1 引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)電子設(shè)備的需求越來(lái)越大、對(duì)電子設(shè)備的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。在電子設(shè)備制造中，波峰焊機(jī)是一種很重要的焊接設(shè)備。因此其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響著焊接的質(zhì)量。目前，用于波峰焊機(jī)控制系統(tǒng)的主要有PLC和工控機(jī)。因?yàn)榭删幊炭刂破?PLC)的可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、容易擴(kuò)展、便于維護(hù)和升級(jí)。所以，選定西門子S7-200系列PLC作為主控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)波峰焊機(jī)的有效控制。下面就具體介紹該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和算法研究。

2 基本方案
控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的波峰焊機(jī)主要包括控制器部分和電氣部分。控制系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 波峰焊機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖
2.1 上位機(jī)監(jiān)控
利用工控機(jī)作為上位機(jī)。由它運(yùn)行監(jiān)控軟件。它操作簡(jiǎn)單、思路清晰、界面友好。上位機(jī)軟件主要包括以下幾個(gè)模塊:
(1) 數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)模塊
上位機(jī)軟機(jī)每隔1s向可編程控制器發(fā)送讀溫度命令，然后接受控制器返回的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)錯(cuò)誤校驗(yàn)以后進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示。
(2) 數(shù)據(jù)查詢模塊
上位機(jī)存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)可以按照不同的規(guī)則進(jìn)行查詢以供分析，系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)也可以進(jìn)行查詢。
(3) PID參數(shù)整定模塊
雖然PID算法大部分是在下位機(jī)完成，但是上位機(jī)也可以根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)kp、ki、kd的初始值。同時(shí)，為了更好的發(fā)揮上位機(jī)軟件的強(qiáng)大作用也可以進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家控制、學(xué)習(xí)控制等智能算法的應(yīng)用。
(4) 通訊模塊
主要負(fù)責(zé)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。
2.2 溫度控制
溫度控制是波峰焊機(jī)控制系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)利用K型熱電偶采集溫度信號(hào)。它通過(guò)控制固態(tài)繼電器的輸出來(lái)調(diào)節(jié)占空比，從而改變電阻絲兩端的有效電壓，達(dá)到控制溫度的目的。在很多工業(yè)控制過(guò)程中一般都采用PID控制，特別是對(duì)于純滯后、大慣性的溫度控制。PID控制是按照實(shí)際溫度和設(shè)定溫度偏差的比例、積分、微分產(chǎn)生控制作用，實(shí)際運(yùn)行效果和理論分析表明，這種控制規(guī)律可以得到比較滿意的結(jié)果。
2.3 步進(jìn)電機(jī)控制
在波峰焊機(jī)控制系統(tǒng)中有三種步進(jìn)電機(jī):鏈幅調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)、流量控制步進(jìn)電機(jī)和噴嘴移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換成角位移的一種機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它受脈沖信號(hào)控制，角位移與輸入脈沖個(gè)數(shù)構(gòu)成嚴(yán)格的正比例關(guān)系，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。它具有定位精度高、慣性小、無(wú)積累誤差、啟動(dòng)性能好等特點(diǎn)。因此，它廣泛應(yīng)用于要求精密定位的旋轉(zhuǎn)或線性運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)。PLC輸出的脈沖信號(hào)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。
2.4 網(wǎng)絡(luò)通訊
上位機(jī)監(jiān)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(xié)議是基于S7-200自由口通訊的Modbus協(xié)議。Modbus協(xié)議是MODICON公司為其生產(chǎn)PLC設(shè)計(jì)的一種通訊協(xié)議。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)。它描述了控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄，制定了消息域結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的公共格式。上位機(jī)和PLC的通信使用主－從結(jié)構(gòu)，采用請(qǐng)求－響應(yīng)方式，主站發(fā)出帶有從站地址的請(qǐng)求報(bào)文，具有該地址的從站收到后發(fā)出響應(yīng)報(bào)文進(jìn)行應(yīng)答。
Modbus協(xié)議有ASCII和RTU兩種報(bào)文傳輸模式，在設(shè)置每個(gè)站的串口通信參數(shù)時(shí)，Modbus網(wǎng)絡(luò)上所有的站都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。本系統(tǒng)中我們采用RTU模式進(jìn)行傳輸。如圖2所示RTU通信幀的基本結(jié)構(gòu)。

圖2 RTU通信幀的基本結(jié)構(gòu)

在下位機(jī)PLC中使用Modbus從站協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。在用戶程序中調(diào)用Modbus從站指令。如圖3所示，MBUS_INIT指令用來(lái)設(shè)置或改變Modbus通信參數(shù)。該指令應(yīng)只在一個(gè)掃描周期內(nèi)執(zhí)行，一般用在首次掃描時(shí)工作一個(gè)掃描周期的SM0.1的常開觸點(diǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)它。程序中只能使用一條MBUS_SLAVE指令，每次掃描都應(yīng)調(diào)用該指令，以響應(yīng)接收到的通信請(qǐng)求。

圖3 Modbus從站協(xié)議指令

3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 總體設(shè)計(jì)
波峰焊機(jī)控制系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)分為監(jiān)控子系統(tǒng)和溫控子系統(tǒng)。其中監(jiān)控子系統(tǒng)主要完成對(duì)各個(gè)輸入點(diǎn)的監(jiān)視，若有異常情況發(fā)生，迅速做出處理，并對(duì)輸出進(jìn)行控制，并且根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行故障處理和報(bào)警。同樣，溫控子系統(tǒng)主要完成的功能有:定時(shí)選通A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采樣、濾波、標(biāo)度變換、存儲(chǔ);定時(shí)對(duì)處理好的采樣值進(jìn)行PID計(jì)算，輸出控制脈沖;接受中斷請(qǐng)求，處理上位機(jī)發(fā)送的命令、狀態(tài)，上傳溫度值等等。圖4和圖5分別是監(jiān)控子系統(tǒng)和溫控子系統(tǒng)的軟件框圖。

圖4 監(jiān)控子系統(tǒng)軟件框圖

圖5 溫控子系統(tǒng)軟件框圖

3.2 模糊PID參數(shù)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(duì)象，因此PID算法的參數(shù)很難確定。一般的參數(shù)整定方法就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定其參數(shù)初值，然后根據(jù)具體工藝條件再進(jìn)行調(diào)整。這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力還不準(zhǔn)確，所以項(xiàng)目開發(fā)了基于繼電反饋的模糊PID參數(shù)自整定方法。
模糊控制器是以人的控制經(jīng)驗(yàn)作為控制的知識(shí)模型，以模糊集合、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理作為控制算法的數(shù)學(xué)工具，并利用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種智能控制器。控制器的輸出和參數(shù)的調(diào)整是通過(guò)過(guò)程函數(shù)的邏輯模型產(chǎn)生的，改善模糊控制特性的最有效方法是優(yōu)化控制規(guī)則。圖6為模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

圖6 模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
此模糊控制器由四個(gè)基本部分組成，即模糊化、知識(shí)庫(kù)、模糊推理和反模糊化。設(shè)計(jì)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(shù)。將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，就得到有限個(gè)點(diǎn)上的隸屬度，便構(gòu)成了一個(gè)相應(yīng)的模糊變量的模糊子集。在本控制系統(tǒng)中筆者設(shè)誤差的基本論域?yàn)閧-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6},誤差變化的基本論域?yàn)閧-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}。為了進(jìn)行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)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(gè)量化因子使得誤差實(shí)現(xiàn)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(diǎn)通過(guò)量化因子映射到模糊集論域中最相近的整數(shù)點(diǎn)。另外，每次采樣經(jīng)模糊算法給出的控制量還不能直接控制被控對(duì)象，還必須將其轉(zhuǎn)換到控制對(duì)象所能接受的基本論域中。接下來(lái)就是進(jìn)行模糊控制規(guī)則的選取和模糊推理方法的選擇。模糊控制器的控制規(guī)則其實(shí)是基于專家的控制策略，它基于經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，而控制器則是基于某種控制算法的數(shù)值運(yùn)算。具體而言就是:當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主，而當(dāng)誤差小或較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的波峰焊爐溫模型進(jìn)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(jié)束語(yǔ)
波峰焊機(jī)控制系統(tǒng)的核心是溫度控制。只要控溫精度上去了，就可以說(shuō)此控制系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到基本要求了。本文研究的波峰焊機(jī)控制系統(tǒng)利用西門子公司的S7-200系列PLC作為下位機(jī)控制器，它的抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定、可靠。利用其PID參數(shù)自整定模塊可以達(dá)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(jìn)一步考驗(yàn)。因此可以根據(jù)模糊PID自整定算法原理自己編寫程序，同樣可以達(dá)到很好的溫度控制精度。為了促進(jìn)無(wú)鉛焊接設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展，其它智能控制理論也將越來(lái)越多的應(yīng)用于此類控制系統(tǒng)中。