基于PLC的燒結(jié)爐監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏玉斌,虎恩典

(北方民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，銀川 750021)

基于PLC的燒結(jié)爐監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏玉斌,虎恩典

(北方民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，銀川 750021)

通過對(duì)銀川市某有色金屬公司的實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)其燒結(jié)爐控制系統(tǒng)存在嚴(yán)重老化、自動(dòng)化程度低等問題，加之爐溫控制系統(tǒng)本身具有非線性、時(shí)滯性等特點(diǎn)，依靠一般的PID控制很難滿足企業(yè)生產(chǎn)要求;因此，為實(shí)現(xiàn)燒結(jié)控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制，通過對(duì)該公司原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造升級(jí)，提出了一種PID參數(shù)自整定的控制方案，即采用函數(shù)描述法繼電反饋的方式并結(jié)合“Z-N”第二法則整定出PID三個(gè)參數(shù);實(shí)驗(yàn)采用MatLab仿真器進(jìn)行算法模擬，選用西門子S7-300系列的PLC作為主控制器，觸摸屏作為上位機(jī)MCGS軟件開發(fā)界面，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)燒結(jié)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)可控硅調(diào)壓裝置的自動(dòng)控制;運(yùn)行效果顯示，通過對(duì)其燒結(jié)爐控制系統(tǒng)的改造升級(jí)，明顯改善了系統(tǒng)的魯棒性和自適應(yīng)能力，有效地降低了燒結(jié)時(shí)間，企業(yè)的生產(chǎn)效益有了很大的提高。

燒結(jié)爐；參數(shù)自整定；MatLab；PLC；觸摸屏

0 引言

硬質(zhì)合金是由難熔金屬的硬質(zhì)化合物和粘結(jié)金屬通過粉末冶金工藝制成的一種合金材料，具有高硬度、耐磨、耐熱等性能被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空航天等各種領(lǐng)域。硬質(zhì)合金的品質(zhì)好與壞取決于燒結(jié)爐真空度、壓力、溫度的控制精度[1]，因此提高真空度、壓力、溫度的控制精度是燒結(jié)過程的關(guān)鍵。本文針對(duì)合金材料的制備工藝、燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)、工作原理以及控制策略設(shè)計(jì)了以西門子S7-300系列的PLC作為核心控制器的PLC控制系統(tǒng)[2]，觸摸屏作為人機(jī)操作界面[3],能夠真實(shí)的模擬現(xiàn)場(chǎng)并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。在燒結(jié)工藝的基礎(chǔ)上，采用PID參數(shù)自整定的控制策略，并引入防飽和積分算法對(duì)爐溫控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使得輸出誤差降到最低，實(shí)現(xiàn)整個(gè)燒結(jié)過程的自動(dòng)一體化。

1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及工作原理

由于整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜，采集信息單元較多，故選用控制性能較高的西門子315-2DP PLC作為主控制器單元，接收上位機(jī)執(zhí)行信號(hào)并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。北京昆侖通態(tài)公司的TPC1262Hi型號(hào)觸摸屏作為上位機(jī)監(jiān)控單元，其內(nèi)置MCGS嵌入式組態(tài)軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐室真空度、液壓機(jī)壓力、爐室溫度等控制量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。SM321數(shù)字量輸入模塊功能是將外部電氣設(shè)備、傳感器變送器、控制現(xiàn)場(chǎng)的外部控制電平以及PLC內(nèi)部信號(hào)電平進(jìn)行匹配等，SM322作為啟動(dòng)交流接觸器、電磁調(diào)節(jié)閥、電機(jī)等外部設(shè)備的數(shù)字量輸出模塊，將PLC內(nèi)部的信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際中所需要的電平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制源的電氣隔離與放大。SM331模擬量輸入模塊經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換可將標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為處理器內(nèi)部識(shí)別的可控制信號(hào)。SM332模擬量輸出模塊經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器置換為可匹配的標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號(hào)，并對(duì)外部執(zhí)行單元進(jìn)行調(diào)控?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包含三部分：1)真空度測(cè)量。主要由機(jī)械泵、分離器、擴(kuò)散泵、高真空閥、電離真空計(jì)和熱偶真空計(jì)等構(gòu)成，其GRANVILLE PHILLI 307真空計(jì)檢測(cè)范圍為10-6～1 Torr，檢測(cè)精度為0.01 Torr。當(dāng)真空計(jì)檢測(cè)真空度高于給定值時(shí)，通過上位機(jī)啟動(dòng)真空泵進(jìn)入抽真空狀態(tài)。真空度低于1 000 μPa時(shí)，真空系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。此時(shí)打開大氣回填閥使?fàn)t室達(dá)到合理壓強(qiáng)，并充入氬氣進(jìn)行大氣隔絕；2)液壓機(jī)壓力測(cè)量。選用SPB800型號(hào)壓力機(jī)變送器沖頭最大壓力值為40 t，上沖頭行程范圍0～250 mm,位移檢測(cè)精度值為0.01 mm。PLC接收上位機(jī)的壓力PID信號(hào)經(jīng)壓力信號(hào)選擇板送入液壓信號(hào)放大板，經(jīng)過信號(hào)放大作用于壓力調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)檢測(cè)到的壓力過大時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入模具斷裂使能狀態(tài)，并輸出報(bào)警啟動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)使能端降低壓力以防止模具破裂；3)爐溫測(cè)量。爐溫加熱系統(tǒng)分為低溫區(qū)(0～1 100℃)和高溫區(qū)(1 100℃～2 400℃)。低溫區(qū)采用K型熱電偶測(cè)溫，高溫區(qū)選擇測(cè)溫范圍更高的光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量。選用SM331 AI8*TC熱電偶模擬量輸入模塊接受溫度、壓力、真空度等控制信號(hào)，選用SM332 AO4*12模擬量輸出模塊輸出溫度、壓力、真空度等控制信號(hào)，西門康可控硅型號(hào)SKKT58/16E作為調(diào)壓裝置控制加熱器。

1.2 工作原理

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)真空度、壓力值達(dá)到控制要求后，加熱器根據(jù)實(shí)際控制要求進(jìn)行加熱。K型熱電偶/光學(xué)溫度計(jì)將檢測(cè)的溫度信號(hào)經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)4 mA～20 mA信號(hào)經(jīng)模擬量輸入模塊送入PLC，通過PLC運(yùn)算，輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)化為4 mA～20 mA電流信號(hào)，此電流信號(hào)經(jīng)可控硅調(diào)壓轉(zhuǎn)化為0～220 V電壓信號(hào)，經(jīng)變壓器作用于石墨加熱電極，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐室溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。為了使燒結(jié)爐受熱均勻，爐體采用3組6個(gè)電加熱器對(duì)燒結(jié)爐上下、前后、左右同時(shí)進(jìn)行加熱?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 溫度控制策略

本次設(shè)計(jì)方案，要求溫度曲線設(shè)為8組，每組都有一個(gè)升/降段和一個(gè)保持段組成。即檢漏階段：0～t1段對(duì)爐室進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)合格后進(jìn)入脫蠟階段。脫蠟階段：t1～t2段對(duì)爐室進(jìn)行預(yù)熱。t2～t7為脫蠟過程，當(dāng)爐室溫度大于石蠟沸點(diǎn)時(shí)，石蠟蒸汽從石蠟收集管道進(jìn)入石蠟收集器。t3～t4、t5～t6、t7～t8為保溫段，同時(shí)向爐室充入氬氣進(jìn)行大氣隔絕。真空燒結(jié)階段：t9～t13段進(jìn)行真空燒結(jié)，以改變合金材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使之達(dá)到特定要求。添加工藝氣體燒結(jié)階段：向爐室內(nèi)充氫氣、甲烷等氣體進(jìn)行滲碳、脫碳。壓力燒結(jié)階段：t12～t14段進(jìn)行壓力燒結(jié)，當(dāng)溫度達(dá)到1 500℃左右時(shí)向爐室內(nèi)充入80 bar高壓氬氣，并保溫一段時(shí)間。壓力燒結(jié)階段可以明顯提高合金產(chǎn)品的致密性。冷卻階段：當(dāng)熱壓燒結(jié)過程定時(shí)時(shí)間到，切斷所有加熱裝置。啟動(dòng)冷卻風(fēng)扇，同時(shí)向爐室內(nèi)連續(xù)沖入氬氣，使之處于惰性氣體環(huán)境下，以防止被氧化。待爐溫降至室溫，出料并取出石蠟。溫度工藝曲線如圖3所示。

圖3 溫度工藝曲線

2.1 PID參數(shù)自整定控制算法

圖4 PID參數(shù)自整定控制流程圖

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

圖5 仿真模型

圖6 繼電測(cè)試下的穩(wěn)定振蕩圖

圖7 仿真模型

圖8 自整定的參數(shù)測(cè)試圖

由圖8可知，超調(diào)量接近25%，輸出波形出現(xiàn)小幅度振蕩。通過適當(dāng)調(diào)整參數(shù)使超調(diào)量趨于0，輸出波形趨于平緩。并搭建常規(guī)PID與PID參數(shù)自整定兩種控制器模型進(jìn)行仿真，采樣時(shí)間為0.5 s，給定階躍為6，仿真時(shí)間為10 s。仿真模型如圖9所示。參數(shù)調(diào)整后的效果圖如圖10所示。

圖9 仿真模型

圖10 參數(shù)調(diào)整后的效果圖

由圖10可知，常規(guī)的PID控制超調(diào)量過大接近30%，調(diào)節(jié)時(shí)間過長且出現(xiàn)了嚴(yán)重的振蕩現(xiàn)象。而自整定的控制系統(tǒng)通過將整定的參數(shù)做適當(dāng)調(diào)整并引入防積分飽和的算法基本實(shí)現(xiàn)無超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間大大縮短，消除了穩(wěn)態(tài)誤差，且無振蕩現(xiàn)象，實(shí)時(shí)性良好，滿足爐溫控制精度要求。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 組態(tài)設(shè)計(jì)

上位機(jī)操作界面由觸摸屏進(jìn)行軟件開發(fā)，包括爐室真空度、液壓機(jī)壓力、爐溫檢測(cè)、報(bào)警信息、歷史數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)曲線等監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)。該觸摸屏采用了當(dāng)前較先進(jìn)的處理器Cortex-A8 CPU，主頻最高可達(dá)到600 MHz，該產(chǎn)品配備了12.1英寸高亮度的65535真彩液晶顯示屏TFT，分辨率達(dá)到800×600,出廠時(shí)內(nèi)置嵌入式一體化的MCGS組態(tài)軟件[9]，以及具有良好的電磁屏蔽性，美觀堅(jiān)固的金屬結(jié)構(gòu)。通過增加通道、設(shè)置內(nèi)部屬性等，添加MCGS內(nèi)部變量進(jìn)行通道連接，采用繼電器隔離方式與PLC進(jìn)行連接，反映真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)[9]。同時(shí)具有較大的存儲(chǔ)能力進(jìn)行數(shù)據(jù)、圖像快速處理，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的工藝的設(shè)計(jì)。工藝流程圖如圖11所示。

圖11 工藝流程圖

3.2 程序設(shè)計(jì)

采用STEP7 V5.5編程軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化編程。根據(jù)工藝要求，將主程序?qū)懭隣B1中。使用S7-300PLC內(nèi)部自帶的FB58閉環(huán)溫度控制模塊，它本身具有參數(shù)自整定功能。該功能塊由三部分組成，第一部分：給定值與過程變量處理。在SP_INT(給定值)使能端輸入保溫階段的溫度值，通過PV_INT(過程變量)將模擬量檢測(cè)到的模擬信號(hào)經(jīng)PIW指令送入PV_PER(測(cè)量值)，此時(shí)PVPER_ON撥到0端，進(jìn)行K型熱電偶測(cè)溫;第二部分：PID運(yùn)算。將給定值與過程值比較輸出的偏差信號(hào)ER(0)進(jìn)行P、I、D運(yùn)算,獲取可控硅調(diào)壓裝置的控制信號(hào)LMN_SUM，同時(shí)采用帶死區(qū)的PID控制器以防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作；第三部分：控制輸出。當(dāng)MAN_ON為TRUE時(shí)，進(jìn)入手動(dòng)模式且輸出上下限值范圍為0.0～100.0。當(dāng)MAN_ON為FALSE時(shí)，進(jìn)入自動(dòng)模式。在手自動(dòng)切換時(shí), 通過算法來實(shí)現(xiàn)抑制擾動(dòng)DISV。自動(dòng)模式下，將P、I的運(yùn)算結(jié)果求和送到MAN單元中，以防止控制輸出出現(xiàn)波動(dòng)。手動(dòng)模式下，若令微分項(xiàng)為0，積分部分(INT)設(shè)為LMN - LMN_P - DISV，可保證手自動(dòng)切換無憂，即控制器輸出值不會(huì)突變。控制器的輸出值(LMN)通過調(diào)用“CPR_OUT”送到D/A轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換為外設(shè)(I/O)輸出變量LMN_PER，即LMN_PER= LMN×27648/100，F(xiàn)B58內(nèi)置結(jié)構(gòu)圖如圖12所示。

圖12 FB58內(nèi)置結(jié)構(gòu)圖

將整定出的3個(gè)參數(shù)做適當(dāng)調(diào)整，經(jīng)運(yùn)算得到u(k)存入PLC，由PLC的D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)爐溫控制的自動(dòng)運(yùn)行。設(shè)定OB35組織塊循環(huán)調(diào)用FB58時(shí)間為1 s，控制器的采樣周期為0.2 s。給定爐溫曲線，保溫階段溫度依次為:20°、40°、60°，升溫及保溫階段均設(shè)定為5 s，F(xiàn)B58仿真效果如圖13所示。

圖13 FB58仿真效果圖

由FB58仿真結(jié)果可知，開始時(shí)升溫階段具有良好的快速性，而且沒有出現(xiàn)巨大波動(dòng)。保溫階段具有較好的穩(wěn)定性和跟隨性，給定爐溫響應(yīng)曲線與參數(shù)調(diào)整后的自整定響應(yīng)曲線基本接近重合，且控制精度達(dá)到(-0.8%～+0.8%℃)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明，采用PID參數(shù)自整定控制策略在實(shí)際應(yīng)用中收到了良好的控制效果，達(dá)到了企業(yè)的預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以西門子S7-300PLC為主控制器，觸摸屏作為人機(jī)操作界面，實(shí)現(xiàn)整個(gè)燒結(jié)過程的自動(dòng)運(yùn)行。針對(duì)燒結(jié)爐自身特點(diǎn)，闡述了爐室真空度、壓力對(duì)系統(tǒng)的影響，重點(diǎn)分析了爐溫控制的滯后特性，采用PID參數(shù)自整定的控制方案，并引入防積分飽和的算法大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度，并建立了爐溫模型進(jìn)行仿真模擬，以驗(yàn)證算法的有效性和可靠性，解決了燒結(jié)過程溫度控制的一大難點(diǎn)，從而提高了燒結(jié)產(chǎn)品的質(zhì)量。運(yùn)行效果顯示，明顯提高了原系統(tǒng)的控制精度和自動(dòng)化程度，在實(shí)現(xiàn)燒結(jié)過程的同時(shí)，使生產(chǎn)投入減少，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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Design and Realization of Sintering Furnace Monitoring System Based on PLC

Wei Yubin，Hu Endian

(Electrical and Information Engineering Department, Beifang University of Nationalities, Yinchuan 750021,China)

By investigating a Nonferrous Metals Company located in Yin chuan, this paper found its sintering furnace control system was difficult to meet production requirements relying on general PID because of some problems like serious aging, low degree of automation, and nonlinear and time-delay which the furnace control system had. So in order to achieve optimal control, this paper proposed a control strategy of PID Parameter self-tuning which set out three PID parameters with function description method relay-feedback combined with the Second rule of “Z-N” by updating sintering furnace control system based on the original one. This paper uses MatLab simulator to make algorithm simulation, chooses Siemens S7-300PLC as core controller, touch screen as host computer MCGS Software development interface to achieve monitor the entire sintering process real time, and automatic control of controlled silicon on-load regulation device. The result shows that the robustness and adaptive ability of the system improved significantly, the sintering time reduced and the enterprise's production efficiency increased greatly.

Sintering furnace; parameter self setting; MatLab; PLC; touch screen

2016-06-27；

2016-07-20。

魏玉斌(1990-)，男，山東德州人，碩士研究生，主要從事計(jì)算機(jī)控制方向的研究。

虎恩典(1956-)，男，寧夏銀川人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事檢測(cè)、機(jī)電控制、計(jì)算機(jī)控制方向的研究。

1671-4598(2016)12-0071-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.020

TP273

A