王 寧，虎恩典，王志剛

（寧夏大學(xué) 機械工程學(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行比例混合、壓制成胚，在經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)等處理工藝制成的合金材料，廣泛應(yīng)用于機械加工、汽車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)。

本文針對燒結(jié)爐控制系統(tǒng)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(tài)Hi1561觸摸屏和MCGS軟件為上位機設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)真空燒結(jié)爐溫度自動控制和現(xiàn)場監(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)主要由信號檢測及執(zhí)行系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)三個部分組成。該系統(tǒng)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(jù)實際程序?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備進行控制；信號檢測部分實現(xiàn)對現(xiàn)場信號采集和轉(zhuǎn)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(diào)壓設(shè)備控制加熱器；執(zhí)行部分實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制；上位機監(jiān)控系統(tǒng)由觸摸屏和MCGS組態(tài)軟件組成，MCGS作為人機界面，同時現(xiàn)場配置昆侖通態(tài)HI1561觸摸屏，提高控制系統(tǒng)可視性和可靠性，實現(xiàn)對控制流程模擬仿真、過程數(shù)據(jù)和曲線的實時顯示和報警信息顯示等功能?？傮w設(shè)計結(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)運行時，當(dāng)真空度達(dá)到控制要求后，加熱器根據(jù)實際控制要求進行加熱。K型熱電偶將檢測的溫度信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)4mA～20mA信號經(jīng)模擬量輸入模塊送入PLC，PLC根據(jù)控制程序進行運算，輸出數(shù)字信號經(jīng)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)化為4mA～20mA電流信號，此電流信號經(jīng)可控硅調(diào)壓轉(zhuǎn)化為0V～220V電壓信號，經(jīng)變壓器作用于爐內(nèi)加熱器，實現(xiàn)對燒結(jié)爐溫度自動控制。

2 控制策略

燒結(jié)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(jié)爐可能生產(chǎn)多種產(chǎn)品，使得很難對燒結(jié)爐建立精確數(shù)學(xué)模型[3]。燒結(jié)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(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)估補償環(huán)節(jié)，從而得到?jīng)]有時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)，為被控對象傳遞函數(shù)，為被控對象中滯后環(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，如果滯后時間過大，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。采用Smith預(yù)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(dāng)預(yù)估模型精確時，即G0(S)=Gm(S)，經(jīng)過Smith預(yù)估補償?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，此時采用最外面控制回路實現(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，且對象參數(shù)變化大，很難建立精確地數(shù)學(xué)模型。雖然Smith預(yù)估器對大滯后控制系統(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?？紤]到模糊控制器對參數(shù)變化不敏感的特點，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與系統(tǒng)的溫度設(shè)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(shù)修正值作為輸出。根據(jù)燒結(jié)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(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)，針對不同e、ec,由設(shè)計人員根據(jù)電加熱器實際操作經(jīng)驗定出的模糊規(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個初始值，由工程師根據(jù)經(jīng)驗試湊法確定，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，無超調(diào)且穩(wěn)態(tài)精度較高等優(yōu)點，對于大時滯系統(tǒng)有著良好的控制品質(zhì)，具有較強的適應(yīng)能力。

3 S7-300PLC程序設(shè)計

采用STEP7軟件進行程序的編寫。首先對系統(tǒng)硬件進行組態(tài)，根據(jù)硬件模塊生成地址值進行程序編寫。根據(jù)燒結(jié)工藝及溫度控制要求編寫控制程序，將主程序?qū)懭隣B1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(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，然后采樣計算e、ec并進行模糊化處理存入對應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器。通過查表法查詢模糊控制規(guī)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(xiàn)Smith-Fuzzy-PID。同時u(k)經(jīng)PLC輸出控制加熱器實現(xiàn)燒結(jié)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(shè)定保溫段溫度依次為：30、50、70，升溫及保溫時間均設(shè)定為5s，利用PID控制參數(shù)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(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。實際程序運行結(jié)果證明，控制策略選擇合理，能達(dá)到實際控制要求。

4 觸摸屏設(shè)計

4.1 人機界面設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，選用昆侖通態(tài)Hi1561觸摸屏。該觸摸屏具有無限點數(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(shè)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(shè)計用戶畫面主要包括：1)工藝流程畫面：實現(xiàn)對控制現(xiàn)場模擬仿真；2)參數(shù)設(shè)置畫面：根據(jù)生產(chǎn)不同產(chǎn)品設(shè)置不同的溫度控制曲線；3)實時曲線：系統(tǒng)運行時，實時顯示溫度狀態(tài)；4)手自動切換畫面：根據(jù)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(shù)據(jù)窗口中建立與控制系統(tǒng)有關(guān)的I/O變量，與畫面中元素進行動態(tài)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(shè)計選擇西門子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，并對PLC具體參數(shù)進行設(shè)置，實現(xiàn)MCGS軟件內(nèi)部變量與PLC實際地址連接。將MCGS中設(shè)計好的畫面和S7-300驅(qū)動下載到觸摸屏。2）在STEP7軟件中對CPU參數(shù)進行設(shè)置，使之與S7-300MPI驅(qū)動中設(shè)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(shù)設(shè)置如圖9所示。

圖9 通訊參數(shù)設(shè)置

5 結(jié)束語

系統(tǒng)采用MCGS通用版軟件設(shè)計觸摸屏人機界面，以S7-300 PLC實現(xiàn)控制策略，實現(xiàn)了真空燒結(jié)爐控制系統(tǒng)的可視性和自動化。根據(jù)燒結(jié)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(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，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)實時監(jiān)控，及時了解控制進程，大大增強了控制目的性和穩(wěn)定性。

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