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0引言
温度控制系统在工业制造领域应用非常广泛。在光纤制造业中，由于光纤预制棒的加热系统工艺复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，因此光纤预制棒温度控制系统对温度控制调节器的要求极高。
1光纤制造工艺流程
将已制备好的预制棒安装在拉丝塔上端的送棒器卡盘上，送棒器通过伺服系统将预制棒缓慢送入高温加热炉中。在加热炉内通入Ar和He进行气氛保护，加热炉将预制棒棒尖加热至2000℃，此温度足以使预制棒软化，软化的熔融状态预制棒从高温加热炉底部的出口处滴落，凝聚成一带小球细丝，小球受其自身重力作用下垂变细形成纤维，即裸光纤。带有小球段的裸光纤称为“料头”，操作人员需要及时去除料头，采用手工方式将裸光纤通过涂覆、固化装置，绕过拉丝塔的张力轮、导轮和牵引轮，最后绕在收线机的收线盘上进行自动收线。
2 预制棒加热系统温度控制要求
光纤预制棒对加热温度的要求极其严格。加热炉不仅要提供足以熔融石英玻璃的2000℃高温，还必须保证能够非常精确地控制加热区域的温度。因为在石英玻璃软化范围内，光纤直径随温度的变化而变化，任何温度的梯度波动都可能影响到光纤直径的控制。常用的加热炉有：气体喷灯、电阻及感应加热炉、大功率激光器。设计采用的是石墨电阻加热炉，采用直流电源为石墨电阻炉加热。在加热过程中，向加热炉内充入惰性气体如Ar或He进行气氛保护，防止加热炉内石墨材料在高温下氧化，产生粉尘污染炉内环境。充入加热炉内的保护气体，其紊乱的流动将会导致加热炉内的温度变化，因此必须对保护气体的流量进行控制。在相应的保护气体气路上添加气体质量流量控制器（MFC），来控制保护气体的充入流量，从而保证加热炉内的温度稳定。加热炉炉壳内需通过冷却水进行冷却，为防止冷却水流量过大或过小（长时间流量过大，会导致炉壳承受压力过大，易发生变形；长时间流量过小，炉壳的冷却效果不好，影响加热炉使用寿命），在冷却水水路中添加冷却水流量计，用于监控冷却水流量。
3 PLC控制系统设计
3.1硬件选型
采用西门子S7-300系列PLC，具体模块型号为：电源模块PS-305-5A、CPU模块315-2PN/DP、数字量输入模块SM321-DI16XDC24V、数字量输出模块SM322-DO16XDC24V/0.5A、模拟量输入模块SM331-AI8x12Bit、模拟量输出模块SM332-AO4x16Bit。温度测量采用日本CHINO公司的光纤温度传感器，温度检测范围为800~3000℃，该传感器将检测出的温度转化为4~20mA电流信号，工作电压为24VDC。气体质量流量控制采用 美国BROOKS公司的Ar气体质量流量控制器和He气体质量流量控制器，量程0~20L/min，工作电压为24VDC，对应的电流信号为4~20mA。冷却水流量控制采用日本CKD公司的液体流量计，量程0~30L/min，工作电压为24VDC，对应的电流信号为4~20mA。
3.2 PLC硬件组态
利用西门子PLC编程软件STEP7，对所选的PLC模块进行硬件组态。由于系统中所选用的各传感器模拟量信号均为4~20mA，因此模拟量输入模块和模拟量输出模块信号类型均组态为4-20mA，同时需将模拟量输入模块侧面的量程卡设置为“C”电流信号。完成硬件组态后，需对各模块的数据地址进行分配定义。PLC系统的硬件组态如图1所示。
图1 PLC硬件组态
3.3I/O点分配
系统I/O分配如表1所示。
表1 系统I/O分配
系统主程序设计流程如图2所示。
图2 主程序流程
3.5 PLC温控系统程序设计3.5 PLC温控系统程序设计
首先对涉及的模拟量信号进行处理，利用S7-300中自带的模拟量输入信号和模拟量输出信号转换功能，对各个模拟量信号进行转换。以保护气Ar的气体质量流量控制器信号为例，Ar的气体质量流量控制器有两路模拟量信号，分别为Ar气体流量反馈信号PIW258和Ar气体流量设定信号PQW258，其处理程序分别如图3、图4所示。程序中，HI-LIM为传感器量程上限值20L/min，LO-LIM为传感器量程下限值0L/min，DB2.DBD0为Ar气体流量反馈信号处理后的实际流量时，DB2.DBD4为Ar气体流量设定值，PIW258和PQW258的输入范围为0~27648，数据类型为十进制整数，当数值超出此范围时，程序中的RET-VAL引脚的输出值会显示等于W#16#0008，未超出范围时显示W#16#0000。其余的模拟量信号处理程序与此程序类似。
图3Ar气体流量反馈信号PIW258的处理程序 图4Ar气体流量设定信号PQW258的处理程序
由于温度控制系统存在运行惯性大、控制滞后等特点，因此采用PID控制来调节系统温度。PID控制系统原理如图5所示。
图5 PID控制系统原理
系统采用S7-300PLC中的FB41模块作为系统的PID控制运算器，其根据持续的输入和输出变量来控制工艺过程。只有在以固定时间间隔调用该功能块时，其计算的值才是正确的，因此，应该在周期中断OB（OB30-OB38）中调用该功能块。系统采用的是周期中断OB35，中断周期为100ms，FB41的采样周期设置为100ms。在系统投用之前，还需对PID控制器的参数进行整定。对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，温度控制系统PID经验参数为：
调试PID参数时，先将积分时间Ti和微分时间Td预设为0，控制系统投入闭环运行，调整比例度P，让扰动信号做阶跃变化，直到获得满意控制过程为止，记录此时的比例度P值。将系统的比例度P值设定为当前比例度数P值乘以1.2，由小到大增加积分时间Ti，同样让扰动信号做阶跃变化，直到获得满意控制过程为止，记录此时的积分时间Ti。系统保持当前的积分时间Ti，调节比例度P，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直至满意为止，否则将原比例度P减小一些，再调整积分系数Ti，力求改善控制过程，如此反复凑试，直至找出满意比例度P和积分时间Ti。最后再调节微分时间Td，适当减小已确定的比例度P，增加积分时间Ti，和前述步骤相同，反复调整凑试，直到控制过程满意为止。根据反复的凑试，该系统最终调试出的PID参数：比例度P=9.2，积分时间Ti=120s，微分时间Td=8s。
3.6 人机画面
人机画面主要功能是实现操作人员与PLC直接的信息交换，用来设置参数、显示数据、监控设备状态、以曲线动画等形式记录描绘自动化控制过程等。采用Wonderware公司Intouch工业自动化设计人机画面，主画面如图7所示。
图7 系统主画面
4结语
该系统具有安全可靠、操作简单集中等特点，大大提高了光纤预制棒温度控制系统的精度，具有良好的社会与经济效益。
参考文献
[1]刘锴，周海.深入浅出西门子S7-300PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004
[2]胡寿松.自动控制原理（第4版）[M].北京：科学出版社，2001