基于plc的dcs控制系統——鍋爐內膽水溫控制系統的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 節器內的設定值所造成的；另一方面是由被控裝置中的電動調節閥、手動操作閥引起的各種擾動。4．為了選擇出最佳調節方案，我們可以把每一個可變參數放在各種設計方案中演示比較。，會有檢測信號，執行器的相互干擾，這個時候就必須進行被調參數的重新調整，也可以比較調節系統的優劣。，這也可以用來實現調解規律。，實驗過程中的數據以及圖表都可以在組態軟件中隨意存取。 RTGK2型系統實驗對象組成結構 。圖中的檢測變送和執行元件有：液位傳感器、溫度傳感器、渦輪流量計、電磁流量計、壓力表、電動調節閥、電磁閥等。 RTGK2型過程控制系統結構圖 熱電式傳感器 熱電式傳感器能夠把溫度的變化轉換成電流、電壓變化的裝置就是我們所說的熱電式傳感器。目前有很多種熱電式傳感器，最常見就是把溫度的變化量相對的轉變成電勢和電阻。熱電偶、熱電勢是被用于溫度測量的最普遍的、目前在工業生產中廣泛應用的器件。它們的傳感原理都是相似的，熱電偶可以把變化的溫度變換成電勢，而熱電阻則是把變化的溫度相應的轉換成電阻。 該系統對傳感器的要求是可以把將溫度信號轉化為電流信號，測量的水溫上限為100℃，權衡之下Pt100電阻傳感器是非常合適的。Pt100鉑熱電阻簡稱為：Pt100鉑電阻。Pt100傳感器的精度高，熱補償性較好。其阻值會隨著溫度的變化而改變。Pt后的100表示它在0℃時阻值為100Ω，它的工作原理是當Pt100在0℃時阻值為100Ω，在100℃。Pt100的測溫范圍是200℃～+420℃，經過調節器的溫度變送器，可將溫度信號轉換成4～20mA直流信號[張雙軒等，實用精密一體化鉑電阻溫度變送器的研制[J].西北輕工業學院學報 ，]。 可控硅加熱裝置 本系統采用三相可控硅移相觸發裝置，輸入控制信號為4～20mA標準電流信號，其移相觸發角與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓用來控制電加熱器的端電壓，從而實現鍋爐溫度的連續控制[任雯等，基于MCGS的工業過程控制系統的開發與應用[J].自動化技術與應用，]。 PPI總線 現場總線大部分都是應用于過程自動化、醫藥、制造等領域，有著非常多的種類。到現在為止，全球大概有著40種左右的現場總線，如法國的FIP，英國的ERA，德國西門子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的Pnet，PeterHans公司的FMux，以及ASI（ActraturSensorInterface）、MODBus、SDS、Aret等等[李曉軍等，工業現場總線與智能化高低壓電器產品[J].上海電器技術 ， ]。 本次設計使用的是西門子的PPI總線，PPI（ 點對點接口） 是一種專為SIMATIC S7200而開發的集成接口。PPI網絡通常連接S7200設備。然而，其它 SIMATIC S7控制器（例如S7300和S7400）或操作員面板均可與PPI網絡中的S7200進行通訊。 PPI是一種主站從站協議，通過該協議主站設備可向從站設備發送請求。從站設備并不啟動消息，而是一直等到主站設備發送請求或輪詢響應。通訊將通過常用的PPI連接來執行。主站設備包括：帶有 STEP7Micro/WIN的編程設備HMI設備（觸摸面板、文本顯示或操作員面板），從站設備包括：S7200CPU擴展機架（例如EM277）也可以通過編程將S7200CPU作為PPI主站來激活。系統的軟件設計 PID控制算法 在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID 控制，又稱PID 調節[王天永等，淺談自動控制中的PID [J].純堿工業 ，]。PID控制在工業領域的應用已經有很多年了，現在依然廣泛地被應用。P、I、D各有自己的長處和缺點，它們一起使用的時候又和互相制約，但只有合理地選取PID值，就可以獲得較高的控制質量。人們在應用的過程中積累了許多的經驗，對PID的研究現在已經達到了一個比較高的程度。 PID控制算法的特點 比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系[高彬娜，數字PID控制在運動控制系統中的應用[J].中國電子科學研究院學報，]。若產生偏差，控制器就發生作用調節控制輸出，使被控量向減小偏差的方向變化[李玉街，基于負荷預測的空調冷凍水流量動態控制技術[J]. 智能建筑與城市信 ，]。偏差減小的速度由比例系數 Kp來決定，Kp越大偏差減小的越快[李鐵術等，基于PID控制的模糊自適應動力定位技術[J]. 彈箭與制導學報 ，]。但這樣會引起振蕩，特別是在遲滯環節比較大的時候，比例系數Kp減小，振蕩發生的可能性就會減小，但同時也會導致調節速度變慢。比例控制的缺點是不能消除穩態誤差，必須要有積分控制來輔助。積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。為了消除控制系統的穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項會隨著時間的增加而增大。因此，就算誤差很小，積分項也會慢慢變大，由它推動控制器的輸出增大，使穩態誤差慢慢減小至零。所以，比例—積分 (PI) 控制器可以使系統在進入穩態后無穩態誤差[肖榮和 ，PID控制在煙草行業中的應用[J]. 海峽科學，]。但具有滯后特點，不能快速對誤差進行有效的控制。微分（D）控制 在微分控制下，控制器的輸出的微分增加了，輸入誤差信號的微分同時也會增加。而自動控制系統在對于誤差的控制來說，會出現別的不必要的問題，比如波動，更嚴重的會失穩。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，但是加入的微分項卻能夠避免較大的誤差出現，因為它可以預測誤差變化的方向。[14]但是微分控制會放大高頻噪聲, 降低系統的信噪比,導致系統抑制干擾的能力下降，也就是說微分控制不能消除余差。 PID控制算法原理PID控制本質上是一個二階線性控制器, 通過調整比例( P)、積分( I)和微分( D)三個參數, 使得大多數工業控制系統獲得良好的閉環控制性能。 PID控制器的理想計算公式為: () 公式()中: u(t)為控制器的輸出。 e(t)為控制器的輸入(常常是設定值與被控量之差, 即e(t)=r(t)c(t))。Kp、Ti、Td 分別為控制器的比例放大系數、積分時間常數、微分時間常數。 設u(k)為第k次采樣時刻控制器的輸出值(采樣周期為T),用一階向后差分代替微分，用矩形法數值積分代替連續積分，將上式進行離散化處理,可得離散的PID計算公式(): () 式()為位置式PID控制算法, 其當前采樣時刻的輸出與過去的狀態有關, 計算時要對e(k)進行累加, 運算量大, 因此實際應用中一般采用增量PID控制算法。 由式()可得: () () 其中 式()、()是增量PID算法的計算公式, 系統的采樣周期T選定后, 一旦確定了Kp、Ti、Td, 只要使用前后3次測量的溫度偏差值即可由式()、()求出控制量[楊靖等，基于PID算法的S7200 PLC鍋爐水溫控制系統[J].機床電器， 2010 .37(6) ]。 PID算法程序實現 在S7200PLC中PID功能是通過PID指令功能塊來實現的。通過定時(按照采樣時間T)執行PID功能塊, 按照PID運算規律, 根據當時的給定、比例積分微分數據, 計算出控制量[馬明等 ，基于PLC的真空擠磚機進料濕度控制系統的設計[J].機械設計與制造，]。 PID在PLC中的回路指令西門子S7200系列PLC中使用的PID回路指令。 PID回路指令名稱PID運算指令格式PID指令表格式PID TBL,LOOP梯形圖 。 PID回路在PLC中的地址分配情況[李建海等，基于PLC的蓄電池放電PID控制系統設計[J].電氣自動化，]偏移地址名稱格式類型說明0過程變量（PVn）實數輸入 ~4給定值（SPn）實數輸入~8輸出值（Mn）實數輸入/輸出~12增益（Kc實數輸入比例常數，可正可負16采樣時間（Ts）實數輸入單位為s，正數20采樣時間（Ti）實數輸入單位為min，正數24微分時間（Td）實數輸入單位為min，正數28積分項前值（MX）實數輸入/輸出~32過程變量前值（PVn1）實數輸入/輸出~ PID參數整定 調節器參數的整定，是自動調節系統中相當重要的一個問題。PID參數整定方法就是確定調節器的比例系數P、積分時間Ti和和微分時間Td，一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。目前，應用最多的還是工程整定法：如經驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應曲線法[徐璟 ，PID參數整定分析 [J].廣西電業，]。 PID算法的數字化處理 如果我們想要計算出輸出值，就必須把連續算式轉化成周期采樣的偏差算式。只有這樣才能保證計算控制式能被計算機識別并且處理。數字計算機處理的算式如()所示： Mn = Kc*en +Ki*∑ex+ MX + Kd*(enen1) () 輸出 = 比 例 項 + 積 分 項 + 微 分 項其中：Mn 在采樣時刻n，從PID回路輸出的需要計算的項 Kc 增益 en 采樣時刻n回路的偏差值 en1 回路的偏差值的前一個值 ex 采樣時刻x的回路偏差值 Ki 積分項的比例常數 Mintial 回路輸出的初始值 Kd 微分項的比例常數 上面的式子表明，∑ex就是表示從開始到即時的采樣周期里面誤差項的和的函數，也就是“積分項”；“微分項”就是所求的采樣函數以及其前一次的采樣函數；而“比例項”就是所求的當前的采樣函數。在計算機中是沒有必要保存所有的誤差項的。 從第一次采樣開始，每出現一個偏差采樣，計算機就不得不計算其相對的輸出值，但我們只需要計算機記錄偏差項的前一個值以及積分項的前一個值。因此，我們用一個算式來解決計算機算數的重復性。算式如()所示： Mn =Kc*en + Ki*en +Minitial + Kd*(EnEn1) () 輸出= 比例項 + 積分項 + 微分項其中：Mn 在第n采樣時刻，需要計算的PID回路的輸出 Kc 比例積分微分控制回路的增益 En 采樣時刻n回路的偏差值 En1 回路的偏差值的起一個值 Ki 比例系數（積分） MX 在第n1采樣時刻積分項的值 Kd 比例系數（微分） 其實，CPU最終使用的計算比例積分微分回路中輸出項的算式是另一個改進式。CPU所用的算式是()： Mn = MPn + MIn + MDn () PID回路輸出 = 比例項 + 積分項 + 微分項其中：Mn 第n采樣的時候的需要計算的數值 Min 第n采集樣本時候回路的積分項的數值 MDn 第n采集