魏玉斌,虎恩典

(北方民族大學 電氣信息工程學院，銀川 750021)

基于PLC的燒結爐監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

魏玉斌,虎恩典

(北方民族大學 電氣信息工程學院，銀川 750021)

通過對銀川市某有色金屬公司的實地考察，發(fā)現(xiàn)其燒結爐控制系統(tǒng)存在嚴重老化、自動化程度低等問題，加之爐溫控制系統(tǒng)本身具有非線性、時滯性等特點，依靠一般的PID控制很難滿足企業(yè)生產要求;因此，為實現(xiàn)燒結控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制，通過對該公司原有控制系統(tǒng)的基礎上進行改造升級，提出了一種PID參數(shù)自整定的控制方案，即采用函數(shù)描述法繼電反饋的方式并結合“Z-N”第二法則整定出PID三個參數(shù);實驗采用MatLab仿真器進行算法模擬，選用西門子S7-300系列的PLC作為主控制器，觸摸屏作為上位機MCGS軟件開發(fā)界面，以實現(xiàn)對整個燒結過程的實時監(jiān)測，最終實現(xiàn)對可控硅調壓裝置的自動控制;運行效果顯示，通過對其燒結爐控制系統(tǒng)的改造升級，明顯改善了系統(tǒng)的魯棒性和自適應能力，有效地降低了燒結時間，企業(yè)的生產效益有了很大的提高。

燒結爐；參數(shù)自整定；MatLab；PLC；觸摸屏

0 引言

硬質合金是由難熔金屬的硬質化合物和粘結金屬通過粉末冶金工藝制成的一種合金材料，具有高硬度、耐磨、耐熱等性能被廣泛應用于機械、電子、航空航天等各種領域。硬質合金的品質好與壞取決于燒結爐真空度、壓力、溫度的控制精度[1]，因此提高真空度、壓力、溫度的控制精度是燒結過程的關鍵。本文針對合金材料的制備工藝、燒結爐結構、工作原理以及控制策略設計了以西門子S7-300系列的PLC作為核心控制器的PLC控制系統(tǒng)[2]，觸摸屏作為人機操作界面[3],能夠真實的模擬現(xiàn)場并進行現(xiàn)場監(jiān)控。在燒結工藝的基礎上，采用PID參數(shù)自整定的控制策略，并引入防飽和積分算法對爐溫控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，使得輸出誤差降到最低，實現(xiàn)整個燒結過程的自動一體化。

1 控制系統(tǒng)的總體設計及工作原理

由于整個系統(tǒng)比較復雜，采集信息單元較多，故選用控制性能較高的西門子315-2DP PLC作為主控制器單元，接收上位機執(zhí)行信號并根據(jù)實際情況對現(xiàn)場進行實時操作。北京昆侖通態(tài)公司的TPC1262Hi型號觸摸屏作為上位機監(jiān)控單元，其內置MCGS嵌入式組態(tài)軟件，可以實現(xiàn)對爐室真空度、液壓機壓力、爐室溫度等控制量的自動調節(jié)。SM321數(shù)字量輸入模塊功能是將外部電氣設備、傳感器變送器、控制現(xiàn)場的外部控制電平以及PLC內部信號電平進行匹配等，SM322作為啟動交流接觸器、電磁調節(jié)閥、電機等外部設備的數(shù)字量輸出模塊，將PLC內部的信號轉換為實際中所需要的電平信號，實現(xiàn)對控制源的電氣隔離與放大。SM331模擬量輸入模塊經A/D轉換可將標準的直流電壓、電流信號轉換為處理器內部識別的可控制信號。SM332模擬量輸出模塊經D/A轉換器置換為可匹配的標準電壓、電流信號，并對外部執(zhí)行單元進行調控。控制系統(tǒng)總體結構圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體結構圖

1.1 檢測執(zhí)行機構

檢測執(zhí)行機構主要包含三部分：1)真空度測量。主要由機械泵、分離器、擴散泵、高真空閥、電離真空計和熱偶真空計等構成，其GRANVILLE PHILLI 307真空計檢測范圍為10-6～1 Torr，檢測精度為0.01 Torr。當真空計檢測真空度高于給定值時，通過上位機啟動真空泵進入抽真空狀態(tài)。真空度低于1 000 μPa時，真空系統(tǒng)自動運行。此時打開大氣回填閥使爐室達到合理壓強，并充入氬氣進行大氣隔絕；2)液壓機壓力測量。選用SPB800型號壓力機變送器沖頭最大壓力值為40 t，上沖頭行程范圍0～250 mm,位移檢測精度值為0.01 mm。PLC接收上位機的壓力PID信號經壓力信號選擇板送入液壓信號放大板，經過信號放大作用于壓力調節(jié)閥實現(xiàn)壓力的自動調節(jié)。當檢測到的壓力過大時，自動進入模具斷裂使能狀態(tài)，并輸出報警啟動系統(tǒng)自動調節(jié)使能端降低壓力以防止模具破裂；3)爐溫測量。爐溫加熱系統(tǒng)分為低溫區(qū)(0～1 100℃)和高溫區(qū)(1 100℃～2 400℃)。低溫區(qū)采用K型熱電偶測溫，高溫區(qū)選擇測溫范圍更高的光學高溫計測量。選用SM331 AI8*TC熱電偶模擬量輸入模塊接受溫度、壓力、真空度等控制信號，選用SM332 AO4*12模擬量輸出模塊輸出溫度、壓力、真空度等控制信號，西門康可控硅型號SKKT58/16E作為調壓裝置控制加熱器。

1.2 工作原理

系統(tǒng)運行時，當真空度、壓力值達到控制要求后，加熱器根據(jù)實際控制要求進行加熱。K型熱電偶/光學溫度計將檢測的溫度信號經過變送器轉化成標準4 mA～20 mA信號經模擬量輸入模塊送入PLC，通過PLC運算，輸出數(shù)字信號經模擬量輸出模塊轉化為4 mA～20 mA電流信號，此電流信號經可控硅調壓轉化為0～220 V電壓信號，經變壓器作用于石墨加熱電極，實現(xiàn)對爐室溫度的自動調節(jié)。為了使燒結爐受熱均勻，爐體采用3組6個電加熱器對燒結爐上下、前后、左右同時進行加熱?？刂葡到y(tǒng)結構圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結構圖

2 溫度控制策略

本次設計方案，要求溫度曲線設為8組，每組都有一個升/降段和一個保持段組成。即檢漏階段：0～t1段對爐室進行自動檢測，檢測合格后進入脫蠟階段。脫蠟階段：t1～t2段對爐室進行預熱。t2～t7為脫蠟過程，當爐室溫度大于石蠟沸點時，石蠟蒸汽從石蠟收集管道進入石蠟收集器。t3～t4、t5～t6、t7～t8為保溫段，同時向爐室充入氬氣進行大氣隔絕。真空燒結階段：t9～t13段進行真空燒結，以改變合金材料內部結構，使之達到特定要求。添加工藝氣體燒結階段：向爐室內充氫氣、甲烷等氣體進行滲碳、脫碳。壓力燒結階段：t12～t14段進行壓力燒結，當溫度達到1 500℃左右時向爐室內充入80 bar高壓氬氣，并保溫一段時間。壓力燒結階段可以明顯提高合金產品的致密性。冷卻階段：當熱壓燒結過程定時時間到，切斷所有加熱裝置。啟動冷卻風扇，同時向爐室內連續(xù)沖入氬氣，使之處于惰性氣體環(huán)境下，以防止被氧化。待爐溫降至室溫，出料并取出石蠟。溫度工藝曲線如圖3所示。

圖3 溫度工藝曲線

2.1 PID參數(shù)自整定控制算法

圖4 PID參數(shù)自整定控制流程圖

2.2 仿真實驗與分析

圖5 仿真模型

圖6 繼電測試下的穩(wěn)定振蕩圖

圖7 仿真模型

圖8 自整定的參數(shù)測試圖

由圖8可知，超調量接近25%，輸出波形出現(xiàn)小幅度振蕩。通過適當調整參數(shù)使超調量趨于0，輸出波形趨于平緩。并搭建常規(guī)PID與PID參數(shù)自整定兩種控制器模型進行仿真，采樣時間為0.5 s，給定階躍為6，仿真時間為10 s。仿真模型如圖9所示。參數(shù)調整后的效果圖如圖10所示。

圖9 仿真模型

圖10 參數(shù)調整后的效果圖

由圖10可知，常規(guī)的PID控制超調量過大接近30%，調節(jié)時間過長且出現(xiàn)了嚴重的振蕩現(xiàn)象。而自整定的控制系統(tǒng)通過將整定的參數(shù)做適當調整并引入防積分飽和的算法基本實現(xiàn)無超調，調節(jié)時間大大縮短，消除了穩(wěn)態(tài)誤差，且無振蕩現(xiàn)象，實時性良好，滿足爐溫控制精度要求。

3 控制系統(tǒng)的軟件設計

3.1 組態(tài)設計

上位機操作界面由觸摸屏進行軟件開發(fā)，包括爐室真空度、液壓機壓力、爐溫檢測、報警信息、歷史數(shù)據(jù)，實時曲線等監(jiān)控畫面的設計。該觸摸屏采用了當前較先進的處理器Cortex-A8 CPU，主頻最高可達到600 MHz，該產品配備了12.1英寸高亮度的65535真彩液晶顯示屏TFT，分辨率達到800×600,出廠時內置嵌入式一體化的MCGS組態(tài)軟件[9]，以及具有良好的電磁屏蔽性，美觀堅固的金屬結構。通過增加通道、設置內部屬性等，添加MCGS內部變量進行通道連接，采用繼電器隔離方式與PLC進行連接，反映真實現(xiàn)場狀態(tài)[9]。同時具有較大的存儲能力進行數(shù)據(jù)、圖像快速處理，以實現(xiàn)復雜的工藝的設計。工藝流程圖如圖11所示。

圖11 工藝流程圖

3.2 程序設計

采用STEP7 V5.5編程軟件進行結構化編程。根據(jù)工藝要求，將主程序寫入OB1中。使用S7-300PLC內部自帶的FB58閉環(huán)溫度控制模塊，它本身具有參數(shù)自整定功能。該功能塊由三部分組成，第一部分：給定值與過程變量處理。在SP_INT(給定值)使能端輸入保溫階段的溫度值，通過PV_INT(過程變量)將模擬量檢測到的模擬信號經PIW指令送入PV_PER(測量值)，此時PVPER_ON撥到0端，進行K型熱電偶測溫;第二部分：PID運算。將給定值與過程值比較輸出的偏差信號ER(0)進行P、I、D運算,獲取可控硅調壓裝置的控制信號LMN_SUM，同時采用帶死區(qū)的PID控制器以防止執(zhí)行機構頻繁動作；第三部分：控制輸出。當MAN_ON為TRUE時，進入手動模式且輸出上下限值范圍為0.0～100.0。當MAN_ON為FALSE時，進入自動模式。在手自動切換時, 通過算法來實現(xiàn)抑制擾動DISV。自動模式下，將P、I的運算結果求和送到MAN單元中，以防止控制輸出出現(xiàn)波動。手動模式下，若令微分項為0，積分部分(INT)設為LMN - LMN_P - DISV，可保證手自動切換無憂，即控制器輸出值不會突變?？刂破鞯妮敵鲋?LMN)通過調用“CPR_OUT”送到D/A轉換器中，轉換為外設(I/O)輸出變量LMN_PER，即LMN_PER= LMN×27648/100，F(xiàn)B58內置結構圖如圖12所示。

圖12 FB58內置結構圖

將整定出的3個參數(shù)做適當調整，經運算得到u(k)存入PLC，由PLC的D/A轉換實現(xiàn)爐溫控制的自動運行。設定OB35組織塊循環(huán)調用FB58時間為1 s，控制器的采樣周期為0.2 s。給定爐溫曲線，保溫階段溫度依次為:20°、40°、60°，升溫及保溫階段均設定為5 s，F(xiàn)B58仿真效果如圖13所示。

圖13 FB58仿真效果圖

由FB58仿真結果可知，開始時升溫階段具有良好的快速性，而且沒有出現(xiàn)巨大波動。保溫階段具有較好的穩(wěn)定性和跟隨性，給定爐溫響應曲線與參數(shù)調整后的自整定響應曲線基本接近重合，且控制精度達到(-0.8%～+0.8%℃)。實際運行結果證明，采用PID參數(shù)自整定控制策略在實際應用中收到了良好的控制效果，達到了企業(yè)的預期目標。

4 結語

本系統(tǒng)設計了以西門子S7-300PLC為主控制器，觸摸屏作為人機操作界面，實現(xiàn)整個燒結過程的自動運行。針對燒結爐自身特點，闡述了爐室真空度、壓力對系統(tǒng)的影響，重點分析了爐溫控制的滯后特性，采用PID參數(shù)自整定的控制方案，并引入防積分飽和的算法大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度，并建立了爐溫模型進行仿真模擬，以驗證算法的有效性和可靠性，解決了燒結過程溫度控制的一大難點，從而提高了燒結產品的質量。運行效果顯示，明顯提高了原系統(tǒng)的控制精度和自動化程度，在實現(xiàn)燒結過程的同時，使生產投入減少，提高了企業(yè)的經濟效益。

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Design and Realization of Sintering Furnace Monitoring System Based on PLC

Wei Yubin，Hu Endian

(Electrical and Information Engineering Department, Beifang University of Nationalities, Yinchuan 750021,China)

By investigating a Nonferrous Metals Company located in Yin chuan, this paper found its sintering furnace control system was difficult to meet production requirements relying on general PID because of some problems like serious aging, low degree of automation, and nonlinear and time-delay which the furnace control system had. So in order to achieve optimal control, this paper proposed a control strategy of PID Parameter self-tuning which set out three PID parameters with function description method relay-feedback combined with the Second rule of “Z-N” by updating sintering furnace control system based on the original one. This paper uses MatLab simulator to make algorithm simulation, chooses Siemens S7-300PLC as core controller, touch screen as host computer MCGS Software development interface to achieve monitor the entire sintering process real time, and automatic control of controlled silicon on-load regulation device. The result shows that the robustness and adaptive ability of the system improved significantly, the sintering time reduced and the enterprise's production efficiency increased greatly.

Sintering furnace; parameter self setting; MatLab; PLC; touch screen

2016-06-27；

2016-07-20。

魏玉斌(1990-)，男，山東德州人，碩士研究生，主要從事計算機控制方向的研究。

虎恩典(1956-)，男，寧夏銀川人，教授，碩士研究生導師，主要從事檢測、機電控制、計算機控制方向的研究。

1671-4598(2016)12-0071-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.020

TP273

A