基于PROFIBUS－DP現場總線的恒溫控制系統
摘 要 介紹了一種基于PROFIBUS－DP現場總線技術的恒溫控制系統。為實現恒溫控制提出了一種新型PID控制算法，取得了良好的控制效果。
關鍵詞 恒溫控制；PROFIBUS－DP；S7－300 PLC；新型PID控制算法
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。實踐表明，常規的PID控制器因為超調量過大、易受環境的影響，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，在實踐中取得了良好的控制效果。
2 系統介紹
系統由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，實現了實時數據更新、歷史曲線和實時曲線顯示、報警、數據存儲、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。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。總的控制點數為200多點。
Step7的PLC網絡有以下幾種：接口網絡（MPI）、工業以太網、PROFIBUS現場總線網、TCP／IP協議網絡等。該系統采用了PROFIBUS－DP現場總線網。現場的PLC把分散的數據采集上來，并通過PROFIBUS現場總線送到上位機。
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）：
（1）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。
（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，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。
4 新型PID控制算法在S7－300 PLC中的軟件實現
在S7－300 PLC中，使用了梯形圖編程方法。在庫中有3個與PID調節器相關的功能塊FB41、FB42和FB43。FB41用于模擬PID調節器，FB42用于數字PID調節器，FB43是脈沖發生器，用于輸出量為脈沖的PID調節器。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，在工程應用中取得了顯著效果。
（2）使用了PROFIBUS－DP現場總線技術，使得布線簡單，數據傳輸速率高。
（3）使用了S7－300 PLC，使得系統工作穩定，抗干擾能力強，而且維修方便。
［參考文獻］
［1］ 陽憲惠．現場總線技術及其應用［M］．北京：清華大學出版社．1999．
［2］ 惠敦炎．PROFIBUS：開放的、通用的和標準的現場總線［M］．1999．
［3］ 劉國榮，陽憲惠．模糊自適應PID控制器［J］．控制與決策．1995，10（6）．
［4］ 孟紅莉．基于Profibus－DP現場總線技術的6SE70變頻器群控系統［J］．自動化技術，2002，31（3）．
［5］ 趙德安，趙不賄，劉星橋，等．一種基于PLC和Profibus－DP總線的張力自適應控制系統［J］．信息與控制．2002，31（2）．
關鍵詞 恒溫控制；PROFIBUS－DP；S7－300 PLC；新型PID控制算法
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。實踐表明，常規的PID控制器因為超調量過大、易受環境的影響，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，在實踐中取得了良好的控制效果。
2 系統介紹
系統由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，實現了實時數據更新、歷史曲線和實時曲線顯示、報警、數據存儲、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。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。總的控制點數為200多點。
Step7的PLC網絡有以下幾種：接口網絡（MPI）、工業以太網、PROFIBUS現場總線網、TCP／IP協議網絡等。該系統采用了PROFIBUS－DP現場總線網。現場的PLC把分散的數據采集上來，并通過PROFIBUS現場總線送到上位機。
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）：
（1）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。
（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，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。
4 新型PID控制算法在S7－300 PLC中的軟件實現
在S7－300 PLC中，使用了梯形圖編程方法。在庫中有3個與PID調節器相關的功能塊FB41、FB42和FB43。FB41用于模擬PID調節器，FB42用于數字PID調節器，FB43是脈沖發生器，用于輸出量為脈沖的PID調節器。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，在工程應用中取得了顯著效果。
（2）使用了PROFIBUS－DP現場總線技術，使得布線簡單，數據傳輸速率高。
（3）使用了S7－300 PLC，使得系統工作穩定，抗干擾能力強，而且維修方便。
［參考文獻］
［1］ 陽憲惠．現場總線技術及其應用［M］．北京：清華大學出版社．1999．
［2］ 惠敦炎．PROFIBUS：開放的、通用的和標準的現場總線［M］．1999．
［3］ 劉國榮，陽憲惠．模糊自適應PID控制器［J］．控制與決策．1995，10（6）．
［4］ 孟紅莉．基于Profibus－DP現場總線技術的6SE70變頻器群控系統［J］．自動化技術，2002，31（3）．
［5］ 趙德安，趙不賄，劉星橋，等．一種基于PLC和Profibus－DP總線的張力自適應控制系統［J］．信息與控制．2002，31（2）．
本文標簽：基于PROFIBUS－DP現場總線的恒溫控制系統
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