胡 凱，饒豐江，朱 剛

（武漢海王機(jī)電工程技術(shù)公司 湖北 武漢430000）

基于PLC和Cortex-M4聯(lián)合控制的工業(yè)大功率加熱系統(tǒng)

胡 凱，饒豐江，朱 剛

（武漢海王機(jī)電工程技術(shù)公司 湖北 武漢430000）

基于Cortex-M4內(nèi)核的高性能單片機(jī)的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，溫度采集采用西門子的s7-300。控制板與PLC通訊采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)Profibus總線，總線可以掛接多達(dá)125塊控制板，每個(gè)加熱板同時(shí)控制8路交流大功率加熱塊，一共最多可同時(shí)控制1 000路交流大功率加熱塊。溫度控制采用Smith算法，很好的解決溫控系統(tǒng)大滯后的問(wèn)題。本系統(tǒng)加熱目標(biāo)溫度可設(shè)定在400～600℃范圍內(nèi)，溫度誤差小于±4℃。此系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功能完善、數(shù)據(jù)處理方便等特點(diǎn)。

Cortex-M4；PROFIBUS-DP總線；大功率加熱系統(tǒng)；Smith算法

隨著工業(yè)自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用，工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力，目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志[1]。在工業(yè)機(jī)器開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，可編程控制器（PLC）外圍電路普遍采用專用模塊拼接，這樣可以減少開(kāi)發(fā)周期，但是同時(shí)具有投入成本高、配置不靈活等缺點(diǎn)。而嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)采用“量體裁衣”的方式把所需的功能嵌入到各種應(yīng)用系統(tǒng)中，它融合了計(jì)算機(jī)軟/硬件技術(shù)、通信技術(shù)和半導(dǎo)體微電子技術(shù)。采用高性能的嵌入式處理器的強(qiáng)運(yùn)算處理能力，可以實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜的控制算法；控制器的通信接口通過(guò)轉(zhuǎn)換支持現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，具備了良好的通信功能；嵌入式控制器不僅可以保證控制的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性，還可以大幅度降低投入成本，滿足用戶控制的經(jīng)濟(jì)性要求[2-4]。

針對(duì)控制器的這種發(fā)展趨勢(shì)，筆者設(shè)計(jì)基于ST公司的ARM Cortex-M4內(nèi)核的控制器，作為profibus-DP從站，實(shí)現(xiàn)子模塊的控制功能。ARM Cortex-M4內(nèi)核控制器可實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)多路控制量的輸出。本系統(tǒng)控制量一路加熱器最大電流可達(dá)16 A，要實(shí)現(xiàn)多路加熱器同時(shí)工作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上必須考慮大功率帶來(lái)的各種問(wèn)題，文中提供了一種解決方案。

1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖1為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖，PLC與單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)通過(guò)Profibus-DP總線傳輸數(shù)據(jù)。溫度控制板（下稱溫控板）通過(guò)Profibus-dp總線獲取PLC發(fā)送的相應(yīng)溫度數(shù)據(jù)，再通過(guò)Smith算法計(jì)算加熱控制量，控制電路輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱塊加熱控制。Profibus-DP總線最多可掛載125個(gè)從設(shè)備，每個(gè)加熱板同時(shí)控制8路交流大功率加熱塊，一共最多可同時(shí)控制1 000路交流大功率加熱塊。在本控制對(duì)象加熱塊由34 V交流供電，采用雙向可控硅進(jìn)行控制。整個(gè)系統(tǒng)必須保證系統(tǒng)穩(wěn)定性能良好，消除電路中交直流電干擾，溫度閉環(huán)控制反應(yīng)靈敏等。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的目標(biāo)是：設(shè)計(jì)由PLC和ST公司的ARM Cortex-M4內(nèi)核的控制器控制的大功率溫控系統(tǒng)，目標(biāo)溫度可設(shè)定在400～600℃范圍內(nèi)，溫度誤差小于±4℃。由于本系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在溫控板端，文中下面重點(diǎn)講溫控板的技術(shù)要點(diǎn)。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2是溫控板的電路框圖，該溫控板選用24 M的外部時(shí)鐘晶振確保主控制器穩(wěn)定可靠。為滿足系統(tǒng)中各設(shè)備的供電要求，采用交流34 V、直流5 V、直流3.3 V 3種電源供電。PLC與溫控板的信號(hào)使用PROFIBUS-DP總線傳輸。加熱方式采用BF方式，由于需要獲取交流電的一個(gè)完整波形，電路中需要對(duì)交流電零點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用可控硅控制加熱回路的通斷。同時(shí)對(duì)加熱回路的電流進(jìn)行監(jiān)控，保證系統(tǒng)安全。系統(tǒng)提供了多個(gè)狀態(tài)指示燈，便于觀察系統(tǒng)狀態(tài)。

圖2　溫控板電路框圖

2.1微處理器

本系統(tǒng)的微處理器采用ST公司的STM32F407ZET6。該處理器是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品的32位處理器，基于ARM Cortex-M4內(nèi)核，主頻最高可達(dá)168 M。內(nèi)置了4 K的備份SRAM和192K的系統(tǒng)SRAM，1 MB的Flash存儲(chǔ)器。相比于之前的ARM Cortex-M3系列，增加了浮點(diǎn)運(yùn)算功能。采用自主的90 nm工藝制作，MCU的功耗很低。ARM Cortex-M內(nèi)核專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)[2-3]。芯片集成定時(shí)器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多種功能。足以滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.2通訊模塊

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線[5]是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，PROFIBUS－DP是最高波特率可達(dá)12 M的高速總線。PROFIBUS既適合于自動(dòng)化系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)單元的通訊，也可用于可以直接連接帶有接口的變送器，安裝簡(jiǎn)單，即插即用，且通信實(shí)時(shí)可靠。本系統(tǒng)中PROFIBUS－DP從站模塊的核心功能由協(xié)議芯片（VPC3+C）來(lái)實(shí)現(xiàn)。從站地址使用撥碼開(kāi)關(guān)撥碼，便于觀察。需要確保每個(gè)加熱板使用唯一的地址。選用的協(xié)議芯片VPC3+可直接替代SIEMENS公司的SPC3芯片，并且支持3.3 V、5 V電壓的工作電壓，RAM大等優(yōu)點(diǎn)，與SPC3相比較更適合本方案使用。本系統(tǒng)采用Profibus-DP-V1方式，DP-V1增加了主站與從站之間的非循環(huán)數(shù)據(jù)交換功能，可以用它來(lái)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、診斷和報(bào)警處理。

2.3精準(zhǔn)控制加熱塊加熱的方式

本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度實(shí)時(shí)控制，不僅需要有高速的采集、傳輸溫度的能力和強(qiáng)大的加熱控制算法，還需要加熱回路響應(yīng)速度快、加熱功率控制精準(zhǔn)等特點(diǎn)。在控制交流電加熱方式上以頻率50 Hz的交流電為例，如圖3所示，第一個(gè)波形是50 Hz交流電的完整波形，下面列出幾種常用控制方式及分析。

1）振幅變化（Amplitude variation），通過(guò)改變交流電的振幅實(shí)現(xiàn)控制輸出功率目的，但是如要達(dá)到精確控制電路中的功率的目的控制成本較高。

2）相位角控制（PA=Phase angle control），通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制輸出電壓大小，簡(jiǎn)稱相控方式。這種方式缺點(diǎn)是會(huì)帶來(lái)電噪聲，影響電路穩(wěn)定性。

3）脈寬調(diào)制式（PWM=Pulse width modulation）是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過(guò)電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。以2 s為一個(gè)周期控制方式為例，這種控制方式對(duì)于高精度控制電路來(lái)說(shuō)，響應(yīng)速度太慢，并且控制的溫度精準(zhǔn)度不夠。

4）Burst fire是每次選取正弦波的部分脈沖，生成均勻分布的脈沖波形，在零點(diǎn)開(kāi)斷電路可避免諧波干擾。能實(shí)現(xiàn)快速正弦波控制，并且具有成本少、噪聲少、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)。

圖3　交流電各種控制方式輸出波形

綜合考慮各種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用burst fire（BF）控制方式。BF控制在本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式：通過(guò)交流電過(guò)零檢測(cè)電路檢測(cè)加熱電路中交流電的零點(diǎn)，發(fā)送給控制器，控制器判斷導(dǎo)通或者關(guān)閉加熱回路。

2.4電流監(jiān)控和狀態(tài)指示燈

本系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)工業(yè)大功率加熱器控制，電路安全尤其重要，使用芯片ACS712-30實(shí)時(shí)監(jiān)控加熱回路上的電流，數(shù)據(jù)發(fā)送至微控制器，如有突發(fā)情況，控制器可以隨時(shí)阻斷加熱并點(diǎn)亮報(bào)警指示燈。本系統(tǒng)還加入了電源指示燈、通訊指示燈等，方便觀察系統(tǒng)狀態(tài)。

3　軟件設(shè)計(jì)

軟件開(kāi)始首先必須對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，之后獲取設(shè)定的目標(biāo)溫度。從PLC獲取實(shí)時(shí)溫度之后，通過(guò)Smith算法計(jì)算出加熱參數(shù)，同時(shí)監(jiān)控并在交流電零點(diǎn)打開(kāi)或關(guān)閉加熱電路，如果檢測(cè)到電流異常，加熱立即停止，并發(fā)送異常信息，整體軟件流程如圖4所示。

圖4　軟件的總體框架

被控對(duì)象的這種純滯后性質(zhì)經(jīng)常引起超調(diào)和持續(xù)的振蕩，由于時(shí)滯系統(tǒng)的特殊性，常規(guī)的PID控制難以獲得滿意的控制效果。本系統(tǒng)加熱系統(tǒng)采用Smith算法，Smith算法是克服純滯后的另一個(gè)有效地控制方法。其基本原理是通過(guò)預(yù)估對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，用一個(gè)預(yù)估模型來(lái)進(jìn)行時(shí)間滯后的補(bǔ)償，補(bǔ)償器與被控對(duì)象共同構(gòu)成一個(gè)沒(méi)有時(shí)間滯后的廣義被控對(duì)象。這樣控制器相當(dāng)于對(duì)一個(gè)沒(méi)有時(shí)間滯后的系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而有效的克服了純滯后的影響[6-8]。

嵌入式uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植：uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是專門為計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。它僅僅包含了任務(wù)調(diào)度，任務(wù)管理，時(shí)間管理，內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能[3]。沒(méi)有提供輸入輸出管理，文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)等額外的服務(wù)。但由于uC/OS-II良好的可擴(kuò)展性和源碼開(kāi)放，這些非必須的功能完全可以由用戶自己根據(jù)需要分別實(shí)現(xiàn)。嵌入式操作系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)平臺(tái)，是嵌入式系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)[4]。本系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)基于uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以很好地管理和調(diào)度各功能模塊。

4　實(shí)現(xiàn)結(jié)果

將本設(shè)計(jì)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)之后進(jìn)行調(diào)試測(cè)試，設(shè)定目標(biāo)溫度為400℃，通過(guò)串口把采集的溫度傳給電腦，方便觀察。開(kāi)機(jī)之后，加熱瓦的溫度迅速上升，在接近400時(shí)趨于平滑，如圖5所示，圖片的橫軸為時(shí)間，縱軸為溫度。溫度達(dá)到400℃后，在400℃上下波動(dòng)，誤差小于4℃，如圖6所示。綜上所述，溫度測(cè)試結(jié)果滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖5　開(kāi)機(jī)升溫到400℃

圖6　溫度保持在400℃

5　結(jié)束語(yǔ)

文中實(shí)現(xiàn)了采用PLC和ARM Cortex-M4通過(guò)profibus-DP總線方式通信實(shí)現(xiàn)聯(lián)合控制，達(dá)到快速高效靈活得控制工業(yè)大功率加熱器的目的。系統(tǒng)中每一塊加熱板都通過(guò)profibus-DP總線跟PLC相連獲取溫度，并單獨(dú)控制器8路加熱塊，這樣很大程度的提高了系統(tǒng)一個(gè)加熱周期所需要的時(shí)間，使系統(tǒng)更加靈敏；加熱板數(shù)量可根據(jù)用戶實(shí)際需要變更，擴(kuò)展方便。通過(guò)結(jié)果證明，本控制系統(tǒng)可以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)。

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High power heating system based on PLC and Cortex-M4 control in industry

HU Kai，RAO Feng-jiang，ZHU Gang
（Wuhan Haiwang Mechanical Electronic Engineering Technology Corp，Wuhan 430000，china）

The Design of advanced sign chip temperature control system based on Cortex-M4 kernel，temperature sample using the PLC of SIEMENS.Control board and PLC communication using standard industrial Profibus，that can be connected to up to 125 control board，each heating board at the same time to control the 8 way AC high power heating block，a total of up to 1000 way to control AC high power heating block.Temperature control using Smith algorithm to solve the problem of large lag of temperature control system.The temperature of the system can be set in the range of 400 to～600，and the error is less than 4. This system has the characteristics of strong generality，flexible system configuration，perfect control function，convenient data processing and so on.

Cortex-M4；PROFIBUS-DP；high power heating system；Smith algorithm

TN709

A

1674－6236（2016）21-0109-03

2015-11-02稿件編號(hào)：201511008

胡 凱（1990—），男，湖北武漢人，工程師。研究方向：控制算法和電路設(shè)計(jì)。