FM355 在雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線中的應用

王 寧，趙 意，王佳寧，趙 琦

（桂林電器科學研究院有限公司，廣西 桂林541004）

0 引言

隨著我國新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推動了雙向拉伸薄膜產(chǎn)品的快速增長，人們也越來越重視薄膜的生產(chǎn)效益及品質。薄膜拉伸只有均勻的溫度場中，才能實現(xiàn)順利生產(chǎn)，若在拉伸時溫度場不均勻度過大，則會出現(xiàn)破膜、膜質量差等現(xiàn)象，嚴重時將叫停整個生產(chǎn)線嚴重影響了工廠生產(chǎn)效率，因此一個均勻溫度場和精準的工藝溫度才能保證高品質薄膜的順利生產(chǎn)。

在部分雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線中，主要使用的控制軟件西門子軟件中的PID 控制器。但隨著生產(chǎn)線逐漸復雜，控制精度要求越來越高，容易造成控制回路占用大量的CPU 資源，從而降低CPU 響應速度。為不占CPU 的掃描時間，可利用FM355 對全部PID控制的計算和信號進行采樣，F(xiàn)M355 模塊的優(yōu)點在于集成了控制算法，可與CPU 經(jīng)由專用函數(shù)進行數(shù)據(jù)交換-發(fā)送命令同時接受反饋信號。相對于PID 軟件，F(xiàn)M355 模塊所集成的后援操作能夠有效避免因CPU 故障或中止而引起的控制過程的失控，因FM355 能在CPU 無法正常運行時自動切換至后援操作模式，而當處于后援操作模式時，將CPU 連接操作面板，可對FM355 模塊控制參數(shù)進行操作，它將會自動將預先的設定值來替代當前設定值來進行PID 閉環(huán)控制[1]。為了解決這一問題嘗試運用FM355 閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)溫度的精準控制。

1 控制系統(tǒng)設計

FM355 閉環(huán)控制模塊是智能4 通道閉環(huán)控制模塊，在通用的閉環(huán)控制系統(tǒng)中廣泛使用。它可用于溫度控制、壓力控制、流量控制和物位控制。 FM355 模塊劃分為兩種：FM355C 及FM355S，前者有4 個模擬量輸出，能夠對模擬量執(zhí)行器進行驅動，用作連續(xù)控制器，而后者有8 個數(shù)字量輸出，用于控制動力（集成的）執(zhí)行器或二進制控制執(zhí)行器（如電熱片和電熱管），用作步進或脈沖控制器。

根據(jù)雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線設計、成本、環(huán)保和工藝需要等，大致為：擠出機機筒、熔體管道和部分電加熱使用FM355S；而在縱拉和橫拉部分使用熱油或蒸汽通過調節(jié)比列閥輸出量來控制溫度的方式即使用FM355C。

電壓、電流、熱電偶、熱電阻信號可以直接連接到FM355 模塊作為反饋信號，而在雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的溫度控制中，主要使用于連接熱電偶、熱電阻。其接線方式如圖1 和圖2 所示。

圖1 熱電偶接線方式

圖2 熱電阻接線方式

通常熱電偶信號需要冷端補償，F(xiàn)M355 模塊使用熱電阻將冷端的溫度值采集到模塊中動態(tài)補償熱電偶信號的偏差值。在模塊上配備1 個額外的模擬量輸入，當使用熱電偶時作為溫度補償使用。在模塊參數(shù)設定中也可以選擇熱電偶信號冷端補償方式為內部補償即補償值為一固定的溫度值，不能變化，為了得到更為精確的溫度值，這里采取了外部補償方式。熱電阻則不需要補償，但是需要將熱電阻產(chǎn)生的電壓信號作為輸入信號，連接第20 管腳MANA（接地端）保證信號與測量端沒有電位差。

在設計中，F(xiàn)M355S 輸出信號直接驅動過零觸發(fā)固態(tài)繼電器，控制固態(tài)繼電器的通斷來達到是否加熱的作用。FM355C 輸出信號有兩種使用方式：在熱油回路中，F(xiàn)M355C 的模擬輸出信號控制比例閥的開度。在單一的電加熱方式下，F(xiàn)M355C 模擬輸出信號直接驅動移相觸發(fā)固態(tài)繼電器，控制其輸出電壓大小來實現(xiàn)模擬量輸出方式。

2 組態(tài)及初始參數(shù)設置

整個系統(tǒng)以西門子軟件STEP7 為平臺，首先搭建好硬件組態(tài)，以CPU315-2DP 帶4 塊FM355C 和4塊FM355S 為例，F(xiàn)M355 的參數(shù)化需要安裝隨硬件包裝攜帶軟件光盤。參數(shù)化軟件以STEP7 為平臺，直接安裝后在STEP7 硬件配置中對FM355 模塊進行參數(shù)化[2-5]。以下為FM355S 參數(shù)化配置的流程。首先啟動STEP7，打開硬件配置界面，找到FM355 模塊，點擊“參數(shù)”按鈕進入?yún)?shù)化界面如圖3 所示。

如圖3 所示對話框中，在“Module Parameters”選項下，能夠對FM355 模塊集成的數(shù)據(jù)量輸入信號進行設置。此外還可以對溫度的單位、熱電偶內部補償?shù)臏囟戎档葴囟葏?shù)進行設置。如圖4 所示，采樣回路、控制器回路和輸出回路三個子回路一同組成了一個完整的PID 控制回路。

圖3 FM355S 模塊參數(shù)化界面

圖4 FM355S 模塊過程值參數(shù)化界面

FM355S 的標準控制結構有：定點數(shù)控制、3 組件控制、級聯(lián)控制和比例控制。雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線中需要對溫度控制的整個過程進行監(jiān)控，以及根據(jù)現(xiàn)場工藝調整進行溫度設定值的改變等，因此這里選擇定點數(shù)控制方式。

首先選擇需要參數(shù)化的模擬量輸入，然后點擊按鈕對反饋的過程值進行參數(shù)化如圖4 所示。

圖5 對話框的功能介紹和結合雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的需求進一步說明：

“A/D”：數(shù)模轉換精度影響著模塊對過程值的采樣時間，精度越高采樣時間越長，反之采樣時間越短，因而需要根據(jù)實際選擇合理的數(shù)模轉換精度。在雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線中，控制系統(tǒng)龐大，選取12 位精度數(shù)據(jù)，這樣既滿足客戶的工藝需求，也將采樣時間控制在合理的范圍，提高了系統(tǒng)的實時性。

“Sensor”：設定所使用的傳感器類型；雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線中，根據(jù)不同的需求，使用了不同的溫度傳感器，這里主要以熱電阻PT100 和熱電偶為主。

如果通道不使用，就應該選擇“不處理模擬量輸入”，以免FM355 模塊報警。

圖5 FM355 模塊偏差參數(shù)化界面

“Filter”：設置合理的濾波時間，可以降低高頻信號對輸入信號的影響，缺省狀態(tài)為關；

“Square Root”：將輸入信號作開平方；

“Polyline”：對傳感器測量獲得的非線性信號進行差補運算，但如果在“Sensor”對話框中選擇“Free thermocouple type”類型傳感器，這是相當已經(jīng)對輸入信號的特征曲線進行處理，不再需要進行差補運算；

“Normalize”：對輸入信號作歸一化處理。

在控制回路中，控制器類型的不同，會得到相應的不同反饋，導致設定與反饋的偏差計算不同，影響其兩者之間的關系。

圖5 對話框的功能介紹和結合雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的需求進一步說明：

“Setpoint”：溫度設定點可以從功能塊、預處理的模擬量輸入、控制器輸出三個來源中選擇。為了更好的操作和管理各點溫度，生產(chǎn)線配備了上位機系統(tǒng)。在上位機上，可以設置各工段或各溫度控制點的溫度設定值。因此我們的數(shù)據(jù)都應該來自功能塊，通過PLC 與上位機通訊將功能塊中的數(shù)據(jù)跟上位機輸入輸出框一一對應。

“Switch Safety Setpoint”：對后援操作中設定點的設置，即一旦CPU 無法進行正常運作時，控制器能夠不停止的獨立地進行作業(yè)?！昂髠淠Ｊ健惫δ苁菫楸Ｕ舷到y(tǒng)安全，設定一個可參數(shù)化的安全設定點或安全控制變量。

“Ramp”：為了防止設定值產(chǎn)生大的階越，需要對設定值斜坡處理，以避免輸出震蕩；

“Limit”：為防止操作人員操作不當，例如直接輸入一個較大的溫度值，引起加熱器一直處于加熱狀態(tài)，而對設定點須限制其上限。

“Actual value A”：將過程值設置為模擬量輸入，該過程值是從溫度傳感器得出的；

“D input”：選擇微分的方式：1）對偏差值作微分；2）對過程值取反后作微分；3）對其它模擬量采集值作微分，對通信函數(shù)塊FM_PID 中D_EL_SEL 參數(shù)作修改設定（背景數(shù)據(jù)塊地址為74）也可以在線修改設定。

“Alarm”：設置高低報警的閾值以及警告值，通過對實際值或偏差值進行實時監(jiān)測，達到設定的高限或低限時發(fā)出相應的報警信號。

“Disturbance Variable”：選擇具體的采樣通道對擾動變量進行采樣，即利用第幾個模擬量輸入采樣。

點擊“ControlAlgorithm”進入在控制算法界面中，把設定值與實際值的差值在控制算法中進行計算，控制算法界面如圖6 所示。

圖6 FM355 模塊控制算法參數(shù)化界面

如圖6 所示，其中可以選擇溫度或PID 兩種不同的算法?？紤]到雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線中需要得到較好的溫度控制方法，所以傾向于使用PID 算法。采用PID 算法，在“PID”中，實際有PI、PD、PID 控制三種控制方式，均可設定手自動無擾切換等參數(shù)。而在一些過程控制中需利用工程整定方法，即具有經(jīng)驗參數(shù)，偏差值經(jīng)過“Dead Band”死區(qū)處理后，僅在超出于死區(qū)中設定的值后才進入PID 控制器計算。這些PID 參數(shù)我們通過CPU 的數(shù)據(jù)塊傳送于上位機中，能很方便的在上位機上調節(jié)每個溫度控制點的PID 值。

“Controller Output”是溫度控制器回路輸出，其設置界面如圖7 所示。

圖7 對話框的功能介紹和結合雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的需求進一步說明：

“External Manipulate Value”：CPU 會根據(jù)所調用通信函數(shù)塊來決定控制器手動或自動輸出，或者通過調用通信函數(shù)塊與集成輸入信號的“與”結果來判斷手動或自動輸入，在手動操作時，需要人工對CPU 的輸出進行賦值。

圖7 FM355S 模塊控制回路輸出參數(shù)化界面

“Follow-Up input”：跟隨模式輸入，將零值模擬量和經(jīng)處理的模擬量輸入控制器，而后直接從控制器輸出端輸出，此做法目的是防止在手自動切換時，輸出信號產(chǎn)生階越現(xiàn)象。

“Switch Correction”：經(jīng)由程序設定，或者集成的數(shù)字輸入信號選擇輸出源。

“Switch Safety Manipulated Value”：經(jīng)由程序設定，或者集成的數(shù)字輸入信號，用于選擇所定義的后援操作（CPU 處于停止狀態(tài)）輸出。

“Limit”：設置閾值參數(shù)，將控制器輸出值的幅值限制于此參數(shù)。

“Split Range”：把一個控制器的輸出值以輸入輸出范圍為準，分成兩個輸出值并分別輸出到不同的輸出接口，注意輸入的開始值必須小于結束值。在縱拉拉伸段中，加熱和冷卻同時作用于同一個溫控點，這樣必須將一個控制器輸出到兩個控制對象上。加熱和冷卻交替作用來實現(xiàn)溫度穩(wěn)定性。

在輸出回路中，F(xiàn)M355S 與FM355C 的控制器輸出接口設置不同。在FM355S 中，數(shù)字量的輸出端口是固定不變的，無需設置。而FM355C 中，需要對控制器使用第幾個模擬量輸出進行設置，此外還需要根據(jù)使用的執(zhí)行元件設置相應的輸出類型如電壓、電流信號。

3 程序設計

在雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線溫度控制中[6]，主要使用了函數(shù)FB PID_FM。在該函數(shù)背景數(shù)據(jù)塊中含有各種控制參數(shù)，可以對大部分參數(shù)進行修改。在上位機上設定的PID 控制參數(shù)和輸入輸出參數(shù)通過PLC 與上位機的通訊傳到CPU 中，再由CPU 與FM355 數(shù)據(jù)交換來實現(xiàn)整個溫度控制過程。在STEP7 中，首先建立好基本的程序構架，包括調入主要的循環(huán)組織塊OB1、OB100、OB35 和一些處理錯誤的中斷組織塊OB86、OB85、OB120、OB122 等；接著調用系統(tǒng)自帶的溫控子程序塊FB PID_FM，生成各溫度控制點的FB PID_FM 背景數(shù)據(jù)塊，1 個背景數(shù)據(jù)塊對應一個溫度控制點。選擇模塊地址和通道號，與FM355 模塊建立起通訊關系。通過操作背景數(shù)據(jù)塊中的控制位來實現(xiàn)CPU 與FM355 參數(shù)傳遞。

主要的控制位功能如下：

“COM_RTS”：在CPU 初始化過程中將存儲于FM355 模塊的控制參數(shù)值讀到背景數(shù)據(jù)塊中，完成后模塊將該位復位；

“LOAD_PAR”：為1 時，將控制參數(shù)傳送到FM355 模塊中，完成后模塊將該位復位。

“LOAD_OP”：為1 時，將操作參數(shù)傳送到FM355模塊中，完成后模塊將該位復位；

“READ_VAR”：為1 時，將輸出類型參數(shù)讀到背景數(shù)據(jù)塊中，完成后模塊將該位復位；

在OB100 中置位這些背景數(shù)據(jù)塊的“COM_RST”，用于把FM355 中的所有控制參數(shù)讀到CPU 中。完成之后模塊自動復位“COM_RST”，在OB35 中不需要再次初始化。值得注意的是，要是有許多背景數(shù)據(jù)塊，要把所有的背景數(shù)據(jù)塊中的“COM_RST”都在OB100 中置位一次。然后，通過在循環(huán)周期較慢的OB35（100ms）中置位“READ_VAR”和“LOAD_OP”對模塊進行讀寫操作，每次讀寫完成后模塊將讀寫為復位，所以必須循環(huán)置位讀寫位。如果沒有置位讀寫操作，CPU 與FM355 模塊的通信將自動通過FM355 的邏輯地址完成，通信時間需要2～3 個CPU 掃描周期。

在自動控制模式下背景數(shù)據(jù)塊參數(shù)“SP_RE”作為PID 回路的設定點，“PV”作為實際反饋值，參數(shù)“LMN”以百分比的形式作為輸出值并自動輸出到模擬量輸出端口或者經(jīng)過模塊處理為脈沖信號輸出的數(shù)字輸出端口；在手動模式下，參數(shù)“LMN_REON”或通過模塊集成的數(shù)字輸入點作為手動模式的選擇開關，參數(shù)“LMN_RE”作為手動的輸出值。

因此，要改動設定值的時候，為了讓設定值輸入到FM355 中，必須把“LOAD_OP”置位，為了把FM355 中實際溫度值讀取出來的，我們要把“READ_VAR”置位。把“LOAD_PAR”置位后，可以把PID 值手動設定到FM355 中。

通過置位“LMN_REON”，轉化為手動控制方式。在手動控制方式下，可以設定“LMN_RE”來決定加熱的百分比，以達到具體的控制要求。

4 結束語

雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線控制量龐大，CPU 處理過程復雜。而使用FM355，降低了CPU 處理量，縮短了CPU 掃描周期，大大提高了CPU 使用效率，使整個控制系統(tǒng)更為穩(wěn)定。