基于多級網絡的步進梁式加熱爐控制系統設計

田 海，魏學松，馬 天，楊曼柔

(內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古 包頭 014010)

0 引言

某無縫鋼管廠建立于20世紀中期，由于一直沒有更換新設備以及廠里電氣線路雜亂無章，導致機器故障率不斷地上升[1]。加之缺乏現代化信息管理網絡，爐溫控制不理想，近年來該無縫鋼管廠生產效益低下，給企業帶來的收益甚微，所以要對整個控制系統進行升級改造。

本方案的主控元件選用了西門子S7-1500系列中的控制器，具有可編程性。它運用多級網絡控制技術，將Modbus、Profibus-DP和Profinet結合在一起，通過上位機對整個生產過程進行監控和控制，以提高生產數據傳輸的速度和準確性。利用西門子SCALANCE X系列交換機，搭建冗余通信網絡和虛擬局域網(virtual local area network,VLAN)，解決單點故障問題、環間通信問題，實現每條產線單獨通信；不同產線之間不能通信的功能，提升了網絡的可用性和信息的安全性。本方案在有關加熱爐溫控系統的算法方面作了進一步優化，運用了模糊比例積分微分(proportional integral differential,PID)算法對其分析操控。

1 步進梁式加熱爐工藝過程分析

該180熱處理線上有兩臺步進梁式加熱爐，一臺是淬火爐，另一臺是回火爐。它們的結構類似，爐體兩側各有一組水冷輥道，用于將物料裝入和裝出輥道，而且爐體內部每排只能裝載一根鋼管。輥道之間則是由靜梁和動梁組成的鋼管傳輸裝置。靜梁固定在爐底，動梁則和爐底的液壓驅動裝置連接在一起。同時，為避免熱量從爐底流失，動梁與液壓驅動裝置的連接處帶有水封槽[2]。動梁工作時低速啟動，然后高速運行，再低速停止，從而使鋼管穩定地在爐內運動。

步進梁式加熱爐的具體工作過程如下。①作業人員需先把坯料鋼管平鋪放置在爐體外部的上料臺面上。上料臺架的末端有一個擋料裝置，可以將不同外徑的鋼管調整到合適的位置。在液壓上料機構的作用下，鋼管被逐步轉送至進料棍上。②隨著爐體內部的梁運動到位，進料輥開始工作，使鋼管在外進料輥的帶動下被送進內部輥道上。③鋼管尾端經過爐門口的傳感器時，爐內輥道停止轉動，動梁將鋼管移動到靜梁，開始正循環。④經過運動，加熱到工藝要求的溫度，再由動梁移動到出爐輥道。⑤出爐輥道啟動，將鋼管送到爐外，根據工藝選擇水淬或者再進入回火爐[3]。

步進梁式加熱爐工藝流程如圖1所示。

圖1 步進梁式加熱爐工藝流程圖Fig.1 Flowchart of walking beam type reheating furnace process

2 硬件系統設計

2.1 系統的網絡拓撲結構

步進梁式加熱爐多級網絡監控系統是一個高度自動化的工業控制系統，主要包括生產運行的現場設備層、記錄車間生產狀況的車間監控層和負責生產監督調度的企業管理層。系統網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 系統網絡拓撲結構圖Fig.2 Topology diagram of system network

2.1.1 現場設備層

現場設備層的核心作用是依照生產的工藝需求在實地實施相關設備的布置和操控，能夠和車間監控層進行信息交換。在本設計中，入、出爐輥道的變頻速度調節器均為西門子的G120變頻器。此設備能夠通過其Profinet信號接口與Profinet網絡直連。為了節約成本，原來系統中用于控制液壓電機和潤滑電機的智能電機保護器也應該運用到新的系統中。由于它們只支持Modbus協議，所以需要借助PB-M總線橋完成通信。將這些智能化的電機保護器連接入PB-M總線橋的Modbus端，再把PB-M總線橋的Profibus端搭載入Profibus-DP網絡，就可以實現與交換機的通信[4]。分布式I/O ET 200SP可以直接通過Profinet接口與SCALANCE交換機進行通信。

2.1.2 車間監控層

車間監控層的核心作用是收集生產實地里現場設備層所產生的數據，并將其中管理層需要的數據進行呈報。車間控制法選用西門子S7-1500系列PLC作為主控制器，使用SCALANCE交換機構建單環冗余網絡實現整個車間數據的相互傳輸。主控制器采集現場設備的運行數據，并根據生產要求對其進行控制。通過環間耦合網絡向企業管理層報送現場生產數據。本層級另配備組態軟件WinCC構建的計算機監控站，在監控站上就可以對產生的數據信息進行監管以及預警。

2.1.3 企業管理層

企業管理層屬于監控系統的最高級別。這一層級的核心作用是計算和分析其下各層級中的有效數據，以便管理者對生產車間實施一體化調度。

鑒于企業整體系統存在數量多、較分散的子網絡，并且這些子網絡的傳輸距離均較大，故選用具有較高可靠性的雙環光纖以太網加強信息交互質量。通過搭建環間耦合網絡和虛擬局域網，提高數據傳輸的速度和安全性，這樣現場生產情況和統計數據就可以更加方便、快速地傳送到企業高層管理人員的手中，便于他們對生產實地的設備同步進行監管，并將生產數據及時地進行歸檔并且打印報表。這就縮短了企業高層管理人員調度的時間，加快了產線的生產效率。

2.2 冗余通信網絡

冗余通信網絡的實質是一種工業網絡保險機制。冗余通信網絡系統實際上是一個快速響應的備份系統，通過構建冗余網絡可以提高網絡的冗余度。如果其中某個節點發生故障，可以自主更換到其他節點繼續數據的傳送，降低了節點意外中斷數據傳輸的風險，讓整個生產保持連續，保證了生產效率[5]。

2.2.1 單環冗余網路

每個交換機經由冗余的環口，按照順序連接，即構成了單環冗余網絡，通過使用西門子私有環網協議——高速冗余協議(high speed redundancy protocol,HRP)解決廣播風暴問題。

單環冗余網絡如圖3所示。網絡中的任意一臺交換機都可以作為冗余管理器管理冗余環網，但是只能有一個冗余管理器，其余的交換機都是冗余客戶端。冗余管理器要設置環網接通端口和環網隔離端口。當網絡正常時，數據會通過環網接通端口向冗余客戶端傳輸，使環網隔離端口處于邏輯斷開狀態。當網絡上的連接線斷開或交換機發生故障時，數據會自動通過環網隔離端口向冗余客戶端傳輸；如果連接線重新接上或交換機故障消除，數據會恢復到原有的傳輸路徑。

圖3 單環冗余網絡Fig.3 Monocyclic redundant network

2.2.2 環間耦合網路

將其中一個環網上的兩臺交換機分別連接到另一個環網的兩臺交換機，就組成了環間耦合網絡[6]。但是如果沒有適當的協議來確定數據傳輸的具體路徑，那么這個數據就會在整個環網間的環路中無限循環，最終導致網絡超負荷運行，整個通信系統無法正常工作。西門子私有的環間耦合協議——待機協議(standby,STBY)就可以解決這一問題。

環間耦合網絡如圖4所示。

圖4 環間耦合網絡Fig.4 Interring coupling network

一個環網中的任意兩臺交換機都可以與其他環網中的兩臺交換機組成環間耦合網絡，根據對網絡可用性的作用來確定哪兩臺交換機作為備用主交換機和備用從交換機。在網絡正常的情況下，一個環網的數據是通過備用主交換機向另一個環網傳送的，而備用從交換機會處于邏輯斷開的狀態。當備用主交換機的連接斷開或交換機本身發生故障時，該環網的數據會通過備用從交換機向另一個環網傳送。如果備用主交換機的連接恢復或其故障消除，數據會恢復到原有的傳輸路徑。

2.3 虛擬局域網

虛擬局域網的實質是邏輯網段，其原理是將物理網絡分隔為許多子邏輯工作組。這種技術是把一個物理真實存在的網絡劃分成多個虛擬的子網。每個虛擬的子網是一個獨立的網絡，其中的各臺設備之間都能進行數據訪問。但是，不同子網之間不能進行數據訪問。不同子網之間的數據訪問可以依靠路由來實現。

一個自動化水平高的工業控制系統包括生產調度的企業管理層、記錄車間生產狀況的車間監控層和生產運行的現場設備層，系統整體顯得相對雜亂。若將系統整體分隔為相互獨立的虛擬子網，就能提高整個網絡的穩定性和安全性，減少企業管理人員的指揮調度時間，提高車間的生產效益，從而為企業帶來更大的收益。

3 爐溫控制系統設計

3.1 控制算法的優化

常見的溫度控制算法是PID。傳統PID控制算法不僅控制精度高，還可以消除系統的穩態誤差。但是它的缺點是系統動態響應速度比較慢，被控量不能迅速地達到期望值。由于爐溫控制具有多輸入、多輸出、慣性大、滯后嚴重等特點，在這種情況下，為滿足系統的要求，需要操作人員頻繁地更改PID參數，且各個區域間的參數各不相同。這樣，加熱爐的性能就取決于參數的設定情況。對比其他控制算法，模糊控制算法的最大優勢是它不必對控制對象搭建精確的數學模型，而且系統的動態反饋快速、抵御干擾能力強。不過該算法也存在穩態誤差。本文將兩種控制算法結合在一起，即使用模糊PID控制算法對爐溫進行控制。

把脈沖燃燒控制技術應用到爐溫控制中，已經預先設定好整個燃燒過程中空氣和燃氣的壓力和流量[7]。將模糊PID控制器的輸出傳輸至脈沖控制器的輸入端，脈沖控制器將該模擬信號變成符合現場實際生產控制情況的脈沖信號輸出到燒嘴，通過改變燒嘴的燃燒時序及燃燒時間達到控制爐溫的目的。

爐溫控制系統結構如圖5所示。

圖5 爐溫控制系統結構框圖Fig.5 Structure block diagram of furnace temperature control system

3.2 模糊PID和傳統PID的仿真對比分析

3.2.1 仿真模型的建立

加熱爐溫控系統具有變化大、多、急，非線性化，滯后較嚴重，干擾因素多等特點，因此不易以數學推導方式來構建精確的數學模型[8]。在本文溫控模型設計中，將數學模型近似為帶有高滯后性的一階慣性節點。模型的傳遞函數如下：

(1)

式中：K為慣性環節增益；τ為滯后時間；T為時間常數。

采取試驗辨識法來確定這三個參數。通常，響應曲線法、相關統計法和最小二乘法是運用得較多的方法。

本文采用響應曲線法中的階躍響應法。首先，將步進梁式加熱爐置于開環加熱狀態，記錄階躍響應的爐溫試驗數據。利用這些數據繪制出爐溫控制系統開環情況下的階躍響應曲線圖[9]。以三點差值型數值微分算式計算各點的斜率，再運用MATLAB軟件進行計算，獲得斜率的最大值。三點差值型數值微分算式如式(2)～式(4)所示。

(2)

(3)

(4)

式中：h為采樣周期；y(i) 為第i個采樣點處系統的輸出；y′(i)為第i個采樣點處系統的輸出曲線的斜率。

依據式(2)～式(4)，用M語言編寫辨識程序，并從實測試驗數據中選擇三個點。

利用MATLAB進行仿真計算，從而獲得步進梁式加熱爐的傳遞函數為：

(5)

式中：K為慣性環節增益，K=8.2；τ為滯后時間，τ=380 s；T為時間常數，T=3 680 s。

3.2.2 模糊PID控制器的構造

模糊PID控制器由模糊控制器和PID控制器組合而成。模糊設計可分為以下四個步驟[10]。

①輸入輸出量的選取以及模糊化：選取實際爐溫與設定爐溫的偏差e和偏差的變化率ec為模糊輸入量，PID三個參數的修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd為模糊輸出量。偏差e的論域為-30～+30 ℃，偏差變化率的論域為-0.302～+0.302 ℃/s；模糊論域為-6～+6。

②輸入輸出量隸屬度函數的確定：將模糊論域-6～+6用七個語言變量(NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PN)表示。這七個語言變量代表著{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}七個語言值。常用的隸屬度函數有三角形、正態形、升半梯形、矩形等九種。本文偏差e和偏差變化率ec的隸屬度函數選取正態形，PID三個參數的修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd的隸屬度函數選取三角形。

③模糊規則的確立：本設計方案中決策策略選用的是Mamdani(max-min)模糊決策法。Mamdani(max-min)決策法是一種在模糊控制里較為常用的方式，實際上它依然為合成推理法[11]。運算規則是模糊控制的關鍵內容，它能很好地反映出控制的成效。當偏差e較大時，令ΔKi為零，選取較大的ΔKp和ΔKd，就可以提高系統的反應速率，同時避免較大的超調；當偏差e適中時，選取較小的ΔKp和適中的ΔKi、ΔKd，就可以減小超調；當ΔKp和ΔKi選取較大值時，可以提高系統的穩定性，ΔKd選取合理才能防止系統出現震蕩的情況，提高系統的魯棒性。由上述經驗可以得出ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊控制，如表1所示。

表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制表Tab.1 Fuzzy control table of ΔKp、ΔKi、ΔKd

④模糊量的清晰化：經過模糊推理得到的是一個模糊量，因此還需進一步求解為一個清晰量。這個過程叫作解模糊。解模糊通常有最大隸屬度函數法、取中位數法和加權平均法三種。本文解模糊所選用的是加權平均法。

3.2.3 仿真結果及分析

根據式(5)的傳遞函數，在MATLAB/Simulink軟件中，構建PID控制和模糊PID控制仿真框圖[12]，如圖6所示。

圖6 PID控制和模糊PID控制仿真框圖Fig.6 Simulation block diagram of PID control and fuzzy PID control

爐溫期望值設置為800 ℃。PID控制和模糊PID控制爐溫仿真曲線如圖7所示。

圖7 PID控制和模糊PID控制爐溫仿真曲線Fig.7 Furnace temperature simulation curves of PID control and fuzzy PID control

由圖7可以得出兩種控制方法的系統動態性能指標，如表2所示。由表2和圖7可知，用模糊PID算法控制爐溫不僅能加快系統的響應速度，而且沒有超調，改善了系統的控制效果。

表2 系統動態性能指標Tab.2 System dynamic performance index

4 結論

在此次步進梁式加熱爐監控系統的設計中，在不改變產線上基礎設施的前提下，將Modbus、Profibus-DP以及Profinet三者進行良好的協調與融合，并將冗余網絡、VLAN應用到設計中，實現了產線上數據的無縫融合以及數據的安全高速傳輸。由于爐溫具有時變性、非線性、大滯后、多擾動等特點，運用模糊PID算法對爐溫進行控制，彌補了傳統PID算法的不足，優化了控制效果，保證了產線的安全、高速生產。