基于地鐵盾構管片生產蒸養工序的智能控制系統設計

中國電建集團鐵路建設公司 姜永濤

中國水利水電第十三工程局有限公司 郝永旺

中國電建集團鐵路建設公司 曹玉新

蘭州交通大學 孫立軍 魏文軍

基于地鐵盾構管片生產蒸養工序的智能控制系統設計

中國電建集團鐵路建設公司 姜永濤

中國水利水電第十三工程局有限公司 郝永旺

中國電建集團鐵路建設公司 曹玉新

蘭州交通大學 孫立軍 魏文軍

蒸養工序的智能控制系統采用Wincc組態軟件、西門子S7-200smart PLC和OPC（Object Linking and Embedding for Process Control，用于過程控制的OLE）通信技術，構成了集檢測、記錄、報警、控制等功能于一體的閉環控制系統。重點介紹了控制系統組織架構、滯后系統的控制算法、C語言在Wincc組態技術中的應用以及OPC通信技術。經調試運行，系統的可靠性和測控精度都達到設計要求。

Wincc組態；過程控制；OPC通信；閉環控制

The steaming process intelligent control system adopts wincc’s configuration software，the siemens s7-200smart PLC and the OPC(Object Linking and Embedding for Process Control) Communication Technique. The closed Loop Control System has all the functions of Detection，recording，alarm and control.This paper emphatically introduces the control system’s framework，the control algorithm for control systems with large delay，the application of C language in wincc configuration technology and the OPC communication technology. After debugged，system work reliability and precision can meet actual demand.

Wincc configuration；process control；OPC communication；closed-loop control

1.引言

蒸養工藝是盾構水凝土管片生產過程中非常重要的工藝。在該工藝過程中需要嚴格控制蒸養室內的溫度和濕度。蒸養室體積龐大，結構復雜，各室體和外部環境之間不斷進行能量交換，控制過程極為復雜，在蒸養過程中，存在滯后大、模型階次高、動態響應慢、非線性嚴重及控制變量多等特點。因此，對設計實用合理的控制方案是極為重要的，而PLC的可靠性高、編程簡單且易于維護，可以廣泛應用于各種控制系統，wincc可以與西門子PLC完美結合，實現全程操作監控[1]。本控制系統采用西門子S7-200smart 可編程控制器進行控制，人機交互系統采用Wincc組態軟件實現。

圖1 智能蒸養控制系統組織結構圖

2.系統架構

智能蒸養控制系統由5個部分組成，分別是可編程控制器、執行機構、檢測系統、報警系統、人機交互系統。系統組織結構圖如圖1所示。盾構管片在小車的作用下進入蒸養室，在蒸養室內緩緩向前移動，整個過程大約1個小時。可編程控制器是控制系統的核心，實時監測蒸養室內的溫度變化，并根據工藝要求控制執行機構調節溫度。可編程控制器是一種通用的自動控制裝置，它將傳統的繼電器控制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適宜長期連續工作的特點，非常適合高效溫室的控制要求[2.3]。如果有故障產生自動啟動報警系統，及時通知操作人員。可編程控制器和控制計算機之間通過以太網交換機連接。人機交互系統采用Wincc組態軟件實現溫度實時顯示、故障記錄、溫度變化曲線、歷史記錄、參數設置等功能。

3.大滯后系統的PID算法

常規PID控制系統結構圖如2所示：

圖2 PID控制系統結構圖

其增量型離散系統PID表達式為：

增量式算法提供了控制量的增量形式，所以被稱為數字PID增量型控制算式。增量式算法只需要保持三個時刻的偏差值。由于計算機控制系統采用恒定的采樣周期T，所以在確定了Kp、Ki、Kd之后，根據最近三次的偏差即可求出控制量的增量。

微分信號的引入可改善系統的動態特性，但也易引進高頻干擾，使蒸養室內溫度控制出現大的偏差，影響蒸養效果。為了克服上述缺點，本控制系統在微分部分引入一個一階慣性環節(低通濾波器)：，即得到不完全微分的PID控制算式。

令PID控制器的控制量為：

微分部分引入一階慣性環節得：

寫成微分方程為：

將(3)式離散化得：

在蒸養控制系統中，給定的溫度隨時間和地點的變化而變化，采用對微分部分增加一階慣性環節的方法，避免了由于給定值的變化引起的系統振蕩，改善了系統的動態性能。

4.C語音在Wincc組態設計中的應用

WinCC是一個實用且與SIMATIC產品無縫連接的組態軟件，其界面友好，功能強大，可以實現控制界面設計、硬件組態、變量管理、標簽歸檔、報警歸檔、打印歸檔與用戶管理等功能。

智能蒸養人機交互系統采用西門子的Wincc自動化監控軟件，Wincc提供了能夠使用標準C語言(ANSI-C)的語法規則所需要的程序。在對象的屬性或動作欄下均有C語言編輯器，在編輯器中列出C函數庫,分為項目函數,標準函數和內部函數3類。

以智能蒸氧控制系統中參數設置為例，說明C語言編程在W inCC中的應用。如圖3所示為升溫區的溫度設置。在參數設置過程中要求上限溫度不能低于下限和設定溫度，設定溫度要介于上限溫度和下限溫度之間，下限溫度要低于設定溫度和上限溫度。

圖3 智能蒸氧系統升溫區參數設置

步驟1：組態I/O域。為每個I/O域設置變量名、更新時刻以及域類型等參數。圖4所示為上限溫度I /O域組態對話框。當有數據變化時更新I /O域的顯示。

圖4 上限溫度I /O域組態對話框

步驟2：I/O域對象屬性設置。如圖5所示，首先單擊I /O域對話框，在對象屬性對話框中選擇“事件”，參數設置需要由鍵盤輸入數據，所以應該選擇“鍵盤”，輸入數據結束按回車建結束輸入，右鍵單擊“釋放”選擇“C動作…”會彈出C語言編輯界面。

圖5 I/O域對象屬性

5.OPC通信

OPC技術（OLE for process Control，過程控制的對象鏈接與嵌入）是為解決應用軟件與不同設備驅動程序通信的統一工業技術標準。使用OPC標準可以方便地把不同制造廠家提供的驅動與服務程序集成在一起，為不同類型的服務器和客戶端搭建一座橋梁。通過統一的標準，客戶和服務器之間形成簡單規范的鏈接關系，而且不同的客戶軟件能夠訪問任意的數據源[4]。

智能蒸養控制系統中可編程控制器采用西門子S7-200smart PLC不能和Wincc直接通信，需要借助OPC軟件做為中間橋梁進行通信。結構原理圖如圖6所示。

圖6 通信原理圖

6.結束語

本文是以實際項目為背景，開發基于西門子S7-200 smart PLC和Wincc組態軟件的的智能控制系統。PLC實現蒸養室溫度信息的實時采集，并根據采集數據和參數設定值采用不完全微分的PID算法對蒸養室溫度進行精確控制，實際運行結果證明該算法對參數變化頻繁，的大滯后系統具有很好的控制效果。運用了Wincc組態軟件實現人機交互，介紹了C語言在Wincc組態軟件中的應用。Wincc組態軟件和S7-200 smart PLC的通信借助OPC軟件做為中間橋梁進行通信。為其它控制系統開發提供了技術借鑒。

[1]何益,胡姍姍,劉增強.基于PLC和WinCC的化工精餾塔控制系統設計[J].化工自動化及儀表,2011,06:710-712.

[2]何世鈞,張路,張弛.智能溫室自動控制系統的設計與應用[J].河南農業大學學報,2000,34(4):399-401.

[3]何世鈞,徐軍峰,張路.可編程控制器在智能化溫室系統中的應用[J].基礎自動化,2000,7(4):53-54.

[4]陳嬋娟,徐洋洋,等.基于OPC的啤酒生產車間數據集成與通信[J].食品工業,2017,38(3):225-228.