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河南勃達微波設備有限公司
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閱讀：658發(fā)布時間：2010-2-19
自動控制技術在工業(yè)微波設備中的應用
作者: 崔軍 來源: 第十一屆全國微波能應用技術研討會論文集
緒 論
隨著計算機技術的飛速發(fā)展，工業(yè)自動化技術日新月異，更新?lián)Q代的周期越來越短，因而要求作為企業(yè)的工程技術人員對于新技術的不斷學習與應用直接關系到企業(yè)的競爭力，企業(yè)的后勁與發(fā)展。
本文總結了在微波工業(yè)設備上的一些相關的控制技術，作為拋磚引玉。
本文主要從以下幾個方面介紹：
1. 建立底層的堅固的控制平臺。
講述PLC在微波設備中的相關應用。
2. 基于PLC的多種控制及相關的應用。
HMI人機界面，VB編程的應用。
3. 利用工控機作為上位機的控制及相關的應用。
引入組態(tài)軟件的控制方式。
*章、 建立堅固的底層控制平臺
要想得到良好得控制效果，首先必須建立堅固的底層控制平臺，這是zui首要的問題，不能夠解決這一問題那我們所作的任何控制都將是建立在沙丘上的宮殿。
而堅固的底層平臺必須具備以下幾個方面的特性：
1．抗干擾性
2．高穩(wěn)定性
3．高可靠性
4．開放性
5．獨立性
6．一定的智能性
微波設備由于它本身可能產生一些相關的電磁干擾信號，故而在微波設備中抗干擾性尤為重要，而高穩(wěn)定性與可靠性主要表現(xiàn)在現(xiàn)今的用戶對于微波設備的使用時間與使用要求越來越高，為滿足用戶不
斷提高的要求，我們也同時必須對設備性能進行改進；對于開放性指的是提供與其相關的控制元件或系統(tǒng)的接口；獨立性表現(xiàn)于其底層控制自成系統(tǒng)，當相關上層的控制出現(xiàn)問題的時候，它能夠自由調
度底層相關的資源，使底層控制不至于癱瘓；智能性表示了它必須擁有基礎的
運算與邏輯判斷能力。
由于上述原因微波設備的底層控制一般采用可編程控制器（PLC）作為中心控制元件，同時采用PLC各采樣模塊（如圖一）。在PLC的內部由設計人員根據用戶或設計要求編制了過程控制的程序，程序包括
控制處理采集的數(shù)據、邏輯的判斷、驅動外圍控制、功能的實現(xiàn)等。
PLC程序的編制一般采用梯形圖的形式。
下面以我公司設計生產的化工爐為例，簡述一下利用PLC與相關模塊進行控制的原理。
該設備的功能簡介：
1．設備微波輸出功率0～700W連續(xù)可調。
2． 分九段加熱區(qū)域。
3．每段加熱區(qū)域里，功率同時受設定功率與段內設定溫度的控制，也即本機工
作時控制原則以溫度優(yōu)先。
用戶要求升溫過程分段受控，也就是不可一步到位式的加功率，升溫的過程必須是緩慢的否則將影響到產品質量，由圖三我們可以看出，通過紅外非接觸式測溫裝置測定物料的即時溫度，并將溫度信號
變送給PLC的相關AD采樣模塊，再經過PLC將此采樣值與用戶通過觸摸屏所設定的值進行比較，當溫度達到設定值下的一個闋值的時候，PLC通過DA轉換模塊將功率轉低進入保溫運行模式，*達到設定值
的時候才停止功率的輸出，當溫度低于設定值下的那個闋值的時候又自動以用戶設定的功率開始進行加熱。
系列1（深色線條）是采用分
段控制后得到的溫度曲線，系列2（淺色線條）是采用普通加熱方式加熱后得到的升溫曲線。兩者對比后系列1中的加熱方式更貼近用戶的要求。
該機的實物圖片如上，通過在實踐中使用用戶給出了滿意的答復。正是由于采用了此手段來進行的控制，因而大大提高了控制精度，同時也創(chuàng)建了一個更合理的用戶界面，使用戶的要求得到了滿足。
以上僅僅是從一個側面表述了PLC在過程控制中的優(yōu)點，其實它還有許多等著我們去應用的功能。
第二章 基于PLC的多種控制及相關的應用
上面通過描述一臺化工爐簡單的控制系統(tǒng)應用實例，表述了要想得到的控制方法或手段，必須打好牢固的基礎。在有了這一相對穩(wěn)定的控制平臺的后，可通過開發(fā)PLC的潛在功能來實現(xiàn)更友好、更實
用、更經濟的控制實現(xiàn)。
1．HMI人機界面的應用
人機界面實際是PLC廠家開發(fā)生產的一種可實現(xiàn)一定程度的人機對話觸摸屏，它具有顯示PLC內部數(shù)據，實現(xiàn)將以往的各控制按鈕簡化為屏幕觸摸設定，以及一定的數(shù)據挖掘功能。
以下是在我公司橡膠硫化設備上實現(xiàn)的控制方案圖。
該設備分為一節(jié)微波段，兩節(jié)熱風段，以及兩個牽引機等，我們必須將微波功率控制，三段熱風控制，五臺電機控制等整合到一個控制終端上。正是由于在該套
設備里相關的量比較多，控制也較復雜，故而將人機界面引入到系統(tǒng)中來，用以實現(xiàn)用戶與底層控制信息的交互。
在實際設計中，應關注驅動電動機的方法，在此套設備中采用的是變頻器控制傳動電機，則選擇采用PLC標準端口上配接RS－485通訊板的方法，用PLC作為上位
機進行與5臺變頻器的通訊。這樣即節(jié)省了控制開支，同時也符合控制的科學與穩(wěn)定性。（在這一過程中必須要得到的就是所用變頻器通訊的相關協(xié)議與設置等）
關于變頻器的通訊可看下圖（圖七）。
由于使用了人機界面的顯示與操作方式，不但減少了控制面板的面積，同時也使得控制過程中如出現(xiàn)異常則以對話框的形式來提示操作者就如下圖。
人機界面在完成指示與控制的同時，的還具有分析數(shù)據的功能，可建立實時與歷史數(shù)據表格，便于用戶在實際使用設備的過程中輔助摸索工藝及修改參數(shù)。我們知道日本企業(yè)的發(fā)展，很大程度上來
自于他們*的管理方法，而這一方法
包含了全面質量管理，精益生產，實時存貨管理等等。其中精益生產的精髓就是按單制造、不斷改進。而我國企業(yè)要想發(fā)展也就必須遵循這一科學的方式。因而我們作為生產制造設備的企業(yè)或開發(fā)生產
設備的設計者，在我們的設計理念中也必須貫穿這樣的思想，才能走在購買我們設備用戶的前面。
因此我們必須使得我們生產的設備具有一定的柔性，也就是說更加適應小批次的生產模式，同時也必須具有長時間工作的能力，更重要的是在每套設備的基礎上
盡可能的實現(xiàn)能與其他工業(yè)設備的相關標準接口。只有這樣，才能促進微波設備的多領域應用。
人機界面的應用可以在很大程度上實現(xiàn)上述的功能，盡管它還有許多弱點，但它簡單可靠，并且適應電氣與PLC程序設計人員的思路，因而得到了廣泛的應用。
2.利用Microsoft Visual Basic 6.0開發(fā)基于PC的控制系統(tǒng)用于取代人機界面上面談到了人機界面的應用，但人機界面的價格相對較貴，例如一個10”觸摸屏的價格一般都在一萬元以上，如果在使用中
還應用了聲音、照片、動態(tài)攝像等等
則價格更是不菲。有沒有一種其他的手段來取代人機界面的實現(xiàn)呢？回答是肯定的。這里介紹我所
應用的其中一種實現(xiàn)方案：通過計算機作為上位顯示與控制的人機界面方式。它的實現(xiàn)有兩種：其一為使用相關的PC內開關量與模擬量板卡來實現(xiàn)構筑控制系統(tǒng)的方法，其二為通過相關的通訊協(xié)議來實
現(xiàn)PC與PLC的通訊，PC發(fā)送控制命令，PLC響應并回復的方式。以上兩種控制方法可見下面的圖九、圖十。上面兩種方法各有優(yōu)缺點，但目前由于網絡帶寬的大幅提速，已使得后一種方法
大有取代*種的態(tài)勢，后一種方法在系統(tǒng)集成上顯示了強大的實力。*種方法卻由于它具有即時性仍舊被應用于實時控制系統(tǒng)。我公司曾利用此方法開發(fā)了*機。
以相關板卡進行構筑控制系統(tǒng)的硬件部分必須穩(wěn)定可靠，軟件部分可采用Microsoft 的Visual Basic 6.0來開發(fā)，因為，VB6較簡單比較容易令電氣控制
人員上手，可使用微軟在該軟件中配置的相關控件參與編程，可縮短程序開發(fā)周期。
具體在程序編制中一般的流程為：建立基礎界面――>將界面的按鈕與控件進行鏈接用以實現(xiàn)各項功能，――>通過
聲明調用板卡的.DLL動態(tài)鏈接庫將各項控制的具體數(shù)據傳遞給板卡，同時也將板卡采集的數(shù)據存入計算機進行處理，――>底層的實現(xiàn)就是將板卡的控制數(shù)據變?yōu)楦鞣N物理動作，同時也將各項物理動作采
集進入板卡寄存器。
第二種方法為通過各種通訊協(xié)議進行各項控制與數(shù)據傳遞。網絡可分為高速網與低速網。一般單臺次設備的控制均采用低速網絡。
PC與PLC的低速網絡可有如下幾種：
1.通過多芯屏蔽線 實現(xiàn)RS－232C的通訊。
該方式為點對點的通訊，也就是說一個RS－232C口對應一個通訊設備，并且一般傳輸距離為<25米。
2.通過雙絞線實現(xiàn)RS－485的通訊。
實現(xiàn)一對多的傳輸與控制，并由于RS－485的差動傳輸方式，具有了一定的現(xiàn)場抗干擾性，
傳輸距離zui大可達到500米（若采用有關模塊可再增大傳輸距離達到1500米）。
3.通過現(xiàn)場總線（Fieldbus）傳輸數(shù)據。
實現(xiàn)一對多的傳輸控制，其傳輸距離大于RS-485方式，具體長度因采用的模塊不同而有所區(qū)別。
下面重點講述PC與PLC通訊的方式。
首先由PC往PLC發(fā)送1詢問命令（ENQ），然后PLC接受到該命令后應答PC（STX），zui后由PC確認PLC回傳的應答命令3（ACK）。
具體的通訊格式由各PLC型號不同而可能有一定區(qū)別，但一般過程和原理卻是相同的。
一般微波設備用到的控制量并不是很多，同時目前的使用用戶一般還沒有條件整合自己的整條生產線和流程工藝，因而一般可使用RS－232C的通訊形式PC與PLC連接，并實現(xiàn)控制，用以達到替代昂貴的人
機界面的目的，同時由于計算機擁有
相當強的計算能力，從而可使得控制的界面更加美觀，數(shù)據分析與數(shù)據挖掘的各種算法的配合使用更合理更完善。
在軟件編程上首先我們選擇微軟公司的windows2000操作系統(tǒng)因為它具有*的穩(wěn)定性和*的管理功能，是工業(yè)控制中的操作系統(tǒng)。在程序編制上選擇Microsoft Visual Basic 6.0來作為開發(fā)
軟件。
在VB開發(fā)過程中設計思路為利用VB中的Mscom控件（當然也同樣可以使用Windows2000下的API串口調用函數(shù)）對計算機的串口進行操作，具體的實現(xiàn)是根據PLC定義的通訊協(xié)議來設置串口的各項參數(shù)。
通訊的具體實現(xiàn)為建立巡檢機制，不斷讀出PLC內的狀態(tài)用以及時顯示在CRT上供操作人員了解，及時的數(shù)據同時又有利于計算機做出迅速的響應，當計算機響應并操作動作的通訊命令的發(fā)送時必須停止
巡檢信號，以免造成通訊沖突與錯誤，
當PC發(fā)送完控制信號的時候，再次恢復巡檢模式。數(shù)據采集進入計算機后，就得對它進行恰當?shù)奶幚恚脒m當?shù)挠嬎銓崟r數(shù)據轉換為用戶可以識別的數(shù)據顯示，并將數(shù)據錄入數(shù)據庫內以便生成相關
的數(shù)據分析表格和趨勢等，同時可以利用數(shù)據庫產生追溯表格和曲線等，建立與設備相關的報警信號和報警界面，以及等等一些你想讓你的用戶得到的各項功能。
第三章 利用工控機作為上位機的控制及相關的應用
前面通過VB編制自己的控制系統(tǒng)，但自己編制的控制軟件卻會因為人員的因素，造成控制系統(tǒng)的維護非常昂貴。因為每一個控制系統(tǒng)的軟件由不同的程序員編制，他們的代碼編制是否規(guī)范，注釋是否全
面，以及人員是否還在原崗位等等問題，都會出現(xiàn)。以上這些就是軟件危機的一個表現(xiàn)方面。為了解決這一問題，我們可以采用模塊式的開發(fā)方式，并統(tǒng)一編制規(guī)范等方式來實現(xiàn)，但面對復雜控制系統(tǒng)
的時候好像設備生產組織就有點力不從心了，為了達到構建控制系統(tǒng)的目的一般采用組態(tài)軟件開發(fā)的形式來實現(xiàn)。組態(tài)軟件，為工業(yè)自動化開辟了廣闊的發(fā)展空間，用戶可以方便快捷地組建的
監(jiān)控系統(tǒng)，并且通過采用遠程監(jiān)控及診斷、雙機熱備等*技術，使系統(tǒng)更加安全可靠。
我公司開發(fā)生產的HYWY20L－8型20KW電源支持集散控制系統(tǒng)（DCS），以此電源為基礎，在此電源的基礎上使用上位工業(yè)控制計算機＋組態(tài)軟件＋采集前端的形式構建了一臺上位機對12臺HYWY20L－8型電
源的遠程控制。
在系統(tǒng)中運用的組態(tài)軟件為iFix如右圖。在本控制系統(tǒng)中實現(xiàn)的控制功能：
<1>數(shù)據總表、分類表：可以將所有的采集數(shù)據以物理量表格的形式顯示，并可以將超過設定值的數(shù)值利用顏色、閃爍、聲音報警，提醒工作人員及時處理和調整。
<2>工藝流程圖：可以顯示設備的立體圖、動態(tài)圖和平面示意圖；利用不同顏色顯示狀態(tài)、各類設備上的運行參數(shù)、越限報警，提醒工作人員處理和調整。
<3>電氣主接線圖: 用電氣符號繪制出整個系統(tǒng)電氣主接線圖，同時顯示各個部位的參數(shù)。
<4>實時趨勢圖: 用實時曲線顯示所有參數(shù)的半個小時之內的趨勢。
<5>歷史趨勢圖: 顯示任意歷史時刻所有參數(shù)的歷史趨勢。
<6>成組畫面顯示: 將相關畫面及參數(shù)組合顯示，以利于分析、比較、判斷。
<7>擴展功能: 在系統(tǒng)中需增加測點、前端、子站、圖像系統(tǒng)和其它數(shù)據信息，以及網絡上增加不同形式的計算機時，具有平滑擴充，無縫擴容的功能。
<8>安全保障功能: 系統(tǒng)的用戶分為普通操作人員和系統(tǒng)管理員，普通操作人員只能監(jiān)視系統(tǒng)畫面，不能進行其他的操作。這樣就提高了系統(tǒng)的安全性，防止了對系統(tǒng)的誤操作。而系統(tǒng)管理員可以用密碼
登錄系統(tǒng)，登錄后，可以進行一系列的相關操作，如修改畫面，運行其他程序，排除故障等。
<9>幫助功能: 強大的聯(lián)機幫助功能，在任何畫面點查‘幫助’按鈕時，可獲得
詳細的操作幫助說明。
以上九個方面已足以彰顯組態(tài)軟件控制的強大功能，當然還有本文中沒有列舉的功能。
結束語
本文總結了相關控制方法應用于設備設計開發(fā)實踐的一些經驗，并在一定程度上歸納了應用于微波設備上控制手段的幾個層面。本著發(fā)展微波事業(yè)的宗旨，希望能對同道有點幫助，并希望先學前輩能批
評指正。zui后，祝愿微波應用技術隨現(xiàn)代科技一起蓬勃發(fā)展！
參考文獻：
《多級分布式控制與集散系統(tǒng)》 吳錫祺 何鎮(zhèn)湖
《三菱PLC編程手冊》 日本三菱株式會社
MCGS組態(tài)軟件幫助手冊 昆侖通態(tài)
《Visual Basic與RS－232串行通信控制》（版）范逸之 陳立元
微軟的MSDN 微軟公司
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