中國電建集團(tuán)鐵路建設(shè)公司 姜永濤

中國水利水電第十三工程局有限公司 郝永旺

中國電建集團(tuán)鐵路建設(shè)公司 曹玉新

蘭州交通大學(xué) 孫立軍 魏文軍

基于地鐵盾構(gòu)管片生產(chǎn)蒸養(yǎng)工序的智能控制系統(tǒng)設(shè)計

中國電建集團(tuán)鐵路建設(shè)公司 姜永濤

中國水利水電第十三工程局有限公司 郝永旺

中國電建集團(tuán)鐵路建設(shè)公司 曹玉新

蘭州交通大學(xué) 孫立軍 魏文軍

蒸養(yǎng)工序的智能控制系統(tǒng)采用Wincc組態(tài)軟件、西門子S7-200smart PLC和OPC（Object Linking and Embedding for Process Control，用于過程控制的OLE）通信技術(shù)，構(gòu)成了集檢測、記錄、報警、控制等功能于一體的閉環(huán)控制系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了控制系統(tǒng)組織架構(gòu)、滯后系統(tǒng)的控制算法、C語言在Wincc組態(tài)技術(shù)中的應(yīng)用以及OPC通信技術(shù)。經(jīng)調(diào)試運(yùn)行，系統(tǒng)的可靠性和測控精度都達(dá)到設(shè)計要求。

Wincc組態(tài)；過程控制；OPC通信；閉環(huán)控制

The steaming process intelligent control system adopts wincc’s configuration software，the siemens s7-200smart PLC and the OPC(Object Linking and Embedding for Process Control) Communication Technique. The closed Loop Control System has all the functions of Detection，recording，alarm and control.This paper emphatically introduces the control system’s framework，the control algorithm for control systems with large delay，the application of C language in wincc configuration technology and the OPC communication technology. After debugged，system work reliability and precision can meet actual demand.

Wincc configuration；process control；OPC communication；closed-loop control

1.引言

蒸養(yǎng)工藝是盾構(gòu)水凝土管片生產(chǎn)過程中非常重要的工藝。在該工藝過程中需要嚴(yán)格控制蒸養(yǎng)室內(nèi)的溫度和濕度。蒸養(yǎng)室體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各室體和外部環(huán)境之間不斷進(jìn)行能量交換，控制過程極為復(fù)雜，在蒸養(yǎng)過程中，存在滯后大、模型階次高、動態(tài)響應(yīng)慢、非線性嚴(yán)重及控制變量多等特點(diǎn)。因此，對設(shè)計實(shí)用合理的控制方案是極為重要的，而PLC的可靠性高、編程簡單且易于維護(hù)，可以廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)，wincc可以與西門子PLC完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全程操作監(jiān)控[1]。本控制系統(tǒng)采用西門子S7-200smart 可編程控制器進(jìn)行控制，人機(jī)交互系統(tǒng)采用Wincc組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)。

圖1 智能蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖

2.系統(tǒng)架構(gòu)

智能蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)由5個部分組成，分別是可編程控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)。系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。盾構(gòu)管片在小車的作用下進(jìn)入蒸養(yǎng)室，在蒸養(yǎng)室內(nèi)緩緩向前移動，整個過程大約1個小時?？删幊炭刂破魇强刂葡到y(tǒng)的核心，實(shí)時監(jiān)測蒸養(yǎng)室內(nèi)的溫度變化，并根據(jù)工藝要求控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)溫度?？删幊炭刂破魇且环N通用的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合高效溫室的控制要求[2.3]。如果有故障產(chǎn)生自動啟動報警系統(tǒng)，及時通知操作人員?？删幊炭刂破骱涂刂朴嬎銠C(jī)之間通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接。人機(jī)交互系統(tǒng)采用Wincc組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時顯示、故障記錄、溫度變化曲線、歷史記錄、參數(shù)設(shè)置等功能。

3.大滯后系統(tǒng)的PID算法

常規(guī)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如2所示：

圖2 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其增量型離散系統(tǒng)PID表達(dá)式為：

增量式算法提供了控制量的增量形式，所以被稱為數(shù)字PID增量型控制算式。增量式算法只需要保持三個時刻的偏差值。由于計算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，所以在確定了Kp、Ki、Kd之后，根據(jù)最近三次的偏差即可求出控制量的增量。

微分信號的引入可改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，但也易引進(jìn)高頻干擾，使蒸養(yǎng)室內(nèi)溫度控制出現(xiàn)大的偏差，影響蒸養(yǎng)效果。為了克服上述缺點(diǎn)，本控制系統(tǒng)在微分部分引入一個一階慣性環(huán)節(jié)(低通濾波器)：，即得到不完全微分的PID控制算式。

令PID控制器的控制量為：

微分部分引入一階慣性環(huán)節(jié)得：

寫成微分方程為：

將(3)式離散化得：

在蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)中，給定的溫度隨時間和地點(diǎn)的變化而變化，采用對微分部分增加一階慣性環(huán)節(jié)的方法，避免了由于給定值的變化引起的系統(tǒng)振蕩，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

4.C語音在Wincc組態(tài)設(shè)計中的應(yīng)用

WinCC是一個實(shí)用且與SIMATIC產(chǎn)品無縫連接的組態(tài)軟件，其界面友好，功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)控制界面設(shè)計、硬件組態(tài)、變量管理、標(biāo)簽歸檔、報警歸檔、打印歸檔與用戶管理等功能。

智能蒸養(yǎng)人機(jī)交互系統(tǒng)采用西門子的Wincc自動化監(jiān)控軟件，Wincc提供了能夠使用標(biāo)準(zhǔn)C語言(ANSI-C)的語法規(guī)則所需要的程序。在對象的屬性或動作欄下均有C語言編輯器，在編輯器中列出C函數(shù)庫,分為項目函數(shù),標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)和內(nèi)部函數(shù)3類。

以智能蒸氧控制系統(tǒng)中參數(shù)設(shè)置為例，說明C語言編程在W inCC中的應(yīng)用。如圖3所示為升溫區(qū)的溫度設(shè)置。在參數(shù)設(shè)置過程中要求上限溫度不能低于下限和設(shè)定溫度，設(shè)定溫度要介于上限溫度和下限溫度之間，下限溫度要低于設(shè)定溫度和上限溫度。

圖3 智能蒸氧系統(tǒng)升溫區(qū)參數(shù)設(shè)置

步驟1：組態(tài)I/O域。為每個I/O域設(shè)置變量名、更新時刻以及域類型等參數(shù)。圖4所示為上限溫度I /O域組態(tài)對話框。當(dāng)有數(shù)據(jù)變化時更新I /O域的顯示。

圖4 上限溫度I /O域組態(tài)對話框

步驟2：I/O域?qū)ο髮傩栽O(shè)置。如圖5所示，首先單擊I /O域?qū)υ捒?，在對象屬性對話框中選擇“事件”，參數(shù)設(shè)置需要由鍵盤輸入數(shù)據(jù)，所以應(yīng)該選擇“鍵盤”，輸入數(shù)據(jù)結(jié)束按回車建結(jié)束輸入，右鍵單擊“釋放”選擇“C動作…”會彈出C語言編輯界面。

圖5 I/O域?qū)ο髮傩?/p>

5.OPC通信

OPC技術(shù)（OLE for process Control，過程控制的對象鏈接與嵌入）是為解決應(yīng)用軟件與不同設(shè)備驅(qū)動程序通信的統(tǒng)一工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。使用OPC標(biāo)準(zhǔn)可以方便地把不同制造廠家提供的驅(qū)動與服務(wù)程序集成在一起，為不同類型的服務(wù)器和客戶端搭建一座橋梁。通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，客戶和服務(wù)器之間形成簡單規(guī)范的鏈接關(guān)系，而且不同的客戶軟件能夠訪問任意的數(shù)據(jù)源[4]。

智能蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)中可編程控制器采用西門子S7-200smart PLC不能和Wincc直接通信，需要借助OPC軟件做為中間橋梁進(jìn)行通信。結(jié)構(gòu)原理圖如圖6所示。

圖6 通信原理圖

6.結(jié)束語

本文是以實(shí)際項目為背景，開發(fā)基于西門子S7-200 smart PLC和Wincc組態(tài)軟件的的智能控制系統(tǒng)。PLC實(shí)現(xiàn)蒸養(yǎng)室溫度信息的實(shí)時采集，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)定值采用不完全微分的PID算法對蒸養(yǎng)室溫度進(jìn)行精確控制，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明該算法對參數(shù)變化頻繁，的大滯后系統(tǒng)具有很好的控制效果。運(yùn)用了Wincc組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，介紹了C語言在Wincc組態(tài)軟件中的應(yīng)用。Wincc組態(tài)軟件和S7-200 smart PLC的通信借助OPC軟件做為中間橋梁進(jìn)行通信。為其它控制系統(tǒng)開發(fā)提供了技術(shù)借鑒。

[1]何益,胡姍姍,劉增強(qiáng).基于PLC和WinCC的化工精餾塔控制系統(tǒng)設(shè)計[J].化工自動化及儀表,2011,06:710-712.

[2]何世鈞,張路,張弛.智能溫室自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000,34(4):399-401.

[3]何世鈞,徐軍峰,張路.可編程控制器在智能化溫室系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].基礎(chǔ)自動化,2000,7(4):53-54.

[4]陳嬋娟,徐洋洋,等.基于OPC的啤酒生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)集成與通信[J].食品工業(yè),2017,38(3):225-228.