基于CFC環境下的動態均值計算方式的探討

左懷拯

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋總廠，安徽馬鞍山 243000）

引言

本項目采用SIMATIC S7-400PLC 對連續退火鍍鋅生產線的板溫進行控制。SIMATIC S7-400PLC是中高性能的可編程控制器[1]，軟件采用西門子DCS(集散控制系統）的控制軟件PCS7[2]，其中CFC為PCS7 的過程控制組件。研究背景為計算鋅鍋感應加熱器的最近15 min 內的功率均值，用來建立入鋅鍋帶鋼溫度的熱平衡方程。在CFC 語言環境下，由于沒有堆棧功能，無法直接取得連續的均值，只能通過迭代的方式進行累加替換。解決該問題的設計方案涉及的概念有：累加模塊、延時模塊、系統時鐘、實數選擇模塊構建數據鎖定等。

設計思路：利用系統時鐘進行時間延遲，1 min后計時完成，地址位累加一，用地址位進行比較產生第1 鐘的累加值寫入堆棧1；然后進行第2 鐘的累加寫入堆棧2，對15 min進行劃分產生15個堆棧；當15 min 計時完成后計數器歸零，計算產生的累加值對堆棧1進行覆蓋，從而得到2～16 min的均值，以此類推。此計算方式產生的均值為不連續的動態均值，如果想得到更加連續均勻的數值，可以增加堆棧數量，減少累計時間。當累計時間足夠短且堆棧數量足夠大，則可以產生接近于連續的均值，能夠滿足模型的計算需求。

1 計算所需模塊

1.1 累加模塊

通用累加模塊如圖1所示。

圖1 CFC中的通用累加模塊

圖1 中，In 為瞬時值，OutHiLim 為累加上限，OutLoLim 為累加下限，TI 為累加時間單位，Out-TrkOn 為累加清零命令，Out 為累加輸出，計算公式為：

其工作時序如圖2所示。

圖2 累加模塊工作時序圖

在程序中，用累加模塊對鋅鍋感應加熱器的功率進行累加，單位為秒，而功率是是以小時為單位，累加時間單位為3 600 s，所以TI=3 600，而實時功率指為82 kW，所以In 值寫入82.0，用累加模塊累加的值并不直接進行計算，而是在累加結束時，對前面的計算值進行覆蓋。

1.2 延時模塊

通用延時模塊如圖3所示。

圖3 CFC中通用延時模塊

圖3中Time0為延遲時間，mode為延遲模式，reset 為復位，I0 為延遲觸發信號，Q0 為延遲輸出信號，PTIME 為計時器，而TIMER_P 模塊的功能時序如圖4所示。

圖4 延時模塊模式2中的狀態時序圖

采用的mode2 為延遲導通計時器，當觸發信號為1 時，開始計時，計時至延時時間完成時Q0 導通。在程序中用來將累加器的數值寫入均值計算模塊，對原值進行覆蓋，同時地址位累加1。覆蓋之后，再利用一個延遲計時器延遲2 s，對累加器的數值進行清零。

1.3 數據保持模塊（由實數選擇模塊構建）

程序需要對每次采集的累加數據進行保存，參與均值計算，當循環到同一地址時，用新數據進行覆蓋。為實現這一功能，采用實數選擇模塊進行功能構建，如圖5所示。

圖5 由實數選擇模塊構建的數據保持結構

累加數值寫入IN_0，當計時器計時完成觸發CONTROL 進行選擇，把累加值寫入OUT，并將OUT值送回IN_1，形成自鎖，當下一輪掃描完成時，再次寫入新值，對原值進行覆蓋并重新鎖定。

1.4 構建地址位循環

如圖6所示，由計時器累計時間，觸發計數器為I0,每觸發一次計數器加一。采用DI_I 模塊將雙整數轉化為整數，然后使用比較器與數值14 進行比較，當遞增數值大于14時，比較器的GT 管腳觸發復位信號，對計數器產生的數值進行復位，此結構實現了地址位從0到14的循環。

圖6 地址位構建結構

1.5 地址位的使用

地址位產生后，用來鎖定數據寫入地址，并最終參與均值計算，其結構由比較模塊、與門、實數選擇模塊構建，如圖7所示。

圖7 地址位變化時產生的數據更迭

使用多比較器進行比較，當循環地址與地址位相同時，則此地址被激活，與采樣的周期信號接入與門，產生的結果觸發數據保持模塊，將新的數據寫入對應地址的數據塊中并鎖定，從而產生不同時間內的數據累加值。

1.6 累加值的處理

將每個地址位所對應周期內的累加值通過實數比較器自鎖存儲，然后取平均值。多個周期進行循環覆蓋，從而產生動態的均值，達到設計要求。

而在此例中，采用0～14 個地址位，每個地址周期為60 s，所以最終會對15 個地址位的數據進行累加，循環覆蓋，再除以時間，最后得到15 min 內的動態均值。如圖8 所示（圖中為從8～14 的7 個累加數值之和，0～8的累加處理方式相同）。

圖8 實數求和模塊

程序總圖如圖9所示。

圖9 程序整體結構

2 應用效果

案例中采用了15個地址的計算模型，且采樣周期較長，計算結果較為粗糙，在數據覆蓋時明顯呈現離散化的趨勢，在數據不斷覆蓋中產生數值突變，而鋅鍋加熱功率只有高功率與低功率兩種，更加劇了計算值的突變。為了減少這種現象，將采樣時間改為20 s，采樣地址增加為45 個，突變被有效抑制，連續性明顯增強。但修改過程中，程序量明顯增大。

對兩種采樣時間及采樣次數進行對比，比對結果如圖10所示。

圖10 采用低采樣頻率產生的溫度計算值

圖10中標注部分為計算值，在1 min采樣周期，采樣次數為15的狀態下呈現出明顯的波動，數據粗糙且離散程度高。

圖11 中標注部分為計算值，在20 s 采樣周期，采樣次數為45 的狀態下，數據更細膩，連續性增強且波動大幅降低。

圖11 采用較高采樣頻率產生的溫度計算值

由于增加采樣頻次，每個周期采樣的功率累加值更連續，即使在功率突變的情況下，仍然可以計算出較為連續的值。

圖11中紅色曲線不是功率均值，而是使用功率均值通過線性計算得到的帶鋼溫度計算值，雖然不是直接值，但是線性計算不會改變曲線的連續性，故可作為功率值連續性的參考比照。

3 結語

采用CFC 模塊構建“堆棧”，應用在計算動態均值和“堆棧”結構進行數據處理可以得到較好的效果。利用計數模塊實現地址累加，利用實數選擇模塊實現數據鎖定，利用計時模塊實現數據推入，完美的模擬了計算機堆棧工作的過程，其推入及讀取的方式，可以通過程序進行微調，這取決于實際要求，本文只是提供了一種思路，程序結構的改變可以產生無窮的變化形式。當然，其結構過于復雜，程序量較大也是一個明顯的缺點，值得進一步研究。