PC—based電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李建強(qiáng)

摘 要：針對(duì)加熱爐溫度控制的這一難點(diǎn)，構(gòu)建了PC-based溫度智能控制系統(tǒng)的新型機(jī)構(gòu)，提出了PID控制與BANG-BANG控制相結(jié)合的策略（該策略克服了單獨(dú)用常規(guī)PID控制溫度時(shí)穩(wěn)定時(shí)間長和單獨(dú)用BANG-BANG控制時(shí)超調(diào)量過大的缺點(diǎn)），并給出了系統(tǒng)、有效的解決方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電加熱爐溫度系統(tǒng)的有效控制。

關(guān)鍵詞：PC-based控制系統(tǒng)；BANG-BANG；加熱爐；控制方案

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.23.006

1 PC-based控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

PC-based控制系統(tǒng)就是基于PC機(jī)配合的一個(gè)穩(wěn)定、可靠的操作系統(tǒng)（例如Microsoft的WindowsNT），是一套由不同廠家開發(fā)的基于PC的控制軟件加上一些必要的I/O硬件設(shè)備組成的控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的控制方案相比，基于PC的控制系統(tǒng)是一種開放式的控制系統(tǒng)，它更便于控制系統(tǒng)與工廠管理系統(tǒng)之間的連接，能夠把實(shí)時(shí)邏輯控制、連續(xù)生產(chǎn)過程和批量生產(chǎn)過程控制、運(yùn)動(dòng)控制、可視化操作、信息分析、系統(tǒng)診斷等功能集成到一個(gè)緊湊的軟件包中，并能完成一些PLC難以勝任的工作。PC-based測(cè)控技術(shù)就是使用PC來采集數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和打印報(bào)表等，同時(shí)向采集數(shù)據(jù)的執(zhí)行設(shè)備輸出控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備或整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本溫控系統(tǒng)是由組態(tài)王6.53軟件、工控機(jī)、PCI1711數(shù)據(jù)采集卡、智能儀表（電能采集模塊EDA9033E）、可控硅調(diào)壓模塊和熱電阻一體化溫度變送器等組成，用于某生產(chǎn)線上的電爐（熔化爐）控制?？刂圃頌椋河梢惑w化熱電偶溫度變送器采集并轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，通過PCI1711數(shù)據(jù)采集卡傳送到工控機(jī)；工控機(jī)通過組態(tài)王軟件里已經(jīng)設(shè)計(jì)好的相關(guān)控制程序計(jì)算，然后選擇PID或BANG-BANG調(diào)節(jié)輸出信號(hào)；輸出信號(hào)通過PCI1711數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換后傳送到可控硅調(diào)壓模塊，最終通過可控硅調(diào)壓模塊來調(diào)節(jié)電加熱爐的供電，從而達(dá)到控制溫度的目的。EDA9033E在整個(gè)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)相關(guān)電量參數(shù)的采集。系統(tǒng)控制原理如圖1所示。

如果一個(gè)系統(tǒng)有實(shí)時(shí)性要好、系統(tǒng)要穩(wěn)定、控制精度要求高這幾個(gè)要求，則可以將非線性的BANG-BANG控制和線性的PID控制相結(jié)合，這樣控制效果比較好。如果單采用線性的PID控制，雖然穩(wěn)態(tài)精度容易滿足，但過渡的時(shí)間比較長；如果單采用非線性的BANG-BANG控制，雖然能使過渡時(shí)間最短，但容易出現(xiàn)超調(diào)量過大的情況，而且在零點(diǎn)附近容易出現(xiàn)振蕩，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種變結(jié)構(gòu)的控制器，是由兩者有機(jī)結(jié)合而來，能夠使系統(tǒng)運(yùn)行起來既快又穩(wěn)。變結(jié)構(gòu)式的雙?？刂苹芈方Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

該變結(jié)構(gòu)控制器就是使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以在控制過程的各個(gè)瞬間，根據(jù)被控參數(shù)的變化分別選擇PID或BANG-BANG控制，從而將不同的結(jié)構(gòu)糅合在一起，取得比固定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)更加完善的性能指標(biāo)。據(jù)此，針對(duì)電爐的溫度控制，提出了一種將非線性的BANG-BANG控制與線性的控制結(jié)合的變結(jié)構(gòu)雙?？刂品椒ā?/p>

當(dāng)設(shè)定值（SP）與檢測(cè)值（PV）出現(xiàn)偏差時(shí)，由識(shí)別機(jī)構(gòu)根據(jù)不同的偏差來選擇不同的控制器——當(dāng)偏差大于或小于某個(gè)值的時(shí)候，采用非線性BANG-BANG控制；當(dāng)偏差在BANG-BANG控制范圍以外時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到線性的PID控制。

對(duì)于溫度控制，如果直接使用PID，就必須在快速性與穩(wěn)定性之間作出抉擇。但是如果事先了解對(duì)象的特性，然后選擇了合適的BANG-BANG控制，并結(jié)合PID，則可能有比較好的結(jié)果。

3 組態(tài)軟件介紹

組態(tài)軟件正在代替各種計(jì)算機(jī)語言的軟件開發(fā)，具體有以下六種功能：①數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理功能；②數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)顯示；③系統(tǒng)故障或事故報(bào)警；④現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)圖形功能，顯示現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程或?qū)崟r(shí)狀態(tài)；⑤自動(dòng)或檢索出報(bào)表的功能；⑥友好的人機(jī)界面。組態(tài)軟件在控制系統(tǒng)中的位置如圖3所示。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，雙?？刂凭蜁?huì)按上述命令語言進(jìn)行相應(yīng)的控制。

4 系統(tǒng)的硬件

4.1 電加熱爐

本系統(tǒng)采用的是工業(yè)用的周期式電阻加熱爐，電加熱爐直徑為1 m、高1.5 m，可加熱融化1.5 t金屬。電源為三相380 VAC，加熱功率為30 kW，整個(gè)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象是電加熱爐。電爐溫度要求控制在（250±5） ℃范圍之內(nèi)，并且超調(diào)量要小于5 ℃。

4.2 工控機(jī)

本系統(tǒng)所用的計(jì)算機(jī)要求能夠連續(xù)作業(yè)，即連續(xù)工作一年。因此，計(jì)算機(jī)必須具備以下特點(diǎn)：①機(jī)箱采用鋼結(jié)構(gòu)，有較好的防磁、防塵、防沖擊能力；②機(jī)箱內(nèi)有專用底板，底板上有PCI和ISA插槽；③機(jī)箱內(nèi)有專門的電源，電源有較強(qiáng)的抗干擾能力；④連續(xù)長時(shí)間工作能力強(qiáng)；⑤一般采用便于安裝的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱。

4.3 PCI1711數(shù)據(jù)采集卡

本系統(tǒng)采用的PCI1711數(shù)據(jù)采集卡是一款功能強(qiáng)大、成本低、多功能的PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，12位16路單端輸入，采樣率可達(dá)100 kS/s，還有2路模擬量輸出通道，板載1 K采樣FIFO緩沖器，每個(gè)輸入通道的增益可編程自動(dòng)通道/增益掃描。本系統(tǒng)采用的組態(tài)王6.53軟件已具有PCI1711卡的驅(qū)動(dòng)，直接選用即可。

4.4 EDA9033E三相電量參數(shù)采集模塊

本系統(tǒng)采用的EDA9033E模塊是一個(gè)智能的三相電參數(shù)數(shù)據(jù)綜合采集模塊，能測(cè)量三相三線制或三相四線制交流電路中的三相電流、三相電壓（真有效值）、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、正反向有功電度和正反向無功電度等電參數(shù)；能替代過去的電流、電壓、功率、功率因數(shù)、電量等一系列變送器和測(cè)量這些變送器標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)的模入模塊，可大大降低系統(tǒng)成本，方便現(xiàn)場(chǎng)布線，提高系統(tǒng)的可靠性。此外，該模塊的485總線輸出與兼容于PCI1711卡、ADAM等模塊的ASCII碼指令集使其可與其他廠家的控制模塊掛在同一485總線上，方便了計(jì)算機(jī)編程和對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)建。

4.5 一體化熱電偶溫度變送器

本系統(tǒng)采用的一體化熱電偶溫度變送器是熱電阻溫度傳感器與變送器的完美結(jié)合，能用十分簡(jiǎn)便的方式把-200～600 ℃范圍內(nèi)的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為二線制4～20 mA DC的電信號(hào)傳給工作儀表，然后工作儀表顯示出所對(duì)應(yīng)的溫度值。

4.6 可控硅調(diào)壓模塊

本系統(tǒng)采用的可控硅調(diào)壓模塊AIJK3是一種以可控硅（電力電子功率器件）為基礎(chǔ)、以智能數(shù)字控制電路為核心的電源功率控制電器。其工作原理是交流調(diào)壓電路輸入的是交流電壓，而輸出電壓波形是交流電源電壓波形的一部分，并且是可調(diào)的，這樣輸出電壓的有效值就是可調(diào)的。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種PC-based電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)λ?guī)定的溫度參數(shù)進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)中，我們力求整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、容易掌握、達(dá)到控制要求，并具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能完善、性價(jià)比較高等優(yōu)點(diǎn)。

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〔編輯：王霞〕

Abstract： I build the new type of temperature intelligent control system， in which we use the method of PID and BANG-BANG are joined together（it overcomes the problem of long time in control system with PID， and the large over short with BANG-BANG）， giving to the effective plan to resolve the shorts at last.

Key words： PC- based control system； PID； BANG-BANG； heating furnace； control scheme