基于S7-200 PLC的波峰焊機控制系統研究

1 引言
隨著我國經濟的發展，人們對電子設備的需求越來越大、對電子設備的質量要求也越來越高。在電子設備制造中，波峰焊機是一種很重要的焊接設備。因此其控制系統的設計優劣直接影響著焊接的質量。目前，用于波峰焊機控制系統的主要有PLC和工控機。因為可編程控制器(PLC)的可靠性高、抗干擾能力強、性能穩定、容易擴展、便于維護和升級。所以，選定西門子S7-200系列PLC作為主控制器來實現對波峰焊機的有效控制。下面就具體介紹該系統的設計方案和算法研究。

2 基本方案
控制系統結構復雜的波峰焊機主要包括控制器部分和電氣部分。控制系統的核心部分包括控制器、變頻器控制、輸送鏈控制、溫度控制等等。其系統結構圖如圖1所示。

圖1 波峰焊機控制系統基本結構圖
2.1 上位機監控
利用工控機作為上位機。由它運行監控軟件。它操作簡單、思路清晰、界面友好。上位機軟件主要包括以下幾個模塊:
(1) 數據采集、存儲模塊
上位機軟機每隔1s向可編程控制器發送讀溫度命令，然后接受控制器返回的溫度數據，經過錯誤校驗以后進行存儲并顯示。
(2) 數據查詢模塊
上位機存儲的歷史數據可以按照不同的規則進行查詢以供分析，系統的設置參數也可以進行查詢。
(3) PID參數整定模塊
雖然PID算法大部分是在下位機完成，但是上位機也可以根據需要調整參數kp、ki、kd的初始值。同時，為了更好的發揮上位機軟件的強大作用也可以進行神經網絡、專家控制、學習控制等智能算法的應用。
(4) 通訊模塊
主要負責與下位機的數據交換及數據格式的轉換。
2.2 溫度控制
溫度控制是波峰焊機控制系統的核心。系統利用K型熱電偶采集溫度信號。它通過控制固態繼電器的輸出來調節占空比，從而改變電阻絲兩端的有效電壓，達到控制溫度的目的。在很多工業控制過程中一般都采用PID控制，特別是對于純滯后、大慣性的溫度控制。PID控制是按照實際溫度和設定溫度偏差的比例、積分、微分產生控制作用，實際運行效果和理論分析表明，這種控制規律可以得到比較滿意的結果。
2.3 步進電機控制
在波峰焊機控制系統中有三種步進電機:鏈幅調節步進電機、流量控制步進電機和噴嘴移動步進電機。步進電機是將電脈沖信號變換成角位移的一種機電式數模轉換器。它受脈沖信號控制，角位移與輸入脈沖個數構成嚴格的正比例關系，每輸入一個脈沖，步進電機就轉動一定的角度。它具有定位精度高、慣性小、無積累誤差、啟動性能好等特點。因此，它廣泛應用于要求精密定位的旋轉或線性運動的控制系統。PLC輸出的脈沖信號通過步進電機驅動器達到控制步進電機的目的。
2.4 網絡通訊
上位機監控軟件和S7-200可編程控制器之間以及PLC和變頻器之間用RS-485連接。通信協議是基于S7-200自由口通訊的Modbus協議。Modbus協議是MODICON公司為其生產PLC設計的一種通訊協議。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構。它描述了控制器請求訪問其它設備的過程，回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄，制定了消息域結構和內容的公共格式。上位機和PLC的通信使用主－從結構，采用請求－響應方式，主站發出帶有從站地址的請求報文，具有該地址的從站收到后發出響應報文進行應答。
Modbus協議有ASCII和RTU兩種報文傳輸模式，在設置每個站的串口通信參數時，Modbus網絡上所有的站都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。本系統中我們采用RTU模式進行傳輸。如圖2所示RTU通信幀的基本結構。

圖2 RTU通信幀的基本結構

在下位機PLC中使用Modbus從站協議進行設計。在用戶程序中調用Modbus從站指令。如圖3所示，MBUS_INIT指令用來設置或改變Modbus通信參數。該指令應只在一個掃描周期內執行，一般用在首次掃描時工作一個掃描周期的SM0.1的常開觸點來驅動它。程序中只能使用一條MBUS_SLAVE指令，每次掃描都應調用該指令，以響應接收到的通信請求。

圖3 Modbus從站協議指令

3 軟件設計
3.1 總體設計
波峰焊機控制系統采用模塊化的設計方法。整個系統分為監控子系統和溫控子系統。其中監控子系統主要完成對各個輸入點的監視，若有異常情況發生，迅速做出處理，并對輸出進行控制，并且根據系統的狀態進行故障處理和報警。同樣，溫控子系統主要完成的功能有:定時選通A/D轉換器對溫度信號進行采樣、濾波、標度變換、存儲;定時對處理好的采樣值進行PID計算，輸出控制脈沖;接受中斷請求，處理上位機發送的命令、狀態，上傳溫度值等等。圖4和圖5分別是監控子系統和溫控子系統的軟件框圖。

圖4 監控子系統軟件框圖

圖5 溫控子系統軟件框圖

3.2 模糊PID參數自整定算法研究
由于電阻爐溫度是一種大慣性、純滯后的控制對象，因此PID算法的參數很難確定。一般的參數整定方法就是根據經驗設定其參數初值，然后根據具體工藝條件再進行調整。這種方法費時費力還不準確，所以項目開發了基于繼電反饋的模糊PID參數自整定方法。
模糊控制器是以人的控制經驗作為控制的知識模型，以模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯推理作為控制算法的數學工具，并利用計算機數字控制技術來實現的一種智能控制器。控制器的輸出和參數的調整是通過過程函數的邏輯模型產生的，改善模糊控制特性的最有效方法是優化控制規則。圖6為模糊控制系統的基本結構。

圖6 模糊控制系統的基本結構
此模糊控制器由四個基本部分組成，即模糊化、知識庫、模糊推理和反模糊化。設計模糊控制器的第一步就是要選擇論域和模糊子集的隸屬函數。將確定的隸屬函數曲線離散化，就得到有限個點上的隸屬度，便構成了一個相應的模糊變量的模糊子集。在本控制系統中筆者設誤差的基本論域為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6},誤差變化的基本論域為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}。為了進行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉換到相應的模糊集的論域。誤差的量化因子

，誤差變化的量化因子

。這兩個量化因子使得誤差實現了從基本論域變換到模糊論域的作用，即由基本論域中的任意一點通過量化因子映射到模糊集論域中最相近的整數點。另外，每次采樣經模糊算法給出的控制量還不能直接控制被控對象，還必須將其轉換到控制對象所能接受的基本論域中。接下來就是進行模糊控制規則的選取和模糊推理方法的選擇。模糊控制器的控制規則其實是基于專家的控制策略，它基于經驗和技術知識，而控制器則是基于某種控制算法的數值運算。具體而言就是:當誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主，而當誤差小或較小時，選擇控制量要注意防止超調，以系統的穩定性為主要出發點。
通過實驗得到的波峰焊爐溫模型進行仿真。假定電阻爐的溫度模型為:

，K_e=0.1，K_ec=1， K_u=12，控制周期為1s，模糊控制器輸出為工頻電壓。仿真效果如圖7所示。

圖7 波峰焊溫度控制仿真效果
4 結束語
波峰焊機控制系統的核心是溫度控制。只要控溫精度上去了，就可以說此控制系統已經達到基本要求了。本文研究的波峰焊機控制系統利用西門子公司的S7-200系列PLC作為下位機控制器，它的抗干擾能力強、穩定、可靠。利用其PID參數自整定模塊可以達到較好的效果，但是由于此模塊剛推出不久，它的控制功能有待進一步考驗。因此可以根據模糊PID自整定算法原理自己編寫程序，同樣可以達到很好的溫度控制精度。為了促進無鉛焊接設備的進一步發展，其它智能控制理論也將越來越多的應用于此類控制系統中。