王 艷 ，劉承林 ，司長(zhǎng)策

（1.天津復(fù)雜系統(tǒng)控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.天津理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，天津 300384；3.天津市斯科諾熱能技術(shù)有限公司，天津300384）

隨著工業(yè)現(xiàn)代化以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制所采用的繼電器控制技術(shù)必然要被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的PLC控制技術(shù)所取代。而且PLC本身具有可靠性高、易操作和高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)[1]。根據(jù)某廠項(xiàng)目要求，結(jié)合該加熱爐容積大，溫度控制變量多等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了采用西門子S7-200系列PLC和模糊PID控制技術(shù)來控制加熱爐的溫度控制系統(tǒng)。

1 工藝簡(jiǎn)介

1.1 基本功能

本設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)的基本功能為：上位機(jī)部分可方便、直觀、實(shí)時(shí)地監(jiān)控爐溫，有報(bào)警功能，可自由地設(shè)定各時(shí)間段的溫度，對(duì)工作情況有記憶功能。

1.2 參數(shù)要求

根據(jù)某廠工藝要求，設(shè)定退火爐工藝參數(shù)，如表1所示。

表1 退火爐工藝參數(shù)表Tab.1 Annealing furnace parameter list

爐膛分為4個(gè)溫區(qū)，每個(gè)溫區(qū)安裝一臺(tái)燒嘴，并且設(shè)定一個(gè)溫度采集點(diǎn)。這樣就形成了4個(gè)溫度通道。而且每臺(tái)燒嘴單獨(dú)控制，保證爐膛溫度的均勻性[2]。

2 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)由溫度控制、爐壓控制、安全聯(lián)鎖、顯示與報(bào)警等多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)組成Fig.1 Control system constitute

2.1 自動(dòng)脈沖燃燒控制系統(tǒng)

脈沖燃燒控制系統(tǒng)，即用脈沖控制器輸出可變脈沖來控制燒嘴的燃燒時(shí)間與燃燒時(shí)序，具有節(jié)約能源，控溫精度高等優(yōu)點(diǎn)[3]。

溫度控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 溫度控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle diagram of the temperature control system

2.2 爐膛壓力

爐膛壓力也是實(shí)現(xiàn)加熱爐自動(dòng)控制的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)壓力過高時(shí)，煙氣就會(huì)從煙囪大量冒出，不僅使大量有效熱量散失，增加了爐子的燃料消耗，而且也易燒壞爐子的鋼結(jié)構(gòu)和爐墻鋼板，降低爐子的使用壽命；壓力過低，又會(huì)吸入大量冷風(fēng)，不僅增加爐子的熱耗，而且會(huì)增加工件的氧化燒損。因此，對(duì)加熱爐的爐膛壓力一般希望其保持在微正壓。本系統(tǒng)的爐膛壓力經(jīng)壓力傳感器、變送器轉(zhuǎn)換成4～20 mA模擬電流信號(hào)，送到PLC模擬量模塊，PLC根據(jù)PID算法算得的控制信號(hào)，經(jīng)模擬量模塊輸出0～10 V電壓信號(hào)，控制該段引風(fēng)機(jī)變頻器的輸出，調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的引風(fēng)量，控制爐膛的壓力。可在組態(tài)監(jiān)控界面上設(shè)定爐膛的壓力，滿足工藝的要求。

2.3 安全聯(lián)鎖及報(bào)警

所有設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、設(shè)備故障均通過工控機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)控，并以聲光報(bào)警方式提示。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 硬件配置

硬件結(jié)構(gòu)由一臺(tái)PLC控制柜、一臺(tái)變頻器柜、一臺(tái)集中控制操作臺(tái)以及現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制盒構(gòu)成。

3.1.1 PLC主機(jī)

本系統(tǒng)采用的是西門子S7-200系列PLC中型號(hào)為CPU226的PLC。它具有24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊。6個(gè)獨(dú)立的30 kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20 kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)[4]。

3.1.2 溫度傳感器

熱電偶是一種感溫元件，它能直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。本退火爐爐膛最高溫度為700℃，因此采用K型熱電偶。

3.1.3 PLC模塊

本系統(tǒng)選用EM223數(shù)字量16入24VDC/16出24VDC模塊、EM231模擬量熱電偶4輸入模塊、EM235模擬量4輸入/1輸出模塊以及CP243-1以太網(wǎng)模塊[5]。

3.1.4 燒嘴脈沖控制器

燒嘴脈沖控制器可以將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)燒嘴的脈沖燃燒，能夠得到均勻的加熱溫度，同時(shí)又能縮短加熱時(shí)間。其結(jié)構(gòu)是設(shè)置在爐內(nèi)的溫度傳感器的輸出接PLC內(nèi)的比較器，比較器的輸出接PLC內(nèi)的脈沖發(fā)生器，脈沖發(fā)生器的輸出接燒嘴的空氣控制閥。PLC將溫度傳感器檢測(cè)到的爐內(nèi)溫度與預(yù)先設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，如果前者較小，PLC即輸出正脈沖，使得燒嘴的空氣控制閥開啟程度變大，燒嘴噴出的火焰即增大；反之，如果前者較大，PLC即輸出負(fù)脈沖，使得燒嘴噴出的火焰即減小。燒嘴工作于開/閉或大火/小火的脈沖加熱方式，能夠達(dá)到最佳的燃燒狀態(tài)，節(jié)省燃?xì)夂蜏p小污染排放[6]。

3.1.5 變頻器

變頻器采用富士系列變頻器，由于在控制爐膛壓力中應(yīng)用了變頻調(diào)速技術(shù)，提高了燃燒效率，并在一定程度上更好地滿足工藝流程的需要，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

西門子S7-200系列PLC采用V4.0 STEP 7 Micro/WIN SP8編程軟件在PC機(jī)上編制應(yīng)用程序，最后下載到該P(yáng)LC的CPU中。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 PLC程序流程圖Fig.3 Flow chart of program

3.2.2 上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)

上位機(jī)屏幕可以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示各種信號(hào)變化，即人機(jī)界面（HMI）[7]，如圖4所示。本系統(tǒng)監(jiān)控級(jí)用PC機(jī)作為上位機(jī)，一方面與企業(yè)的Ethernet信息網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的集中管理；同時(shí)，經(jīng)PC/PPI通信電纜與現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)的S7-200系列PLC進(jìn)行PPI協(xié)議通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控。

圖4 人機(jī)組態(tài)界面Fig.4 HMI

3.2.3 模糊PID控制

將溫度對(duì)象的偏差和偏差變化率以及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則。根據(jù)控制查詢表，形成模糊算法。對(duì)溫度誤差采樣的精確量模糊化，經(jīng)過數(shù)學(xué)處理輸入計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)根據(jù)模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應(yīng)的控制量，變成精確量去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整輸入，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度，使之穩(wěn)定的目的[8]。

要進(jìn)行模糊PID控制的仿真，首先要建立模糊控制器。模糊控制器的建立分為以下幾個(gè)步驟：

（1）模糊控制器的結(jié)構(gòu)選擇

模糊控制器的結(jié)構(gòu)選擇，即確定模糊控制器的輸出輸出變量。單變量二維模糊控制器是最常見的結(jié)構(gòu)形式，本控制器也選取這種結(jié)構(gòu)形式，圖5為利用Matlab中的模糊邏輯工具箱所建立的二維模糊控制器。

圖5 二維模糊控制器Fig.5 Two-dimensional fuzzy controller

（2）定義輸入輸出模糊集及論域

本系統(tǒng)選取誤差e、誤差變化ec作為模糊控制器的輸入變量?？刂屏縰作為模糊PID控制器的輸出變量。這三個(gè)變量的模糊集可定義如下：

e、ec 和 u 的 模 糊 集 均 為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大；

并定義它們的論域均為[-3，3]。

（3）定義輸入輸出隸屬函數(shù)

誤差e、誤差變化ec及控制量u的模糊集和論域確定后，需要對(duì)模糊變量確定隸屬函數(shù)，即對(duì)模糊變量賦值，確定論域內(nèi)元素對(duì)模糊變量的隸屬度。本控制器變量的隸屬度函數(shù)的形狀均選為三角形。

（4）模糊規(guī)則的選取并建立模糊控制表

模糊控制器是模擬人類控制特征的一種語言型控制器，它在某種程度上體現(xiàn)了人的思維方式。客觀世界中并沒有現(xiàn)成的模糊控制規(guī)則，它需要設(shè)計(jì)者根據(jù)控制器的結(jié)構(gòu)，從大量的觀察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，或者從專家知識(shí)與操作熟練的人員的經(jīng)驗(yàn)中提取，經(jīng)去偽存真，去粗取精的過程，形成一系列模糊條件句描述的模糊控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則的提取和選擇往往是一個(gè)反復(fù)的過程[9]。

在Matlab的模糊邏輯工具箱中，使用Edit/add rule菜單把上述規(guī)則輸入進(jìn)去并保存。在Matlab的Simulink中構(gòu)建仿真模型，并加上積分環(huán)節(jié)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制系統(tǒng)的模糊PID控制仿真[10]。選取與溫度曲線近似的數(shù)學(xué)模型，傳遞函數(shù)為：G （s）=仿真時(shí)間設(shè)為1000 s，得到仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 模糊PID控制仿真圖Fig.6 Fuzzy PID control simulation diagram

從模糊PID控制的仿真結(jié)果可以看出，采用模糊PID控制時(shí)溫度，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間短，無靜態(tài)誤差，效果大大優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制[11]。

4 實(shí)測(cè)溫度曲線及分析

退火爐使用后，實(shí)測(cè)溫度曲線如圖7所示。

圖7 退火爐實(shí)測(cè)溫度曲線Fig.7 Measured temperature curve of annealing furnace

上圖溫度曲線中橫坐標(biāo)為時(shí)刻，縱坐標(biāo)為1000℃百分比，取升溫階段21：11：00時(shí)刻四個(gè)溫區(qū)溫度值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)分析表Tab.2 Data analysis table

分析可得，絕對(duì)誤差最大2.2℃，相對(duì)誤差最大為0.53%遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工藝要求，可見該系統(tǒng)具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性；溫區(qū)之間最大誤差為4℃，說明該系統(tǒng)有較好的均勻性。

5 結(jié)語

根據(jù)天津某廠燃天然氣臺(tái)車式退火爐工藝要求，設(shè)計(jì)出一套基于PLC和模糊PID算法的智能控制系統(tǒng)。在PLC和組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上，采用模糊PID控制算法對(duì)溫度進(jìn)行控制，使系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，控制方便，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。

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