn)品，使得很難對(duì)燒結(jié)爐建立精確數(shù)學(xué)模型[3]。燒結(jié)過(guò)程一般分為升溫、保溫、降溫三個(gè)階段，升溫段要求控制系統(tǒng)具有較好快速性，保溫段具有較好穩(wěn)定性和抗干擾性，而傳統(tǒng)PID控制策略很難達(dá)到控制要求。本次設(shè)計(jì)采用將Smith控制器與Fuzzy-PID[4,5]相結(jié)合的控制策略，既改善控制系統(tǒng)滯后性，又能在不確定控制對(duì)象模型情況下達(dá)到較好的控制效果。

2.1 Smith-PID控制算法

Smith預(yù)估器在反饋控制基礎(chǔ)上引入預(yù)估補(bǔ)償環(huán)節(jié)，從而得到?jīng)]有時(shí)間滯后的被控制量反饋到控制器。Smith-PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Smith-PID控制器

其中，GC(S)為控制器傳遞函數(shù)，為被控對(duì)象傳遞函數(shù)，為被控對(duì)象中滯后環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)。常規(guī)PID反饋系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

由式(1)得，系統(tǒng)特征方程中出現(xiàn)純滯后環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，如果滯后時(shí)間過(guò)大，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。采用Smith預(yù)估進(jìn)行補(bǔ)償，使滯后被控制量超前反饋到PID控制器，使控制器提前動(dòng)作,減少超前量對(duì)控制的影響。當(dāng)預(yù)估模型精確時(shí)，即G0(S)=Gm(S)，經(jīng)過(guò)Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)目刂葡到y(tǒng)傳遞函數(shù)為：

由式(2)可知，閉環(huán)系統(tǒng)特征方程中純滯后環(huán)節(jié)被移到控制回路之外，消除純滯后環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)影響。如果預(yù)估模型不精確，控制效果不理想，此時(shí)采用最外面控制回路實(shí)現(xiàn)控制。

2.2 Smith-Fuzzy-PID控制算法

由于燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)具有大滯后性，且對(duì)象參數(shù)變化大，很難建立精確地?cái)?shù)學(xué)模型。雖然Smith預(yù)估器對(duì)大滯后控制系統(tǒng)具有良好控制效果，但需要控制系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型。考慮到模糊控制器對(duì)參數(shù)變化不敏感的特點(diǎn)，將模糊控制器與Smith預(yù)估器相結(jié)合，構(gòu)成Smith-Fuzzy-PID控制器[6]，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Smith-Fuzzy-PID控制器

該算法將采樣得到的溫度信號(hào)與系統(tǒng)的溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，得到溫度誤差e和溫度誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入，PID控制器的三個(gè)參數(shù)修正值作為輸出。根據(jù)燒結(jié)爐溫度變化實(shí)際情況選取誤差e基本論域?yàn)閑={-10,10}，量化論域?yàn)閧-2,2}，則量化因子Ke=2/10=0.2；選取誤差變化率ec基本論域?yàn)閑c={-20,20}，量化論域?yàn)閧-10,10}，則量化因子Kec=10/20=0.5。Kp、Ki、Kd量化論域?yàn)镵p={-3,3}，Ki={-0.006,0.006}和Kd={-6,6}。e、ec和KP、Ki、Kd對(duì)應(yīng)的模糊子集均為：{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大} 記作：{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}。采用三角形隸屬函數(shù)，針對(duì)不同e、ec,由設(shè)計(jì)人員根據(jù)電加熱器實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)定出的模糊規(guī)則共49條，如圖4所示。

圖4 模糊規(guī)則表

根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表、隸屬度函數(shù)，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)出PID參數(shù)的模糊矩陣表，查表得出修正參數(shù)帶入下面公式

式中Kx0（x=p、i、d）為模糊PID控制器3個(gè)初始值，由工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)試湊法確定，Kx（x=p、i、d）為調(diào)整后的PID參數(shù)。

2.3 控制器仿真

圖5 控制算法仿真結(jié)果比較

由仿真曲線可知，Smith-Fuzzy-PID控制策略相比普通PID和Smith-PID控制策略具有上升速度快，無(wú)超調(diào)且穩(wěn)態(tài)精度較高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于大時(shí)滯系統(tǒng)有著良好的控制品質(zhì)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

3 S7-300PLC程序設(shè)計(jì)

采用STEP7軟件進(jìn)行程序的編寫(xiě)。首先對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行組態(tài)，根據(jù)硬件模塊生成地址值進(jìn)行程序編寫(xiě)。根據(jù)燒結(jié)工藝及溫度控制要求編寫(xiě)控制程序，將主程序?qū)懭隣B1中。在OB35組織塊中編寫(xiě)控制策略程序，定義OB35中斷時(shí)間為100ms，PID控制器采樣周期為1s。Smith-Fuzzy-PID控制策略流程如圖6所示。

圖6 控制策略流程圖

在燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)中，模糊控制算法是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。首先將e、ec、的量化因子存入PLC數(shù)據(jù)寄存器，然后采樣計(jì)算e、ec并進(jìn)行模糊化處理存入對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器。通過(guò)查表法查詢(xún)模糊控制規(guī)則表，最終得到實(shí)際控制量u(k)。u(k)作為Smith控制器輸入實(shí)現(xiàn)Smith-Fuzzy-PID。同時(shí)u(k)經(jīng)PLC輸出控制加熱器實(shí)現(xiàn)燒結(jié)爐溫度的自動(dòng)控制。

在STEP7軟件中添加模型仿真程序。給定溫度曲線設(shè)定保溫段溫度依次為：30、50、70，升溫及保溫時(shí)間均設(shè)定為5s，利用PID控制參數(shù)賦值軟件對(duì)編寫(xiě)控制程序進(jìn)行仿真，運(yùn)行效果如圖7所示。

圖7 運(yùn)行效果圖

由運(yùn)行效果圖看出，初始升溫段雖然有波動(dòng)，但能很快實(shí)現(xiàn)跟隨，保溫段能較好的跟隨，溫度設(shè)定值曲線和控制曲線接近重合。實(shí)際程序運(yùn)行結(jié)果證明，控制策略選擇合理，能達(dá)到實(shí)際控制要求。

4 觸摸屏設(shè)計(jì)

4.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用昆侖通態(tài)Hi1561觸摸屏。該觸摸屏具有無(wú)限點(diǎn)數(shù)輸入，內(nèi)存125M，具有RS232和RS485接口。選用MCGS嵌入版軟件制作監(jiān)控畫(huà)面，該軟件具有良好的畫(huà)面編輯功能、豐富圖形庫(kù)，能夠簡(jiǎn)單形象的設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面[9]。

在MCGS用戶(hù)窗口建立所需要的畫(huà)面，本次設(shè)計(jì)用戶(hù)畫(huà)面主要包括：1)工藝流程畫(huà)面：實(shí)現(xiàn)對(duì)控制現(xiàn)場(chǎng)模擬仿真；2)參數(shù)設(shè)置畫(huà)面：根據(jù)生產(chǎn)不同產(chǎn)品設(shè)置不同的溫度控制曲線；3)實(shí)時(shí)曲線：系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)顯示溫度狀態(tài)；4)手自動(dòng)切換畫(huà)面：根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)控制方式進(jìn)行手、自動(dòng)切換。工藝流程圖如圖8所示。在MCGS軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)窗口中建立與控制系統(tǒng)有關(guān)的I/O變量，與畫(huà)面中元素進(jìn)行動(dòng)態(tài)鏈接。

圖8 觸摸屏工藝流程畫(huà)面

4.2 觸摸屏與S7-300 PLC通訊

本次設(shè)計(jì)選擇西門(mén)子S7-300MPI直連方式與觸摸屏通訊。1）在MCGS設(shè)備窗口中添加通用串口父設(shè)備，在設(shè)備管理器中選擇S7-300MPI直連驅(qū)動(dòng)，并對(duì)PLC具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)MCGS軟件內(nèi)部變量與PLC實(shí)際地址連接。將MCGS中設(shè)計(jì)好的畫(huà)面和S7-300驅(qū)動(dòng)下載到觸摸屏。2）在STEP7軟件中對(duì)CPU參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使之與S7-300MPI驅(qū)動(dòng)中設(shè)置相同。實(shí)際通訊時(shí)，使用RS485通訊線連接S7-300 PLC和觸摸屏COM2接口。通訊參數(shù)設(shè)置如圖9所示。

圖9 通訊參數(shù)設(shè)置

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用MCGS通用版軟件設(shè)計(jì)觸摸屏人機(jī)界面，以S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)控制策略，實(shí)現(xiàn)了真空燒結(jié)爐控制系統(tǒng)的可視性和自動(dòng)化。根據(jù)燒結(jié)自身特點(diǎn)和溫度控制要求，本文提出多種控制策略，最終選擇Smith-Fuzzy-PID控制策略，與傳統(tǒng)PID控制相比大大提高了控制精度，從而提高了燒結(jié)產(chǎn)品的質(zhì)量。由于觸摸屏使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)了解控制進(jìn)程，大大增強(qiáng)了控制目的性和穩(wěn)定性。

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