基于CFC环境下的动态均值计算方式的探讨

左怀拯

（马鞍山钢铁股份有限公司冷轧总厂，安徽马鞍山 243000）

引言

本项目采用SIMATIC S7-400PLC 对连续退火镀锌生产线的板温进行控制。SIMATIC S7-400PLC是中高性能的可编程控制器[1]，软件采用西门子DCS(集散控制系统）的控制软件PCS7[2]，其中CFC为PCS7 的过程控制组件。研究背景为计算锌锅感应加热器的最近15 min 内的功率均值，用来建立入锌锅带钢温度的热平衡方程。在CFC 语言环境下，由于没有堆栈功能，无法直接取得连续的均值，只能通过迭代的方式进行累加替换。解决该问题的设计方案涉及的概念有：累加模块、延时模块、系统时钟、实数选择模块构建数据锁定等。

设计思路：利用系统时钟进行时间延迟，1 min后计时完成，地址位累加一，用地址位进行比较产生第1 钟的累加值写入堆栈1；然后进行第2 钟的累加写入堆栈2，对15 min进行划分产生15个堆栈；当15 min 计时完成后计数器归零，计算产生的累加值对堆栈1进行覆盖，从而得到2～16 min的均值，以此类推。此计算方式产生的均值为不连续的动态均值，如果想得到更加连续均匀的数值，可以增加堆栈数量，减少累计时间。当累计时间足够短且堆栈数量足够大，则可以产生接近于连续的均值，能够满足模型的计算需求。

1 计算所需模块

1.1 累加模块

通用累加模块如图1所示。

图1 CFC中的通用累加模块

图1 中，In 为瞬时值，OutHiLim 为累加上限，OutLoLim 为累加下限，TI 为累加时间单位，Out-TrkOn 为累加清零命令，Out 为累加输出，计算公式为：

其工作时序如图2所示。

图2 累加模块工作时序图

在程序中，用累加模块对锌锅感应加热器的功率进行累加，单位为秒，而功率是是以小时为单位，累加时间单位为3 600 s，所以TI=3 600，而实时功率指为82 kW，所以In 值写入82.0，用累加模块累加的值并不直接进行计算，而是在累加结束时，对前面的计算值进行覆盖。

1.2 延时模块

通用延时模块如图3所示。

图3 CFC中通用延时模块

图3中Time0为延迟时间，mode为延迟模式，reset 为复位，I0 为延迟触发信号，Q0 为延迟输出信号，PTIME 为计时器，而TIMER_P 模块的功能时序如图4所示。

图4 延时模块模式2中的状态时序图

采用的mode2 为延迟导通计时器，当触发信号为1 时，开始计时，计时至延时时间完成时Q0 导通。在程序中用来将累加器的数值写入均值计算模块，对原值进行覆盖，同时地址位累加1。覆盖之后，再利用一个延迟计时器延迟2 s，对累加器的数值进行清零。

1.3 数据保持模块（由实数选择模块构建）

程序需要对每次采集的累加数据进行保存，参与均值计算，当循环到同一地址时，用新数据进行覆盖。为实现这一功能，采用实数选择模块进行功能构建，如图5所示。

图5 由实数选择模块构建的数据保持结构

累加数值写入IN_0，当计时器计时完成触发CONTROL 进行选择，把累加值写入OUT，并将OUT值送回IN_1，形成自锁，当下一轮扫描完成时，再次写入新值，对原值进行覆盖并重新锁定。

1.4 构建地址位循环

如图6所示，由计时器累计时间，触发计数器为I0,每触发一次计数器加一。采用DI_I 模块将双整数转化为整数，然后使用比较器与数值14 进行比较，当递增数值大于14时，比较器的GT 管脚触发复位信号，对计数器产生的数值进行复位，此结构实现了地址位从0到14的循环。

图6 地址位构建结构

1.5 地址位的使用

地址位产生后，用来锁定数据写入地址，并最终参与均值计算，其结构由比较模块、与门、实数选择模块构建，如图7所示。

图7 地址位变化时产生的数据更迭

使用多比较器进行比较，当循环地址与地址位相同时，则此地址被激活，与采样的周期信号接入与门，产生的结果触发数据保持模块，将新的数据写入对应地址的数据块中并锁定，从而产生不同时间内的数据累加值。

1.6 累加值的处理

将每个地址位所对应周期内的累加值通过实数比较器自锁存储，然后取平均值。多个周期进行循环覆盖，从而产生动态的均值，达到设计要求。

而在此例中，采用0～14 个地址位，每个地址周期为60 s，所以最终会对15 个地址位的数据进行累加，循环覆盖，再除以时间，最后得到15 min 内的动态均值。如图8 所示（图中为从8～14 的7 个累加数值之和，0～8的累加处理方式相同）。

图8 实数求和模块

程序总图如图9所示。

图9 程序整体结构

2 应用效果

案例中采用了15个地址的计算模型，且采样周期较长，计算结果较为粗糙，在数据覆盖时明显呈现离散化的趋势，在数据不断覆盖中产生数值突变，而锌锅加热功率只有高功率与低功率两种，更加剧了计算值的突变。为了减少这种现象，将采样时间改为20 s，采样地址增加为45 个，突变被有效抑制，连续性明显增强。但修改过程中，程序量明显增大。

对两种采样时间及采样次数进行对比，比对结果如图10所示。

图10 采用低采样频率产生的温度计算值

图10中标注部分为计算值，在1 min采样周期，采样次数为15的状态下呈现出明显的波动，数据粗糙且离散程度高。

图11 中标注部分为计算值，在20 s 采样周期，采样次数为45 的状态下，数据更细腻，连续性增强且波动大幅降低。

图11 采用较高采样频率产生的温度计算值

由于增加采样频次，每个周期采样的功率累加值更连续，即使在功率突变的情况下，仍然可以计算出较为连续的值。

图11中红色曲线不是功率均值，而是使用功率均值通过线性计算得到的带钢温度计算值，虽然不是直接值，但是线性计算不会改变曲线的连续性，故可作为功率值连续性的参考比照。

3 结语

采用CFC 模块构建“堆栈”，应用在计算动态均值和“堆栈”结构进行数据处理可以得到较好的效果。利用计数模块实现地址累加，利用实数选择模块实现数据锁定，利用计时模块实现数据推入，完美的模拟了计算机堆栈工作的过程，其推入及读取的方式，可以通过程序进行微调，这取决于实际要求，本文只是提供了一种思路，程序结构的改变可以产生无穷的变化形式。当然，其结构过于复杂，程序量较大也是一个明显的缺点，值得进一步研究。