李宏濤，吳明亮，張 弛，吳明永

(1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)(2.蘭州城市學(xué)院培黎石油工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

Gr20Ni80是中溫級電熱合金，應(yīng)用廣泛，主要用于制造各種電阻加熱設(shè)備中的發(fā)熱元件?？焖賶勖呛饬科湫阅軆?yōu)劣的一個重要指標(biāo)。Gr20Ni80是一種最常用的高電阻電熱合金，高電阻電熱合金快速壽命測試系統(tǒng)是工業(yè)控制工程中一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)，快速壽命試驗臺必須滿足試驗過程的精確性、可靠性和穩(wěn)定性，以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程中的自動化、智能化、操作簡便等目的。

本文主要通過對Gr20Ni80快速壽命試驗臺硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計，做到：1)應(yīng)用模糊PID控制解決測試過程中溫度超調(diào)量過大、溫度控制系統(tǒng)遲滯性問題；2)利用OPC技術(shù)通過SQL Server 2008實現(xiàn)從下位機(jī)到上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸與記錄，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)記錄自動化；3)通過WinCC7.0完成試驗臺人機(jī)交互畫面的開發(fā)，實現(xiàn)試驗過程可視化。

1 試驗臺硬件設(shè)計

1.1 試驗絲材的夾持

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13300—1991《高電阻電熱合金快速壽命試驗法》中規(guī)定，快速壽命的試驗方法是將直徑為0.8mm的絲材試樣呈“U”形掛在試驗臺上，按國標(biāo)規(guī)定持續(xù)進(jìn)行2min通電、2min斷電的冷熱循環(huán)直至將試樣燒斷。依照國標(biāo)規(guī)定，絲材試樣3支為一組，各支Gr20Ni80絲材之間用絕緣板隔開。

試驗中非常重要的一步是對絲材的固定。Gr20Ni80絲材直徑為0.8mm±0.2mm，要準(zhǔn)確固定絲材，需要對螺桿進(jìn)行一定的加工處理。首先在螺桿尾部加工一個M3的螺紋孔，然后在所加工螺紋孔的里端沿螺桿的螺紋方向加工一個直徑為1.5mm的小孔。加工完畢后，將絲材穿入1.5mm的小孔里，最后將M3的小螺栓旋入螺桿尾部螺紋孔，固定絲材，起到夾持絲材的目的。夾持示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 夾持方式

圖2 局部夾持方式

1.2 試驗臺硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1試驗臺硬件組成

試驗臺的硬件由上位機(jī)(工控機(jī))、可編程邏輯控制器(PLC)、試驗臺電源、紅外線測溫儀組成。試驗臺以PLC為控制核心，溫度經(jīng)紅外線測溫儀采集后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后成為PLC可讀的數(shù)據(jù)，PLC將讀到的數(shù)據(jù)與試驗設(shè)定值進(jìn)行比較、運(yùn)算后輸出，從而控制試驗進(jìn)行。試驗臺硬件系統(tǒng)組成圖如圖3所示。

圖3 試驗臺硬件系統(tǒng)組成

1.2.2試驗臺硬件配件選型

由于本試驗臺對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，而工控機(jī)相比于普通計算機(jī)可以更好地滿足要求，故上位機(jī)選用工控機(jī)。除此之外，還需要配備相應(yīng)的顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)及打印機(jī)。各配置選型及其詳細(xì)情況見表1。

表1 試驗臺上位組件配置選型

下位機(jī)為西門子S7-1200 PLC，其在S7-200 PLC基礎(chǔ)上增加了很多功能，具有很高的性價比，能夠滿足多領(lǐng)域的應(yīng)用要求。其采用模塊化設(shè)計，集成了很多強(qiáng)大的功能，如高速輸入輸出、PID控制等，結(jié)構(gòu)緊湊，擴(kuò)展靈活方便。同時S7-1200 PLC還具備強(qiáng)大而又靈活的通訊功能，其CPU集成了一個PROFINET接口，可用于編程、HMI通訊及與其他PLC間的通訊，并且還能通過開放的以太網(wǎng)協(xié)議支持與第三方設(shè)備的通訊。S7-1200 PLC的CPU也可以添加通信模塊(最多3個，左側(cè)添加)以支持其他方式的通信協(xié)議，通過RS485和RS232物理傳輸介質(zhì)實現(xiàn)點到點的串行通訊。S7-1200 PLC控制器使用靈活、功能強(qiáng)大，設(shè)計緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強(qiáng)大的指令集。本文設(shè)計的試驗臺共有6個輸入電壓模擬量、6個輸入電流模擬量和6個溫度模擬量，選用的S7-1200 PLC的CPU為CPU 1214C AC/DC/Rly-6ES7 214-1BG40-0XB0，其性能穩(wěn)定，輸入輸出點能滿足所需要求；模擬量輸入模塊為SM 1231 AI8-6ES7 231-4HF32-0XB0，模擬量輸出模塊為SM 1232 AQ4-6ES7 232-4HD32-0XB0。

GB/T 13300—1991 規(guī)定，試驗用交流穩(wěn)壓電源，其電壓波動值不應(yīng)超過±0.5%。本文根據(jù)規(guī)定對電源進(jìn)行定制，定制后的電源主要指標(biāo)見表2。

表2 試驗電源參數(shù)表

經(jīng)過多方比較，紅外線測溫儀選用德國歐普士公司生產(chǎn)的OPTCTL1MH1CF2紅外線測溫儀。該測溫儀運(yùn)用先進(jìn)的聚焦技術(shù)可以測量最小直徑為0.45mm的被測目標(biāo)，實時輸出0～20mA的溫度模擬量。

2 試驗臺軟件設(shè)計

2.1 模糊PID控制策略

2.1.1模糊PID控制

結(jié)合模糊PID控制的原理和Gr20Ni80快速壽命試驗過程控制機(jī)理，使用“二輸入三輸出”的方式，其中二輸入為偏差值e以及偏差的變化率ec，三輸出為KP,KI,KD。其模糊控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖

2.1.2模糊PID控制的實現(xiàn)

控制器的輸入是溫度的偏差值e以及偏差的變化率ec所對應(yīng)的模糊集合E和EC，輸出為KP,KI,KD所對應(yīng)的模糊集合KP，KI和KD。e的實際論域為[-60℃，+60℃]，ec的實際論域為[-3℃，+3℃]。為了實現(xiàn)模糊控制器標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計，常用的處理方法是瑪達(dá)尼方法，將精確輸入量的變化范圍轉(zhuǎn)換為[-6，+6]之間變化的變量，即把誤差E和誤差變化率EC的變化范圍設(shè)定成[-6，+6]區(qū)間內(nèi)連續(xù)變化量，使之離散化，構(gòu)成含有13個整數(shù)元素的離散集合，即[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，構(gòu)成模糊集為[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]([負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大])；KI，KD的論域為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]，模糊集為[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]。求得誤差的量化因子[1]：

(1)

其中 [α,β]是實際論域，[a，b]是基本論域。根據(jù)式(1)求得誤差的量化因子ke為0.1，誤差變化率的量化因子kec為0.5。為了使計算簡化，這里在滿足控制要求的基礎(chǔ)上選用三角形隸屬函數(shù)進(jìn)行計算。

參數(shù)radius為圓柱的半徑，用來表示主根的粗度，參數(shù)height為圓柱的高，用來表示主根的長度。對于主根長度隨時間變化，在程序中設(shè)置一個時間變量t，主根長度用變量mainrootlen表示，基于試驗數(shù)據(jù)計算得到的邏輯斯蒂方程，則主根生長方程可表示為mainrootlen=169.531 9/(1+34.886 6·exp(-0.329 3·t))，利用OpenGL技術(shù)在VC++環(huán)境下繪制圖形，為使生成的主根形態(tài)更加逼真，在程序中采用隨機(jī)函數(shù)使其實現(xiàn)彎曲變化。

在PID參數(shù)整定原理和人工操作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，得到ΔKP模糊控制的推理規(guī)則，見表3。同理可以得到ΔKI和ΔKD的模糊控制推理規(guī)則。

表3 ΔKP的模糊控制規(guī)則

ΔKP,ΔKI和ΔKD模糊控制的推理規(guī)則表建立好以后，設(shè)e,ec和ΔKP,ΔKI,ΔKD均服從正態(tài)分布，由此可以得出各模糊集各個模糊子集隸屬度，根據(jù)各個模糊子集的隸屬度和各參數(shù)模糊控制模型，運(yùn)用模糊合成推理設(shè)計PID參數(shù)的模糊矩陣，代入式(2)中計算：

(2)

式中：KP0,KI0,KD0為通過ISTE最優(yōu)化設(shè)定法[2]確定的PID的初始整定值。

在線運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的處理、查詢和運(yùn)算，完成對PID 3個參數(shù)的在線子整定工作，流程圖如圖5所示。

圖5 模糊PID參數(shù)在線整定流程圖

2.2 模糊PID控制在S7-1200 PLC中的實現(xiàn)

除了將測量得到的溫度值轉(zhuǎn)換成PLC的模擬量輸入之外，溫度模擬信號的處理過程和輸出控制以及模糊自適應(yīng)控制器的實現(xiàn)等主要工作都在PLC中完成。對控制過程進(jìn)行PLC編程，所用的軟件是西門子公司的TIA Portal V13，其程序功能塊包括：1)組織塊OB1、主程序塊，功能為對整個程序的總體控制；2)功能塊FB2，實現(xiàn)對采集信號的運(yùn)算處理、量化誤差和誤差變化率；3)功能塊FB3,FB4和FB5，實現(xiàn)模糊控制規(guī)則表的查詢；4)功能塊FB6，實現(xiàn)PID參數(shù)的在線模糊自適應(yīng)整定功能。首先，將離線得到的ΔKP,ΔKI和ΔKD模糊控制規(guī)則表按照先行后列、先左后右的順序依次存儲進(jìn)全局?jǐn)?shù)據(jù)塊DB7，DB8，DB9之中，然后按照圖5所示的模糊自適應(yīng)PID參數(shù)在線整定流程進(jìn)行，得到實際PID的3個參數(shù)，使用“MOV”指令將參數(shù)寫入PID控制器所在的參數(shù)位，最終實現(xiàn)對PID參數(shù)的整定。

3 人機(jī)界面實現(xiàn)和試驗數(shù)據(jù)報表

3.1 人機(jī)界面的實現(xiàn)

WinCC7.0是西門子公司為西門子PLC配套的人機(jī)界面應(yīng)用程序，幾乎適用于所有工業(yè)領(lǐng)域的可視化操作解決方案，為用戶提供高效成熟的組態(tài)畫面。WinCC7.0的亮點之一是其整體的開放性[3]，它可以與標(biāo)準(zhǔn)用戶程序結(jié)合，建立操作方便的人機(jī)畫面，滿足實際控制中的需要。在組態(tài)方面，WinCC7.0提供了豐富的組態(tài)庫和ActiveX控件[4]，為用戶方建立友好的人機(jī)界面提供方便；在通訊支持方面支持用于連接到SIMATIC S5/S7/505控制器(例如通過S7協(xié)議集)的通訊[5]、PROFIBUS-DP/ FMS、DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)及OPC(用于過程控制的OLE)等非專用過程通訊[6]；在數(shù)據(jù)存儲和歸檔方面集成了SQL Server 2008大型數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)歸檔能力強(qiáng)。在Gr20Ni80快速壽命試驗臺項目中使用的是OPC協(xié)議。

在Gr20Ni80快速壽命試驗臺項目中，WinCC7.0主要實現(xiàn)以下功能：一是試驗參數(shù)在數(shù)據(jù)庫中的導(dǎo)入，這些參數(shù)包括GB/T 13300—1991中規(guī)定的試驗報告應(yīng)該包括的項目，有試驗名稱、送樣單位、合金牌號、冶煉爐號、試樣編號、試樣直徑(實測值，mm)、試驗溫度(℃)、試樣快速壽命(h)、試驗員、審核日期、試驗日期等。二是給每組試樣編號，以便區(qū)分。三是試驗過程的可視化，在上位畫面中實時顯示試驗過程中的自動模式/手動模式，當(dāng)前試驗設(shè)定電壓、設(shè)定電流和實時電壓、實時電流，以及當(dāng)前溫度和實時溫度。試驗進(jìn)行時，溫度傳感器先將檢測到的實際溫度值轉(zhuǎn)換為PLC可識別的標(biāo)準(zhǔn)電流信號傳送到PLC的模擬量輸入模塊中，PLC完成工程量對實際物理量的轉(zhuǎn)換，而后將其傳送到WinCC7.0組態(tài)軟件，實現(xiàn)試驗過程的實時監(jiān)控。四是完成測試報表，在試驗畫面頁添加WinCC7.0報表按鈕與計數(shù)框。Gr20Ni80快速壽命試驗系統(tǒng)人機(jī)界面如圖6所示。

圖6 Gr20Ni80快速壽命試驗系統(tǒng)人機(jī)界面

3.2 試驗報表

由于WinCC7.0變量歸檔時將數(shù)據(jù)存儲于自帶的SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫中，不便于對試驗數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，因此需要在SQL Server 2008中建立表格，以方便對試驗數(shù)據(jù)的處理。

在Gr20Ni80快速壽命試驗臺項目中，需要存儲的試驗數(shù)據(jù)有：1)GB/T 13300—1991中規(guī)定的試驗報告包括的試驗數(shù)據(jù)；2)試驗過程中的測試結(jié)果。在SQL Server 2008中建立試驗數(shù)據(jù)庫，命名為DATE_TEST,在其下面分別建表：[Report_Date]存儲試驗報告的試驗數(shù)據(jù)；[Runest_D]存儲模式類別——手動模式/自動模式及設(shè)定電壓、設(shè)定電流、設(shè)定溫度、實時電流、實時電壓、實時溫度。運(yùn)用Excel 2003設(shè)計試驗報表模板，每次試驗完成之后在上位人機(jī)界面中點擊報表生成按鈕，在完成對模板報表的數(shù)據(jù)復(fù)制的同時命名其試樣組號，然后將試驗結(jié)果導(dǎo)入到試驗報表的相應(yīng)位置，完成實驗報表的制作。

4 結(jié)束語

Gr20Ni80快速壽命試驗臺搭建完成之后，在氣流穩(wěn)定、無腐蝕性的環(huán)境中進(jìn)行了實際的測試實驗，結(jié)果表明：OPTCTL1MH1CF2紅外線測溫儀的測量誤差為0.1%，西門子S7-1200 PLC 1214C CPU的布爾運(yùn)算執(zhí)行速度為0.08μs/指令[7]，響應(yīng)速度滿足要求，硬件設(shè)計完全滿足國標(biāo)要求；采用模糊PID控制方法，運(yùn)用西門子S7-1200 PLC進(jìn)行試驗過程控制，取得了理想的控制效果。

綜上所述，本文設(shè)計的Gr20Ni80快速壽命試驗臺無論從軟硬件方面來說還是從控制策略上來說都達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。試驗臺可視化人機(jī)界面使試驗過程簡便明了，試驗報表功能使試驗數(shù)據(jù)記錄更為方便，避免了手動記錄過程中的人為誤差。本試驗臺實現(xiàn)了控制精準(zhǔn)、試驗過程自動化的目標(biāo)。

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