感應(yīng)加熱電源并聯(lián)控制系統(tǒng)的通信設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

程翔宇，黃海波，隋紀(jì)祥，盧軍

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰442002；2.東風(fēng)商用車有限公司，湖北 十堰442000）

傳統(tǒng)單線圈感應(yīng)加熱設(shè)備存在很多不足，如功率提升困難、變頻不方便、起振困難、無法進(jìn)行梯度加熱等［1］。為此設(shè)計了多線圈并聯(lián)感應(yīng)加熱控制系統(tǒng)，包括PLC 主控制器、DSP 分區(qū)控制器和負(fù)載主回路。在感應(yīng)加熱電源并聯(lián)控制系統(tǒng)中，采用西門子S7-200 SMART SR20 PLC 作為現(xiàn)場的主控制器［2］，采用TMS320F28335 作為數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算的控制器。上位機(jī)采用西門子SMART 700 IE V3 觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測，采用自由口通訊協(xié)議和RS-485串口實(shí)現(xiàn)PLC與DSP之間的通信［3］。

1 方案分析

為滿足用戶對坯料加熱的需求，采用柜式一體化設(shè)計兩區(qū)感應(yīng)加熱電源，電源移動方便、占地面積小、方便擴(kuò)展組態(tài)。每個分區(qū)配1套DSP系統(tǒng)［4］，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)SPWM控制，在調(diào)試階段可選擇單獨(dú)開環(huán)工作，較為方便［5］。并聯(lián)的DSP 分區(qū)控制器與PLC主控制器共同控制兩區(qū)線圈并聯(lián)的感應(yīng)加熱爐，工作時，根據(jù)加熱材料不同給PLC設(shè)定不同的加熱溫度和加熱頻率，PLC通過各區(qū)的溫度傳感器獲取當(dāng)前的溫度，計算得到合適的設(shè)定電流，再通過485總線將設(shè)定電流、頻率和啟動命令傳給各區(qū)DSP控制器，DSP控制器結(jié)合電流互感器獲取當(dāng)前線圈中的電流并計算出正確的IGBT 驅(qū)動信號，使逆變器輸出合適幅值的正弦電壓。為了控制DSP 及加熱裝置的上電、啟動等運(yùn)行流程，系統(tǒng)能動態(tài)的設(shè)定加熱溫度和系統(tǒng)最大運(yùn)行電流，滿足不同工件的加工溫度不同的需求，使終端控制簡單化。

2 系統(tǒng)需求

1）功能需求系統(tǒng)功能主要包括系統(tǒng)啟動、數(shù)據(jù)收發(fā)、停止和溫度設(shè)置等功能。啟動功能：1）點(diǎn)擊屏幕上的啟動按鈕；2）若系統(tǒng)未啟動，給加熱系統(tǒng)上強(qiáng)電，預(yù)充電約5 s；3）預(yù)充電完成后，PLC依次向DSP發(fā)送啟動信號。數(shù)據(jù)收發(fā)功能：1）收到DSP的回復(fù)信號后，啟動發(fā)送定時器，定時器設(shè)為5 s；2）發(fā)送定時器觸發(fā)后，向?qū)?yīng)從站發(fā)送數(shù)據(jù)幀。停止功能：1）點(diǎn)擊屏幕上的停止按鈕；2）若系統(tǒng)正在運(yùn)行，斷加熱系統(tǒng)強(qiáng)電；3）向DSP 依次發(fā)送停止信號。DSP系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成電壓和頻率獨(dú)立可調(diào)的同頻同相的變頻電源的參數(shù)采集，包括電流閉環(huán)控制參數(shù)、頻率開環(huán)控制參數(shù)、主回路輸入電壓參數(shù)，還包括主回路反饋電壓值、主控板反饋電流值、頻率的實(shí)時值、負(fù)載運(yùn)行的電流值以及閉環(huán)控制參數(shù)等，并將DSP 系統(tǒng)的運(yùn)行情況匯報給PLC 系統(tǒng)。在遠(yuǎn)控方式下，接受PLC 的電流和頻率設(shè)定值，在本地方式下，接受本地小型人機(jī)界面觸摸屏HMI設(shè)置的參數(shù)。由于加熱的工件不同，需要加熱達(dá)到的最終溫度也不同，系統(tǒng)要求通過屏幕對最終溫度進(jìn)行設(shè)置，溫度在每一次啟動過程中不改變。PLC 通過DSP控制系統(tǒng)電流，最終達(dá)到控制實(shí)時溫度的效果，并能將實(shí)時溫度保持在最終溫度值。

2）性能需求 系統(tǒng)要求性能穩(wěn)定，具體要求：1）正常運(yùn)行（包含啟動和停止過程）3 600 h不能出現(xiàn)異常，確保系統(tǒng)能持續(xù)運(yùn)行半年時間；2）反復(fù)隨機(jī)點(diǎn)擊屏幕啟動、停止按鈕2 000次（根據(jù)選用的觸摸屏、按鈕廠家提供的數(shù)據(jù)）不能出現(xiàn)異常。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 兩區(qū)感應(yīng)加熱總體結(jié)構(gòu)圖

3）運(yùn)行需求 運(yùn)行環(huán)境是西門子S7-200 SMART V2.04 版本的image，對應(yīng)的編寫燒錄程序軟件是STEP7-MicroWIN SMART；觸摸屏的軟件版本是V1.8.1，對應(yīng)的編寫燒錄程序軟件是Wincc flexible smart v3［6］。

4）系統(tǒng)安全需求 系統(tǒng)在工廠實(shí)際生產(chǎn)中，需保證在正常運(yùn)行時被加熱材料不會出現(xiàn)過熱（大于1 500 ℃）、不能停止加熱等異?，F(xiàn)象。

3 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)的硬件框圖主要由PLC、DSP和加熱系統(tǒng)組成，其中DSP 控制加熱系統(tǒng)和采集控制參數(shù)，PLC 通過485總線與DSP 相連，使用自由口通訊協(xié)議，控制DSP的啟動、停止等動作，溫度采集模塊將溫度轉(zhuǎn)換為模擬量輸入給PLC，實(shí)現(xiàn)溫度PID 控制［7］。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

兩區(qū)感應(yīng)加熱總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個分區(qū)配1套DSP從機(jī)系統(tǒng)，單獨(dú)產(chǎn)生2路SPWM脈沖；每個分區(qū)都可與PLC 通信，接受PLC 設(shè)定的電流值，并且根據(jù)該值及PLC 提供的同步信號，啟動、停止分區(qū)控制器，各個分區(qū)也有本地啟動模式。

主控器主要功能：1）產(chǎn)生同頻同相指令信號；2）與各分區(qū)控制器通信并發(fā)出控制指令，接收溫度數(shù)據(jù)；3）與PLC 控制器通信，共同控制加熱溫度。分區(qū)控制器主要功能：1）接收主控器指令并向主控器傳送溫度等數(shù)據(jù)；2）實(shí)現(xiàn)分區(qū)加熱控制算法；3）發(fā)出驅(qū)動脈沖傳送到大功率開關(guān)橋；4）溫度數(shù)據(jù)采集、控制和發(fā)送。大功率開關(guān)橋的相關(guān)性能：1）采用IGBT構(gòu)成H橋電路；2）采用SPWM雙極性調(diào)制；3）采用無源軟開關(guān)，降低開關(guān)損耗；4）內(nèi)部水冷。

本系統(tǒng)可以單獨(dú)生產(chǎn)成為一套產(chǎn)品，也可以通過RS485通信接口，進(jìn)行組網(wǎng)，根據(jù)不同需要，實(shí)現(xiàn)多區(qū)同頻同相加熱。

4 軟件設(shè)計

4.1 PLC主程序設(shè)計

4.1.1自由口通信設(shè)計

S7-200 SMART 的自由口通信是基于RS-485通信基礎(chǔ)的半雙工通信［8］，擁有自由口通信功能［9］，發(fā)送和接收不能同時處于激活狀態(tài)，可通過PLC本體集成的RS-485通信口進(jìn)行設(shè)置。在此模式下，用戶程序可以控制通信端口的操作和通信協(xié)議。文中采用S7-200 SMART CPU 的Port0 口與DSP 通信，使用SMB30 字節(jié)定義通信口的工作模式，控制字節(jié)的定義如圖3 所示。其中，控制字“mm”表示通信模式，“pp”表示奇偶校驗(yàn)，“d”表示每個字符的位數(shù)，“bbb”表示比特率。

圖3 控制字節(jié)的定義

自由口通信的核心指令是發(fā)送（XMT）和接收（RCV）。常用的中斷有“接收指令結(jié)束中斷”、“發(fā)送指令結(jié)束中斷”及“字符接收中斷”。調(diào)用XMT 和RCV 指令時需要指定通信口和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的起始字節(jié)地址。系統(tǒng)采用的特殊寄存器主要有SMB30和SMB2，SMB30賦值2#00001101，定義通信協(xié)議為自由口模式、無校驗(yàn)、比特率為4 800 bit·s-1，SMB2賦值*VD6，用于存放在自由端口通信過程中從Port0接收的各字符。與DSP端通信采用自由口通信，比特率為4 800 bit·s-1，7 個有效數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)位。發(fā)送幀和接收幀格式見表1～2［10］。

幀頭用于發(fā)送幀的起始，DSP 接收時做判斷，0x AA55 轉(zhuǎn)化為2 進(jìn)制為1010101001010101。長度用于封鎖幀頭的識別程序，當(dāng)幀頭被識別后，在接收到指定長度的數(shù)據(jù)個數(shù)之前，不再進(jìn)行幀頭的識別。設(shè)備號用于識別主機(jī)向哪個DSP 從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，電流設(shè)定用于向?qū)?yīng)DSP 從站設(shè)定電流值，頻率設(shè)定用于向?qū)?yīng)DSP 從站設(shè)定頻率值。啟動/停止用于向DSP 發(fā)送系統(tǒng)啟動/停止信號，其中00 00 為啟動信號，00 FF 為停止信號。運(yùn)行電流、運(yùn)行電壓、功率因數(shù)、調(diào)制度等參數(shù)是DSP 采集加熱電路得到，并反饋給PLC，在觸摸屏上顯示，實(shí)時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

表1 發(fā)送幀格式

表2 接收幀格式

4.1.2上電啟動

系統(tǒng)上電后，執(zhí)行的步驟如下：1）自動執(zhí)行PLC程序（在編程軟件中對PLC進(jìn)行設(shè)置）；2）在程序執(zhí)行后，通過IO口給DSP上電；3）執(zhí)行初始化函數(shù)，主要包含設(shè)置初始化狀態(tài)，清空接收發(fā)送區(qū)等動作。圖4所示為系統(tǒng)啟動流程圖，屏幕按下啟動按鈕后，需要檢測是否在停止?fàn)顟B(tài)，如果在停止?fàn)顟B(tài)，則進(jìn)行啟動過程，首先通過IO口控制給加熱系統(tǒng)上強(qiáng)電，進(jìn)行5 s 的預(yù)充電，然后依次向2 臺DSP發(fā)送啟動幀。

圖4 啟動流程圖

4.1.3正常收發(fā)和停止

啟動完成后，會進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)收發(fā)，在接收到DSP 回復(fù)的數(shù)據(jù)幀后，啟動發(fā)送定時器，到達(dá)設(shè)定時間時，會觸發(fā)發(fā)送過程，如此循環(huán)往復(fù)。每個從站的收發(fā)過程和定時器是獨(dú)立的。正常收發(fā)流程如圖5所示。停止流程與啟動流程非常類似，只是發(fā)送的數(shù)據(jù)幀變成了停止信號。

圖5 正常收發(fā)流程圖

4.2 觸摸屏程序

通過觸摸屏，可以完成控制系統(tǒng)的啟動、停止、設(shè)置溫度、設(shè)置最大電流、顯示反饋信息等功能。其界面如圖6所示。

圖6 觸摸屏程序界面

4.3 核心算法

1）超時重發(fā)機(jī)制 向DSP發(fā)送數(shù)據(jù)后，可能會存在如干擾、DSP 未連接等異常情況，導(dǎo)致在規(guī)定時間內(nèi)未收到DSP的正確回復(fù)。此時，需要進(jìn)行重發(fā)，若超過重發(fā)限制次數(shù)，則不再進(jìn)行重發(fā)。

2）溫度PID控制 該系統(tǒng)要加工不同的工件，所以需要設(shè)置不同的溫度。通過控制系統(tǒng)運(yùn)行電流，達(dá)到控制溫度的效果，為了保證系統(tǒng)加熱到設(shè)定溫度，引入溫度PID 反饋調(diào)節(jié)［11］?？刂扑惴ㄈ缦拢涸诩訜釥t中接入溫度傳感器，通過溫度采集裝置將其變換為模擬電流信號，同時通過模擬量模塊AE03 將該模擬電流信號輸入PLC 主機(jī)控制器，對其進(jìn)行判斷，若未達(dá)到設(shè)定溫度的80%，則將電流設(shè)置為最大電流，到達(dá)80%之后，啟動PID 動態(tài)調(diào)節(jié)，其中PID的比例參數(shù)，積分參數(shù)，微分參數(shù)根據(jù)不同項(xiàng)目實(shí)際調(diào)試設(shè)定［12］。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，PLC 系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將加熱坯料的外徑、材質(zhì)及設(shè)定的溫度值等轉(zhuǎn)換成最佳工作頻率和電流值，并通過數(shù)據(jù)總線提供給DSP 系統(tǒng)作為初始運(yùn)行值。在運(yùn)行過程中，隨時檢測溫度，若DSP 系統(tǒng)檢測到加熱爐電流接近但沒有超過設(shè)定的電流值，則給PLC一個開關(guān)量信號，告知PLC已經(jīng)到達(dá)設(shè)定的電流，需等待新的指令；如果沒有新的指令，PLC系統(tǒng)則按原設(shè)定電流繼續(xù)運(yùn)行。如果工件在加熱過程中，PLC系統(tǒng)還沒有達(dá)到設(shè)定電流之前就達(dá)到了設(shè)定溫度，可迅速調(diào)整電流值，盡量減少過度加熱的情況，同時向操作者提出警報。

5 系統(tǒng)測試與分析

將系統(tǒng)的軟硬件部分連接后，進(jìn)行系統(tǒng)測試，如圖7 所示。系統(tǒng)硬件如圖7 a 所示，此系統(tǒng)部分功能與DSP交互，因此可以使用電腦端串口調(diào)試工具來調(diào)試自由口通信，其界面運(yùn)行如圖7 b 所示。用USB 轉(zhuǎn)485 串口線與PLC Port0 口相連，使用電腦工具模擬DSP 端。根據(jù)設(shè)備管理器選擇電腦端串口號，然后根據(jù)協(xié)議規(guī)定設(shè)置參數(shù)，比特率設(shè)為4 800 bit·s-1，奇偶校驗(yàn)位選擇NONE，數(shù)據(jù)位選擇8位。十六進(jìn)制顯示項(xiàng)勾選，則右側(cè)區(qū)域顯示該串口收到的數(shù)據(jù)。若需要模擬發(fā)送數(shù)據(jù)，在下方輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，同樣勾選十六進(jìn)制發(fā)送，點(diǎn)擊手動發(fā)送，則可以發(fā)出1幀數(shù)據(jù)。

圖7 系統(tǒng)測試

弱電信號正常后進(jìn)行強(qiáng)電加載測試，首先對單區(qū)進(jìn)行強(qiáng)電測試，以驗(yàn)證控制器與強(qiáng)電主回路和負(fù)載是否匹配。強(qiáng)電輸入端為690 V三相交流電，經(jīng)三相不可控整流和平波電抗器和濾波電容后使得IGBT 逆變器兩端得到1 000 V 左右直流電。當(dāng)加熱材料為鋼時，在PLC遠(yuǎn)程控制下設(shè)定加熱溫度為1 200 ℃、加熱頻率為60 Hz，啟動后在IGBT逆變器輸出端穩(wěn)定后得到623 V、537 A的功率輸出。在負(fù)載端測得的電壓為440 V、功率為238 kW和功率因數(shù)為0.99。由于60 Hz 的頻率不是最適合鋼的頻率，電抗器上分壓較多，后期需要仔細(xì)調(diào)試從而得到不同材料在不同溫度下合適的加熱頻率。加熱18 min后，溫度達(dá)到設(shè)定值，單區(qū)加熱效果見圖8。

圖8 單區(qū)加熱效果

6 結(jié)語

從應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，設(shè)計并開發(fā)了多線圈并聯(lián)感應(yīng)加熱電源控制系統(tǒng)。完成了PLC 控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，對整個系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)性調(diào)試。設(shè)計的多線圈并聯(lián)感應(yīng)加熱電源控制系統(tǒng)的自由口通信設(shè)計方案與實(shí)現(xiàn)方法，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明通信效果良好，加熱效果基本達(dá)到了設(shè)計需要，具有較強(qiáng)的實(shí)用價值。后面將在現(xiàn)場進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)測試，改善系統(tǒng)存在的不足，適應(yīng)現(xiàn)場感應(yīng)加熱的需求。