宇电仪表和人机界面的综合应用———宇电仪表和人机界面的综合应

一、概述
  目前国内的工业热处理炉制造厂家在工业热处理炉的电气控制上大多还是停留在采用过去比较陈旧的控制方式，采用交流接触器、有纸记录仪、开关按钮等设备控制，这样的控制方式自动化程度低、控制精度低、生产过程的监控少、工业热处理炉本身的档次低。近年随着电气控制技术的发展，人机界面的功能、可靠性和性价比不断提高，在工业控制的各个环节的应用都得到了很大的发展。采用由温控仪、人机界面、PLC组成的热处理炉自动控制系统，使工业热处理炉的控制技术有极大的提高。
  
  二、本系统控制的优点
  采用人机界面组成的自动控制系统，可以取代记录仪，利用人机界面存储量大的优势进行温度数据的长时间无纸化记录，而且记录通道可以比记录仪多得多；采用宇电智能调节器进行温度的设定显示和过程的PID控制；在人机界面的触摸屏上就可以进行不同的控制操作，可以取代大部分开关按钮。采用改进的自动控制系统，还有以下比普通控制系统无可比拟的优点：1.热处理炉的各个运行状态都可以在显示屏上进行动态模拟；2.可以利用组态软件的配方功能进行工艺控制参数的设置、选择和监控；3.可以通过网线连接到工厂的计算机系统，实现生产过程数据的远程集中监控。
  
  三、设备选型
  1、温控仪：在热处理系统中的温度的控制是通过调节进气电动阀门的开度来实现的，阀门的精确控制对整个系统的控制是非常重要的。在本系统中选用宇电AI-808P人工智能调节器来控制阀门，它的特点是：具备50段程序控制功能，可任意设置给定值升、降温斜率；具有跳转、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令，可在程序控制运行中修改程序；具备二路事件输出功能。可通过报警输出控制其他设备联锁动作，进一步提高设备自动化能力；可通过安装外部开关执行程序运行/暂停/停止等操作，以实现连锁、同步启动运行或方便操作；具有停电处理模式、测量值启动功能及准备功能，使程序执行更有效率及更完善。能直接控制阀门电机的正、反转，节省伺服放大器。仪表具体型号为：AI-808PAL5L2L2S。
  2、人机界面：选用eView MT510T，10.4英寸。eView MT500系列触摸屏采用强大的32位嵌入式高性能CPU,支持256色真彩显示与敏捷的反应速度，可以与多个厂家的产品通讯，兼容性极强，基于Windows98/NT操作平台下的专用组态软件，界面友好直观，易学易用，大大节省产品开发周期。且产品型号齐全有5.7、7.7、10.4、英寸单色彩色等，方便选型。具有RS232/485通讯口，可以直接连接各种主流的PLC，无需配置其它特殊的硬件和软件就可以与PLC通讯。产品提供向量图库、位图库、群组图库等三种元件图库，且可以添加自己设计的元件图形，可直接支持256色BMP格式的图形，可支持元件的多层叠加实现不同的控制功能。在编程软件中可以设定触摸屏背光灯的关闭时间，节省其使用寿命。具有128K的配方存储器和实时时钟，支持方便易用的配方传输功能。触摸屏中具有内部编程指令宏命令，可以减轻编程负担，由触摸屏编程直接和其它设备通讯。触摸屏上的并行口还可以直接和打印机连接实时或定时打印当前或历史数据。
  3、PLC：选用日本三菱公司的FX系列PLC作为逻辑控制，用于热处理炉的所有开关量采集和控制。
  
  四、宇电智能调节器算法介绍
   AI系列智能工业调节器中的人工智能控制算法，既对PID算法加以改进和保留，加入模糊控制算法规则，并对给定值的变化加入了前馈调节。在误差大时，运用模糊算法进行调节，以彻底消除PID饱和积分现象，如同熟练工人进行手动调节。当误差趋小时，采用改进后的PID算法控制输出。其控制参数采用被控对象特征描述方式。一组(MPT)参数即可同时确定PID参数和模糊控制参数。系统具有无超调和高控制精度等特点。针对不稳定的非线形复杂调节对象，表内设有自适应调节规则，可使系统进一步加快响应速度，改善控制品质。针对控制参数较难确定的现实，表内设有自整定专家系统，可使系统的控制参数确定简单，准确度提高，因此，自整定系统的引入，不仅使复杂劳动简化，节约了调试时间，而且提高了控制系统的调节品质。对于许多复杂的调节对象，例如电炉温度控制中的电网电压变化、外界干扰因素和工作环境多变等，针对有严重非线形的控制对象，国外仪表公司也推出了不少对策和方法。例如，日本导电公司生产的仪表中，采用了多组算法；欧陆和欧姆龙仪表中采用了自适应功能；KMM智能调节仪表中采用了折线模块来适应系统的非线性；还有的仪表公司在仪表中采用辩识方法来提高仪表在非线性系统中的调节质量。在AI系列智能工业调节器中，针对有严重中非线性的控制对象，选择了自适应方式来解决。其改进的特点是：当控制偏差大于估计的误差时，自适应系统不是修改MPT参数(国外仪表的自适应功能是修改控制参数)，而是修改输出值来降低误差。虽然修改范围有限，但不会出现将原来正确控制参数改错的现象，使响应速度加快，使控制精度大大提高。PID算法的改进：
  常规PID算法构成如下：?输出=比例作用(P)+积分作用(I)+微分作用(D)?
  在常规PID的控制系统中，减少超调和提高控制精度是难以两全其美的，这主要是积分作用有缺陷造成的。如果减少积分作用，则静差不易消除，有扰动时，消除误差速度变慢，而当加强积分作用时，又难以避免超调，这也是常规PID控制中经常遇到的难题。
  在AI系列智能工业调节器中，当控制参数在比例带以外时，采用模糊控制，不存在抗饱和积分问题，而对PID算法部分又加以改进如下：输出=比例作用(P)+积分作用(I)+微分作用(D)+微分积分作用(∫I)
  由于仪表中增加了微分积分作用，所以，使常规PID算法中的积分饱和现象得到较大缓解。不过从上式中可以看到，原有参数已经较难确定了，又增加了一个新参数(∫I)，所以，这些参数必然互相影响，使得新算法参数更加难以确定。为此，经过认真的研究和实验分析，比例作用与微分作用的比值和积分作用与微分作用的比值可取相同的值，并且比例作用与微分作用的最佳比值同控制对象的滞后时间有关。滞后时间越大，则比例作用响应减少，而微分作用响应增加。两者存在的关系如下：
  比例作用=K(1/t)?
  微分作用=K(1-1/t)d?
  式中，K为系数；t为滞后时间与控制周期的比值；t≥1；d表示微分作用。?
  由此，可将人工智能控制算法公式改为：
  输出=P［1/t+(1-1/t)d］+(1/M)∫［1/t+(1-1/t)d］?
  式中，P用于调整微分和比例的大小，P增加，相当于同时将微分时间增加及减少比例带。反之，P减少，相当于同时将微分时间减少和增大比例带。M类似积分时间，可用于调整积分和微分积分的大小，t用于调整微分与比例的相互比例成分。如果t=1，则微分作用为0，如果1?Ｍ＝０，则积分作用为0。这样，控制参数又减少为3个，由于常规PID参数的定义只根据算法本身，其特点是不需要考虑被控对象的精确模型，而改进后的3个控制参数，由于同原参数概念不同，所以，定义为MPT控制算法，具体含义如下：
  M5为保持参数：M 5 定义为输出值变化为5％时，控制对象基本稳定后测量值的差值。5表示输出值变化量为5%，同一系统的M 5参数一般会随测量值有所变化，应取工作点附近为准。例如某电炉温度控制，工作点为700℃，为找出最佳M 5值，假定输出保持为50％时，电炉温度最后稳定在700℃左右，而55％输出时，电炉温度最后稳定在750℃左右。则：M 5＝750-700＝50.0（℃）M 5参数PID调节的积分时间起相同的作用。M 5值越小，系统积分作用越强。M5值越大，积分作用越弱（积分时间增加）。如果，M=0，则系统取消积分作用。
  P为速率参数：P与每个控制周期内仪表输出变化100%时测量值对应变化的大小成反比，其数值定义如下：P=1000÷每秒钟测量值升高值（测量值单位是0.1℃或1个定义单位）。例如电炉温度控制，如果仪表以100%功率加热，并假设没有散热，电炉每秒升高1℃时，则P=1000÷10=100，在实际应用时，因为没有散热的前提条件是无法满足的，所以，用人工的方式确定P的最佳值是不可能的，因此，一般利用自整定方法确定P的最佳值，P值对调节中的比例和微分均有作用。P值越大，比例、微分作用成正比增加，而P值越小，比例、微分作用相应减弱。P参数与积分作用无关。
  T为滞后时间参数：T定义为某电炉以某功率开始升温，当其升温速率达到最大值的63.5%时所需要的时间，T值单位是秒(s)。引入参数T并正确设置时可以完全解决温度控制的超调现象及振荡现象，同时使控制响应速度最佳。T值的变化，可对调节作用中的比例和微分起作用，T值越小，比例作用越强，微分作用越弱。T值越大，则比例作用减弱，微分作用增强。如果T≤CTL(控制周期)，则微分作用被完全取消，这时，系统的调节规律将成为比例或比例积分调节规律。  
  
  五、系统功能介绍及仪表调试
     1、人机界面画面
     主监控画面：上面有动态监控图，炉门的开闭状态、风机启停状态、火咀燃烧状态等可以在该画面上实时显示。通过画面右上角的火咀燃烧状态百分比显示模拟火咀的实际输出。当火咀没有输出时，火咀模拟喷出的火焰消失。在动态监控图的炉的上方标注有测温点的温度值，其中PV为实时测量温度值，SV为设定温度值。动态监控图的下方有各种状态的指示灯。
    开关操作画面：开关操作画面的上半部分有各种状态的指示灯，下半部分有各种操作按钮和选择开关。
    温度记录画面：分别用两种颜色记录两个参与实际控制的温度表的实时温度，在垂直轴上所标注数值为温度值，水平轴上所标注数值为时刻值。
    温度履历画面：在该画面上可以查询参与实际控制的温控表的历史温度记录数据，分别用两种颜色记录两个通道的温度数据。在垂直轴上所标注数值为温度值，水平轴上所标注数值为时刻值。在查询时可以按时间前移或时间后移 进行前后时间段温度数据的查询，也可以按查询历史曲线后直接输入时间段数据进行查询。人机界面如有连接打印机，可以方便的把当前画面打印出来。
   工艺参数选择设置画面：在该画面可进行工艺参数设置选择操作。要进行工艺参数选择的操作需要进行操作登陆，只有取得授权的人员才有资格对工艺参数进行修改设置及查看工艺参数的具体数值。
   报警履历画面：记录系统的相关历史报警内容。
   PLC I/O监控画面：上面显示了PLC的各个输入点的通断工作状态，方便对各电气开关量进行监控和检修。在输入点的右边标注有该点I/O在系统控制中的具体使用意义。   2、仪表调试
      系统工作前须在仪表上进行阀门定位操作，以保证仪表的输出信号和阀门的开度相对应。具体操作：系统通电后，把仪表输出方式OPT改为7，确认修改后仪表先自动将阀门完全关闭（注意：此时需要由阀门上的限位开关进行定位），测量阀门全关时的阀位信号大小，然后再完全打开，测量阀门全开时阀位信号大小。仪表要求阀门完全关闭时阀位信号为0－1.5V之间，阀门完全打开时阀位反馈信号比阀门完全关闭时信号大1V以上才能满足整定要求。整定完毕后仪表自动把OPT设置为6，如果要控制过程中要限制阀门开度，可利用参数oPL及oPH对阀门位置的上限及下限进行限制。
      在阀门定位后，仪表还需要进行PID自整定。系统在不同给定值下整定得出的参数值不完全相同，执行自整定功能前，应先将给定值设置在最常用值或是中间值上（对于AI-808P仪表，可通过修改当前程序段值来改变给定值以满足要求）。自整定时，仪表执行位式调节，经2－3次振荡后，仪表内部微处理器根据位式控制产生的振荡，分析其周期、幅度及波型来自动计算出M 5、P、t等控制参数。参数CtL及dF的设置，对自整定过程也有影响，一般来说，这2个参数的设定值越小，理论上自整定参数准确度越高。但dF值如果过小，则仪表可能因输入波动而在给定值附近引起位式调节的误动作，这样反而可能整定出彻底错误的参数。推荐CtI=0-2，dF=0.3。此外，基于需要学习的原因，自整定结束后初次使用，控制效果可能不是最佳，需要使用一段时间（一般与自整定需要的时间相同）后方可获得最佳效果。
  
  六、结语
  新型控制系统投入使用后，只需在设备进行热处理前通过人机界面输入需要的系统升温工艺曲线，系统就能自动地完成整个热处理过程。这不仅大大降低了劳动强度，更重要的是它能使设备的热处理效果更符合热处理工艺的要求，提高了产品质量的可靠性。