王 寧，趙 意，王佳寧，趙 琦

（桂林電器科學(xué)研究院有限公司，廣西 桂林541004）

0 引言

隨著我國新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了雙向拉伸薄膜產(chǎn)品的快速增長，人們也越來越重視薄膜的生產(chǎn)效益及品質(zhì)。薄膜拉伸只有均勻的溫度場中，才能實(shí)現(xiàn)順利生產(chǎn)，若在拉伸時(shí)溫度場不均勻度過大，則會(huì)出現(xiàn)破膜、膜質(zhì)量差等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將叫停整個(gè)生產(chǎn)線嚴(yán)重影響了工廠生產(chǎn)效率，因此一個(gè)均勻溫度場和精準(zhǔn)的工藝溫度才能保證高品質(zhì)薄膜的順利生產(chǎn)。

在部分雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線中，主要使用的控制軟件西門子軟件中的PID 控制器。但隨著生產(chǎn)線逐漸復(fù)雜，控制精度要求越來越高，容易造成控制回路占用大量的CPU 資源，從而降低CPU 響應(yīng)速度。為不占CPU 的掃描時(shí)間，可利用FM355 對全部PID控制的計(jì)算和信號進(jìn)行采樣，F(xiàn)M355 模塊的優(yōu)點(diǎn)在于集成了控制算法，可與CPU 經(jīng)由專用函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換-發(fā)送命令同時(shí)接受反饋信號。相對于PID 軟件，F(xiàn)M355 模塊所集成的后援操作能夠有效避免因CPU 故障或中止而引起的控制過程的失控，因FM355 能在CPU 無法正常運(yùn)行時(shí)自動(dòng)切換至后援操作模式，而當(dāng)處于后援操作模式時(shí)，將CPU 連接操作面板，可對FM355 模塊控制參數(shù)進(jìn)行操作，它將會(huì)自動(dòng)將預(yù)先的設(shè)定值來替代當(dāng)前設(shè)定值來進(jìn)行PID 閉環(huán)控制[1]。為了解決這一問題嘗試運(yùn)用FM355 閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn)溫度的精準(zhǔn)控制。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FM355 閉環(huán)控制模塊是智能4 通道閉環(huán)控制模塊，在通用的閉環(huán)控制系統(tǒng)中廣泛使用。它可用于溫度控制、壓力控制、流量控制和物位控制。 FM355 模塊劃分為兩種：FM355C 及FM355S，前者有4 個(gè)模擬量輸出，能夠?qū)δM量執(zhí)行器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，用作連續(xù)控制器，而后者有8 個(gè)數(shù)字量輸出，用于控制動(dòng)力（集成的）執(zhí)行器或二進(jìn)制控制執(zhí)行器（如電熱片和電熱管），用作步進(jìn)或脈沖控制器。

根據(jù)雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、成本、環(huán)保和工藝需要等，大致為：擠出機(jī)機(jī)筒、熔體管道和部分電加熱使用FM355S；而在縱拉和橫拉部分使用熱油或蒸汽通過調(diào)節(jié)比列閥輸出量來控制溫度的方式即使用FM355C。

電壓、電流、熱電偶、熱電阻信號可以直接連接到FM355 模塊作為反饋信號，而在雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的溫度控制中，主要使用于連接熱電偶、熱電阻。其接線方式如圖1 和圖2 所示。

圖1 熱電偶接線方式

圖2 熱電阻接線方式

通常熱電偶信號需要冷端補(bǔ)償，F(xiàn)M355 模塊使用熱電阻將冷端的溫度值采集到模塊中動(dòng)態(tài)補(bǔ)償熱電偶信號的偏差值。在模塊上配備1 個(gè)額外的模擬量輸入，當(dāng)使用熱電偶時(shí)作為溫度補(bǔ)償使用。在模塊參數(shù)設(shè)定中也可以選擇熱電偶信號冷端補(bǔ)償方式為內(nèi)部補(bǔ)償即補(bǔ)償值為一固定的溫度值，不能變化，為了得到更為精確的溫度值，這里采取了外部補(bǔ)償方式。熱電阻則不需要補(bǔ)償，但是需要將熱電阻產(chǎn)生的電壓信號作為輸入信號，連接第20 管腳MANA（接地端）保證信號與測量端沒有電位差。

在設(shè)計(jì)中，F(xiàn)M355S 輸出信號直接驅(qū)動(dòng)過零觸發(fā)固態(tài)繼電器，控制固態(tài)繼電器的通斷來達(dá)到是否加熱的作用。FM355C 輸出信號有兩種使用方式：在熱油回路中，F(xiàn)M355C 的模擬輸出信號控制比例閥的開度。在單一的電加熱方式下，F(xiàn)M355C 模擬輸出信號直接驅(qū)動(dòng)移相觸發(fā)固態(tài)繼電器，控制其輸出電壓大小來實(shí)現(xiàn)模擬量輸出方式。

2 組態(tài)及初始參數(shù)設(shè)置

整個(gè)系統(tǒng)以西門子軟件STEP7 為平臺，首先搭建好硬件組態(tài)，以CPU315-2DP 帶4 塊FM355C 和4塊FM355S 為例，F(xiàn)M355 的參數(shù)化需要安裝隨硬件包裝攜帶軟件光盤。參數(shù)化軟件以STEP7 為平臺，直接安裝后在STEP7 硬件配置中對FM355 模塊進(jìn)行參數(shù)化[2-5]。以下為FM355S 參數(shù)化配置的流程。首先啟動(dòng)STEP7，打開硬件配置界面，找到FM355 模塊，點(diǎn)擊“參數(shù)”按鈕進(jìn)入?yún)?shù)化界面如圖3 所示。

如圖3 所示對話框中，在“Module Parameters”選項(xiàng)下，能夠?qū)M355 模塊集成的數(shù)據(jù)量輸入信號進(jìn)行設(shè)置。此外還可以對溫度的單位、熱電偶內(nèi)部補(bǔ)償?shù)臏囟戎档葴囟葏?shù)進(jìn)行設(shè)置。如圖4 所示，采樣回路、控制器回路和輸出回路三個(gè)子回路一同組成了一個(gè)完整的PID 控制回路。

圖3 FM355S 模塊參數(shù)化界面

圖4 FM355S 模塊過程值參數(shù)化界面

FM355S 的標(biāo)準(zhǔn)控制結(jié)構(gòu)有：定點(diǎn)數(shù)控制、3 組件控制、級聯(lián)控制和比例控制。雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線中需要對溫度控制的整個(gè)過程進(jìn)行監(jiān)控，以及根據(jù)現(xiàn)場工藝調(diào)整進(jìn)行溫度設(shè)定值的改變等，因此這里選擇定點(diǎn)數(shù)控制方式。

首先選擇需要參數(shù)化的模擬量輸入，然后點(diǎn)擊按鈕對反饋的過程值進(jìn)行參數(shù)化如圖4 所示。

圖5 對話框的功能介紹和結(jié)合雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的需求進(jìn)一步說明：

“A/D”：數(shù)模轉(zhuǎn)換精度影響著模塊對過程值的采樣時(shí)間，精度越高采樣時(shí)間越長，反之采樣時(shí)間越短，因而需要根據(jù)實(shí)際選擇合理的數(shù)模轉(zhuǎn)換精度。在雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線中，控制系統(tǒng)龐大，選取12 位精度數(shù)據(jù)，這樣既滿足客戶的工藝需求，也將采樣時(shí)間控制在合理的范圍，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

“Sensor”：設(shè)定所使用的傳感器類型；雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線中，根據(jù)不同的需求，使用了不同的溫度傳感器，這里主要以熱電阻PT100 和熱電偶為主。

如果通道不使用，就應(yīng)該選擇“不處理模擬量輸入”，以免FM355 模塊報(bào)警。

圖5 FM355 模塊偏差參數(shù)化界面

“Filter”：設(shè)置合理的濾波時(shí)間，可以降低高頻信號對輸入信號的影響，缺省狀態(tài)為關(guān)；

“Square Root”：將輸入信號作開平方；

“Polyline”：對傳感器測量獲得的非線性信號進(jìn)行差補(bǔ)運(yùn)算，但如果在“Sensor”對話框中選擇“Free thermocouple type”類型傳感器，這是相當(dāng)已經(jīng)對輸入信號的特征曲線進(jìn)行處理，不再需要進(jìn)行差補(bǔ)運(yùn)算；

“Normalize”：對輸入信號作歸一化處理。

在控制回路中，控制器類型的不同，會(huì)得到相應(yīng)的不同反饋，導(dǎo)致設(shè)定與反饋的偏差計(jì)算不同，影響其兩者之間的關(guān)系。

圖5 對話框的功能介紹和結(jié)合雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的需求進(jìn)一步說明：

“Setpoint”：溫度設(shè)定點(diǎn)可以從功能塊、預(yù)處理的模擬量輸入、控制器輸出三個(gè)來源中選擇。為了更好的操作和管理各點(diǎn)溫度，生產(chǎn)線配備了上位機(jī)系統(tǒng)。在上位機(jī)上，可以設(shè)置各工段或各溫度控制點(diǎn)的溫度設(shè)定值。因此我們的數(shù)據(jù)都應(yīng)該來自功能塊，通過PLC 與上位機(jī)通訊將功能塊中的數(shù)據(jù)跟上位機(jī)輸入輸出框一一對應(yīng)。

“Switch Safety Setpoint”：對后援操作中設(shè)定點(diǎn)的設(shè)置，即一旦CPU 無法進(jìn)行正常運(yùn)作時(shí)，控制器能夠不停止的獨(dú)立地進(jìn)行作業(yè)?！昂髠淠Ｊ健惫δ苁菫楸Ｕ舷到y(tǒng)安全，設(shè)定一個(gè)可參數(shù)化的安全設(shè)定點(diǎn)或安全控制變量。

“Ramp”：為了防止設(shè)定值產(chǎn)生大的階越，需要對設(shè)定值斜坡處理，以避免輸出震蕩；

“Limit”：為防止操作人員操作不當(dāng)，例如直接輸入一個(gè)較大的溫度值，引起加熱器一直處于加熱狀態(tài)，而對設(shè)定點(diǎn)須限制其上限。

“Actual value A”：將過程值設(shè)置為模擬量輸入，該過程值是從溫度傳感器得出的；

“D input”：選擇微分的方式：1）對偏差值作微分；2）對過程值取反后作微分；3）對其它模擬量采集值作微分，對通信函數(shù)塊FM_PID 中D_EL_SEL 參數(shù)作修改設(shè)定（背景數(shù)據(jù)塊地址為74）也可以在線修改設(shè)定。

“Alarm”：設(shè)置高低報(bào)警的閾值以及警告值，通過對實(shí)際值或偏差值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，達(dá)到設(shè)定的高限或低限時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號。

“Disturbance Variable”：選擇具體的采樣通道對擾動(dòng)變量進(jìn)行采樣，即利用第幾個(gè)模擬量輸入采樣。

點(diǎn)擊“ControlAlgorithm”進(jìn)入在控制算法界面中，把設(shè)定值與實(shí)際值的差值在控制算法中進(jìn)行計(jì)算，控制算法界面如圖6 所示。

圖6 FM355 模塊控制算法參數(shù)化界面

如圖6 所示，其中可以選擇溫度或PID 兩種不同的算法?？紤]到雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線中需要得到較好的溫度控制方法，所以傾向于使用PID 算法。采用PID 算法，在“PID”中，實(shí)際有PI、PD、PID 控制三種控制方式，均可設(shè)定手自動(dòng)無擾切換等參數(shù)。而在一些過程控制中需利用工程整定方法，即具有經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，偏差值經(jīng)過“Dead Band”死區(qū)處理后，僅在超出于死區(qū)中設(shè)定的值后才進(jìn)入PID 控制器計(jì)算。這些PID 參數(shù)我們通過CPU 的數(shù)據(jù)塊傳送于上位機(jī)中，能很方便的在上位機(jī)上調(diào)節(jié)每個(gè)溫度控制點(diǎn)的PID 值。

“Controller Output”是溫度控制器回路輸出，其設(shè)置界面如圖7 所示。

圖7 對話框的功能介紹和結(jié)合雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的需求進(jìn)一步說明：

“External Manipulate Value”：CPU 會(huì)根據(jù)所調(diào)用通信函數(shù)塊來決定控制器手動(dòng)或自動(dòng)輸出，或者通過調(diào)用通信函數(shù)塊與集成輸入信號的“與”結(jié)果來判斷手動(dòng)或自動(dòng)輸入，在手動(dòng)操作時(shí)，需要人工對CPU 的輸出進(jìn)行賦值。

圖7 FM355S 模塊控制回路輸出參數(shù)化界面

“Follow-Up input”：跟隨模式輸入，將零值模擬量和經(jīng)處理的模擬量輸入控制器，而后直接從控制器輸出端輸出，此做法目的是防止在手自動(dòng)切換時(shí)，輸出信號產(chǎn)生階越現(xiàn)象。

“Switch Correction”：經(jīng)由程序設(shè)定，或者集成的數(shù)字輸入信號選擇輸出源。

“Switch Safety Manipulated Value”：經(jīng)由程序設(shè)定，或者集成的數(shù)字輸入信號，用于選擇所定義的后援操作（CPU 處于停止?fàn)顟B(tài)）輸出。

“Limit”：設(shè)置閾值參數(shù)，將控制器輸出值的幅值限制于此參數(shù)。

“Split Range”：把一個(gè)控制器的輸出值以輸入輸出范圍為準(zhǔn)，分成兩個(gè)輸出值并分別輸出到不同的輸出接口，注意輸入的開始值必須小于結(jié)束值。在縱拉拉伸段中，加熱和冷卻同時(shí)作用于同一個(gè)溫控點(diǎn)，這樣必須將一個(gè)控制器輸出到兩個(gè)控制對象上。加熱和冷卻交替作用來實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定性。

在輸出回路中，F(xiàn)M355S 與FM355C 的控制器輸出接口設(shè)置不同。在FM355S 中，數(shù)字量的輸出端口是固定不變的，無需設(shè)置。而FM355C 中，需要對控制器使用第幾個(gè)模擬量輸出進(jìn)行設(shè)置，此外還需要根據(jù)使用的執(zhí)行元件設(shè)置相應(yīng)的輸出類型如電壓、電流信號。

3 程序設(shè)計(jì)

在雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線溫度控制中[6]，主要使用了函數(shù)FB PID_FM。在該函數(shù)背景數(shù)據(jù)塊中含有各種控制參數(shù)，可以對大部分參數(shù)進(jìn)行修改。在上位機(jī)上設(shè)定的PID 控制參數(shù)和輸入輸出參數(shù)通過PLC 與上位機(jī)的通訊傳到CPU 中，再由CPU 與FM355 數(shù)據(jù)交換來實(shí)現(xiàn)整個(gè)溫度控制過程。在STEP7 中，首先建立好基本的程序構(gòu)架，包括調(diào)入主要的循環(huán)組織塊OB1、OB100、OB35 和一些處理錯(cuò)誤的中斷組織塊OB86、OB85、OB120、OB122 等；接著調(diào)用系統(tǒng)自帶的溫控子程序塊FB PID_FM，生成各溫度控制點(diǎn)的FB PID_FM 背景數(shù)據(jù)塊，1 個(gè)背景數(shù)據(jù)塊對應(yīng)一個(gè)溫度控制點(diǎn)。選擇模塊地址和通道號，與FM355 模塊建立起通訊關(guān)系。通過操作背景數(shù)據(jù)塊中的控制位來實(shí)現(xiàn)CPU 與FM355 參數(shù)傳遞。

主要的控制位功能如下：

“COM_RTS”：在CPU 初始化過程中將存儲(chǔ)于FM355 模塊的控制參數(shù)值讀到背景數(shù)據(jù)塊中，完成后模塊將該位復(fù)位；

“LOAD_PAR”：為1 時(shí)，將控制參數(shù)傳送到FM355 模塊中，完成后模塊將該位復(fù)位。

“LOAD_OP”：為1 時(shí)，將操作參數(shù)傳送到FM355模塊中，完成后模塊將該位復(fù)位；

“READ_VAR”：為1 時(shí)，將輸出類型參數(shù)讀到背景數(shù)據(jù)塊中，完成后模塊將該位復(fù)位；

在OB100 中置位這些背景數(shù)據(jù)塊的“COM_RST”，用于把FM355 中的所有控制參數(shù)讀到CPU 中。完成之后模塊自動(dòng)復(fù)位“COM_RST”，在OB35 中不需要再次初始化。值得注意的是，要是有許多背景數(shù)據(jù)塊，要把所有的背景數(shù)據(jù)塊中的“COM_RST”都在OB100 中置位一次。然后，通過在循環(huán)周期較慢的OB35（100ms）中置位“READ_VAR”和“LOAD_OP”對模塊進(jìn)行讀寫操作，每次讀寫完成后模塊將讀寫為復(fù)位，所以必須循環(huán)置位讀寫位。如果沒有置位讀寫操作，CPU 與FM355 模塊的通信將自動(dòng)通過FM355 的邏輯地址完成，通信時(shí)間需要2～3 個(gè)CPU 掃描周期。

在自動(dòng)控制模式下背景數(shù)據(jù)塊參數(shù)“SP_RE”作為PID 回路的設(shè)定點(diǎn)，“PV”作為實(shí)際反饋值，參數(shù)“LMN”以百分比的形式作為輸出值并自動(dòng)輸出到模擬量輸出端口或者經(jīng)過模塊處理為脈沖信號輸出的數(shù)字輸出端口；在手動(dòng)模式下，參數(shù)“LMN_REON”或通過模塊集成的數(shù)字輸入點(diǎn)作為手動(dòng)模式的選擇開關(guān)，參數(shù)“LMN_RE”作為手動(dòng)的輸出值。

因此，要改動(dòng)設(shè)定值的時(shí)候，為了讓設(shè)定值輸入到FM355 中，必須把“LOAD_OP”置位，為了把FM355 中實(shí)際溫度值讀取出來的，我們要把“READ_VAR”置位。把“LOAD_PAR”置位后，可以把PID 值手動(dòng)設(shè)定到FM355 中。

通過置位“LMN_REON”，轉(zhuǎn)化為手動(dòng)控制方式。在手動(dòng)控制方式下，可以設(shè)定“LMN_RE”來決定加熱的百分比，以達(dá)到具體的控制要求。

4 結(jié)束語

雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線控制量龐大，CPU 處理過程復(fù)雜。而使用FM355，降低了CPU 處理量，縮短了CPU 掃描周期，大大提高了CPU 使用效率，使整個(gè)控制系統(tǒng)更為穩(wěn)定。