【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 取決于其四個(gè)參數(shù) ,即采樣周期 ts、比例系數(shù) Kp、積分系數(shù) Ki、微分系數(shù) Kd。因而 ,PID 參數(shù)的整定與優(yōu)化一直是自動(dòng)控制領(lǐng)域研究的重要課題。 PID在工業(yè)過程控制中的應(yīng)用已有近百年的歷史，在此期間雖然有許多控制算法問世 ,但由于 PID 算法以它自身的特點(diǎn)，再加上人們?cè)陂L(zhǎng)期使用中積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，使之在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。在 PID 算法中，針對(duì) P、 I、 D三個(gè)參數(shù)的整定和優(yōu)化的問題成為關(guān)鍵問題。 [5] 項(xiàng)目 內(nèi)容 以鍋爐為被控對(duì)象，以鍋爐出 口水溫為主被控參數(shù)，以爐膛內(nèi)水溫為副被控參數(shù)，以加熱爐電阻絲電壓為控制參數(shù)，以 PLC 為控制器，構(gòu)成鍋爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)；采用 PID算法，運(yùn)用 PLC 梯形圖編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的 自 動(dòng)控制。 可編程邏輯控制器（ PLC)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)控制裝置。其性能優(yōu)越，已被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱（ PLC、工業(yè)機(jī)器人、 CAD/CAM）之一。 PLC 技術(shù)在溫度監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、電路圖的設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)，控制 對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等。論文通過對(duì)德國(guó)西門子公司的 S7200 系列 PLC 控制器，溫度傳感器將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到PLC 中進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)， PID控制器輸出轉(zhuǎn)化為 010mA 的電流信號(hào) 輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率。對(duì)于監(jiān)控畫面，利用亞控公司的組態(tài)軟件 “ 組態(tài)王 “ 串級(jí)系 統(tǒng) 是由 調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回 路。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變 送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。一次擾動(dòng)：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過程特性。副調(diào)節(jié)器具有 “ 粗調(diào) ” 的作用，主調(diào)節(jié)器具有 “ 細(xì)調(diào) ” 的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。 [7] 二 PLC 和組態(tài)軟件 可編程控制器是是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn) 稱 PLC（ Programmable logic Controller),它使用可編程序的記憶以存儲(chǔ)指令，用來執(zhí)行邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入輸出，以控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過程。 1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司成功研制世界第一臺(tái)可編程序控制器 PDP14，并在 GM公司的汽車自動(dòng)裝配線上首次使用并獲得成功。 1971年日本從美國(guó)引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，很快研制出第一臺(tái)可編程序控制器 DSC18。 1973年西歐國(guó)家也研制出他們的第一臺(tái)可編程控制器。我國(guó)從 1974年開 始研制， 1977年開始工業(yè)推廣應(yīng)用。進(jìn)入 20世紀(jì) 70年代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是 PLC 采用通訊微處理器之后，這種控制器功能得到更進(jìn)一步增強(qiáng)。進(jìn)入 20世紀(jì) 80年代，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以 16位和少數(shù) 32位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化 PLC，使 PLC的功能增強(qiáng)，工作速度快，體積減小，可靠性提高，成本下降，編程和故障檢測(cè)更為靈活，方便。目前， PLC 在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。 工作原理 可編程控制器的組成 : PLC 包括 CPU 模塊、 I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架。 1． CPU CPU 是 PLC 的核心，它按 PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和 數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。 CPU 主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成， CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是 PLC不可缺少的組成單元。 CPU速度和內(nèi)存容量是 PLC的重要參數(shù)，它們決定著 PLC 的工作速度， IO 數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 PLC 與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（ I/O）完成的。 I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。 I/O分為開關(guān)量輸入（ DI），開關(guān)量輸出（ DO），模擬量輸入（ AI），模擬量輸出（ AO）等模塊。 編程器的作用是用來供用戶進(jìn)行程序的輸入、編輯、 調(diào)試和監(jiān)視的。 PLC 電源用于為 PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供 24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（ 220VAC 或 110VAC），直流電源（常用的為 24VDC）。 [6] 可編程控制器的工作原理 : PLC 的工作方式是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時(shí)間稱為掃描周期或工作周期。 CPU 從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。 PLC 就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描的。 PLC 工作 的全過程可用圖 21 所示的運(yùn)行框圖來表示。 圖 21 可編程控制器運(yùn)行框圖 (一 )小型 PLC 小型 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)一般在 128 點(diǎn)以下，其特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，整個(gè)硬件融為一體，除了開關(guān)量 I/O 以外，還可以連接模擬量 I/O 以及其他各種特殊功能模塊。它能執(zhí)行包括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)、運(yùn)算數(shù)據(jù)處理和傳送通訊聯(lián)網(wǎng)以 及各種應(yīng)用指令。 (二 )中型 PLC 中型 PLC 采用模塊化結(jié)構(gòu)，其 I/O 點(diǎn)數(shù)一般在 256～ 1024 點(diǎn)之間， I/O 的處理 方式除了采用一般 PLC 通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式即在掃描用戶程序的過程中直接讀輸入刷新輸出，它能聯(lián)接各種特殊功能模塊，通訊聯(lián)網(wǎng)功能更強(qiáng)，指令系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，掃描速度更快。 (三 )大型 PLC 一般 I/O 點(diǎn)數(shù)在 1024 點(diǎn)以上的稱為大型 PLC，大型 PLC 的軟硬件功能極強(qiáng)，具有極強(qiáng)的自診斷功能、通訊聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊可以構(gòu)成三級(jí)通訊網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn) 管理自動(dòng)化，大型 PLC 還可以采用冗余或三 CPU 構(gòu)成表決式系統(tǒng)使機(jī)器的可靠性更高 組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務(wù)的過程。組態(tài)軟件是有專業(yè)性的，一種組態(tài)軟件只能適合某種領(lǐng)域的應(yīng)用。組態(tài)的概念最早出現(xiàn)在工業(yè)計(jì)算機(jī)控制中，如 DCS(集散控制系統(tǒng) )組態(tài)， PLC 梯形圖組態(tài)。人機(jī)界面生成軟件就叫工控組態(tài)軟件。工業(yè)控制中形成的組態(tài)結(jié)果是用在實(shí)時(shí)監(jiān)控的。從表面上看，組態(tài)工具的運(yùn)行程序就是執(zhí)行自己特定的任務(wù)。 工控組態(tài)軟件也提供了編程手段，一般都是內(nèi)置編譯系統(tǒng)，提供類 BASIC 語(yǔ)言，有的支持 VB，現(xiàn)在有的組態(tài)軟件甚至支持 C高級(jí)語(yǔ)言。 在當(dāng)今工控領(lǐng)域，一些常用的大型組態(tài)軟件主要有： ABBOptiMax， WinCC，iFix， Intouch，組態(tài)王，力控，易控， MCGS 等。本設(shè)計(jì)采用亞控的組態(tài)王軟件進(jìn)行組態(tài)的設(shè)計(jì)。 組態(tài)王軟件具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳 下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫。通過對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。而且，它能充分利用 Windows 的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動(dòng)畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線等，可便利的生成各種報(bào)表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的 組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能 [8]。 (1)圖形界面的設(shè)計(jì) 圖形 ,是用抽象的圖形畫面來模擬實(shí)際 的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和相應(yīng)的工控設(shè)備。 (2) 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù) 數(shù)據(jù) ,就是創(chuàng)建一個(gè)具體的數(shù)據(jù)庫(kù) ,并用此數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量描述工控對(duì)象的各種屬性 ,比如水位、流量等。 (3) 建立動(dòng)畫連接 連接 ,就是畫面上的圖素以怎樣的動(dòng)畫來模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行 ,以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令。 (4) 運(yùn)行和調(diào)試 三 PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 1．充分發(fā)揮 PLC 功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求。 2．在滿足控制要求的前提下，力 求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便。 3．保證控制系統(tǒng)安全可靠。 4．應(yīng)考慮生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在選擇 PLC 的型號(hào)、 I／ O 點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量等內(nèi)容時(shí)，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，以利于系統(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)充。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 設(shè)計(jì) PLC 應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，首先是進(jìn)行 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，即根據(jù)被控對(duì)象的功能和工藝要求，明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進(jìn)行 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)的功能分析，即通過分析系統(tǒng)功能，提出 PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，控制信號(hào)的種類、數(shù)量，系統(tǒng)的規(guī)模、布局。最 后根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果，具體的確定 PLC 的機(jī)型和系統(tǒng)的具體配置。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以按以下步驟進(jìn)行： 1．熟悉被控對(duì)象，制定控制方案 分析被控對(duì)象的工藝過程及工作特點(diǎn)，了解被控對(duì)象機(jī)、電、液之間的配合，確定被控對(duì)象對(duì) PLC 控制系統(tǒng)的控制要求。 2．確定 I／ O 設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定用戶所需的輸入 (如按鈕、行程開關(guān)、選擇開關(guān)等 )和輸出設(shè)備 (如接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈等 )由此確定 PLC 的 I／ O點(diǎn)數(shù)。 3．選擇 PLC 選擇時(shí)主要包括 PLC 機(jī)型、容量、 I／ O模塊、電源的選擇。 4．分配 PLC 的 I／ O地址 根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)需要，確定控制按鈕，選擇開關(guān)、接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈等各種輸入輸出設(shè)備的型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量；根據(jù)所選的PLC 的型號(hào)列出輸入／輸出設(shè)備與 PLC 輸入輸出端子的對(duì)照表，以便繪制 PLC 外部 I／ O接線圖和編制程序。 5．設(shè)計(jì)軟件及硬件進(jìn)行 PLC 程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行控制柜（臺(tái)）等硬件的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工。由于程序與硬件設(shè)計(jì)可同時(shí)進(jìn)行，因此， PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期可大大縮短，而對(duì)于繼電器系統(tǒng)必須先設(shè)計(jì)出全部的電氣控制線路后才能進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。 6．聯(lián)機(jī)調(diào)試 聯(lián)機(jī)調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過的程序進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。 PLC 程序設(shè)計(jì)的一般步驟 1．繪制系統(tǒng)的功能圖。 2．設(shè)計(jì)梯形圖程序。 3．根據(jù)梯形圖編寫指令表程序。 4．對(duì)程序進(jìn)行模擬調(diào)試及修改，直到滿足控制要求為止。調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟可參考圖 31 ： 圖 31 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 PLC 的選型和硬件配置 PLC 型號(hào)的選擇 本溫度控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門子 S7200 PLC。 S7200 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。 S7200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此 S7200系列具有極高的性能 /價(jià)格比。 S7200 CPU 的選擇 S7200 系列的 PLC 有 CPU22 CPU22 CPU22 CPU226等類型。此系統(tǒng)選用的S7200 CPU226,CPU 226集成 24輸入 /16輸出共 40個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)?？蛇B接 7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35路模擬 量 I/O 點(diǎn)。 13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。 6個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器， 2路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，