基于PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線的恒溫控制系統(tǒng)

1　引　言　　
　　在香煙過濾嘴生產(chǎn)線上，包含紙加熱、預(yù)加熱、縫噴嘴、膠水容器溫度等6路溫度信號。它們對溫度的要求很高，要求溫度保持在140℃左右的恒溫狀態(tài)。實(shí)踐表明，常規(guī)的PID控制器因?yàn)槌{(diào)量過大、易受環(huán)境的影響，不能滿足實(shí)際要求。經(jīng)過不斷研究，人們提出了自校正PID控制器和基于模糊推理的自校正PID控制器設(shè)計(jì)方法。前一種方法需要在線辨識過程模型，計(jì)算量大；后一種方法的參數(shù)可校正范圍過小。在該文中提出了一種新型PID控制算法。該算法計(jì)算量小，易于軟件實(shí)現(xiàn)，在實(shí)踐中取得了良好的控制效果。

2　系統(tǒng)介紹　　
　　系統(tǒng)由1臺(tái)上位機(jī)和3臺(tái)下位機(jī)組成。上位機(jī)使用KINGVIEW軟件進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新、歷史曲線和實(shí)時(shí)曲線顯示、報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢和備份等功能。下位機(jī)使用了SIEMENS公司的S7－300 PLC。S7－300采用了模塊化設(shè)計(jì)，在一塊機(jī)架上可安裝各種模塊。每塊機(jī)架板上最多可安裝8個(gè)模塊。若多于8個(gè)模塊，就必須擴(kuò)展另一塊機(jī)架板。兩塊機(jī)架板之間的通訊通過安裝通訊模塊來實(shí)現(xiàn)。3臺(tái)下位機(jī)分別控制裝盤機(jī)HCF、過濾嘴成型機(jī)KDF2和開松上膠機(jī)AF2。總的控制點(diǎn)數(shù)為200多點(diǎn)。
　　Step7的PLC網(wǎng)絡(luò)有以下幾種：接口網(wǎng)絡(luò)（MPI）、工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)、TCP／IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)等。該系統(tǒng)采用了PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線網(wǎng)。現(xiàn)場的PLC把分散的數(shù)據(jù)采集上來，并通過PROFIBUS現(xiàn)場總線送到上位機(jī)。

3　新型PID控制算法的原理




　　圖3—1中：yr是給定值，u是控制量，e是偏差，y是輸出值。
圖3—2中：a、b為所允許的最大誤差范圍。根據(jù)采樣時(shí)刻的公式：





　　在每個(gè)采樣時(shí)刻，采集到信號yk后，求出ek及ek。若控制信號是模擬量，根據(jù)系統(tǒng)控制原理和模糊控制方法，通過適當(dāng)加大控制力度或減小控制力度（或提前增加阻尼），使系統(tǒng)輸出量趨于給定值。在這里，控制對象是6路電烙鐵，它只有上電和斷電兩種情況，故控制量是數(shù)字信號。當(dāng)反饋值遠(yuǎn)大于給定值時(shí)，就停止加熱。這時(shí)，輸出值開始下降。當(dāng)降到一定值時(shí)，為防止輸出進(jìn)一步下降，向相反方向偏離給定值，就及時(shí)開始加熱。當(dāng)反饋值遠(yuǎn)小于給定值時(shí)，就開始加熱。這時(shí)，輸出值開始上升。當(dāng)上升到一定值時(shí)，為防止輸出進(jìn)一步上升，向相反方向偏離給定值，就及時(shí)停止加熱。通過這種方法，可以使輸出值在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到給定值。具體處理方法如下（見圖3—2）：
　?。?）在t1和t4階段：若ek＜－a，則停止加熱；若ek≥－a，即誤差在允許范圍內(nèi)，此時(shí)，又分兩種情況討論：
　　a）當(dāng)在t1階段時(shí)，則開始加熱。在這里提前加熱，是為了防止輸出量繼續(xù)下降，反方向偏離給定，從而使輸出維持在誤差允許范圍內(nèi)；
b）當(dāng)在t4階段時(shí)，則維持原狀態(tài)。
　　（2）在t2和t3階段：若ek≥b，則開始加熱；若ek＜b，即誤差在允許范圍內(nèi)，此時(shí)，又分兩種情況討論：
　　a）當(dāng)在t3階段時(shí)，則停止加熱。在這里提前停止加熱，是為了防止輸出量繼續(xù)上升，反方向偏離給定，從而使輸出維持在誤差允許范圍內(nèi)；
b）當(dāng)在t2階段時(shí)，則維持原狀態(tài)。

4　新型PID控制算法在S7－300 PLC中的軟件實(shí)現(xiàn)　　
　　在S7－300 PLC中，使用了梯形圖編程方法。在庫中有3個(gè)與PID調(diào)節(jié)器相關(guān)的功能塊FB41、FB42和FB43。FB41用于模擬PID調(diào)節(jié)器，F(xiàn)B42用于數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，F(xiàn)B43是脈沖發(fā)生器，用于輸出量為脈沖的PID調(diào)節(jié)器。在這里，因?yàn)檩斎肓渴菧囟刃盘枺悄M量，而輸出又是開關(guān)量，所以調(diào)用了功能塊FB41和FB43。新型PID算法的流程圖如圖4—1所示。




5　結(jié)束語　　
　?。?）該文使用的新型PID控制算法簡單有效，易于軟件實(shí)現(xiàn)，在工程應(yīng)用中取得了顯著效果。
　?。?）使用了PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線技術(shù)，使得布線簡單，數(shù)據(jù)傳輸速率高。
　?。?）使用了S7－300 PLC，使得系統(tǒng)工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，而且維修方便。