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西門(mén)子S7-300 PLC在包裝機(jī)同步控制系統(tǒng)中的模糊PID控制

    由于該包裝機(jī)生產(chǎn)線比較復(fù)雜，切刀、凸輪等不規(guī)則器件比較多。所以每次停車這些器件所處的位置都不一樣。從而導(dǎo)致再次開(kāi)車時(shí)的負(fù)載不盡相同。例如停機(jī)停在切刀的刀口處時(shí)，開(kāi)機(jī)時(shí)的負(fù)載就比平時(shí)大，反之則小。而通常的PID控制算法針對(duì)恒負(fù)載對(duì)象，其參數(shù)一旦整定好就固定不變。對(duì)于這條生產(chǎn)線，若采用傳統(tǒng)PID控制器就難以滿足工藝要求，而且整定出的參數(shù)只能是針對(duì)包裝機(jī)某次停車時(shí)的負(fù)載，并不能使得全局。為此，通過(guò)反復(fù)摸索和試驗(yàn)，采用模糊控制技術(shù)與PID控制相結(jié)合的控制思想（即所謂的模糊PID控制算法），用于對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確控制，收到比較滿意的控制效果。

模糊PID控制器是一種在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊集合理論建立參數(shù)并通過(guò)查表的方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同的誤差和誤差變化率在線調(diào)整比例、積分和微分系數(shù)，使其根據(jù)對(duì)象的變化而變化以滿足工業(yè)控制的要求。由于模糊PID可以根據(jù)實(shí)際被控對(duì)象的變化，通過(guò)其規(guī)則庫(kù)不斷地自動(dòng)整定PID參數(shù)，因此可以解決本套設(shè)備負(fù)載變化較大的問(wèn)題。為此選用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器與變頻器形成閉環(huán)控制，PLC通過(guò)PROFIBUS-DP總線從變頻器速度通信口上讀取實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與給定轉(zhuǎn)速比較產(chǎn)生誤差|e|，誤差變化率|ec|，模糊推理機(jī)通過(guò)誤差和誤差變化率得出新的比例、積分和微分系數(shù)，再經(jīng)過(guò)PROFIBUS-DP修改變頻器的PID參數(shù)以實(shí)現(xiàn)模糊PID控制。

    對(duì)于模糊控制規(guī)則的制定，需要以實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，對(duì)于不同的|e|和|ec|，被控對(duì)象對(duì)參數(shù)Kp、Ki和Kd有不同的要求。

根據(jù)實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)得出的、不同負(fù)載下的PID參數(shù)為依據(jù)，建立數(shù)據(jù)塊(DBl)，PLC通過(guò)查表的方式，根據(jù)模糊化后的不同的誤差和誤差變化率：按照規(guī)則If |e| is A and|ec| is B，then Kpis c，Kiis D，Kd isE（其中A和B為實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的比較值，C、D、E為新的PID參數(shù)）。從DB1中找出新負(fù)載下的PID參數(shù)。通過(guò)西門(mén)子功能塊SFC 15 DPWR-DAT（寫(xiě)參數(shù)功能塊），將整定后的PID參數(shù)寫(xiě)入到變頻器中，達(dá)到優(yōu)化控制，滿足工業(yè)要求。其流程如圖7-21所示。

圖7-21  模糊算法流程圖

    在該系統(tǒng)中，由于控制精度要求較高。因此電動(dòng)機(jī)速度必須從通信口給定，這樣控制精度可以達(dá)到兩萬(wàn)分之一，選用PROFIBUS-DP作為通信媒介。

    以糊口操作臺(tái)為主站，印刷操作臺(tái)、5臺(tái)變頻器為從站，分別設(shè)置不同的站地址，使得PLC和變頻器、操作臺(tái)之間建立主、從關(guān)系。由于CPU313C-2DP有自帶的DP通信口，因此觸摸面板可以通過(guò)PROFIBUS-DP與PLC進(jìn)行通信，即從觸摸面板輸入工藝參數(shù)，由TP270B經(jīng)過(guò)MPI口傳遞給PLC，PLC經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，通過(guò)PROFIBUS-DP將數(shù)據(jù)發(fā)送給各個(gè)變頻器來(lái)控制各電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。PLC再?gòu)淖冾l器、溫度變送器等采集有關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算傳給TP270B進(jìn)行顯示。

電源控制程序不在工藝控制程序中調(diào)用，和工藝控制程序一樣，通過(guò)在監(jiān)控畫(huà)面中任意對(duì)象“屬性”一“幾何”處組態(tài)C動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)電源的控制，該動(dòng)作調(diào)用編寫(xiě)好的電源控制項(xiàng)目函數(shù)并由圖7-17所示的“調(diào)節(jié)電流”信號(hào)觸發(fā)。電源也可以單獨(dú)運(yùn)行，在“手動(dòng)”狀態(tài)下工人可以在監(jiān)控界面中輸入電流設(shè)定值，并單擊“電流調(diào)節(jié)”按鈕，就可以實(shí)現(xiàn)電源單獨(dú)控制。電源控制的關(guān)鍵是要大幅度減小因電源電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣性引起的電流超調(diào)、提高控制精度，通過(guò)采集該電源電流全程輸出過(guò)程中的電流特性曲線得知，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程呈現(xiàn)非線性特性，如直接采用直線函數(shù)近似全過(guò)程，輸出電流的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工藝的要求，為此采用分段線性控制策略，在每一個(gè)線性段內(nèi)電源電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)近似勻速且在該段內(nèi)由電動(dòng)機(jī)慣性引起的電流超調(diào)值近似相等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以采集每個(gè)段內(nèi)的電流超調(diào)值，這樣就可以計(jì)算出精確的電流調(diào)制時(shí)間，利用時(shí)間的控制實(shí)現(xiàn)電流的精確控制。由采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出的5個(gè)分段點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如表7-5所示，其中t(i)表示電流從0上升到Y(i)時(shí)的時(shí)間。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以采集到每個(gè)近似線性段內(nèi)的電流超調(diào)量，這里記為Y(i)。

表7-5分段線性段點(diǎn)記錄

在電流上升調(diào)節(jié)的過(guò)程中，首先判斷電流設(shè)定值Ys所在的分段區(qū)間(y(i)，Y(i+1)），從理論上說(shuō)，電流調(diào)節(jié)時(shí)間t等于設(shè)定值YS所在區(qū)間的低段點(diǎn)的時(shí)間值t(i)加上分段區(qū)間內(nèi)按線性模型計(jì)算出的時(shí)間，再減去電流從0上升至當(dāng)前電流值Ye所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，考慮到電源電動(dòng)機(jī)的慣性，實(shí)際調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)將設(shè)定值減去超調(diào)值(即Ys= Ys- Y(i)），由此確定的電流上升過(guò)程分段線性脈寬模型為：

式中  t(k)——當(dāng)前電流值Ye所在分段區(qū)間(y(k)，y(k+1))的低段點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值；

    △t(i)——設(shè)定電流值所在分段區(qū)間的時(shí)間差；

    △t(k)——當(dāng)前電流所在分段區(qū)間的時(shí)間差。

    對(duì)于電流下降過(guò)程也需要通過(guò)分析采集數(shù)據(jù)以建立同樣的模型。電源控制流程，如圖7-18所示。

本系統(tǒng)采用WinCC組態(tài)軟件和S7-300系列PLC作為恢復(fù)深孔電鍍系統(tǒng)自動(dòng)控制的工具，不僅縮短了工程的開(kāi)發(fā)和維護(hù)周期，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并節(jié)省了工程的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。系統(tǒng)投入運(yùn)行后大大減輕了工人的工作量且產(chǎn)品合格率高，受到用戶的好評(píng)。

  DP主站對(duì)分配給它的DP從站循環(huán)尋址，S7通信可能導(dǎo)致循環(huán)間隔的時(shí)間不同?？梢詥⒂?ldquo;具有恒定總線循環(huán)時(shí)間的總線循環(huán)”以取得相同的時(shí)間間隔，這樣就會(huì)確保以相同的（恒定總線循環(huán)時(shí)間）間隔來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

    在DP循環(huán)時(shí)間非常短的情況下，可能會(huì)出現(xiàn)用戶程序的運(yùn)行時(shí)間大于短循環(huán)的情況，在此情況下，必須手動(dòng)增加自動(dòng)計(jì)算出的DP循環(huán)時(shí)間。

  總線參數(shù)可控制總線上的傳輸操作，總線上每個(gè)設(shè)備的總線參數(shù)必須和其他設(shè)備的相同，PROFIBUS子網(wǎng)才能正常工作而不出現(xiàn)問(wèn)題。因此，只有在熟悉如何組態(tài)PROFIBUS總線配置文件時(shí)，才能更改總線配置文件中參數(shù)的默認(rèn)值。

    (1)激活總線參數(shù)的周期性分配

    如果在“監(jiān)視”( Inspector)窗口中所選PROFIBUS子網(wǎng)的“總線參數(shù)”(Bus parame ters)下面勾選了復(fù)選框“激活總線參數(shù)的周期性分配”f Activate cyclical distribution of busparameters)，則支持此功能的模塊會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中周期性地發(fā)送總線參數(shù).

    激活總線參數(shù)的周期性分配可以為很多操作提供方便，例如，通過(guò)這種方式可更容易地在運(yùn)行期間將編程設(shè)備連接到PROFIBUS。但是，應(yīng)該在以下情況下禁用該功能：

    1) PROFIBUS子網(wǎng)處于恒定總線循環(huán)時(shí)間模式時(shí)（小化總線周期）。

    2)在PROFIBUS子網(wǎng)中連接了第三方設(shè)備，該子網(wǎng)的協(xié)議將DSAP 63( Destination Service Access Point)用于組播方式。

    (2) PROFIBUS子網(wǎng)總線配置文件的總線參數(shù)

    PROFIBUS子網(wǎng)總線配置文件的總線參數(shù)以及參數(shù)的取值范圍見(jiàn)表7-9。

    (3)用戶自定義總線配置文件

    可使用以下設(shè)置創(chuàng)建用戶自定義的總線配置文件：

    1)小目標(biāo)輪詢時(shí)間( Ttr)=5000x HSA（主動(dòng)設(shè)備的高PROFIBUS地址）。

    2)小看門(mén)狗( Watchdog)=6250x HAS

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