左懷拯

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋總廠，安徽馬鞍山 243000）

引言

本項目采用SIMATIC S7-400PLC 對連續(xù)退火鍍鋅生產(chǎn)線的板溫進行控制。SIMATIC S7-400PLC是中高性能的可編程控制器[1]，軟件采用西門子DCS(集散控制系統(tǒng)）的控制軟件PCS7[2]，其中CFC為PCS7 的過程控制組件。研究背景為計算鋅鍋感應(yīng)加熱器的最近15 min 內(nèi)的功率均值，用來建立入鋅鍋帶鋼溫度的熱平衡方程。在CFC 語言環(huán)境下，由于沒有堆棧功能，無法直接取得連續(xù)的均值，只能通過迭代的方式進行累加替換。解決該問題的設(shè)計方案涉及的概念有：累加模塊、延時模塊、系統(tǒng)時鐘、實數(shù)選擇模塊構(gòu)建數(shù)據(jù)鎖定等。

設(shè)計思路：利用系統(tǒng)時鐘進行時間延遲，1 min后計時完成，地址位累加一，用地址位進行比較產(chǎn)生第1 鐘的累加值寫入堆棧1；然后進行第2 鐘的累加寫入堆棧2，對15 min進行劃分產(chǎn)生15個堆棧；當(dāng)15 min 計時完成后計數(shù)器歸零，計算產(chǎn)生的累加值對堆棧1進行覆蓋，從而得到2～16 min的均值，以此類推。此計算方式產(chǎn)生的均值為不連續(xù)的動態(tài)均值，如果想得到更加連續(xù)均勻的數(shù)值，可以增加堆棧數(shù)量，減少累計時間。當(dāng)累計時間足夠短且堆棧數(shù)量足夠大，則可以產(chǎn)生接近于連續(xù)的均值，能夠滿足模型的計算需求。

1 計算所需模塊

1.1 累加模塊

通用累加模塊如圖1所示。

圖1 CFC中的通用累加模塊

圖1 中，In 為瞬時值，OutHiLim 為累加上限，OutLoLim 為累加下限，TI 為累加時間單位，Out-TrkOn 為累加清零命令，Out 為累加輸出，計算公式為：

其工作時序如圖2所示。

圖2 累加模塊工作時序圖

在程序中，用累加模塊對鋅鍋感應(yīng)加熱器的功率進行累加，單位為秒，而功率是是以小時為單位，累加時間單位為3 600 s，所以TI=3 600，而實時功率指為82 kW，所以In 值寫入82.0，用累加模塊累加的值并不直接進行計算，而是在累加結(jié)束時，對前面的計算值進行覆蓋。

1.2 延時模塊

通用延時模塊如圖3所示。

圖3 CFC中通用延時模塊

圖3中Time0為延遲時間，mode為延遲模式，reset 為復(fù)位，I0 為延遲觸發(fā)信號，Q0 為延遲輸出信號，PTIME 為計時器，而TIMER_P 模塊的功能時序如圖4所示。

圖4 延時模塊模式2中的狀態(tài)時序圖

采用的mode2 為延遲導(dǎo)通計時器，當(dāng)觸發(fā)信號為1 時，開始計時，計時至延時時間完成時Q0 導(dǎo)通。在程序中用來將累加器的數(shù)值寫入均值計算模塊，對原值進行覆蓋，同時地址位累加1。覆蓋之后，再利用一個延遲計時器延遲2 s，對累加器的數(shù)值進行清零。

1.3 數(shù)據(jù)保持模塊（由實數(shù)選擇模塊構(gòu)建）

程序需要對每次采集的累加數(shù)據(jù)進行保存，參與均值計算，當(dāng)循環(huán)到同一地址時，用新數(shù)據(jù)進行覆蓋。為實現(xiàn)這一功能，采用實數(shù)選擇模塊進行功能構(gòu)建，如圖5所示。

圖5 由實數(shù)選擇模塊構(gòu)建的數(shù)據(jù)保持結(jié)構(gòu)

累加數(shù)值寫入IN_0，當(dāng)計時器計時完成觸發(fā)CONTROL 進行選擇，把累加值寫入OUT，并將OUT值送回IN_1，形成自鎖，當(dāng)下一輪掃描完成時，再次寫入新值，對原值進行覆蓋并重新鎖定。

1.4 構(gòu)建地址位循環(huán)

如圖6所示，由計時器累計時間，觸發(fā)計數(shù)器為I0,每觸發(fā)一次計數(shù)器加一。采用DI_I 模塊將雙整數(shù)轉(zhuǎn)化為整數(shù)，然后使用比較器與數(shù)值14 進行比較，當(dāng)遞增數(shù)值大于14時，比較器的GT 管腳觸發(fā)復(fù)位信號，對計數(shù)器產(chǎn)生的數(shù)值進行復(fù)位，此結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了地址位從0到14的循環(huán)。

圖6 地址位構(gòu)建結(jié)構(gòu)

1.5 地址位的使用

地址位產(chǎn)生后，用來鎖定數(shù)據(jù)寫入地址，并最終參與均值計算，其結(jié)構(gòu)由比較模塊、與門、實數(shù)選擇模塊構(gòu)建，如圖7所示。

圖7 地址位變化時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)更迭

使用多比較器進行比較，當(dāng)循環(huán)地址與地址位相同時，則此地址被激活，與采樣的周期信號接入與門，產(chǎn)生的結(jié)果觸發(fā)數(shù)據(jù)保持模塊，將新的數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)塊中并鎖定，從而產(chǎn)生不同時間內(nèi)的數(shù)據(jù)累加值。

1.6 累加值的處理

將每個地址位所對應(yīng)周期內(nèi)的累加值通過實數(shù)比較器自鎖存儲，然后取平均值。多個周期進行循環(huán)覆蓋，從而產(chǎn)生動態(tài)的均值，達(dá)到設(shè)計要求。

而在此例中，采用0～14 個地址位，每個地址周期為60 s，所以最終會對15 個地址位的數(shù)據(jù)進行累加，循環(huán)覆蓋，再除以時間，最后得到15 min 內(nèi)的動態(tài)均值。如圖8 所示（圖中為從8～14 的7 個累加數(shù)值之和，0～8的累加處理方式相同）。

圖8 實數(shù)求和模塊

程序總圖如圖9所示。

圖9 程序整體結(jié)構(gòu)

2 應(yīng)用效果

案例中采用了15個地址的計算模型，且采樣周期較長，計算結(jié)果較為粗糙，在數(shù)據(jù)覆蓋時明顯呈現(xiàn)離散化的趨勢，在數(shù)據(jù)不斷覆蓋中產(chǎn)生數(shù)值突變，而鋅鍋加熱功率只有高功率與低功率兩種，更加劇了計算值的突變。為了減少這種現(xiàn)象，將采樣時間改為20 s，采樣地址增加為45 個，突變被有效抑制，連續(xù)性明顯增強。但修改過程中，程序量明顯增大。

對兩種采樣時間及采樣次數(shù)進行對比，比對結(jié)果如圖10所示。

圖10 采用低采樣頻率產(chǎn)生的溫度計算值

圖10中標(biāo)注部分為計算值，在1 min采樣周期，采樣次數(shù)為15的狀態(tài)下呈現(xiàn)出明顯的波動，數(shù)據(jù)粗糙且離散程度高。

圖11 中標(biāo)注部分為計算值，在20 s 采樣周期，采樣次數(shù)為45 的狀態(tài)下，數(shù)據(jù)更細(xì)膩，連續(xù)性增強且波動大幅降低。

圖11 采用較高采樣頻率產(chǎn)生的溫度計算值

由于增加采樣頻次，每個周期采樣的功率累加值更連續(xù)，即使在功率突變的情況下，仍然可以計算出較為連續(xù)的值。

圖11中紅色曲線不是功率均值，而是使用功率均值通過線性計算得到的帶鋼溫度計算值，雖然不是直接值，但是線性計算不會改變曲線的連續(xù)性，故可作為功率值連續(xù)性的參考比照。

3 結(jié)語

采用CFC 模塊構(gòu)建“堆?！保瑧?yīng)用在計算動態(tài)均值和“堆?！苯Y(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)處理可以得到較好的效果。利用計數(shù)模塊實現(xiàn)地址累加，利用實數(shù)選擇模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖定，利用計時模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)推入，完美的模擬了計算機堆棧工作的過程，其推入及讀取的方式，可以通過程序進行微調(diào)，這取決于實際要求，本文只是提供了一種思路，程序結(jié)構(gòu)的改變可以產(chǎn)生無窮的變化形式。當(dāng)然，其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，程序量較大也是一個明顯的缺點，值得進一步研究。