FM355 在双向拉伸薄膜生产线中的应用

2020-11-27王佳宁

装备制造技术 2020年6期

王宁，赵意，王佳宁，赵琦

（桂林电器科学研究院有限公司，广西桂林541004）

0 引言

随着我国新能源产业的发展推动了双向拉伸薄膜产品的快速增长，人们也越来越重视薄膜的生产效益及品质。薄膜拉伸只有均匀的温度场中，才能实现顺利生产，若在拉伸时温度场不均匀度过大，则会出现破膜、膜质量差等现象，严重时将叫停整个生产线严重影响了工厂生产效率，因此一个均匀温度场和精准的工艺温度才能保证高品质薄膜的顺利生产。

在部分双向拉伸薄膜生产线中，主要使用的控制软件西门子软件中的PID 控制器。但随着生产线逐渐复杂，控制精度要求越来越高，容易造成控制回路占用大量的CPU 资源，从而降低CPU 响应速度。为不占CPU 的扫描时间，可利用FM355 对全部PID控制的计算和信号进行采样，FM355 模块的优点在于集成了控制算法，可与CPU 经由专用函数进行数据交换-发送命令同时接受反馈信号。相对于PID 软件，FM355 模块所集成的后援操作能够有效避免因CPU 故障或中止而引起的控制过程的失控，因FM355 能在CPU 无法正常运行时自动切换至后援操作模式，而当处于后援操作模式时，将CPU 连接操作面板，可对FM355 模块控制参数进行操作，它将会自动将预先的设定值来替代当前设定值来进行PID 闭环控制[1]。为了解决这一问题尝试运用FM355 闭环控制模块来实现温度的精准控制。

1 控制系统设计

FM355 闭环控制模块是智能4 通道闭环控制模块，在通用的闭环控制系统中广泛使用。它可用于温度控制、压力控制、流量控制和物位控制。 FM355 模块划分为两种：FM355C 及FM355S，前者有4 个模拟量输出，能够对模拟量执行器进行驱动，用作连续控制器，而后者有8 个数字量输出，用于控制动力（集成的）执行器或二进制控制执行器（如电热片和电热管），用作步进或脉冲控制器。

根据双向拉伸薄膜生产线设计、成本、环保和工艺需要等，大致为：挤出机机筒、熔体管道和部分电加热使用FM355S；而在纵拉和横拉部分使用热油或蒸汽通过调节比列阀输出量来控制温度的方式即使用FM355C。

电压、电流、热电偶、热电阻信号可以直接连接到FM355 模块作为反馈信号，而在双向拉伸薄膜生产线的温度控制中，主要使用于连接热电偶、热电阻。其接线方式如图1 和图2 所示。

图1 热电偶接线方式

图2 热电阻接线方式

通常热电偶信号需要冷端补偿，FM355 模块使用热电阻将冷端的温度值采集到模块中动态补偿热电偶信号的偏差值。在模块上配备1 个额外的模拟量输入，当使用热电偶时作为温度补偿使用。在模块参数设定中也可以选择热电偶信号冷端补偿方式为内部补偿即补偿值为一固定的温度值，不能变化，为了得到更为精确的温度值，这里采取了外部补偿方式。热电阻则不需要补偿，但是需要将热电阻产生的电压信号作为输入信号，连接第20 管脚MANA（接地端）保证信号与测量端没有电位差。

在设计中，FM355S 输出信号直接驱动过零触发固态继电器，控制固态继电器的通断来达到是否加热的作用。FM355C 输出信号有两种使用方式：在热油回路中，FM355C 的模拟输出信号控制比例阀的开度。在单一的电加热方式下，FM355C 模拟输出信号直接驱动移相触发固态继电器，控制其输出电压大小来实现模拟量输出方式。

2 组态及初始参数设置

整个系统以西门子软件STEP7 为平台，首先搭建好硬件组态，以CPU315-2DP 带4 块FM355C 和4块FM355S 为例，FM355 的参数化需要安装随硬件包装携带软件光盘。参数化软件以STEP7 为平台，直接安装后在STEP7 硬件配置中对FM355 模块进行参数化[2-5]。以下为FM355S 参数化配置的流程。首先启动STEP7，打开硬件配置界面，找到FM355 模块，点击“参数”按钮进入参数化界面如图3 所示。

如图3 所示对话框中，在“Module Parameters”选项下，能够对FM355 模块集成的数据量输入信号进行设置。此外还可以对温度的单位、热电偶内部补偿的温度值等温度参数进行设置。如图4 所示，采样回路、控制器回路和输出回路三个子回路一同组成了一个完整的PID 控制回路。

图3 FM355S 模块参数化界面

图4 FM355S 模块过程值参数化界面

FM355S 的标准控制结构有：定点数控制、3 组件控制、级联控制和比例控制。双向拉伸薄膜生产线中需要对温度控制的整个过程进行监控，以及根据现场工艺调整进行温度设定值的改变等，因此这里选择定点数控制方式。

首先选择需要参数化的模拟量输入，然后点击按钮对反馈的过程值进行参数化如图4 所示。

图5 对话框的功能介绍和结合双向拉伸薄膜生产线的需求进一步说明：

“A/D”：数模转换精度影响着模块对过程值的采样时间，精度越高采样时间越长，反之采样时间越短，因而需要根据实际选择合理的数模转换精度。在双向拉伸薄膜生产线中，控制系统庞大，选取12 位精度数据，这样既满足客户的工艺需求，也将采样时间控制在合理的范围，提高了系统的实时性。

“Sensor”：设定所使用的传感器类型；双向拉伸薄膜生产线中，根据不同的需求，使用了不同的温度传感器，这里主要以热电阻PT100 和热电偶为主。

如果通道不使用，就应该选择“不处理模拟量输入”，以免FM355 模块报警。

图5 FM355 模块偏差参数化界面

“Filter”：设置合理的滤波时间，可以降低高频信号对输入信号的影响，缺省状态为关；

“Square Root”：将输入信号作开平方；

“Polyline”：对传感器测量获得的非线性信号进行差补运算，但如果在“Sensor”对话框中选择“Free thermocouple type”类型传感器，这是相当已经对输入信号的特征曲线进行处理，不再需要进行差补运算；

“Normalize”：对输入信号作归一化处理。

在控制回路中，控制器类型的不同，会得到相应的不同反馈，导致设定与反馈的偏差计算不同，影响其两者之间的关系。

图5 对话框的功能介绍和结合双向拉伸薄膜生产线的需求进一步说明：

“Setpoint”：温度设定点可以从功能块、预处理的模拟量输入、控制器输出三个来源中选择。为了更好的操作和管理各点温度，生产线配备了上位机系统。在上位机上，可以设置各工段或各温度控制点的温度设定值。因此我们的数据都应该来自功能块，通过PLC 与上位机通讯将功能块中的数据跟上位机输入输出框一一对应。

“Switch Safety Setpoint”：对后援操作中设定点的设置，即一旦CPU 无法进行正常运作时，控制器能够不停止的独立地进行作业。“后备模式”功能是为保障系统安全，设定一个可参数化的安全设定点或安全控制变量。

“Ramp”：为了防止设定值产生大的阶越，需要对设定值斜坡处理，以避免输出震荡；

“Limit”：为防止操作人员操作不当，例如直接输入一个较大的温度值，引起加热器一直处于加热状态，而对设定点须限制其上限。

“Actual value A”：将过程值设置为模拟量输入，该过程值是从温度传感器得出的；

“D input”：选择微分的方式：1）对偏差值作微分；2）对过程值取反后作微分；3）对其它模拟量采集值作微分，对通信函数块FM_PID 中D_EL_SEL 参数作修改设定（背景数据块地址为74）也可以在线修改设定。

“Alarm”：设置高低报警的阈值以及警告值，通过对实际值或偏差值进行实时监测，达到设定的高限或低限时发出相应的报警信号。

“Disturbance Variable”：选择具体的采样通道对扰动变量进行采样，即利用第几个模拟量输入采样。

点击“ControlAlgorithm”进入在控制算法界面中，把设定值与实际值的差值在控制算法中进行计算，控制算法界面如图6 所示。

图6 FM355 模块控制算法参数化界面

如图6 所示，其中可以选择温度或PID 两种不同的算法。考虑到双向拉伸薄膜生产线中需要得到较好的温度控制方法，所以倾向于使用PID 算法。采用PID 算法，在“PID”中，实际有PI、PD、PID 控制三种控制方式，均可设定手自动无扰切换等参数。而在一些过程控制中需利用工程整定方法，即具有经验参数，偏差值经过“Dead Band”死区处理后，仅在超出于死区中设定的值后才进入PID 控制器计算。这些PID 参数我们通过CPU 的数据块传送于上位机中，能很方便的在上位机上调节每个温度控制点的PID 值。

“Controller Output”是温度控制器回路输出，其设置界面如图7 所示。

图7 对话框的功能介绍和结合双向拉伸薄膜生产线的需求进一步说明：

“External Manipulate Value”：CPU 会根据所调用通信函数块来决定控制器手动或自动输出，或者通过调用通信函数块与集成输入信号的“与”结果来判断手动或自动输入，在手动操作时，需要人工对CPU 的输出进行赋值。

图7 FM355S 模块控制回路输出参数化界面

“Follow-Up input”：跟随模式输入，将零值模拟量和经处理的模拟量输入控制器，而后直接从控制器输出端输出，此做法目的是防止在手自动切换时，输出信号产生阶越现象。

“Switch Correction”：经由程序设定，或者集成的数字输入信号选择输出源。

“Switch Safety Manipulated Value”：经由程序设定，或者集成的数字输入信号，用于选择所定义的后援操作（CPU 处于停止状态）输出。

“Limit”：设置阈值参数，将控制器输出值的幅值限制于此参数。

“Split Range”：把一个控制器的输出值以输入输出范围为准，分成两个输出值并分别输出到不同的输出接口，注意输入的开始值必须小于结束值。在纵拉拉伸段中，加热和冷却同时作用于同一个温控点，这样必须将一个控制器输出到两个控制对象上。加热和冷却交替作用来实现温度稳定性。

在输出回路中，FM355S 与FM355C 的控制器输出接口设置不同。在FM355S 中，数字量的输出端口是固定不变的，无需设置。而FM355C 中，需要对控制器使用第几个模拟量输出进行设置，此外还需要根据使用的执行元件设置相应的输出类型如电压、电流信号。

3 程序设计

在双向拉伸薄膜生产线温度控制中[6]，主要使用了函数FB PID_FM。在该函数背景数据块中含有各种控制参数，可以对大部分参数进行修改。在上位机上设定的PID 控制参数和输入输出参数通过PLC 与上位机的通讯传到CPU 中，再由CPU 与FM355 数据交换来实现整个温度控制过程。在STEP7 中，首先建立好基本的程序构架，包括调入主要的循环组织块OB1、OB100、OB35 和一些处理错误的中断组织块OB86、OB85、OB120、OB122 等；接着调用系统自带的温控子程序块FB PID_FM，生成各温度控制点的FB PID_FM 背景数据块，1 个背景数据块对应一个温度控制点。选择模块地址和通道号，与FM355 模块建立起通讯关系。通过操作背景数据块中的控制位来实现CPU 与FM355 参数传递。

主要的控制位功能如下：

“COM_RTS”：在CPU 初始化过程中将存储于FM355 模块的控制参数值读到背景数据块中，完成后模块将该位复位；

“LOAD_PAR”：为1 时，将控制参数传送到FM355 模块中，完成后模块将该位复位。

“LOAD_OP”：为1 时，将操作参数传送到FM355模块中，完成后模块将该位复位；

“READ_VAR”：为1 时，将输出类型参数读到背景数据块中，完成后模块将该位复位；

在OB100 中置位这些背景数据块的“COM_RST”，用于把FM355 中的所有控制参数读到CPU 中。完成之后模块自动复位“COM_RST”，在OB35 中不需要再次初始化。值得注意的是，要是有许多背景数据块，要把所有的背景数据块中的“COM_RST”都在OB100 中置位一次。然后，通过在循环周期较慢的OB35（100ms）中置位“READ_VAR”和“LOAD_OP”对模块进行读写操作，每次读写完成后模块将读写为复位，所以必须循环置位读写位。如果没有置位读写操作，CPU 与FM355 模块的通信将自动通过FM355 的逻辑地址完成，通信时间需要2～3 个CPU 扫描周期。

在自动控制模式下背景数据块参数“SP_RE”作为PID 回路的设定点，“PV”作为实际反馈值，参数“LMN”以百分比的形式作为输出值并自动输出到模拟量输出端口或者经过模块处理为脉冲信号输出的数字输出端口；在手动模式下，参数“LMN_REON”或通过模块集成的数字输入点作为手动模式的选择开关，参数“LMN_RE”作为手动的输出值。

因此，要改动设定值的时候，为了让设定值输入到FM355 中，必须把“LOAD_OP”置位，为了把FM355 中实际温度值读取出来的，我们要把“READ_VAR”置位。把“LOAD_PAR”置位后，可以把PID 值手动设定到FM355 中。

通过置位“LMN_REON”，转化为手动控制方式。在手动控制方式下，可以设定“LMN_RE”来决定加热的百分比，以达到具体的控制要求。