起爆具生產(chǎn)線中的溫度PID控制方案設(shè)計(jì)

王越勝，王 俊

(杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化研究所，浙江杭州310018)

0 引言

溫度控制環(huán)節(jié)是起爆具生產(chǎn)過程中十分重要的環(huán)節(jié)，其包括升溫和超溫調(diào)節(jié)控制兩個(gè)部分。起爆具生產(chǎn)線中溶藥溫度和澆注溫度的控制得當(dāng)，直接關(guān)系到起爆具成品的密度、起爆感度、起爆猛度等品質(zhì)［1］。如此，本文采用西門子S7-300可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)和其配套編程軟件STEP7，設(shè)計(jì)出了一套對(duì)起爆具生產(chǎn)線中的溫度進(jìn)行比例－積分－微分(proportional-integral-differential，PID)控制的閉環(huán)控制方案。該系統(tǒng)由PLC、上位機(jī)、閥門定位器、溫度傳感器等組成，實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格按要求控溫的功能。該方案最終在山東某化工廠起爆具生產(chǎn)線中得以實(shí)現(xiàn)，并取得了良好的控制效果。

1 PID溫度控制原理

實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，由于外部環(huán)境和系統(tǒng)本身的一些特性的影響，要求的輸出值SP_INT和溫度控制系統(tǒng)的PID反饋值PV_IN之間往往存在一個(gè)差值E［2］:

PLC編程軟件中的PID功能程序塊就是用來消除這個(gè)偏差的。在某個(gè)采樣時(shí)刻，PID功能塊工作時(shí)，通過內(nèi)置的程序運(yùn)算，產(chǎn)生一個(gè)調(diào)節(jié)值MV，MV作為輸入的一部分參與輸入，使PV_IN值接近SP_INT值，這樣就完成了該時(shí)刻的PID控制過程。經(jīng)過一段時(shí)間多個(gè)這樣的控制過程，最后E趨于0，PV_IN值就很接近SP_INT值了。其原理圖如圖1所示。

圖1 PID原理圖

在此溫度調(diào)節(jié)的PID控制系統(tǒng)下，被控設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度值被傳感器轉(zhuǎn)換成4－20mA的電流信號(hào)傳送到PLC的PID控制模塊中，PID功能模塊根據(jù)這個(gè)電流信號(hào)的變化，經(jīng)過軟件程序算法的計(jì)算，PLC輸出4－20mA的電流控制信號(hào)給閥門定位器，閥門定位器根據(jù)控制信號(hào)的變化不斷改變閥門的開度大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)被控設(shè)備的溫度。不斷的重復(fù)這一系列的動(dòng)作，使得被控設(shè)備的溫度值大致保持在產(chǎn)品工藝要求的溫度范圍內(nèi)。

2 控制系統(tǒng)的組成

本控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、PLC、閥門定位器、溫度傳感器和執(zhí)行器組成，其控制框圖如圖2所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

(1)上位機(jī)。選用研華工控機(jī)，組態(tài)軟件為組態(tài)王 Kingview 6.52。上位機(jī)主要對(duì)閥門定位器的運(yùn)行狀態(tài)、開度大小等各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和顯示。如有需要時(shí)，結(jié)合組態(tài)王對(duì)其一些工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)試、更改，并將這些指令發(fā)送給PLC。上位機(jī)和PLC之間的通信是通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行的。

(2)PLC。PLC控制器選用西門子S7－300系列。主要是PS307 5A電源，CPU314，IM 365模塊，CP343－1模塊，DI模塊，DO模塊，AI模塊，AO模塊等。

(3)閥門定位器。選用斯派莎克EP5閥門定位器。EP5閥門定位器是兩線制回路供電定位器，需要4－20mA控制信號(hào)，用于線性氣動(dòng)閥執(zhí)行器。閥門定位器對(duì)來自PLC的信號(hào)和閥的實(shí)際位置進(jìn)行比較，相應(yīng)的改變至執(zhí)行器的氣動(dòng)輸出信號(hào)。

3 STEP7溫度PID程序設(shè)計(jì)

3.1 硬件組態(tài)及參數(shù)設(shè)置

西門子S7-300系列的編程軟件采用的是SIMATIC STEP7，本系統(tǒng)STEP7的版本是V5.4。進(jìn)入STEP7編程環(huán)境后，先新建一個(gè)項(xiàng)目，給項(xiàng)目起一個(gè)名稱，即這個(gè)項(xiàng)目下生成一個(gè)S7-300站點(diǎn)［］。進(jìn)入HWConfig(硬件組態(tài))界面，按照現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際安裝模塊和次序，依次插入機(jī)架、電源、CPU、通信模塊、I/O模塊等。包括:PS307 5A，CPU314，IM 365，CP 343 －1，AI 8 ×16bit，AI 8 ×12bit，AO 8 ×12bit，DI 32 ×DC24V，DO32 ×DC24/0.5A。進(jìn)入CPU屬性窗口，設(shè)置MPI地址(設(shè)定為2)等。打開模擬量輸入輸出模塊，設(shè)置模擬量輸入?yún)?shù):測(cè)量類型為4DMU，測(cè)量范圍為4－20mA。打開模擬量輸出模塊，設(shè)置模擬量輸出參數(shù)為:測(cè)量類型為I，輸出范圍為4－20mA。模擬量參數(shù)設(shè)置如圖4所示。另外，安裝模擬量輸入輸出模塊前，必須根據(jù)輸入信號(hào)種類正確設(shè)置量程卡，對(duì)于4－20mA的模擬量電流輸入，量程卡應(yīng)該選擇C位置。

圖4 模擬量輸入、輸出模塊參數(shù)設(shè)置

硬件選型和參數(shù)設(shè)置完畢后，編譯并生成系統(tǒng)數(shù)據(jù)包。如有部分最新硬件在硬件數(shù)據(jù)庫里找不到，在硬件組態(tài)窗口下的工具欄中“選項(xiàng)”下的“安裝HW更新”下載需要的硬件。

3.2 建立數(shù)據(jù)通訊存儲(chǔ)區(qū)

上位機(jī)通過組態(tài)王軟件監(jiān)控實(shí)時(shí)的溫度值，PLC的PID功能塊對(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行在線調(diào)節(jié)。那么，上位機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)溫度值的讀取必然通過一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。這個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)是通過STEP7在其中建立一個(gè)共享數(shù)據(jù)塊DB9，用來存放現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際溫度值和一些PID控制的過程參數(shù)(溫度設(shè)定值、閥門定位器的閥門開度值、控制系統(tǒng)的增益值、積分時(shí)間常數(shù)等)。這樣，上位機(jī)與PLC之間就建立起了數(shù)據(jù)通訊。

3.3 功能塊FB41的調(diào)用與參數(shù)設(shè)置

在STEP7編程環(huán)境下，對(duì)于溫度的PID控制，一種辦法是根據(jù)PID控制的原理和數(shù)學(xué)模型自己動(dòng)手編制程序，另一種方法就是在STEP7中調(diào)用功能塊FB41。本文采用直接調(diào)用功能塊FB41的方法，F(xiàn)B41是屬于連續(xù)PID控制器。在調(diào)用時(shí)必須指定背景數(shù)據(jù)塊并標(biāo)號(hào)［］，本控制系統(tǒng)中指定DB41為FB41的背景數(shù)據(jù)塊。

首先建立組織塊OB100，在其中調(diào)用FB41用來實(shí)現(xiàn)溫度PID控制的初始化，程序如下:

其次，建立組織塊OB35，并在OB35中調(diào)用功能塊FB41，目的是使系統(tǒng)每隔0.1s作一次PID運(yùn)算。這里的0.1s是在CPU屬性中的循環(huán)中斷中設(shè)置，如圖5所示。

功能塊FB41塊的左側(cè)為輸入，右側(cè)為輸出。FB41中的一些參數(shù)是必須設(shè)置的，其輸入輸出參數(shù)部分說明與設(shè)置如下:(1)COM_RST，BOOL類型:重啟PID，當(dāng)其位為TRUE時(shí)，PID執(zhí)行重啟功能，復(fù)位PID內(nèi)部參數(shù)為默認(rèn)值;(2)PVPER_ON，BOOL類型:外設(shè)過程變量，如果過程變量時(shí)從I/O中讀取的，則輸入PV_PER必須連接到I/O，并且必須置位輸入“外設(shè)過程變量打開”;(3)CYCLE，TIME類型:PID采樣周期，設(shè)為100ms;(4)SP_INT，REAL類型:PID的設(shè)定值，設(shè)為85℃;(5)PV_IN，REAL類型:PID的反饋值(過程變量);(6)PV_PER，WORD類型:未經(jīng)規(guī)格化的反饋值;⑺GAIN，REAL類型:比例增益;(8)TI，TIME類型:積分時(shí)間;(9)TD，TIME類型:微分時(shí)間;(10)LMN_HLM，REAL類型:PID的上極限，一般為100%;(11)LMN_LLM，REAL類型:PID的下極限，一般為0%;(12)LMN，REAL類型:PID的控制輸出。

圖5 CPU的循環(huán)中斷設(shè)置

值得注意是，變量的數(shù)據(jù)類型不同，其量程需要轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)場(chǎng)的溫度值的類型一般定義為WORD型，而功能塊FB41的現(xiàn)場(chǎng)溫度輸入PV_IN則是REAL數(shù)據(jù)類型，前者是16位，后者是32位，明顯量程不同，需要轉(zhuǎn)換。STEP7中提供有功能程序塊FC105“SCALE”可實(shí)現(xiàn)輸入過程值的量程轉(zhuǎn)換，而輸出操作值的量程轉(zhuǎn)換可由FC106“UNSCALE”功能程序塊實(shí)現(xiàn)［5］。

上述參數(shù)正確設(shè)置完畢，本溫度PID控制系統(tǒng)就可以準(zhǔn)確運(yùn)行了。

4 結(jié)束語

本文介紹了工業(yè)炸藥起爆具生產(chǎn)線中的溫度PID控制方案設(shè)計(jì)，運(yùn)用STEP7提供的PID溫度調(diào)節(jié)功能塊FB41，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的PID閉環(huán)控制，方法簡(jiǎn)單實(shí)用。本系統(tǒng)是杭州電子科技大學(xué)與山東某化工廠合作項(xiàng)目中的一部分，生產(chǎn)線在試運(yùn)行中，溫度的PID控制達(dá)到了預(yù)期的控制效果，符合產(chǎn)品工藝的生產(chǎn)要求。需要說明的是，溫度控制系統(tǒng)為大滯后系統(tǒng)，加熱過程中的延遲和短時(shí)間超溫現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，而集成于STEP7中的PID算法是標(biāo)準(zhǔn)式的，是固定不變的，在精度要求更高的場(chǎng)合則必須改用其他的PID算法進(jìn)行優(yōu)化。

［1］ 燕吉?jiǎng)?一種高能起爆具制備工藝研究［J］.含能材料，2010，1(19):76－78.

［2］ 王越勝，章曉通，陳智勇.排水泵站PID變頻調(diào)速控制方案設(shè)計(jì)［J］.中國水運(yùn)，2008，8(11):172－173.

［3］ 劉鍇，周海.深入淺出西門子S7-300PLC［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004:126－130.

［4］ 張運(yùn)剛.西門子S7-300/400PLC技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2007:284－316.

［5］ 羅庚興，寧玉珊.基于WinCC和STEP7的PID控制［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2010，38(1):40－41.