基于S7-300 PLC與觸摸屏的燒結爐溫度控制系統設計

王 寧，虎恩典，王志剛

（寧夏大學 機械工程學院，銀川 750021）

0 引言

硬質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行比例混合、壓制成胚，在經過高溫燒結等處理工藝制成的合金材料，廣泛應用于機械加工、汽車制造和航空航天等行業[1]。硬質合金燒結是硬質合金生產的重要環節，而真空燒結爐溫度控制的精度決定了硬質合金的品質，是硬質合金燒結的關鍵技術。

本文針對燒結爐控制系統特點及控制要求，選擇S7-300 PLC作為核心控制器，選用昆侖通態Hi1561觸摸屏和MCGS軟件為上位機設計監控系統，實現真空燒結爐溫度自動控制和現場監控。

1 系統結構及工作原理

根據真空燒結爐溫度控制系統要求，控制系統主要由信號檢測及執行系統、PLC控制系統和上位機監控系統三個部分組成。該系統以S7-300 CPU315-2DP作為核心控制器，實際運行時接收上位機指令并根據實際程序對現場設備進行控制；信號檢測部分實現對現場信號采集和轉換，K型熱電偶[2]測溫，SM331 A18*TC模擬量輸入模塊接收溫度信號，SM332 A04*16模擬量輸出模塊輸出溫度控制信號，西門康SKKH57/16E可控硅作為調壓設備控制加熱器；執行部分實現對現場設備的控制；上位機監控系統由觸摸屏和MCGS組態軟件組成，MCGS作為人機界面，同時現場配置昆侖通態HI1561觸摸屏，提高控制系統可視性和可靠性，實現對控制流程模擬仿真、過程數據和曲線的實時顯示和報警信息顯示等功能。總體設計結構如圖1所示。

圖1 控制系統結構圖

控制系統運行時，當真空度達到控制要求后，加熱器根據實際控制要求進行加熱。K型熱電偶將檢測的溫度信號經變送器轉化為標準4mA～20mA信號經模擬量輸入模塊送入PLC，PLC根據控制程序進行運算，輸出數字信號經模擬量輸出模塊轉化為4mA～20mA電流信號，此電流信號經可控硅調壓轉化為0V～220V電壓信號，經變壓器作用于爐內加熱器，實現對燒結爐溫度自動控制。

2 控制策略

燒結爐加熱過程具有時滯性、大慣性、非線性等特點，而且一臺燒結爐可能生產多種產品，使得很難對燒結爐建立精確數學模型[3]。燒結過程一般分為升溫、保溫、降溫三個階段，升溫段要求控制系統具有較好快速性，保溫段具有較好穩定性和抗干擾性，而傳統PID控制策略很難達到控制要求。本次設計采用將Smith控制器與Fuzzy-PID[4,5]相結合的控制策略，既改善控制系統滯后性，又能在不確定控制對象模型情況下達到較好的控制效果。

2.1 Smith-PID控制算法

Smith預估器在反饋控制基礎上引入預估補償環節，從而得到沒有時間滯后的被控制量反饋到控制器。Smith-PID控制器結構如圖2所示。

圖2 Smith-PID控制器

其中，GC(S)為控制器傳遞函數，為被控對象傳遞函數，為被控對象中滯后環節傳遞函數。常規PID反饋系統傳遞函數為：

由式(1)得，系統特征方程中出現純滯后環節，使得系統穩定性降低，如果滯后時間過大，系統將不穩定。采用Smith預估進行補償，使滯后被控制量超前反饋到PID控制器，使控制器提前動作,減少超前量對控制的影響。當預估模型精確時，即G0(S)=Gm(S)，經過Smith預估補償的控制系統傳遞函數為：

由式(2)可知，閉環系統特征方程中純滯后環節被移到控制回路之外，消除純滯后環節對控制系統影響。如果預估模型不精確，控制效果不理想，此時采用最外面控制回路實現控制。

2.2 Smith-Fuzzy-PID控制算法

由于燒結爐溫度控制系統具有大滯后性，且對象參數變化大，很難建立精確地數學模型。雖然Smith預估器對大滯后控制系統具有良好控制效果，但需要控制系統精確數學模型。考慮到模糊控制器對參數變化不敏感的特點，將模糊控制器與Smith預估器相結合，構成Smith-Fuzzy-PID控制器[6]，結構如圖3所示。

圖3 Smith-Fuzzy-PID控制器

該算法將采樣得到的溫度信號與系統的溫度設定值進行比較，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控制器的三個參數修正值作為輸出。根據燒結爐溫度變化實際情況選取誤差e基本論域為e={-10,10}，量化論域為{-2,2}，則量化因子Ke=2/10=0.2；選取誤差變化率ec基本論域為ec={-20,20}，量化論域為{-10,10}，則量化因子Kec=10/20=0.5。Kp、Ki、Kd量化論域為Kp={-3,3}，Ki={-0.006,0.006}和Kd={-6,6}。e、ec和KP、Ki、Kd對應的模糊子集均為：{負大、負中、負小、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，針對不同e、ec,由設計人員根據電加熱器實際操作經驗定出的模糊規則共49條，如圖4所示。

圖4 模糊規則表

根據各模糊子集的隸屬度賦值表、隸屬度函數，應用模糊合成推理設計出PID參數的模糊矩陣表，查表得出修正參數帶入下面公式

式中Kx0（x=p、i、d）為模糊PID控制器3個初始值，由工程師根據經驗試湊法確定，Kx（x=p、i、d）為調整后的PID參數。

2.3 控制器仿真

圖5 控制算法仿真結果比較

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，無超調且穩態精度較高等優點，對于大時滯系統有著良好的控制品質，具有較強的適應能力。

3 S7-300PLC程序設計

采用STEP7軟件進行程序的編寫。首先對系統硬件進行組態，根據硬件模塊生成地址值進行程序編寫。根據燒結工藝及溫度控制要求編寫控制程序，將主程序寫入OB1中。在OB35組織塊中編寫控制策略程序，定義OB35中斷時間為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

在燒結爐溫度控制系統中，模糊控制算法是控制系統的關鍵。首先將e、ec、的量化因子存入PLC數據寄存器，然后采樣計算e、ec并進行模糊化處理存入對應數據寄存器。通過查表法查詢模糊控制規則表，最終得到實際控制量u(k)。u(k)作為Smith控制器輸入實現Smith-Fuzzy-PID。同時u(k)經PLC輸出控制加熱器實現燒結爐溫度的自動控制。

在STEP7軟件中添加模型仿真程序。給定溫度曲線設定保溫段溫度依次為：30、50、70，升溫及保溫時間均設定為5s，利用PID控制參數賦值軟件對編寫控制程序進行仿真，運行效果如圖7所示。

圖7 運行效果圖

由運行效果圖看出，初始升溫段雖然有波動，但能很快實現跟隨，保溫段能較好的跟隨，溫度設定值曲線和控制曲線接近重合。實際程序運行結果證明，控制策略選擇合理，能達到實際控制要求。

4 觸摸屏設計

4.1 人機界面設計

根據設計要求，選用昆侖通態Hi1561觸摸屏。該觸摸屏具有無限點數輸入，內存125M，具有RS232和RS485接口。選用MCGS嵌入版軟件制作監控畫面，該軟件具有良好的畫面編輯功能、豐富圖形庫，能夠簡單形象的設計人機交互界面[9]。

在MCGS用戶窗口建立所需要的畫面，本次設計用戶畫面主要包括：1)工藝流程畫面：實現對控制現場模擬仿真；2)參數設置畫面：根據生產不同產品設置不同的溫度控制曲線；3)實時曲線：系統運行時，實時顯示溫度狀態；4)手自動切換畫面：根據實際需要，對控制方式進行手、自動切換。工藝流程圖如圖8所示。在MCGS軟件實時數據窗口中建立與控制系統有關的I/O變量，與畫面中元素進行動態鏈接。

圖8 觸摸屏工藝流程畫面

4.2 觸摸屏與S7-300 PLC通訊

本次設計選擇西門子S7-300MPI直連方式與觸摸屏通訊。1）在MCGS設備窗口中添加通用串口父設備，在設備管理器中選擇S7-300MPI直連驅動，并對PLC具體參數進行設置，實現MCGS軟件內部變量與PLC實際地址連接。將MCGS中設計好的畫面和S7-300驅動下載到觸摸屏。2）在STEP7軟件中對CPU參數進行設置，使之與S7-300MPI驅動中設置相同。實際通訊時，使用RS485通訊線連接S7-300 PLC和觸摸屏COM2接口。通訊參數設置如圖9所示。

圖9 通訊參數設置

5 結束語

系統采用MCGS通用版軟件設計觸摸屏人機界面，以S7-300 PLC實現控制策略，實現了真空燒結爐控制系統的可視性和自動化。根據燒結自身特點和溫度控制要求，本文提出多種控制策略，最終選擇Smith-Fuzzy-PID控制策略，與傳統PID控制相比大大提高了控制精度，從而提高了燒結產品的質量。由于觸摸屏使用，實現對控制系統實時監控，及時了解控制進程，大大增強了控制目的性和穩定性。

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