铝箔退火炉控制系统研究.doc

北 京 科 技 大 学硕士学位研究生选题报告及文献综述铝箔退火炉控制系统研究指导教师： 刘 鸿 飞 副教授 单 位： 北京科技大学 学 号： s20101039 作 者： 闫利 专业名称： 机械电子工程 入学时间： 2010年08月 2011年 07 月 10日1课题概况31.1课题的内容31.1.1课题来源31.2.1主要研究内容31.2.课题的意义42文献综述52.1铝箔退火炉研究现状及发展水平52.1.1铝箔退火炉的分类及特点52.1.2铝箔退火炉国内外计算机控制系统的发展62.1.3国内外退火炉技术的研究应用现状62.1.4智能控制算法在温度控制中的应用发展82.2工业过程控制系统应用发展102.2.1工业过程控制系统的发展102.2.2现场总线PROFIBUS112.2.3现场总线在PLC上的实现123 课题的研究工作133.1课题研究工作的内容133.1.1退火炉控制系统的硬件系统设计133.1.2加热系统设计163.1.3风机控制系统设计163.1.4温度采集系统设计163.2退火炉控制系统的软件设计173.2.1软件设计思想173.2.2软件设计内容173.2.3软件设计方法183.3课题研究工作的技术关键193.3.1退火炉温度PID模糊控制193.3.2控制系统的网络通信193.4课题研究工作的可行性193.5研究工作初步计划19参考文献201课题概况1.1课题的内容1.1.1课题来源在铝箔的生产过程中，退火是其热处理工艺中最重要的工序之一。铝箔按生产状态有软硬两种，铝箔大多数是在软化退火后使用，软化退火不仅是为了控制铝箔的力学性能，而且要消除铝箔表面的残油，获得平整光亮的表面，并能自由展开1。高质量的铝箔对退火温度有很高的要求，退火炉温度高于或低于退火工艺设定温度会造成退火料性能偏软或偏硬，因此，高质量的铝箔对退火炉的温度 特性及控温精度要求很高，一般需达到3，以至1的精确水平。由此可见保证退火炉温度的稳定和控制精度是生产高质量铝箔一个很重要的课题。铝箔的生产工艺流程为：铝锭熔炼铸轧冷轧中间退火冷轧铝箔毛料粗轧中轧精轧分切成品退包装2。铝箔退火的目的是为了得到具有符合标准和满足用户要求的软制品及各种状态制品的内部组织和机械性能。退火时，必须严格控制退火工艺参数：加热速度、加热温度、保温时间等，以保证箔材的机械性能及表面除油效果。10吨铝箔退火炉是以铝箔退火为主，兼顾其它铝合金板带的退火处理，因此对该退火炉提出了更为苛刻的要求。退火炉最高使用温度为640，金属均热温度：180540，保温终了时金属温差3炉膛有效堆料有效尺寸为3100x2200x2300mm 炉壁保温材料选用硅酸铝耐火纤维毡，工作室壁为不锈钢材料。设备由箱式炉体、炉内热风循环系统、导流装置、捧烟系统、加热元件、炉门、炉门升降机构及其压紧装置、炉门密封、冷却水系统等组成。热风循环系统采用低压大风量轴流风机，使炉内热风在导流装置的作用下定向循环，用于增强炉内的对流换热，提炉内温度升、降速度，保证工作室内温度均匀。本课题来源于内蒙中拓铝业股份有限责任公司冷轧生产配套设备10t高效节能铝箔退火炉的制造1.1.2主要研究内容(1)10吨铝箔退火炉控制系统的硬件设计 1退火炉控制系统的总体设计； 2风机控制系统的设计； 3加热系统，温度采集系统的设计； 4炉门控制系统的设计； (2)温度控制系统的软件设计 1PLC监控软件的设计； 2触摸屏人机界面的软件设计 (3)温度控制器的设计与研究 1退火炉PID闭环控制系统： 2退火炉模糊参数自整定控制器的设计。 (4)退火炉工业控制局域网的研究 1PLC主站，PLC从站、触摸屏，协议总线桥脚的Profibus-DP局域网； 2协议总线桥，智能电度表、1台循环风机变频器，1台吹洗风机变频器问的RS-485局域网创建。 (5)实验调试1烘炉过程中升温温度曲线、保温温度曲线、炉内各布偶点温度均匀性、 其他一些参数； 2带料加热过程中整个退火工艺曲线。1.2.课题的意义我国的铝箔生产近年来发展很快，2005年，产量已经到55万吨，仅次于美国，居世界第二，产量约占世界总产量的l5。铝箔退火是铝箔的生产工艺流程中的重要组成部分。而在我国，退火炉的整体装备水平不高，与英、日等发达国家相比，仍有很大的差距，这些退火炉除极少数设备比较先进，可达到国外80年代水平外，绝大多数炉窑仅相当于国外50年代的水平。炉型落后，燃烧方式原始，工控水平低，有的退火炉甚至还全部由人工控制，环境污染较为严重，热效率低，能耗高。因此要确保我国的铝工业未来得到持续发展，产品质量达到世界领先水平，降低产品能耗，减少环境污染，就必须萤规铝箔退火炉整体技术的发展，研究与创新，进行退火炉温度控制系统的研究意义主要体现在以下几个方面： 1节约能源。退火炉是高耗能设备，由于目前能源形势严竣，因此节能是退火炉未来发展的方向。本系统采用先进的CYC(周波过零)控制方式，提高了电源利用率，节约了能源。 2提高产品质量。满足工艺要求，保证加热工件质量是退火炉的根本。有些工厂因无科学的加热制度，虽然生产的工件表面精度达到要求，但内部金相组织却不符合技术标准。一些工件加热温度不均，工件在炉内停留时间过长，造成工件过烧、性能不均匀等，严重影响产品质量。本系统采用先进的模糊自整定PID控制器，提高了温控精度和炉内温度的均匀性，从而铝箔的退火质量。 3保护环境。环境保护是全人类都关心的话题，只有保护环境才能实现可持续发展。使用燃油、燃气型退火炉，在退火过程中燃料燃烧产生大量的烟尘、C02、S02、NO等污染物，对大气造成严重污染。本控制系统在采用电加热的基础之上，减少能耗，保护好了环境。2文献综述2.1铝箔退火炉研究现状及发展水平 随着铝加工技术的发展，铝箔产品的规格和产量都在不断地增加，在保证退火产品力学性能和组织结构符合产品标准要求的条件下，如何提高退火炉的设备性能指标，降低能耗引起了铝加工行业广泛的重视近二三十年来。一些工业发达国家从热处理炉结构、热源、温控系统以及退火工艺等方面进行了大量的研究工作：开发了许多新产品，如高温轴流通风机，卡口式加热元件等等。在提高产品的加热速度、改善炉温均匀性、提高退火产品质量、降低能耗和提高退火炉的综合技术性能等方面取得了很好的效果。我国退火炉的平均热效率为58，比工业发达国家的80约低22个百分点。卷材与箔卷退火炉的容量一般为1040吨，如成都铝箔厂，西南铝加工厂，东北轻合金有限责任公司等都有40吨的退火电炉通常，每年生产1kt铝箔需要配备1520吨的退火炉l台。 铝材退火炉用的能源有：电，柴油，天然气，煤气。炉型有批量的与连续式的。在板、带、箔材生产过程中退火工序是必不可少的，线材的拉制也必须经过退火，高强度铝合金管，棒、型材的生产也需要退火。1998年中国约有860台退火炉，其中现代化的空气循环批量退火炉约180台，80集中在铝箔企业，仅厦顺铝箔有限公司就有12台(30吨的1台、15吨的11台)3，自1985年以后，全世界就未建连续式气垫退火炉，因为投资大，同时现代化的强气流循环的大型 批量退火炉在技术上完全能满足生产要求，而且单位产品的能耗也低一些。 2.1.1铝箔退火炉的分类及特点 退火炉是冶金和机械行业常用的热处理工艺设备。一般说来，退火处理工艺是冶金和机械产品的最后处理工序，它的处理效果将直接影响产品的质量。因此，对退火炉的基本要求就是根据退火处理工艺曲线，提供准确的升温，保温及降温操作，同时保证炉内各处的温度均匀。在目前实际生产中，退火炉的种类很多，按燃料分有燃油炉、燃气炉、电炉等。电炉按台数计算占80，燃油炉和燃气炉占20。下面分别介绍它们的特点： 1燃油炉：生产中用的退火处理炉多采用燃油或燃煤气方式，燃油热处理 炉在生产中的应用也很广泛，但由于对产品热处理后的表面质量要求较高，对加热精度要求也很严，故燃油的退火处理炉一般都采用轻柴油。这也带来一些问题，如：轻柴油价格比较昂贵、需设置供油系统等。 2燃气炉：同燃油热处理炉相比，燃气退火处理炉在保证产品质量，提高退火处理炉效率方面就更具优势。但是我们知道，热处理炉加热工艺同加热炉不同，它对升温、保温和降温过程及炉温均匀性要求部比较严格，当采用普通烧嘴及常规的流量控制方式进行热处理炉燃烧控制时，要想获得精确的炉温控制和理想的炉温均匀性是比较困难的，而采用高速烧嘴及脉冲燃烧技术虽然可以使热处理炉实现比较精确的温度控制效果及较高的炉温均匀性，但是对控制设备和控制方法提出了很高的要求。因此，燃气退火处理炉在冶金及机械行业中应用较少。 3电炉：电炉作为一种有效的退火处理加热设备，以其控制简单、温度控 制精度高、热处理后表面质量高等特点，在生产中得到广泛的应用。它的缺点是： 消耗大量电力。加热效率低。目前工业应用中对炉体的导流装置进行了很好的改 进，并且在炉顶安装了循环风机使炉气循环，促进对流传热的效果，因此获得快 速均匀的加热效果。 2.1.2铝箔退火炉国内外计算机控制系统的发展 综观热处理炉计算机控制的发展，其控制系统由单一分散型向网络型方向发展，由单一信息处理向多信息综合处理方向发展，系统功能由单一化向集成化，多功能化方向发展。控制策略由简单性向复杂性和智能化方向发展。控制目的由单一过程参数控制向最终质量控制方向发展。国内外热处理炉计算机控制近年来在以下几个方面有较大的发展4：1.热处理炉CAD与热处理炉过程控制相结合，利用数学模型将热处理炉内的气体流动、化学反应、传热、传质统一考虑，提供炉内温度场、浓度场、介质速度场等信息的综合描述，并能自动优化热处理工艺过程，同时使工件质量预测与炉子过程控制有机地结合起来。2.开发多专家、多黑板和多专家辩论控制系统，弥补单一专家系统对大型复杂热处理炉及其生产线难以实现最佳控制的不足，最大限度地节能降耗，提高热处理质量，达到真正的目标控制要求。3.开发研制完善的热处理炉计算机故障检测和容错系统，保证热处理炉在恶劣的环境下照常运行，加速对热处理生产过程的传热过程数学模型的研究，并与实际相结合，将其应用于生产。2.1.3国内外退火炉技术的研究应用现状 1.国外应用情况70年代中期以后，国外开始研制并陆续推出微机控制的各类热处理设备，主要有5:日本方面，1977年三菱公司成功地研制出微机高频淬火机床，采用M587105S微处理器，可对淬火电压、感应圈间隙、淬火速度等进行监控，1983年电气兴业(株)也开发出配有微机并能进行数控的高频淬火装置，它能控制加热线圈和工件的相对位置、供应电子(输入和输出)、移动速度、回转速度、冷却水量和水温、加热时间、冷却时间以及原点复位等。美国方面，1978年研制成功微机控制连续气体渗碳炉系统，从装料、称重到出炉，整个过程实现微机监控。1983年Holcrofi热电子公司将微机用于热处理与辅助设备程序控制、模拟监测系统以及炉内气氛控制。在欧洲，1979年意大利采用了微机全自动控制的多室半连续气体渗碳炉生产线。1980年Montevcchi介绍了微机控制的大型气体渗碳炉设备。1982年瑞士80LOFLOW公司向市场提供了可用于各种条件下淬火，渗碳、渗氮、炭氮共渗、退火和清洗的半自动或全自动多用热处理设备及其控制系统。2.国内应用情况1984年南京摄山电炉总厂研制出RN-K系列渗碳炉和KRN-W系列微机控制柜。微机主机为TP801单板机，并有数码显示、键盘打字机等，该设备控制精度高，质量稳定且适用性广5。此外，国内一些单位还相继研制出微机中频感应淬火控制系统，微机炉温群控系统，ZC30-13三室式真空热处理炉PII微机控制装置，微机控制ZC系列双室油淬火冷真空热处理炉，密封箱式多用炉通用多功能微机系统，连续气体渗碳微机监控系统等。2006年，中南大学冶金机械研究所在成都成功研制了20吨铝箔低温退火炉。该退火炉分为两个加热区，采用电加热方式，通过晶闸管模块进行控制，最高使用温度300。生产的铝材退火炉设备为正、负压排气系统在同一设备上同时使用，根据具体生产工艺情况交替使用6。交付使用后，现场调试的数据分析和实际运行结果表明：设计的铝箔退火炉控温精度高，退火过程系统运行可靠、稳定，操作系统易学易用，在冶金行业具有广阔的应用前景。中南大学唐军等人提出了增量式模糊参数自整定控制方式应用到20吨铝箔低温退火炉当中的方法。该模糊控制器以通用的偏差和偏差变化率作为模糊控制器的输入变量，而把PID参数的Kp、T1和Td的增量形式Kp、T1和Td作为输出变量，采用常用的三角形隶属函数，建立了三个参数的模糊控制规则表，计算出Kp、T1和Td与系统目前的Kp、T1和Td相加，得出整定后的PID参数。相对于未整定前的情况，经过整定后超调量降低到7以内。而未整定以前的超调达到了10左右。并且升温时间也大大缩短6。针对不同的热处理炉，其炉体特征、炉内空气介质、温度控制精度要求等各不相同，因此开发一套统一公用的热处理炉计算机控制系统很难满足每个热处理炉的控制要求。本系统研究的10吨铝箔高温退火炉是热处理设备之一，最高工作温度为640，其炉体特征、加热方式、控制精度都有特殊的要求，因此，要设计针对本系统控制要求和特征的热处理炉计算机控制系统，且选择合适的智能控制算法，来满足本系统的控制要求。2.1.4智能控制算法在温度控制中的应用发展智能控制算法广泛应用于各种温度控制器的设计之中，这里就最近几年快速发展的几种智能控制算法做一个综述。1)神经网络控制人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，它采用数学模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异，其中误差反向传播算法(即BP算法)应用最为广泛9。温度控制系统由于负载的变化以及外界干扰因素复杂，而传统的PID控制对于外界环境的变化只能做近似的估算，因此系统控制精度不高。人工神经网络以其高度的非线性映射、自组织、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模。该方法抗干扰能力强，且易于用软件实现。训练方法实际是网络的自学习过程，即根据事先定义好的学习规则，按照提供的学习实例，调节网络系统各节点之间相互连接的权值大小，从而达到记忆、联想、归纳等目的10。在温控系统中，将对温度影响的因素如气温、外加电压、被加热物体性质以及被加热物体温度等作为网络的输入，将其输出作为PID控制器的参数，以实验数据作为样本,在微机上反复迭代，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定PID控制器参数的目的。MNN(Memory neuron network)在每个网络节点增加了记忆神经元，在学习动态非线性系统时，不需知道实际系统太多的结构知识，当系统滞后比较大时也不会造成网络庞大难以训练。2)模糊控制模糊控制是基于模糊逻辑描述的一个过程控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。温度控制系统的模型通常是不完善的，即使模型已知，也存在参数变化的问题。PID控制虽然简单、方便，但难以解决非线性和参数变化等问题。模糊控制不需要对象的精确模型，仅依赖于操作人员的经验和直观判断，非常容易应用。模糊控制对温度控制的实现一般分如下几步：(1)将温控对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值，建立规则，例如，IF温度太高OR温度正在上升，THEN减少控制量将这些模糊规则写成模糊条件语句，形成模糊模型。(2)根据控制查询表，形成模糊算法。(3)对温度误差采样的精确量模糊化，经过数学处理输入计算机中，计算机根据模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，变成精确量去驱动执行机构，达到调节温度，使之稳定的目的。同传统的PID控制比较，模糊控制响应快、超调量小、对参数变化不敏感7。3)模糊控制与PID结合(Fuzzy PID)模糊模型使用模糊语言和规则描述一个系统的动态特性及性能指标。其特点是不须知道被控对象的精确模型，易于控制不确定对象和非线性对象，对被控对象参数变化有强鲁棒性，对控制系统干扰有较强抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于模糊规则库的建立缺乏完整性，没有明确的控制结构，存在较大稳态误差等。PID控制器结构简单、明确，能满足大量工业过程的控制要求。但PID本质是线性控制，而模糊控制具有智能性，属于非线性领域，因此，将模糊控制与PID结合将具备两者的优点。即用过程的运行状态(温度偏差及温度变化率)确定PID控制器参数，用PID控制算法确定控制作用。主要的问题是合理地获得PID参数的模糊校正规则，其实质是一种以模糊规则调节PID参数的自适应控制，即在一般PID控制系统基础上，加上一个模糊控制规则环节。采用模糊自适应PID设计方法，根据人们要求的温度曲线，由计算机系统进行监控，根据模糊推理判断，实现对任何一种模型参数的系统都能自动调节其PID参数，使系统的实际温度与要求的温度曲线趋于一致，实现快速响应特性与超调量小的统一8。4)模糊控制与神经网络结合温控系统由于被控过程常常具有严重的非线性时变性以及种类繁多的干扰,使得基于精确数学模型的传统控制方案很难获得满意的动静态控制效果。近些年来模糊逻辑控制取得了巨大成功，但是，模糊控制所基于的专家经验不易获得，一成不变的控制规则也很难适应被控制系统的非线性、时变性等问题，严重影响控制效果，因此应使模糊控制向着自适应方向发展，使模糊控制规则隶属函数模糊量化在控制过程自动地调整和完善。自适应模糊控制提供了一种新的有效途径,利用神经网络的学习能力来修正偏差和偏差变化的比例系数，达到优化模糊控制器作用，从而进一步改进实时控制效果，以便应用于温度过程控制中，其优点动态响应快，能达到高精度的快速控制，具有极强的鲁棒性和适应能力。5)遗传算法遗传算法(Genetic Algorithms简称GA)是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的全局优化搜索算法。它将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合，通过正确的编码机制和适应度函数的选择来操作称为染色体的二进制串l或0。引入了如繁殖交叉和变异等方法在所求解的问题空间上进行全局的并行的随机的搜索优化，朝全局最优方向收敛。基于遗传算法温控系统的设计就是将传感器得到的温度信号放大，数字化后送入计算机，计算机将其与给定温度进行比较，用遗传算法来优化3个PID参数，然后将控制量输出。具体实现：将3个PID参数串接在一起构成一个完整的染色体，从而构成遗传空间中的个体，通过繁殖交叉和变异遗传操作生成新一代群体，经过多次搜索获得最大适应度值的个体即所求。在硬件上可采用单片机控制，具有调试方便，温控精度高，抗干扰性强等优点；在软件上可采用遗传算法对PID参数进行优化控制，具有很高的稳定度，温控精度高。综上所述，无论是神经网络、模糊控制还是遗传算法，都属于人工智能领域，同PID结合以调节PID参数，适应温控系统非线性、干扰多、大时延、时变和热分布不均匀的特点。神经网络采用自适应的方法，具有很强的鲁棒性，动态响应快，缺点是容易陷入局部最优，采用遗传算法来训练神经网络可以实现结构与参数的快速全局寻优。模糊控制适应大惯性和纯延滞后系统，不需要知道系统的精确信息，神经网络结合，能向自适应的方向发展。总之，实现温控系统的参数自调整，将线控制与非线性相结合，使温度能满足用户的需要是温控系统的最终目的。在实际应用中，应该根据具体的应用场合、不同的加热对象和所要求的控制曲线和控制精度，选择不同的系统方法。本系统研究的对象是10吨中型铝箔退火炉，其炉体的数学模型是不能精确建立的，而模糊控制不需要知道对象的精确数学模型，它依据一些由人们总结出来的描述各种因素之间相互关系的模糊性语言经验规则，并将这些经验规则上升为简单的数值运算，便于让机器代替人在相应问题面前具体地实现这些规则。模糊技术不仅能处理精确信息，也能处理模糊信息或其它不明确信息，能实现精确性联想及映射：神经网络具有自学习能力和大规模并行处理能力，在认知处理、模式识别方面有很强的优势，但是其结构难以确定，训练样本要求多且准确，训练周期长，且不能提供一个明确的用于网络知识表达的框架。通过分析系统的特点和比较各控制算法的优劣，本系统拟采用参数自整定模糊PID控制算法算法，利用技术人员丰富的工作经验和大量的现场数据归纳模糊规则，建立智能的、较完善模糊控制器，在控制算法上完善对系统的控制。2.2工业过程控制系统应用发展 2.2.1工业过程控制系统的发展 工业过程控制作为自动化技术的应用，其发展历史可以追溯到古代，但至 于在工业上的应用只能从上个世纪20年代算起。过程控制大约经历了以下四个发展阶段14。 (1)上个世纪60年代以前，单元组合式仪表出现，气动单元组合仪表(QDZ) 和电动单元组合仪表(DDZ)成为当时控制仪表的主流 (2)上个世纪60年代，微型计算机的出现，给过程控制带来了重大突破，数字计算机进入到了工业控制领域，产生了第一代计算机控制系统：计算机集中控制系统CCS(Concentrated Control System)，它取代了传统的模拟仪表，从而能 够使用更为先进的控制技术，使过程控制发生了质的飞跃，但由于CCS控制直接 面向被控对象，并未形成控制网络体系，集中了控制的同时也集中了危险。 (3)第二代计算机控制系统是七十年代出现的分级计算机控制系统。七十年 代中期出现的分散型控制系统DCS(也称集散控制系统)也属于分级计算机控制 系统。典型的DCS可分为操作站级、过程控制级和现场仪表三级。这种控制系统的特点是“集中管理，分散控制”。 其基本控制功能在过程控制级中，工作站级的主要作用是监督管理。分散控制使得系统由于某个局部的不可靠而造成对整个系统的损害降到很低的程度，加之各种软硬件技术不断走向成熟，极大地提高了整个系统的可靠性，因而迅速成为工业自动控制系统的主流。 然而DCS的缺点也是十分明显的。其原因，是它是一种数字一模拟混合 系统，DCS的现场仪表(变送器和执行器)仍然使用传统的模拟仪表，以420mA 电流传递控制信号。这带来一系列问题：信号传输可靠性差(与数字通讯相比)， 成本高(每个信号需一条专用信号线，且需要安全栅或隔离电路)。必备的数- 模、模数转换环节既难保证系统精度，也增加了成本；足互换性差。各厂家 的DCS自成标准，不能互换，这增加了使用者在使用和维修上的困难；是价格昂贵。大中型DCS系统动辄上百万美元，使广大中小企业望而却步。 (4)由于微处理器技术和通讯技术的发展，从80年代中期，即出现了很多带 有微处理器的智能化现场仪表，从此萌发了现场总线的思想。现场总线控制系统 (FieldbusControl System，以下简称FCS)15是正在兴起的一种基于现场总线技术 的计算机控制系统，ICE(国际电工委员会)对现场总线（Fieldbus）的定义是“它安装在制造和过程区域的现场装置于自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线”31 FCS基于现场总线技术。现场总线是用于现场仪表与控制系统之间的一种全 分散、全数字化，智能、双向互联、多交量，多点、多站的通信网络系统。具有 可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快，系统安全，造价低廉，维护 成本低等特点。现场总线技术使现场级设备的信息作为整个企业信息网的基础， 提高了控制系统的信息处理能力和运行可靠性，节省了系统的硬件和布线费用， 方便了用户对系统的组态、管理和维护16。2.2.2现场总线PROFIBUS 现场总线作为一门新兴的控制技术，目前正处于发展阶段，技术还不成熟。当前在国际上有影响的现场总线标准很多(单是1999年IEC（国际电工委员会）投票通过的现场总线国际标准IEC61158就有八种)17。其中PFOFIBUS（德国西门子公司支持）就是八种协议之一。该协议已在2001年被定为我国的国家标准JB/T10308.8-2001。PFOFIBUS在1999年12月IEC61156中被称为是Type3，PFOFIBUS的基本部分是PROFIBUS-V0。在2002年新版的IEC61156增加了PROFIBUS-V1 、PROFIBUS-V2和RS-485IS等内容。 ISO/OSI通信标准由七层组成，并分两类。一类是面向用户的第五层到第七层，另一类是面向网络的第一到第四层。第一层描述了数据从一个地方传输到另一个地方，第五层到第七层给用户提供适当的方式访问网络系统。PFOFIBUS协议使用了ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层。从用户角度看，PFOFIBUS提供了三种通信协议类型：PFOFIBUS-FMS、PFOFIBUS-DP、 PFOFIBUS-PA，其中PFOFIBUS-DP使用了第一层、第二层，这种精简的结构特别适用数据的高速传送，它用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O（例如ET200）的通信。主站之间的通信为令牌方式，主站与从站之间为主从方式，以及这两种方式的结合。2.2.3现场总线在PLC上的实现 可编程控制器PLC，它的应用面广，功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用。 国际电工委员会(ICE)于1985年对可编程控制器作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程”可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计 PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量，高速度、易使用，高性能方向发展。其中一个重要的方向就是与现场总线的结合。 现场总线I/O集检测、数据处理、通信为一体，可以代替变送器、调节器、 记录仪等模拟仪表。它不需要框架、机柜，可以直接安装在现场导轨槽上。现场 总线I/O的接线极为简单，只需一根电缆，从主机开始沿数据链从一个现场总 线I/O连接到下一个现场总线I/O。使用现场总线后自控系统的配线、安装，调试和维护等方面的费用可以节约23左右，现场总线I/O与PLC相结合可以组成功能强大的、廉价的DCS系统。 现场总线控制系统将DCS的控制站功能分散给现场控制设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动化控制的基本功能。现在功能强大的PLC也配有和现场总线联网的模块，使之可以就近挂接到现场总线上。 西门子S7-300400有很强的通信功能，CPU模块集成有MPI和DP通信接口，有PROFIBUSDP和工业以太网的通信模块。通过PROFIBUS-DP或ASi现场总线，CPU与分布式I/O模块之间可以周期性地自动交换数据。在自动化系统之间，PLC与计算机和HMI(人机接口)站之间，均可交换数据18。3 课题的研究工作3.1课题研究工作的内容3.1.1退火炉控制系统的硬件系统设计 该控制系统工作于环境恶劣、干扰强、温度偏高的工业现场，控制系统的高可靠性是该系统能够稳定工作的基础。本文根据系统的控制方式及现场工艺要求，采用西门子s7-00作主控制器，设计内容包括12支加热控制、炉门开动与关闭、压紧与松动、安全销的控制、循环风机高低速控制、吹组态洗风机的变频控制，热电偶的温度采集等子系统组成的PLC控制系统27。硬件系统图3.1.1-1所示 图3.1.1-1温度控制硬件系统图(1)控制系统总体说明 10吨退火炉由12支卡口式电阻加热器，1台循环风机，1台吹洗风机，炉门升降、压紧、安全插销机构、2支热电偶、送料小车等控制部位构成。全炉共1个加热区。采用电加热方式，在两侧墙与垂直导流板之间共装有12支卡口式电阻加热器，均布在炉子两侧，单支加热器的功率为30KW，通过晶闸管模块进行控制、PLC系统对加热状态进行实时监控。炉子退火周期大致分为升温(包括吹洗)，差温加热，比例控制，保温和冷却五个阶段。控制采用程控器进行控制，同时控制柜上装有智能仪表作为备用，一旦程控器出现故障，可以用智能仪表完成退火过程。 循环风机、吹洗风机和负压风机采用变频器控制，两支热电偶用于炉温、料温采集，循环风机冷却水压与水温设计超限保护与报警，退火阶段有灯光指示、故障指示与报警。退火炉的工作过程及各控制点动作如下：1.将待退火的铝卷及料架，用天车掉放在炉外放有料架的装出料车上。2.切断已升到规定温度的加热器，关闭循环风机和吹洗风机，然后松开压紧炉门的气缸，打开炉门并锁紧安全销。3.启动装出料车传动机构，将装好炉料的小车送入炉内，小车到位后，取下推杆，停在炉外的合适位置。4.脱开安全销，降下炉门。然后压紧炉门使之有良好密封。5.循环风机低速启动（用变频器改变速度高、低），待稳定后接通加热器及吹洗系统，按“炉料的工艺要求”升温。如要求快速升温，缩短退火周期，可当炉温高于220后，将循环风机由低速升为高速运行。6.在炉子升温过程中，炉内将有油气产生，如要求正常除油，应把吹洗管路上的手动蝶阀和炉后的膜盒压力表打开，此时通过吹洗系统向炉内补充新鲜空气，以排出污染的炉气。在升温的“差温加热阶段”，开始炉料温度和炉气温度之差较大，炉子的热工过程由炉气温度进行控制。随着炉料温度的升高，两者之差变小，当料温达到一定值时，信号显示炉子转入比例控制阶段，在此期间，炉温和炉料将按一定比例变化（料温升、炉温降）炉子的热工过程转为由料温进行控制。当料温、炉温均达到给定值时系统转入保温阶段，以减少炉料本身表面和心部的温差。在上述各阶段，PLC系统可随时显示各种参数，整个操作过程既可按PLC程序自动进行，也可转换为手动控制，保温终了时发出声光信号，准备出炉或降温。7.对于有特殊要求的铝合金并要求控制降温，可用变频器调节吹洗风机的风量和风压，循环风机开低速，在炉内降温，必要时，加热器还应投入工作。8.冷却器降温工序完成后，停循环风机和吹洗风机，松开压紧气缸，打开炉门并插入安全销。启动装出料机构，把料拉出炉外。退回安全销，立即关上炉门，并压紧密封，重新启动循环风机和吹洗系统。把料车上退完火的料用天车吊走，重新装料。这就是第一炉次退火的全过程，下一炉次的过程同上。 (2)SEMENS PLC系统设计S7300是SIMATIC控制器中销售量最多的一代自动控制系统，具有可靠性高、体积小、 扩展方便，使用灵活、可以高效率的组态和编程它是模块化中型PLC系统，能满足中等性能要求的应用19。尤其是其良好的性价比，使之得到广泛的应用。与ORMON公司的C200HG，三菱公司的ANS系列等中型PLC相比较， S7-300具有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力，STEP7结构化编程将复杂的的任务分解为一系列小任务，简化了编程难度。 由于在企业现场退火炉炉体与控制室之间有大约25米的距离，因此本系统选用了带从站功能的CPU 315-2 DP。在从站ET200M中配置了：开关量输入模块和输出模块，用来控制炉门的升降、炉门气缸的动作、炉门安全销的动作、 料车的开动,炉体上各种仪表和传感器的检测等等：模拟量输入模块，用来采集的炉气温度和铝箔温度从站的使用一方面可以减少炉体和控制柜问电缆的使用，另一方面能够避免温度模拟量信号在长距离传输过程中的干扰损失。 根据系统要求，确定输入开关量、输出开关量、输入模拟量、输出模拟量的总控制点数，以及所需电流容量来配置PLC系统19，其结构框图见图3.1.1-2。 SIMTAC S7-300主站： 1电源模块：选用PS30710A； 2中央处理模块(CPU)：选用CPU315-2DP： 3数字量输入模块(DI)：SM321(D132XDC24V)，共两块(32点块)，处理64点输入信号； 4，数字量输出模块(DO)：SM322(D08REL)，共两块(8点块)，处理16点输出信号； 5数字量输出模块(D0)：SM322(D016XREL)，共一块(16点块)，处理16点输出信号： 6模拟量输出模块(AO)：选用SM332(A04X 12bit)，共一块(4点块)， 处理8点输出信号； 7以太网模块：选用CP343-1一块。 SMATICPLC从站： 1电源模块：选用PS3075A； 2总线接口模块：IMl531； 3数字量输入模块(DI)：SM321(D132XDC24V)，共一块(32点块)， 处理64点输入信号； 4数字量输出模块(DO)：SM322(DOl6REL)，共一块(16点块)， 处理16点输出信号； 5模拟量输入模块(A0)：选用SM331(A1812bit)，共一块(8点块)， 处理8点输入信号。 3.1.2加热系统设计 加热器供电及控制系统：10吨铝箔退火炉有12 根卡口式加热器。由于铝箔退火工艺的要求，我们将加热器分为两组，用晶闸管模块单独控制。而晶闸管模块对加热器的控制又是通过PLC的模拟量输出模块控制周波控制器、触发器来实现的。当PLC出现故障，可以用智能仪表来控制28。晶闸管模块的输入控制方式有两种：周期过零式(PWM占空比控制)和周波过零式(CYC变周期)。 1PWM输出：在固定的时间内，改变通断比例。例如：500时，负载电流为固定的时间内通一半断一半 2CYC输出：负载电流将按正弦波均匀分布，例如：50时，负载电流通一个断一个 本加热系统设计采用先进的周波过零式方式。由于负载电流的通断是按正弦波均匀分布，多台设备运行的随机性和叠加性，所造成的总动力负载电流相对是均衡的，它能够提高调节精度和电源利用效率以及可以避免打表针和电力设备增容，节电效果十分明显。 3.1.3风机控制系统设计 铝箔退火炉风机系统是保证退火炉温度均匀性和铝箔退火质量的重要因素，包括以下三个部分： 1循环风机，它们通过ABB公司的ACS510系列变频器进行控制，以完成循环风机的启动和停止、正转和反转、高速和低速。循环风机的正常运行可以使炉内气流均匀，减小炉内温差。 2吹洗系统，由PLC通过工业局域网对变频器进行远程控制，从而实现吹洗风机的无极调速，该风机可向炉内鼓入新鲜空气，以提高炉内压力，使炉膛内压力维持在300Pa左右。这个系统不仅能满足排气及安全的要求，而且还有利于产品均热速度，保证炉温均匀度。 3.1.4温度采集系统设计 温度采集系统足温度控制系统的关键环节，只有保证了采集的炉温的精确，才能保证温度控制的精度。本控制系统采用的是K型热电偶来采集退火炉炉气温度和铝箔温度。热电偶将采集的模拟量信号送入PLC从站的模拟量输入模块，再通过PROFIBUS-DP网络传输到PLC主站，然后经过编程将模拟量值转换为对应的温度数值203.2退火炉控制系统的软件设计 3.2.1软件设计思想 我们在设计软件时使整个退火炉温度控制系统实现操作方便、运行可靠、 控温精确、信息量丰富。本系统设计能够保存15种退火工艺的PLC背景数据，可方便地调用，并可对其修改保存。精确地采集炉内温度，采用PID闭环控制，跟踪期望温度曲线实时调节控制，能够保证控温的高精度。操作人员可以方便的在触摸屏上观察到退火过程炉子的运行情况，及时采取相应的措施。 3.2.2软件设计内容 退火炉计算机监控系统的软件设汁包括两个部分：PLC监控软件和触摸 屏人机操作界面软件22。主要有以下几个方面的内容： (1)状态显示功能 炉气的测量温度和退火铝箔的测量温度 退火工艺阶段程序开始运行和结束时的时间 循环风机、吹洗风机运行状态 炉气温度的期望值和工艺曲线 退火金属温度曲线，炉气温度曲线 电动阀状态、输出导通率显示、报警指标 PLC控制状态炉门的压紧、安全销的开动状态电加热器触发器的导率正在运行段号段温控方式段运行时间(2)控制功能 炉气温度控制 自动转换定温 自动转换控制目标(料温、炉温) 循环风机的启动、停止、正反转、点动换向 吹洗风机和负压风机的启、停和转速控制 炉门系统的动作 (3)报警功能(声光) 断偶 炉气超温、退火金属温度超温 循环风机冷却水欠压 循环风机停 晶闸管超温 退火结束(4)其它 在线修改退火工艺参数 系统硬件、软件预留上位管理机通讯功能 电气联锁保护 热电偶校正功能、PIED参数自整定 实现各区同步升温 差温比例控制 定时定温控制 3.2.3软件设计方法 STEP7为设计程序提供了三种方法，即线性化编程、模块化编程和结构化 编程唧基于这些方法特点，选择结构化编程23 。结构化程序把过程要求的类似或相关的功能进行分类，并试图提供可以用于几个任务的通用解决方案。向指令块提供有关信息(以参数形式)，结构化程序能够重复利用这些通用模块。 不需要重复这些指令，然后对不同的设备代入不同的地址，可以在一个块中写程序，用程序把参数(例如：要操作的设备或数据的地址)传给程序块。这样，可以写一个通用模块，更多的设备或过程可以使用此模块。当使用结构化编程方法时，需要管理程序存储和使用数据。 由以上的分析可以看出对于复杂的控制系统结构化编程是最好的选择，结构化的软件设计为软件工程提供了一种高效的、可维护的系统，具有如下的优势：软件系统易于开发、维护、修改；代码的可重复性调用减小了软件设计的复杂性；独立的模块设计易于分工合作。 在STEP7软件中，结构化的用户程序是以“模块”的形式实现的。模块是由边界元素限定的相邻的程序元素的序列，而且有一个总体标识符来代表它。模块化就是把程序划分成独立命名且可独立访问的模块，每个模块完成1个子功能，把这些模块集成起来构成一个整体，可以完成指定的功能，满足用户需求。在STEP7中主要有以下两种类型的块： 1用户块：用户块包括程序代码和用户数据。在结构化程序中，一些块循环调用处理，一些块在需要时才调用。用户块包含以下的几种类型：组织块(OB)：OB块构成了s7 CPU和用户程序的接口；功能块(FB)：功能块是在逻辑操作块内的功能或功能组，在操作块内分配有存储器，并存储有变量；功能(Fc)：功能足类似于功能块的逻辑操作块，但是，其中不分配存储区；数据块(DB)：数据块是一个永久分配的区域，其中保存其他功能的数据或信息。 2系统块：系统块是在CPU操作系统中预先定义好的功能和功能块。这些块不占用用户程序空间。系统块包含以下的几种类型：系统功能块(SFC)：系统功能集成在S7 CPU中的已经编程并调试过的功能。这些块支持的一些任务是设置模块参数、数据通讯和拷贝功能等，SFC不需要分配数据块；系统功能块 (SFB)：系统功能块是S7 CPU的集成功能。由于SFB是操作系统的一部分，用户程序可以不用装载直接调用SFB。SFB需要分配背景数据块DB。 3.3课题研究工作的技术关键3.3.1退火炉温度自整定模糊PID控制模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式以及模糊逻辑理论为基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统32。模糊控制原理如图3.3.1-1所模糊控制器： 图3.3.1-1模糊控制原理图电加热退火炉是一个复杂的受控对象，具有多参数、非线性、时变性、纯滞后、多干扰等特点，对其进行精确的数学建模非常困难，模糊控制不需要被控对象的精确数学模型，并且可以引入专家经验，因此，可以较好地解决退火炉的温度控制问题。但由于单独使用模糊控制不易消除稳态误差，且对控制器运算性能要求较高，而PID算法简单又可以较好地消除稳态误差，因此本文将模糊控制与PID控制结合，利用模糊控制实时修正P1D参数，提高了系统的控制精度和鲁棒性，其控制原理如图3.3.1-2所示， 图3.3.1-2自整定模糊PID控制结构原理图该方法实质是根据操作经验与模糊理论，在线自整定PID控制器的3个基本控制参数，输出控制变量；该控制器具备自适应性。若再对ec求导并将其作为控制输入量，则变为三维模糊控制器。分析可得，模糊控制器维数越高，控制精度固然越高，但控制规则必然越复杂，基于模糊合成推理的控制算法的计算机实现也越困难。由于三维模糊控制器结构较复杂，推理运算时间长，因此本文采用图3.3.1-2所示的二维结构 24。 3.3.2控制系统的网络通信在FCS（现场总线控制系统）的结构基础上，研究以PROFIBUS-DP和MODBUS为通讯协议方式的串行通信相结合的两级控制系统25。完成以下两方面内容：退火炉控制系统工业局域网的结构及硬件配置；通过工业网络实现PLC对变频器控制和与智能仪表的数据通信26。S7-300主站ET200从站PB-B-MODBUS协议桥触摸屏变频器1变频器2智能仪表MODBU从站3MODBUS从站1MODBUS从站2MODBUS主站PROFIBUS-DP从站3PROFIBUS-