基于S7-200 PLC的波峰焊机控制系统研究

1 引言
随着我国经济的发展，人们对电子设备的需求越来越大、对电子设备的质量要求也越来越高。在电子设备制造中，波峰焊机是一种很重要的焊接设备。因此其控制系统的设计优劣直接影响着焊接的质量。目前，用于波峰焊机控制系统的主要有PLC和工控机。因为可编程控制器(PLC)的可靠性高、抗干扰能力强、性能稳定、容易扩展、便于维护和升级。所以，选定西门子S7-200系列PLC作为主控制器来实现对波峰焊机的有效控制。下面就具体介绍该系统的设计方案和算法研究。

2 基本方案
控制系统结构复杂的波峰焊机主要包括控制器部分和电气部分。控制系统的核心部分包括控制器、变频器控制、输送链控制、温度控制等等。其系统结构图如图1所示。

图1 波峰焊机控制系统基本结构图
2.1 上位机监控
利用工控机作为上位机。由它运行监控软件。它操作简单、思路清晰、界面友好。上位机软件主要包括以下几个模块:
(1) 数据采集、存储模块
上位机软机每隔1s向可编程控制器发送读温度命令，然后接受控制器返回的温度数据，经过错误校验以后进行存储并显示。
(2) 数据查询模块
上位机存储的历史数据可以按照不同的规则进行查询以供分析，系统的设置参数也可以进行查询。
(3) PID参数整定模块
虽然PID算法大部分是在下位机完成，但是上位机也可以根据需要调整参数kp、ki、kd的初始值。同时，为了更好的发挥上位机软件的强大作用也可以进行神经网络、专家控制、学习控制等智能算法的应用。
(4) 通讯模块
主要负责与下位机的数据交换及数据格式的转换。
2.2 温度控制
温度控制是波峰焊机控制系统的核心。系统利用K型热电偶采集温度信号。它通过控制固态继电器的输出来调节占空比，从而改变电阻丝两端的有效电压，达到控制温度的目的。在很多工业控制过程中一般都采用PID控制，特别是对于纯滞后、大惯性的温度控制。PID控制是按照实际温度和设定温度偏差的比例、积分、微分产生控制作用，实际运行效果和理论分析表明，这种控制规律可以得到比较满意的结果。
2.3 步进电机控制
在波峰焊机控制系统中有三种步进电机:链幅调节步进电机、流量控制步进电机和喷嘴移动步进电机。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移的一种机电式数模转换器。它受脉冲信号控制，角位移与输入脉冲个数构成严格的正比例关系，每输入一个脉冲，步进电机就转动一定的角度。它具有定位精度高、惯性小、无积累误差、启动性能好等特点。因此，它广泛应用于要求精密定位的旋转或线性运动的控制系统。PLC输出的脉冲信号通过步进电机驱动器达到控制步进电机的目的。
2.4 网络通讯
上位机监控软件和S7-200可编程控制器之间以及PLC和变频器之间用RS-485连接。通信协议是基于S7-200自由口通讯的Modbus协议。Modbus协议是MODICON公司为其生产PLC设计的一种通讯协议。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录，制定了消息域结构和内容的公共格式。上位机和PLC的通信使用主－从结构，采用请求－响应方式，主站发出带有从站地址的请求报文，具有该地址的从站收到后发出响应报文进行应答。
Modbus协议有ASCII和RTU两种报文传输模式，在设置每个站的串口通信参数时，Modbus网络上所有的站都必须选择相同的传输模式和串口参数。本系统中我们采用RTU模式进行传输。如图2所示RTU通信帧的基本结构。

图2 RTU通信帧的基本结构

在下位机PLC中使用Modbus从站协议进行设计。在用户程序中调用Modbus从站指令。如图3所示，MBUS_INIT指令用来设置或改变Modbus通信参数。该指令应只在一个扫描周期内执行，一般用在首次扫描时工作一个扫描周期的SM0.1的常开触点来驱动它。程序中只能使用一条MBUS_SLAVE指令，每次扫描都应调用该指令，以响应接收到的通信请求。

图3 Modbus从站协议指令

3 软件设计
3.1 总体设计
波峰焊机控制系统采用模块化的设计方法。整个系统分为监控子系统和温控子系统。其中监控子系统主要完成对各个输入点的监视，若有异常情况发生，迅速做出处理，并对输出进行控制，并且根据系统的状态进行故障处理和报警。同样，温控子系统主要完成的功能有:定时选通A/D转换器对温度信号进行采样、滤波、标度变换、存储;定时对处理好的采样值进行PID计算，输出控制脉冲;接受中断请求，处理上位机发送的命令、状态，上传温度值等等。图4和图5分别是监控子系统和温控子系统的软件框图。

图4 监控子系统软件框图

图5 温控子系统软件框图

3.2 模糊PID参数自整定算法研究
由于电阻炉温度是一种大惯性、纯滞后的控制对象，因此PID算法的参数很难确定。一般的参数整定方法就是根据经验设定其参数初值，然后根据具体工艺条件再进行调整。这种方法费时费力还不准确，所以项目开发了基于继电反馈的模糊PID参数自整定方法。
模糊控制器是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，并利用计算机数字控制技术来实现的一种智能控制器。控制器的输出和参数的调整是通过过程函数的逻辑模型产生的，改善模糊控制特性的最有效方法是优化控制规则。图6为模糊控制系统的基本结构。

图6 模糊控制系统的基本结构
此模糊控制器由四个基本部分组成，即模糊化、知识库、模糊推理和反模糊化。设计模糊控制器的第一步就是要选择论域和模糊子集的隶属函数。将确定的隶属函数曲线离散化，就得到有限个点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。在本控制系统中笔者设误差的基本论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6},误差变化的基本论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}。为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集的论域。误差的量化因子

，误差变化的量化因子

。这两个量化因子使得误差实现了从基本论域变换到模糊论域的作用，即由基本论域中的任意一点通过量化因子映射到模糊集论域中最相近的整数点。另外，每次采样经模糊算法给出的控制量还不能直接控制被控对象，还必须将其转换到控制对象所能接受的基本论域中。接下来就是进行模糊控制规则的选取和模糊推理方法的选择。模糊控制器的控制规则其实是基于专家的控制策略，它基于经验和技术知识，而控制器则是基于某种控制算法的数值运算。具体而言就是:当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。
通过实验得到的波峰焊炉温模型进行仿真。假定电阻炉的温度模型为:

，K_e=0.1，K_ec=1， K_u=12，控制周期为1s，模糊控制器输出为工频电压。仿真效果如图7所示。

图7 波峰焊温度控制仿真效果
4 结束语
波峰焊机控制系统的核心是温度控制。只要控温精度上去了，就可以说此控制系统已经达到基本要求了。本文研究的波峰焊机控制系统利用西门子公司的S7-200系列PLC作为下位机控制器，它的抗干扰能力强、稳定、可靠。利用其PID参数自整定模块可以达到较好的效果，但是由于此模块刚推出不久，它的控制功能有待进一步考验。因此可以根据模糊PID自整定算法原理自己编写程序，同样可以达到很好的温度控制精度。为了促进无铅焊接设备的进一步发展，其它智能控制理论也将越来越多的应用于此类控制系统中。