【正文】 .............................................................................. 15 P 調(diào)節(jié)控制規(guī)律 .............................................................................................. 15 PD 調(diào)節(jié)控制規(guī)律 ........................................................................................... 15 PI 調(diào)節(jié)控 制規(guī)律 ............................................................................................ 16 PID 調(diào)節(jié)控制規(guī)律 .......................................................................................... 17 改進(jìn)的 PID 調(diào)節(jié)控制規(guī)律 ............................................................................. 18 本章總結(jié) .................................................................................................................... 18 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) III 結(jié)束語 ...................................................................................................................................... 22 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 23 附錄 .......................................................................................................................................... 24 致謝 .......................................................................................................................................... 31 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 1 1 引言 課題的意義 溫度是工業(yè)對(duì)象中主要的被控對(duì)象之一。任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多 領(lǐng)域中，溫度控制占有著極為重要的地位 , 特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。如果溫度控制系統(tǒng)有控制精度低、超調(diào)量大等缺點(diǎn)，就很難生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，但是對(duì)于積分溫度對(duì)象，由于它的積分特點(diǎn)，使得它的控制易出現(xiàn)欠條或超調(diào)，且超調(diào)后難以消除穩(wěn)態(tài)誤差 [1]。國內(nèi)還沒有一套較好的針對(duì)積分溫度對(duì)象的控制規(guī)律和參數(shù)整定技 術(shù)。一般的參數(shù)整定技術(shù)如臨界比例度和繼電反饋法適合于慣性對(duì)象，而不適合積分對(duì)象。 語句表 (Instruction List， IL)是用助記符來表達(dá) PLC 的各種操作功能的，類似于計(jì)算機(jī)的匯編語言的文本語言，指令通過語句表程序使用 PLC 內(nèi)存的累加器來執(zhí)行，多條指令組成一個(gè)程序段，一個(gè)復(fù)雜的控制功能是用較長(zhǎng)的語句表來描述，這種語言比較抽象，不如梯形圖和功能塊圖那樣形象、直觀，但可以編寫梯形圖和功能塊圖無法實(shí)現(xiàn)的程序，語句表比較適合經(jīng)驗(yàn)豐富的程序員使用，其中 ACC 累加器和標(biāo)志位操作的存在提高了工作效率但卻使編程變得 較困難 [2]。所以語句表編程是一個(gè)自動(dòng)化工程師應(yīng)該掌握的一門設(shè)計(jì)技術(shù)。 本課題包含的主要工作 本課題以過程控制實(shí)驗(yàn)室自制過程控制實(shí)驗(yàn)裝置為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了鍋爐溫度加熱控制系統(tǒng)。本課題介紹了控制系統(tǒng)的主要硬件以及控制電路的設(shè)計(jì)，介紹了 FB41 “CONT_C”連續(xù)控制模塊、 FB43 “PULSEGEN” 脈沖輸出模塊的工作原理，以及實(shí)現(xiàn)基于語句表編程的溫控程序的編寫。并對(duì)溫度對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的測(cè)試，并對(duì)傳統(tǒng) P、 PI、 PD、 PID的控制規(guī)律和本設(shè)改進(jìn)后的 PID 控制規(guī)律進(jìn)行控制。結(jié)果表明改進(jìn)后的 PID 的控制有效的克服了傳統(tǒng) PID 控制器在溫控過程中因溫控慣性和積分飽和而出現(xiàn)的滯后與超調(diào)現(xiàn)象。程序控溫過程的中穿越幅度小，在溫變拐點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)了既無超調(diào)又無欠溫的鈍角拐點(diǎn)的控制效果。本課題共分五章，內(nèi)容組織如下： 第 1 章主要介紹了課題研究的背景和意義。 第 2 章介紹了控制系統(tǒng)的主要硬件，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配置，以及傳感變送和加熱回路的設(shè)計(jì)。 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 2 第 3 章介紹了項(xiàng)目軟件 SIMATIC STEP 7 和 SIMATIC WinCC 及其組態(tài)。 第 4 章介紹了 FB41“CONT_C”連續(xù)控制器和 FB43“PULSEGEN”脈沖發(fā)生器的 工作原理、介紹了主程序、中斷服務(wù)和初始化程序的編寫，其中主程序編寫又包含程序控溫算法的設(shè)計(jì)。 第 5 章介紹了溫度對(duì)象數(shù)學(xué)模型以及對(duì) 控制規(guī)律 進(jìn)行測(cè)試和總結(jié)。 2 鍋爐溫控 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件介紹 傳感器 控制系統(tǒng)的傳感器是 J 型熱電偶，型號(hào)為 WRF120/Ⅱ 250，它是鐵 銅鎳熱電偶，它的正極 (JP)的化學(xué)成分為純鐵，負(fù)極 (JN)的化學(xué)成分為銅鎳合金。它具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好， J 型熱電偶的參數(shù)如表 1 所示。 表 1 J 型熱電偶的參數(shù)表 溫度范圍 安裝方式 接線盒 精度等級(jí) 插入深度 保護(hù)套直徑 防護(hù)套材料 0750℃ 無固定方式 防濺式 Ⅱ 250mm 16mm 不銹鋼 變送器 AI818 是常用又很普遍的智能儀表，可以處理溫度、壓力、流量、液位、濕度。本課題中被用作變送器，它把接收熱電偶 020mV 的電勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)送給SM33 模擬量輸入模塊。在儀表參數(shù)設(shè)置方面，控制方式 CtrL=0，采用位式調(diào)節(jié)（ ON/OFF），表示適用于要求不高的場(chǎng)合進(jìn)行控制時(shí)采用。輸出周期 Ctl=3，采用 SSR、可控硅、電流輸出時(shí)的建議設(shè)置。輸入規(guī) 格 Sn=5，表示儀表接收的是 J 型熱電偶 020mV電壓信號(hào)。小數(shù)點(diǎn)位置 dIP=1，線性輸入時(shí)，定義的小數(shù)點(diǎn)位置，表示溫度顯示分錢率為 ℃ 。輸入下線顯示值 dIL=，對(duì)外給定、變送輸出均有效，用于定義線性輸入信號(hào)下限刻度。輸入上線顯示值 dIH=，用于定義線性輸入信號(hào)上限刻度，與 dIL 配合使用。輸出方式 OPt=4，表示 420mA 線性限流輸出，主輸出模塊上安裝線性電流輸出模塊 [3]。 S7300 PLC SIMATIC S7300 是模塊化小型 PLC 系統(tǒng)，大范圍的 各種功能模塊可以非常好地滿足和適應(yīng)自動(dòng)控制任務(wù)，各種單獨(dú)的模塊之間也可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展。由于S7300 簡(jiǎn)單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活 [4]。 （ 1）中央處理單元 (CPU) CPU模塊為 CPU314，訂貨號(hào)為 6ES73141AE040AB0。 技術(shù)數(shù)據(jù)如表 2 所示： 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 3 表 2 CUP314 的技術(shù)數(shù)據(jù)表 （ 2）信號(hào)模塊 (SM) 信號(hào)模塊是數(shù)字量輸入、輸出模塊和模擬量輸入、輸出模塊的總稱，它們使不同的過程信號(hào)電壓或電流與 PL 內(nèi)部的信號(hào)電平匹配。信號(hào)模塊主要有數(shù)字量輸入模塊SM321 和數(shù)字量輸出模塊 SM322，模擬量輸入模塊 SM331 和模擬量輸出模塊 SM332。其中模擬量輸入模塊可以輸入熱電阻、熱電偶、 DC 420mA 和 DC 010V等多種不同類型和不同量程的模擬信號(hào)。本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)選用的有以下兩種 SM 模塊：數(shù)字量輸出模 塊 SM322， 16 點(diǎn)輸出，點(diǎn) 訂貨號(hào)： 6ES7 3221BH010AA0。 模擬量輸入模塊 SM331，訂貨號(hào)為： 6ES7 3317KF020AB0，是具有 8 個(gè)模擬量輸入通道， 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度 。 控制電路設(shè)計(jì) 控制回路設(shè)計(jì) 本課題實(shí)現(xiàn)的是對(duì)模擬工業(yè)對(duì)象電加熱鍋爐水溫的控制。其過程如圖 1 所示，控制系統(tǒng)回路的反饋通道中使用 J 型熱電偶檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)電加熱鍋爐水溫得到電壓 020mV 信號(hào)，送入 AI818 智能儀表，然后變送 420mA 標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號(hào) ， SM331 模擬量輸入通道檢測(cè)變送的標(biāo)準(zhǔn)直流電流 信號(hào)，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量（ 027648）送入 S7300 CPU參與 FB41“CONT_C”連續(xù)控制器 進(jìn)行 PID 運(yùn)算 ，輸出 的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，送入FB43“PULSEGEN”脈沖發(fā)生器進(jìn)行單極性二級(jí)控制，得到脈沖信號(hào)來控制繼電器的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱鍋爐的水溫的控制 。 被控對(duì)象（水溫）A/D轉(zhuǎn)換（SM31）sp(n)ev(n)mv(n) mv(t)c(t)pv(t)pv(n)PLC執(zhí)行機(jī)構(gòu)（繼電器/接觸器）D/A轉(zhuǎn)換（SM32）控制器（CU314）測(cè)量元件（熱電偶/智能儀表） 圖 1 鍋爐水溫控制系統(tǒng)的框圖 加熱主 回路的設(shè)計(jì) 加熱主回路的設(shè)計(jì)主要是在控制系統(tǒng)硬件已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上，對(duì)加熱回路線徑進(jìn)行選用。其中回路電流 I 的計(jì)算公式為 φUPI cos? (1) 額定電壓 輸入電流 功率損失 工作存儲(chǔ)器 裝載存儲(chǔ)器 緩沖 帶電池 DC24V 1000ma 8W 24KB 40KB(集成 ) 存在 是 基于語句表編程的溫度控制程序設(shè)計(jì) 4 式 1中， I為負(fù)載電流 (A)， P為功率 (W)， U為相電壓 (V）， cosφ為功率因數(shù)。 （ 1）加熱回路電流 I 估算 由于鍋爐為功率為 ，為純阻性負(fù)載，所以功率因數(shù) cosφ 為 1，所以加熱回路電流 I為 PI 7562202000cos ??? (2) （ 2）導(dǎo)線的選用 表 3 銅導(dǎo)線載流量與截面積之間的關(guān)系表 導(dǎo)線截面積（ 2mm ） 1 4 6 10 16 25 載流是截面倍數(shù) 9 8 7 6 5 4 載流量（ A） 9 14 23 32 42 60 80 100 220V電功率（ W） 380V電功率（ W） 由表 3 銅導(dǎo)線載流量與截面積之間的關(guān)系可知道，加熱回路導(dǎo)線選用 BVV2*1 (載流量為 A )銅芯聚氯已烯絕緣聚氯已烯護(hù)套兩芯每芯截面積為 1 2mm ；則鍋爐水溫控制系統(tǒng)的制回路接線圖如圖 2 所示。 T I1 0 1T c1 0 1上 位 機(jī)組 態(tài) 軟 件A I M : S M 3 3 1A I 8 * 1 2 b i tT E R W : N O1 41 5D O M : S M 3 2 21 6 * D C 2 4 / 0 . 5 AT E R W : N O21M P I+2 4 V+繼 電 器A 1A 2L 1T 1L 2T 2 加 熱 絲接 觸 器78T I T1 0 1T E1 0 1A I 8 1 8 智 能 儀 表J 型 熱 電 阻C P U 現(xiàn) 場(chǎng) 控 制 站操 作 臺(tái)9 1 023藍(lán)紅871 0 5 A C 2 2 0 V1 0 61 0 5 A C 2 2 0 V1 0 6 圖 2 鍋爐水溫控制 系統(tǒng)的制回路接線圖 3 軟件設(shè)計(jì)和組態(tài) SIMATIC STEP 7 習(xí)慣上將 STEP 7 稱為編程軟件，西門子稱之為標(biāo)準(zhǔn)工具。實(shí)際上 STEP 7 的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了編程軟件的范疇。 STEP 7 對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)（包括 PLC、遠(yuǎn)程 I/O