根據(jù)石英晶體真空退火爐的工藝過程和控制要求，設(shè)計了以SIMATIC$7-300 PLC為核心，以工業(yè)觸摸屏為人機(jī)界面的電氣控制系統(tǒng)。采用具有智能積分環(huán)節(jié)的模糊控制算法實(shí)現(xiàn)多工作區(qū)溫度控制，討論了積分引入的條件。實(shí)踐表明：該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足工藝要求。

　　石英晶體諧振器是數(shù)字化設(shè)備中不可缺少的關(guān)鍵器件之一，其主要作用是產(chǎn)生基準(zhǔn)時鐘信號，協(xié)調(diào)整體電路的工作，廣泛用于計算機(jī)、通信設(shè)備、智能化儀器儀表及家用電器等產(chǎn)品上。晶體真空退火爐是石英晶體元器件生產(chǎn)過程中的專用設(shè)備，用于石英晶體的退火處理，以消除晶體產(chǎn)品在加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力及輕微表面缺陷。目前在國內(nèi)石英晶體元件生產(chǎn)線上使用的真空退火爐絕大部分都從日本或韓國進(jìn)口，價格昂貴，同時維護(hù)非常不便。2005年，筆者與其他單位合作研制成功了國產(chǎn)的石英晶體真空退火爐，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到或超過了國外同類產(chǎn)品。

　　可編程控制器(PLC)是一種結(jié)構(gòu)簡單、通用性好、功能較完備的新型控制元件，其主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，可以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，提高生產(chǎn)效率，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為所以特別適用于工業(yè)控制。因此，在石英晶體真空退火爐研制過程中，設(shè)計了以PLC為核心的電氣控制系統(tǒng)。

1、真空退火爐的工藝過程

　　該退火爐主要由左右2個真空室、真空機(jī)組、冷卻水系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等組成。2個真空室可分別獨(dú)立工作�？紤]到石英晶體元件體積較小，為充分利用真空室內(nèi)工作空間，將每個真空室分割成4個工作區(qū)，如圖l所示，每區(qū)裝有熱電偶和電阻加熱管，可單獨(dú)控制該區(qū)的溫度。這樣，每個真空室的真空度一致，但各工作區(qū)的溫度可以是不同的，使用起來更加方便。

　　設(shè)備的工藝過程主要分為3步。

　　第l步，抽真空。真空機(jī)組將真空室由大氣壓抽到低真空(10 Pa左右)，再抽到高真空(5×10_3Pa左右)。

　　第2步，溫度控制。由加熱管對工作區(qū)加熱，使工作區(qū)的溫度跟隨設(shè)定曲線變化，對晶體元件進(jìn)行退火處理。

　　第3步，真空釋放。退火時間到后，依次打開放氣閥和排氣閥將真空釋放，恢復(fù)到大氣壓力后可打開爐門取出晶體元件，完成真空退火處理。

2、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　西門子PLC具有豐富的指令和多種功能的控制模塊，能滿足各種不同場合的控制需求，在中國工控市場具有較高的占有率。根據(jù)設(shè)備工藝過程及控制要求，考慮系統(tǒng)可靠性和性價比等因素，決定采用以西門子87-300 PLC為控制核心，以工業(yè)觸摸屏為人機(jī)界面的控制方案。

　　根據(jù)外圍元件需要的控制點(diǎn)的種類和數(shù)量來選取PLC各擴(kuò)展模塊。選擇1個數(shù)字量輸入模塊SM321(DC 24 V，32入)用于接收各主令電器、閥門位置檢測開關(guān)、真空測試儀等元器件的輸入信號;選擇1個數(shù)字量輸出模塊SM322(DC 24 V，32出)用于控制真空泵和閥門等執(zhí)行元件。

　　左右真空室各有4個工作區(qū)，每區(qū)都獨(dú)立控溫，因此，每區(qū)構(gòu)成1個閉環(huán)控制回路，總共需要8個溫度閉環(huán)控制回路。選擇1個模擬量輸入模塊SM331(熱電偶型，8人)接收各工作區(qū)熱電偶的測量信號;選擇1個模擬量輸出模塊SM332(12位，8出)用于控制調(diào)壓器的輸出電壓，從而調(diào)節(jié)加熱管的加熱功率。

　　根據(jù)擴(kuò)展模塊的數(shù)量和程序的復(fù)雜程度選擇CPU314作為中央處理單元;直流電源選用PS307(DC 24 V，5 A)。考慮與PLC的兼容性，選擇西門子TPl70B彩色觸摸屏作為人機(jī)界面�？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1、真空系統(tǒng)控制

　　真空系統(tǒng)負(fù)責(zé)對機(jī)械泵、分子泵和各閥門進(jìn)行順序控制，以保證真空室內(nèi)的真空度。根據(jù)工藝要求和各閥門之間的連鎖關(guān)系，確定程序流程見圖3。

3.2、溫度控制

3.2.1、算法選擇

　　退火爐采用電阻加熱管加熱，其溫度控制過程具有熱慣性大、滯后大、參數(shù)時變和非線性的特點(diǎn)。常規(guī)的PID控制雖然穩(wěn)態(tài)精度較高，但對于爐溫這種非線性被控對象，其參數(shù)調(diào)整非常困難，控制效果往往并不理想。

　　模糊控制是智能控制的一種，對于非線性、時變性和大滯后對象具有較好的控制作用。但常規(guī)模糊控制器的主要缺點(diǎn)是存在穩(wěn)態(tài)誤差，通過調(diào)整量化因子或比例因子只能減小誤差，并不能徹底消除，并且過大的量化因子或比例因子還會引起系統(tǒng)在目標(biāo)值附近振蕩。因此，綜合考慮模糊控制和PID控制的特點(diǎn)，各取所長，設(shè)計了一種具有智能積分環(huán)節(jié)的模糊控制器，如圖4所示。

3.2.2、積分環(huán)節(jié)引入時機(jī)的推導(dǎo)

　　PID控制中的積分環(huán)節(jié)能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，因此在常規(guī)模糊控制器引入積分環(huán)節(jié)能直接提高穩(wěn)態(tài)精度。但由于積分控制對系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不利，容易產(chǎn)生超調(diào)甚至使系統(tǒng)振蕩，因此如何充分發(fā)揮積分環(huán)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，抑制其缺點(diǎn)，是控制性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。

　　1)從避免超調(diào)的角度考慮

　　積分環(huán)節(jié)的本質(zhì)是對過去一個時間段內(nèi)的偏差e的積累，具有落后性。因此在何時引入積分環(huán)節(jié)需要對被控變量的響應(yīng)過程進(jìn)行分析。圖5所示的響應(yīng)曲線中，在oA段和BC段，尤其是靠近A和C時不能引入積分環(huán)節(jié)，否則會引起過大的超調(diào);在AB段和CD段需要引入積分環(huán)節(jié)以使被控變量盡快返回到目標(biāo)值。結(jié)合各段偏差P和偏差變化率ec的正負(fù)號可知：e·ec>O時可引入積分環(huán)節(jié)，e·ec

　　2)從消除穩(wěn)態(tài)誤差的角度考慮

　　常規(guī)模糊控制器以離散論域?yàn)榛�礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)離散化過程中必然存在誤差，例如0~0.49均被四舍五人作為0，此時控制器“錯誤”地認(rèn)為現(xiàn)在偏差和偏差變化率已經(jīng)是零，無需調(diào)節(jié)了。但實(shí)際上此時偏差并不為零。偏差量化公式為

　　式中E為偏差的離散論域，round為取整到最近的整數(shù)。

　　令E=0可得

　　整理得到

　　同樣對于偏差變化率也有

　　同時滿足式(3)和式(4)時模糊控制器停止調(diào)節(jié)，此時需要引入積分環(huán)節(jié)來消除這一偏差。通過以上分析，可以把引進(jìn)積分的條件綜合如下：

　　式中and表示邏輯“與”，or表示邏輯“或”。

3.2.3、溫度控制算法的程序?qū)崿F(xiàn)

　　在本系統(tǒng)中，偏差E和偏差變化率EC的隸屬函數(shù)曲線均為三角形，離散論域均取[一6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6]，根據(jù)模糊規(guī)則。經(jīng)離線推理得到13行13列的查詢表。在PLC中實(shí)現(xiàn)查詢表的方法如下：將控制量U1的數(shù)據(jù)存儲在以VBl00為中心的169個變量存儲區(qū)中，即VBl6一VBl84。查詢時Ul的存儲地址VBU’可根據(jù)式(6)計算得到。

　　在PLC中積分根據(jù)下面數(shù)字積分公式計算。

　　式中：MI。，MI。一。分別為第咒個和第竹一1個采樣時刻的積分值;Ts為采樣時間;Tl為積分時間;Kc為增益系數(shù)。

3.3、觸摸屏界面設(shè)計

　　采用西門子winCC flexible 2005軟件來組態(tài)TPl70B觸摸屏界面，共開發(fā)了12幅畫面。包括畫面選擇、工作主界面、溫度設(shè)定、真空設(shè)定、報警信息和溫度曲線等。圖6為其工作主界面。

4、應(yīng)用效果

　　控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，經(jīng)幾次實(shí)驗(yàn)調(diào)整確定了模糊查詢表和積分時間，運(yùn)行后系統(tǒng)性能參數(shù)如下。

　　1)加熱溫度：加熱最高溫度為500℃，工作溫度為150--300℃;

　　2)爐溫均勻度：≤±5℃;

　　3)控溫精度：士1℃;

　　4)溫升超調(diào)量：≤10%;

　　5)調(diào)整時間：≤240 S。

　　數(shù)據(jù)表明采用具有智能積分環(huán)節(jié)的模糊控制算法可使真空退火爐具有較高的控溫精度和較短的調(diào)整時間，同時超調(diào)量也不大，能夠較好地滿足真空退火工藝要求。設(shè)備在2年多的使用過程中，沒有出現(xiàn)電氣故障，操作安全方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足工藝要求。

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