S7-1200PLC在熱壓罐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊曉平，張名城，李亮，藺躍龍

（中國航天科工集團(tuán)六院四十一所，呼和浩特 010010）

0 引言

熱壓罐是大型復(fù)雜航空航天復(fù)合材料制品固化成型專用設(shè)備，復(fù)合材料制品主要利用熱壓罐提供均勻的溫度和壓力達(dá)到固化目的。因此熱壓罐工作過程中，溫度和壓力是關(guān)鍵控制量，而且熱壓罐成型工藝要求溫度壓力均為多段連續(xù)控制，且加壓點和溫度要實現(xiàn)關(guān)聯(lián)。溫度和壓力的控制性能好壞直接影響到復(fù)合材料制品的質(zhì)量性能，因此對熱壓罐的控制系統(tǒng)提出了較高要求，目前熱壓罐控制系統(tǒng)對溫度壓力控制一般采用溫控儀表配合外圍電路進(jìn)行控制，但是這種控制方式無法實現(xiàn)溫度與壓力的關(guān)聯(lián)，而且控制精度很難滿足技術(shù)要求，鑒于此，開發(fā)了西門子SIMATIC S7-1200PLC為核心的熱壓罐控制系統(tǒng)。

1 熱壓罐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

這種熱壓罐控制系統(tǒng)主要由上位人機(jī)交互和下位機(jī)測量控制兩部分組成（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示），本文主要介紹下位機(jī)控制系統(tǒng)。下位機(jī)采用西門子SIMATIC S7-1200系列PLC，PLC 由CPU 和I/O 模塊組成，下位機(jī)主要完成現(xiàn)場的溫度和壓力數(shù)據(jù)采集，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行控制運算后輸出進(jìn)行過程控制并將處理后的數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)。上位機(jī)和下位機(jī)采用Profinet 通信。

圖1 熱壓罐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

中央處理單元選用西門子SIMATICS7-200CPU1214C，帶有Profinet 接口，用于與編程設(shè)備、HMI 或其他SIMATIC 控制器間的通信。模擬量輸入模塊選用SM1231 AI8×13 位，模擬量輸出模塊選用SM1232 AQ4×14 位。溫度和壓力傳感器輸出信號選用4～20 mA 電流信號。傳感器信號經(jīng)SM1231 由CPU1214C 讀入，并在CPU 內(nèi)與設(shè)定值進(jìn)行比較，算出偏差值，然后根據(jù)計算出的偏差值的大小結(jié)合一定的控制算法進(jìn)行運算，得出輸出控制量，經(jīng)過SM1232 輸出給驅(qū)動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)按照控制信號大小控制輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出功率或閥門開度。加熱過程的溫度控制通過調(diào)功器輸出控制加熱器的加熱功率，壓力控制通過控制調(diào)節(jié)閥的開度大小控制，降溫過程溫度控制通過調(diào)節(jié)冷卻進(jìn)水調(diào)節(jié)閥開度控制冷卻水流量來控制。

2 熱壓罐控制系統(tǒng)工作原理和控制策略

按照熱壓罐一般工藝要求，溫度和壓力控制均為多段連續(xù)編程控制，且自動控制模具溫度和壓力，加壓點與產(chǎn)品的模具溫度要實現(xiàn)關(guān)聯(lián)，在模具溫度熱電偶中任選一路作為基準(zhǔn)，在設(shè)定的溫度點啟動加壓程序或若干個溫度點分別加壓。為滿足工藝要求，本控制系統(tǒng)采用PID對溫度和壓力進(jìn)行控制，并采用PLC 邏輯運算指令將溫度和壓力進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

對壓力和溫度進(jìn)行PID 控制的具體方法為：傳感器將溫度或者壓力信號傳送給模擬量輸入模塊，CPU 讀取傳感器的輸入信號值c（t），并與設(shè)定值r（t）進(jìn)行比較，得到偏差值e（t），其中e（t）=r（t）-c（t），再對偏差值e（t）按照選擇的PID 控制算法進(jìn)行運算，然后形成控制量u（t），最后轉(zhuǎn)換得到所需要的輸出物理值mA 電流［1］，傳送給驅(qū)動控制器。加熱時功率調(diào)整器根據(jù)溫差得到的信號大小調(diào)整加熱器功率輸出達(dá)到控溫目的，冷卻時冷卻調(diào)節(jié)閥根據(jù)溫度差信號大小調(diào)整冷卻水進(jìn)水調(diào)節(jié)閥開度大小達(dá)到控溫目的，壓力是根據(jù)壓力差信號大小調(diào)整進(jìn)排氣閥開度大小達(dá)到控壓目的。

3 PLC 控制軟件實現(xiàn)

PLC 軟件編程采用TIA Portal V11，編程語言采用梯形圖語言，將每一回路的編程模塊化，通過程序編輯模塊封裝各控制段控制功能。壓力和溫度的關(guān)聯(lián)控制采用PLC 的邏輯控制指令即可輕松實現(xiàn)。PID 控制實現(xiàn)是控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵，以下對程序中的PID 控制進(jìn)行說明。

1）S7-1200 CPU 提供了PID 控制器，可同時進(jìn)行多回路控制，并具備P、I、D 參數(shù)的自整定功能，提供了啟動自整定和運行中自整定兩種整定方式，由PID 控制器自動調(diào)整參數(shù)，此外還可手動調(diào)試參數(shù)［2］。

S7-1200PLC 提供的PID 控制器的功能主要依靠循環(huán)中斷塊、PID 指令塊、工藝對象背景數(shù)據(jù)塊等三部分來實現(xiàn)。循環(huán)中斷塊按照一定的周期產(chǎn)生中斷并執(zhí)行其中的程序；PID 指令塊中定義了控制算法，并隨著循環(huán)中斷塊產(chǎn)生的中斷周期執(zhí)行；背景數(shù)據(jù)塊定義了輸入輸出參數(shù)、調(diào)試參數(shù)和監(jiān)控參數(shù)。編程時，首先在工藝對象中添加背景數(shù)據(jù)塊并對其進(jìn)行定義，然后再調(diào)用PID 指令塊。PID 指令塊與其相對應(yīng)的工藝對象背景數(shù)據(jù)塊組合使用，形成完整的PID 控制器，PID 控制器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 S7-1200PLC 內(nèi)部PID 控制器結(jié)構(gòu)圖

在使用PID 控制器前先對其參數(shù)進(jìn)行組態(tài)設(shè)置，如選擇Controller Type（控制器類型），加溫選擇溫度控制器，調(diào)壓選擇壓力控制器，降溫選擇溫度控制器并選擇反作用PID。

2）只有具備符合熱壓罐成型工藝運行系統(tǒng)參數(shù)值的PID 控制器才能夠正常運行。可利用S7-1200PLC 提供的自整定功能進(jìn)行整定得出控制參數(shù)。S7-1200PLC 內(nèi)部PID 整定是按照內(nèi)部設(shè)定的數(shù)學(xué)算法，通過外部輸入信號的激勵，依據(jù)系統(tǒng)的反應(yīng)方式確定PID 參數(shù)。S7-1200PLC 內(nèi)部有啟動自整定（Start Up）和運行中自整定（Tune In Run）兩種整定方法。Start Up 整定算法將定義階躍響應(yīng)的時間參數(shù)，并在拐點處應(yīng)用正切計算，得到延遲時間（TO）和恢復(fù)時間（TG），控制器依據(jù)這些參數(shù)得到優(yōu)化后的P、I、D 參數(shù)；Tune In Run 優(yōu)化算法會逐漸增大比例系數(shù)，直到被控量開始振蕩。若執(zhí)行時滿足Start Up，則只執(zhí)行Start Up，結(jié)束后再執(zhí)行Tune In Run，若不滿足Start Up 的條件則進(jìn)入Tune In Run。

PLC 自整定的參數(shù)不一定能夠達(dá)到較好的控制效果，如果控制不能滿足工藝要求，這些參數(shù)可以手動調(diào)試，通過參數(shù)訪問方式修改對應(yīng)PID 參數(shù)，在調(diào)試面板中觀察曲線圖，便可得到較好控制效果的P、I、D 參數(shù)，另外需要結(jié)合現(xiàn)場實際情況不斷加以修正，便可達(dá)到最佳的控制效果。

4 結(jié)論

通過實際工藝試驗對S7-1200 組成的熱壓罐的控制系統(tǒng)的考核，其溫度和壓力控制均取得了良好的控制效果，不僅能將溫度和壓力利用S7-1200 的邏輯運算輕松關(guān)聯(lián)，而且能將溫度和壓力的波動度很好地控制在允差范圍內(nèi)，超調(diào)也較小，溫度超調(diào)不超過±1.5℃，溫度波動度小于±0.8℃，控壓精度±0.005MPa。系統(tǒng)充分利用了S7-1200PLC 編程簡單可靠且PID 控制方便迅速的優(yōu)點，并且響應(yīng)快，使得控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

［1］陳曦，趙德瑞，呂湘曄.S7-300PLC 在精餾塔溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動化儀表，2011，32（3）：39-46.