西门子6ES7321-1FF01-0AA0参数方式

西门子6ES7321-1FF01-0AA0参数方式

1  引言

实际工业过程的多变量、非线性、时变和不确定性等特点以及工程应用中要求考虑控制的实时性、有效性和经济性等因素,使得以数学模型为基础，立足优性能指标且许多算法较为复杂的现代控制理论难以有效地应用于复杂的工业过程[1]。针对这些问题，本文将pid 控制和模糊控制二者结合，设计了一种模糊自适应整定pid 控制器，应用模糊推理方法实现对pid 参数的在线自调整。在线实时曲线结果表明该控制器明显地改善了控制系统的动态性能，提高了系统的控制精度。

2  系统设计  

该系统由plc、水箱、流量变送器、液位传感器、电动执行器、储水槽和水泵等组成。plc作为控制器，选用西门子s7-315-2dp，电源模块为ps307-2a，模拟量输入模块是sm331，ai8*12bit(选用信号4～20ma)，模拟量输出模块是sm332，ao4*12bit(选用信号4～20ma)。被控对象是下水箱液位，即水先流入上水箱，由上水箱的线性化出口再流入下水箱，构成二阶水箱液位对象系统。液位变送器(4～20ma)实时检测下水箱的液位，并反馈到plc的模拟量输入端，与给定量进行比较后，模糊pid控制算法计算出控制量u，通过plc模拟量输出来控制电动执行器阀门的开度，从而构成了液位闭环控制系统，如图1所示。

图1  二阶液位控制系统方框图

3  模糊pid控制器设计

3.1控制原理

pid参数模糊自整定是找出pid的kp、ti、td与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理对3个参数进行在线修改，以满足不同要求，从而使被控对象有良好的动、静态性能。

3.2 模糊控制策略与算法

下水箱液位的范围是0～200mm，对应的采样值的范围是0～27648，根据液位控制的特点，一般是在50%～60%之间比较稳定，所以设液位的初始设定值是50%，即100mm，根据设定值与采样值，可以计算出误差值e(k)，根据误差值可以计算出误差变化值ec(k)，ec(k)=e(k)-e(k-1)。定e、ec变化的范围是[-13000，13000]，对应的模糊域的划分有七级，[nb，nm，ns，z，ps，pm，pb]，如图2所示。

图2  e、ec隶属函数图

nb对应的范围是[-13000，-400]，梯形；

nm对应的范围是[-600，-200]，三角形；

ns对应的范围是[-400，0]，三角形；

z对应的范围是[-200，200]，三角形；

ps对应的范围是[0，400]，三角形；

pm对应的范围是[200，600]，三角形；

pb对应的范围是[400，13000]，梯形。

△kp对应的范围是[-0.12，0.12]，对应的模糊域的划分有七级，[nb，nm，ns，z，ps，pm，pb]，如图3所示。

图3  △kp隶属函数图

nb对应的范围是[-0.12，-0.08]，三角形；

nm对应的范围是[-0.12，-0.04]，三角形；

ns对应的范围是[-0.08，0]，三角形；

z对应的范围是[-0.04，0.04]，三角形；

ps对应的范围是[0，0.08]，三角形；

pm对应的范围是[0.04，0.12]，三角形；

pb对应的范围是[0.08，0.12]，三角形。

其它的参数如△ti，△td的设定略。

在程序中先设置一组pid初始值，而后根据模糊规则得出来的都是增量△kp，△ti，△td，根据公式：

其中kp，ti，td是初始值，是要送入fb41中的pid 的参数。

3.3 模糊控制规则[4]

表1  △kp规则库   

表2  △ti规则库

表3  △td规则库

图4  程序流程图

规则库分别如如表1、表2、表3所示。软件流程图如图4所示。

if e(k)为nb, and e(k-1)为nb, then △kp为pb;

if e(k) 为nm, nd e(k-1) 为nb, then △kp为pb;

if e(k) 为nb, and e(k-1) 为nb, then △ti为nb;

if e(k) 为nm, and e(k-1) 为nb, then △ti为nb;

if e(k) 为nb, and e(k-1) 为nb, then △td为ps;

if e(k) 为pb, and e(k-1) 为pb, then △td为pb.

3.4 控制效果方向

单用pid进行系统的控制时，pid参数都是固定的，而参数自适应模糊pid控制能根据液位的高低来不断进行pid值的修正，从而不断的修正阀门开度，满足控制要求。系统液位给定是100mm，如果转换成百分数就是50%，pid初始值p=0.45，i=40，d=0，曲线范围的限制值都是0～**，对应的是实际的采样值0～27648，它们之间是线性的对应关系。采用常规pid控制器的系统性能参数为：延迟时间td=30s，调68%，稳定时间ts=20min，液位输出特性如图5所示。采用模糊pid控制器的系统性能参数为：延迟时间td=30s，调28%，稳定时间 ts=10min，液位输出特性曲线如图6所示。从参数或特性比较结果看，采用模糊pid控制时，能减小调，降低稳定时间，如图5、图6所示。

图5  传统pid控制的水箱液位输出特性

  图6  模糊pid控制的水箱液位输出特性

4  结束语  

本文凸显了模糊pid在液位过程控制系统中的优势，对于模糊pid来说，建立被控对象的数学模型，只需根据偏差通过plc进行模糊化处理，然后根据经验建立模糊控制规则，然后再进行反模糊化处理，通过智能调节阀来控制阀门开度的大小[5]，从而使被控液位值根据设定值来变化。

1  引言

卷材在生产过程中边缘多余聚乙烯膜影响卷材外观，卷材浸胶工艺过程中卷材出胶槽时边缘携带改性沥青胶，刮胶板不能把胶刮干净，使卷材边缘呈波浪状甚至突变，同时由于胎体热缩性和工艺上的拉延，胎体宽度发生变化，辊子不平行和胎体应力不一致使卷材运动中发生横向移动，加之卷材快速移动，携带边缘没刮净改性胶快速随机变化，给胎体边缘位置确定带来大难度，使覆膜时边缘无法对齐，胎体边缘一侧使用纠偏装置校正聚乙烯膜膜位置。另一侧覆膜留有一定宽度余量，影响产品美观，跟踪切边装置可以跟踪胎体边缘位置切除多余聚乙烯膜。

边缘位置检测选用光电，具有响应速度快，精度高，不接触被测物体的优点，切割选用非接触式的激光切割。控制由plc软件实现，控制灵活，功能强，可处理异常情况，响应速度快，节约了燃气费用和人工成本。

2  系统结构与工作原理

跟踪切边装置是集光机电于一体的自动化设备，由控制器plc，步进电机驱动器，步进电机，一维运动平台，边缘位置传感器，激光组成。

卷材生产速度快，边缘改性沥青胶变化速度快，变化频率高。胎体边缘改性沥青胶变化不一致，无规律，一般在3~5mm范围之内，准确跟踪卷材边缘点位置，即跟点要求电机转速快，响应频率高，成本高，传动装置磨损大。所以采用跟线方式，即跟踪胎体边缘外侧3~5mm处作为切割线位置，胎体外侧3~5mm以内变化的改性沥青胶保留，切割线和胎体边缘保持平行。胎体边缘留有平直聚乙烯膜，有利于美观。改性沥青胶变化大于3~5mm范围时，跟踪切边装置沿着改性沥青胶边缘外侧运动切割聚乙烯膜。并具有以下功能。

自动对中功能可使跟踪切边装置中设定的基准点自动对准胎体边缘位置，激光切割点便可在胎体边缘外侧设定宽度处。

胎体移动位置出跟踪切边装置运动，停止激光输出，并报警。

跟踪切边装置可以根据出边缘宽度改性沥青胶变化的频度，自动调整残留聚乙烯膜宽度，实时调整切割点到胎体距离。

光电检测原理为，光电传感器的红外线可以穿透半透明聚乙烯膜，浸胶后的胎体为不透明状卷材，红外线无法穿透。边缘位置传感器发射端发射出一定宽度红外线，对面接收端接收到红外线，输出同接受红外线宽度成比例的标准电流或电压信号。

控制器plc实时的把边缘位置传感器检测到的测量值同基准位置值比较，当此比较值出设定宽度时，根据此值变化大小判断移动方向和距离，以此确定胎体边缘位置。测量值小于基准胎体边缘位置值时，测量值作为新的胎体位置，正常改性沥青胶在卷材边缘变化宽度不会出3～5mm运动方向上长度在70mm以内，当运动距离大于此长度，测量值大于基准胎体边缘位置值时，测量值中小值作为新的胎体边缘位置值。胎体边缘位置值向外延伸3～5mm边缘宽度即是切割点。边缘宽度的大小是通过计算出残余改性沥青胶宽度范围出现的频度确定，过频度时增加边缘宽度值，其大小等于一个定时中断的移动量，直到小于频数，小于频数时正相反。改性沥青胶过残留聚乙烯膜边缘宽度时，跟踪切边装置对改性沥青胶边缘形状简化处理，使切割轨迹简单化，其变化频率应小于电机带动运动平台移动响应频率，变化速度应小于电机带动运动平台移动速度。

边缘位置传感器与激光切割点有一段距离，此距离是用来补偿卷材运动方向上的边缘位置传感器、plc和步进电机响应时间延时。

卷材横向移动速度较慢，相比较跟踪切边装置移动速度较快，而且plc采样时间很短，边缘位置传感器响应速度很快，所以跟踪切边装置可以实时跟踪胎体边缘位置，步进电机为开环控制，步进电机移动速度为定值。

定时中断程序应流程短，指令少，以缩短处理时间，快速响应，减少plc扫描时间。

3  plc控制系统硬件设计

3.1 plc型号选择

(1) 输入信号：一路边缘位置传感器标准电压0～10v模拟量输出，一路调速板测速信号标准电压1～10v模拟量输出，手、自动转换开关，前进、后退点动按钮，正、反转限位开关，激光保护开关，复位开关。共两路模拟量输入，7个开关量输入点。

(2) 输出信号：一路高速脉冲输出到步进电机驱动器，控制步进电机转速，一个开关量信号控制步进电机旋转方向，一个控制激光器工作信号，一个控制激光水冷系统信号、一个报警信号。5个开关量输出点，其中一个高速脉冲输出。

西门子s7-200具有运行速度快、指令灵活，稳定的优点，s7-200 cpu 224xp cn是模拟开关量混合型，具有两路模拟量输入，一路模拟量输出，14点输入，10点输出，故选用此型号plc。

3.2 硬件原理接线图

硬件原理接线图如图1所示。步进电机输入控制信号电平为5v，plc输出电压24v，要接限流电阻。跟踪切边装置开始工作后，自动寻找卷材边缘位置，同时输出激光，当碰到限位开关后，停止激光输出并报警，复位后寻找卷材边缘位置并输出激光。

图1  硬件原理接线图

4  控制系统软件设计

工艺控制过程流程由软件由初始化子程序、手动控制子程序、报警与异常处理子程序、定时中断程序，边缘宽度计算子程序和主程序组成。

(1) 初始化子程序

在plc上电时初始化必要参数。宽量，向外宽量，外宽量，前时间，向内宽量，内宽量，延后时间，长度，频数，滤波长度清零，设定宽度值，设定胎体边缘值，并使激光工作。

(2)手动控制子程序

手动控制子程序如图2所示。当手动开关on时，关定时中断，前进、后退点动按钮控制一维运动平台前进、后退，直到正、反转限位开关动作，自动时开定时中断。

图2  手动控制子程序

(3) 定时中断程序

定时中断程序如图3所示。每2毫秒采样一次卷材边缘位置，判断异常情况，测量值是否出范围，计算并存储跟踪切边装置移动距离及开始移动时间，达到时间时，输出移动距离的脉冲数，进而使跟踪切边装置跟踪胎体位置。边缘位置传感器测量值过大范围时大值标志置位，由报警与异常程序处理。测量值过小范围时输出完现有脉冲系列后，从新判断胎体位置。跟踪切边装置具有自动对中功能，通过计算测量值与设定基准值及残留聚乙烯膜宽度差值，小于负残留聚乙烯膜边缘宽度时，即胎体向内偏移，跟踪切边装置向内移动，大于残留聚乙烯膜边缘宽度时向外移动，直到差值在宽度内。差值小于零时，在残留聚乙烯膜宽度内时，跟踪切边装置不移动。出范围改性沥青胶似波浪状，跟踪切边装置移动轨迹为各大波峰处平滑变化的折线。测量值与设定基准值及残留聚乙烯膜宽度的差值每次与前次的差值比较，大于时由波谷向波峰运动，逐次比较找出大值，小于时由波峰向波谷运动，逐次比较找出大值。由波峰向波峰运动或波峰向波谷再向波峰运动时间应小于电机响应时间。由于卷材速度快且变化大，跟踪切边装置速度相对较慢，遇到出范围改性沥青胶波谷向波峰运动时，应提前移动，简化处理为按卷材快移动速度计算提前时间，波峰向波谷运动时，应延后移动，简化处理为按卷材慢移动速度计算延后时间。 提前移动时间为大值改性沥青胶出范围差值除以跟踪切边装置移动速度。延后移动时间为大值改性沥青胶出范围差值时除以跟踪切边装置移动速度。延后移动时间加提前移动时间即变化时间，应大于电机响应时间，电机才能响应过来。当大于时，出范围大差值与移动时间，小差值与移动时间存储，到开始时间时，触发跟踪切边装置移动，移动轨迹是波峰波谷轮廓折线，小于时，出范围大差值和移动时间存储，移动轨迹是波峰到波峰轮廓折线。

图3  定时中断程序

(4) 报警与异常处理子程序

边缘位置传感器测量值过大范围时大值标志置位，跟踪切边装置移动脉冲段，移到外侧。

(5) 边缘宽度计算子程序

遇到出范围改性沥青胶时，边缘频度计数加1，在设定长度内，大于设定边缘频度计数值，边缘宽度增加一个定时中断的移动量，否则，减少一个定时中断的移动量。

(6) 主程序

主程序如图4所示。检测复位开关，为on时开始激光器输出。调用手动控制子程序，报警与异常处理子程序，边缘宽度计算子程序。

图4  主程序流程

5  结束语

本跟踪切边装置比较理想的解决了卷材边缘位置频繁变化，难以寻找胎体边缘位置而无法切除多余聚乙烯膜问题，本跟踪切边装置的应用使残留的聚乙烯膜边缘比较平直，即在偶然有改性沥青胶块时也能也能在胶块外侧切除掉聚乙烯膜，保证了产品美观，并能够处理卷材原料胎体不规则变化的情况。节约了燃气烧边的费用和人工成本。