基于PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線的恒溫控制系統(tǒng)

1　引　言　　
　　在香煙過濾嘴生產線上，包含紙加熱、預加熱、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)。實踐表明，常規(guī)的PID控制器因為超調量過大、易受環(huán)境的影響，不能滿足實際要求。經過不斷研究，人們提出了自校正PID控制器和基于模糊推理的自校正PID控制器設計方法。前一種方法需要在線辨識過程模型，計算量大；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。該算法計算量小，易于軟件實現(xiàn)，在實踐中取得了良好的控制效果。

2　系統(tǒng)介紹　　
　　系統(tǒng)由1臺上位機和3臺下位機組成。上位機使用KINGVIEW軟件進行編程，實現(xiàn)了實時數(shù)據更新、歷史曲線和實時曲線顯示、報警、數(shù)據存儲、查詢和備份等功能。下位機使用了SIEMENS公司的S7－300 PLC。S7－300采用了模塊化設計，在一塊機架上可安裝各種模塊。每塊機架板上最多可安裝8個模塊。若多于8個模塊，就必須擴展另一塊機架板。兩塊機架板之間的通訊通過安裝通訊模塊來實現(xiàn)。3臺下位機分別控制裝盤機HCF、過濾嘴成型機KDF2和開松上膠機AF2?？偟目刂泣c數(shù)為200多點。
　　Step7的PLC網絡有以下幾種：接口網絡（MPI）、工業(yè)以太網、PROFIBUS現(xiàn)場總線網、TCP／IP協(xié)議網絡等。該系統(tǒng)采用了PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線網?，F(xiàn)場的PLC把分散的數(shù)據采集上來，并通過PROFIBUS現(xiàn)場總線送到上位機。

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。根據采樣時刻的公式：





　　在每個采樣時刻，采集到信號yk后，求出ek及ek。若控制信號是模擬量，根據系統(tǒng)控制原理和模糊控制方法，通過適當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。當反饋值遠大于給定值時，就停止加熱。這時，輸出值開始下降。當降到一定值時，為防止輸出進一步下降，向相反方向偏離給定值，就及時開始加熱。當反饋值遠小于給定值時，就開始加熱。這時，輸出值開始上升。當上升到一定值時，為防止輸出進一步上升，向相反方向偏離給定值，就及時停止加熱。通過這種方法，可以使輸出值在最短時間內達到給定值。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，此時，又分兩種情況討論：
　　a）當在t1階段時，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；
b）當在t4階段時，則維持原狀態(tài)。
　?。?）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，此時，又分兩種情況討論：
　　a）當在t3階段時，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；
b）當在t2階段時，則維持原狀態(tài)。

4　新型PID控制算法在S7－300 PLC中的軟件實現(xiàn)　　
　　在S7－300 PLC中，使用了梯形圖編程方法。在庫中有3個與PID調節(jié)器相關的功能塊FB41、FB42和FB43。FB41用于模擬PID調節(jié)器，F(xiàn)B42用于數(shù)字PID調節(jié)器，F(xiàn)B43是脈沖發(fā)生器，用于輸出量為脈沖的PID調節(jié)器。在這里，因為輸入量是溫度信號，是模擬量，而輸出又是開關量，所以調用了功能塊FB41和FB43。新型PID算法的流程圖如圖4—1所示。




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