感应加热电源并联控制系统的通信设计与实现

程翔宇，黄海波，隋纪祥，卢军

（1.湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院，湖北 十堰442002；2.东风商用车有限公司，湖北 十堰442000）

传统单线圈感应加热设备存在很多不足，如功率提升困难、变频不方便、起振困难、无法进行梯度加热等［1］。为此设计了多线圈并联感应加热控制系统，包括PLC 主控制器、DSP 分区控制器和负载主回路。在感应加热电源并联控制系统中，采用西门子S7-200 SMART SR20 PLC 作为现场的主控制器［2］，采用TMS320F28335 作为数据处理和运算的控制器。上位机采用西门子SMART 700 IE V3 触摸屏进行数据的监测，采用自由口通讯协议和RS-485串口实现PLC与DSP之间的通信［3］。

1 方案分析

为满足用户对坯料加热的需求，采用柜式一体化设计两区感应加热电源，电源移动方便、占地面积小、方便扩展组态。每个分区配1套DSP系统［4］，实现闭环SPWM控制，在调试阶段可选择单独开环工作，较为方便［5］。并联的DSP 分区控制器与PLC主控制器共同控制两区线圈并联的感应加热炉，工作时，根据加热材料不同给PLC设定不同的加热温度和加热频率，PLC通过各区的温度传感器获取当前的温度，计算得到合适的设定电流，再通过485总线将设定电流、频率和启动命令传给各区DSP控制器，DSP控制器结合电流互感器获取当前线圈中的电流并计算出正确的IGBT 驱动信号，使逆变器输出合适幅值的正弦电压。为了控制DSP 及加热装置的上电、启动等运行流程，系统能动态的设定加热温度和系统最大运行电流，满足不同工件的加工温度不同的需求，使终端控制简单化。

2 系统需求

1）功能需求系统功能主要包括系统启动、数据收发、停止和温度设置等功能。启动功能：1）点击屏幕上的启动按钮；2）若系统未启动，给加热系统上强电，预充电约5 s；3）预充电完成后，PLC依次向DSP发送启动信号。数据收发功能：1）收到DSP的回复信号后，启动发送定时器，定时器设为5 s；2）发送定时器触发后，向对应从站发送数据帧。停止功能：1）点击屏幕上的停止按钮；2）若系统正在运行，断加热系统强电；3）向DSP 依次发送停止信号。DSP系统主要负责完成电压和频率独立可调的同频同相的变频电源的参数采集，包括电流闭环控制参数、频率开环控制参数、主回路输入电压参数，还包括主回路反馈电压值、主控板反馈电流值、频率的实时值、负载运行的电流值以及闭环控制参数等，并将DSP 系统的运行情况汇报给PLC 系统。在远控方式下，接受PLC 的电流和频率设定值，在本地方式下，接受本地小型人机界面触摸屏HMI设置的参数。由于加热的工件不同，需要加热达到的最终温度也不同，系统要求通过屏幕对最终温度进行设置，温度在每一次启动过程中不改变。PLC 通过DSP控制系统电流，最终达到控制实时温度的效果，并能将实时温度保持在最终温度值。

2）性能需求 系统要求性能稳定，具体要求：1）正常运行（包含启动和停止过程）3 600 h不能出现异常，确保系统能持续运行半年时间；2）反复随机点击屏幕启动、停止按钮2 000次（根据选用的触摸屏、按钮厂家提供的数据）不能出现异常。

图1 系统总体框图

图2 两区感应加热总体结构图

3）运行需求 运行环境是西门子S7-200 SMART V2.04 版本的image，对应的编写烧录程序软件是STEP7-MicroWIN SMART；触摸屏的软件版本是V1.8.1，对应的编写烧录程序软件是Wincc flexible smart v3［6］。

4）系统安全需求 系统在工厂实际生产中，需保证在正常运行时被加热材料不会出现过热（大于1 500 ℃）、不能停止加热等异常现象。

3 硬件设计

该系统的硬件框图主要由PLC、DSP和加热系统组成，其中DSP 控制加热系统和采集控制参数，PLC 通过485总线与DSP 相连，使用自由口通讯协议，控制DSP的启动、停止等动作，温度采集模块将温度转换为模拟量输入给PLC，实现温度PID 控制［7］。系统总体框图如图1所示。

两区感应加热总体结构如图2所示，每个分区配1套DSP从机系统，单独产生2路SPWM脉冲；每个分区都可与PLC 通信，接受PLC 设定的电流值，并且根据该值及PLC 提供的同步信号，启动、停止分区控制器，各个分区也有本地启动模式。

主控器主要功能：1）产生同频同相指令信号；2）与各分区控制器通信并发出控制指令，接收温度数据；3）与PLC 控制器通信，共同控制加热温度。分区控制器主要功能：1）接收主控器指令并向主控器传送温度等数据；2）实现分区加热控制算法；3）发出驱动脉冲传送到大功率开关桥；4）温度数据采集、控制和发送。大功率开关桥的相关性能：1）采用IGBT构成H桥电路；2）采用SPWM双极性调制；3）采用无源软开关，降低开关损耗；4）内部水冷。

本系统可以单独生产成为一套产品，也可以通过RS485通信接口，进行组网，根据不同需要，实现多区同频同相加热。

4 软件设计

4.1 PLC主程序设计

4.1.1自由口通信设计

S7-200 SMART 的自由口通信是基于RS-485通信基础的半双工通信［8］，拥有自由口通信功能［9］，发送和接收不能同时处于激活状态，可通过PLC本体集成的RS-485通信口进行设置。在此模式下，用户程序可以控制通信端口的操作和通信协议。文中采用S7-200 SMART CPU 的Port0 口与DSP 通信，使用SMB30 字节定义通信口的工作模式，控制字节的定义如图3 所示。其中，控制字“mm”表示通信模式，“pp”表示奇偶校验，“d”表示每个字符的位数，“bbb”表示比特率。

图3 控制字节的定义

自由口通信的核心指令是发送（XMT）和接收（RCV）。常用的中断有“接收指令结束中断”、“发送指令结束中断”及“字符接收中断”。调用XMT 和RCV 指令时需要指定通信口和数据缓冲区的起始字节地址。系统采用的特殊寄存器主要有SMB30和SMB2，SMB30赋值2#00001101，定义通信协议为自由口模式、无校验、比特率为4 800 bit·s-1，SMB2赋值*VD6，用于存放在自由端口通信过程中从Port0接收的各字符。与DSP端通信采用自由口通信，比特率为4 800 bit·s-1，7 个有效数据位，无奇偶校验位。发送帧和接收帧格式见表1～2［10］。

帧头用于发送帧的起始，DSP 接收时做判断，0x AA55 转化为2 进制为1010101001010101。长度用于封锁帧头的识别程序，当帧头被识别后，在接收到指定长度的数据个数之前，不再进行帧头的识别。设备号用于识别主机向哪个DSP 从机发送数据，电流设定用于向对应DSP 从站设定电流值，频率设定用于向对应DSP 从站设定频率值。启动/停止用于向DSP 发送系统启动/停止信号，其中00 00 为启动信号，00 FF 为停止信号。运行电流、运行电压、功率因数、调制度等参数是DSP 采集加热电路得到，并反馈给PLC，在触摸屏上显示，实时动态监测系统运行状态。

表1 发送帧格式

表2 接收帧格式

4.1.2上电启动

系统上电后，执行的步骤如下：1）自动执行PLC程序（在编程软件中对PLC进行设置）；2）在程序执行后，通过IO口给DSP上电；3）执行初始化函数，主要包含设置初始化状态，清空接收发送区等动作。图4所示为系统启动流程图，屏幕按下启动按钮后，需要检测是否在停止状态，如果在停止状态，则进行启动过程，首先通过IO口控制给加热系统上强电，进行5 s 的预充电，然后依次向2 台DSP发送启动帧。

图4 启动流程图

4.1.3正常收发和停止

启动完成后，会进行正常的数据收发，在接收到DSP 回复的数据帧后，启动发送定时器，到达设定时间时，会触发发送过程，如此循环往复。每个从站的收发过程和定时器是独立的。正常收发流程如图5所示。停止流程与启动流程非常类似，只是发送的数据帧变成了停止信号。

图5 正常收发流程图

4.2 触摸屏程序

通过触摸屏，可以完成控制系统的启动、停止、设置温度、设置最大电流、显示反馈信息等功能。其界面如图6所示。

图6 触摸屏程序界面

4.3 核心算法

1）超时重发机制 向DSP发送数据后，可能会存在如干扰、DSP 未连接等异常情况，导致在规定时间内未收到DSP的正确回复。此时，需要进行重发，若超过重发限制次数，则不再进行重发。

2）温度PID控制 该系统要加工不同的工件，所以需要设置不同的温度。通过控制系统运行电流，达到控制温度的效果，为了保证系统加热到设定温度，引入温度PID 反馈调节［11］。控制算法如下：在加热炉中接入温度传感器，通过温度采集装置将其变换为模拟电流信号，同时通过模拟量模块AE03 将该模拟电流信号输入PLC 主机控制器，对其进行判断，若未达到设定温度的80%，则将电流设置为最大电流，到达80%之后，启动PID 动态调节，其中PID的比例参数，积分参数，微分参数根据不同项目实际调试设定［12］。在系统实际运行过程中，PLC 系统根据经验将加热坯料的外径、材质及设定的温度值等转换成最佳工作频率和电流值，并通过数据总线提供给DSP 系统作为初始运行值。在运行过程中，随时检测温度，若DSP 系统检测到加热炉电流接近但没有超过设定的电流值，则给PLC一个开关量信号，告知PLC已经到达设定的电流，需等待新的指令；如果没有新的指令，PLC系统则按原设定电流继续运行。如果工件在加热过程中，PLC系统还没有达到设定电流之前就达到了设定温度，可迅速调整电流值，尽量减少过度加热的情况，同时向操作者提出警报。

5 系统测试与分析

将系统的软硬件部分连接后，进行系统测试，如图7 所示。系统硬件如图7 a 所示，此系统部分功能与DSP交互，因此可以使用电脑端串口调试工具来调试自由口通信，其界面运行如图7 b 所示。用USB 转485 串口线与PLC Port0 口相连，使用电脑工具模拟DSP 端。根据设备管理器选择电脑端串口号，然后根据协议规定设置参数，比特率设为4 800 bit·s-1，奇偶校验位选择NONE，数据位选择8位。十六进制显示项勾选，则右侧区域显示该串口收到的数据。若需要模拟发送数据，在下方输入要发送的数据，同样勾选十六进制发送，点击手动发送，则可以发出1帧数据。

图7 系统测试

弱电信号正常后进行强电加载测试，首先对单区进行强电测试，以验证控制器与强电主回路和负载是否匹配。强电输入端为690 V三相交流电，经三相不可控整流和平波电抗器和滤波电容后使得IGBT 逆变器两端得到1 000 V 左右直流电。当加热材料为钢时，在PLC远程控制下设定加热温度为1 200 ℃、加热频率为60 Hz，启动后在IGBT逆变器输出端稳定后得到623 V、537 A的功率输出。在负载端测得的电压为440 V、功率为238 kW和功率因数为0.99。由于60 Hz 的频率不是最适合钢的频率，电抗器上分压较多，后期需要仔细调试从而得到不同材料在不同温度下合适的加热频率。加热18 min后，温度达到设定值，单区加热效果见图8。

图8 单区加热效果

6 结语

从应用实际出发，设计并开发了多线圈并联感应加热电源控制系统。完成了PLC 控制系统的软硬件设计，对整个系统进行了系统性调试。设计的多线圈并联感应加热电源控制系统的自由口通信设计方案与实现方法，经实际应用表明通信效果良好，加热效果基本达到了设计需要，具有较强的实用价值。后面将在现场进一步进行详细测试，改善系统存在的不足，适应现场感应加热的需求。