【文章內(nèi)容簡介】 控制系統(tǒng)，以充分利用其改善過程的動態(tài)特性、提高其工作頻率的特點。串級控制系統(tǒng)可以將變化劇烈、幅度大的擾動包括在串級系統(tǒng)的副回路中，由副回路實現(xiàn)對主要擾動的及時控制，大大減少這些大擾動對主參數(shù)的影響，從而提高控制質(zhì)量。 串級PID分程控制方案的實施 串級PID分程控制方案控制流程圖通過以上兩種方案的論證，可以得出比較理想的最終控制方案為串級PID分程控制方案。由于溫度屬于時間常數(shù)較大、慣性較大的變量，夾套冷卻水的溫度變化隨著閥門的開關變化較快、時間常數(shù)較小。針對這種情況，選擇反應釜內(nèi)的反應溫度為主變量，選擇夾套溫度為副變量，采用“溫度溫度串級控制”。其中溫度副控制器分程控制熱水輸入閥S6和冷水輸入閥VV8。其控制流程圖如圖29所示：圖29 最終方案控制流程圖主控制器作用選擇為正作用形式，副控制器作用選擇為反作用形式。調(diào)節(jié)閥開關模式的選擇主要考慮在不同工藝條件下安全需要。因此冷水閥VV8采用氣關式，工作范圍選擇412mA。熱水閥S6采用氣開式，工作范圍選擇1220mA。這樣既可滿足分程控制的需要，又可保證事故狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥處于適當位置。被控參數(shù)選為反應釜的反應溫度，控制參數(shù)為冷水閥和熱水閥的開度。 串級PID分程控制方案系統(tǒng)結(jié)構框圖最終控制方案為串級PID分程控制方案，其系統(tǒng)結(jié)構圖如圖210所示。外環(huán)主控制器控制規(guī)律為比例積分微分控制，內(nèi)環(huán)副控制器控制規(guī)律為比例控制。 圖210 串級PID分程控制系統(tǒng)結(jié)構框圖系統(tǒng)的給定分為兩部分，一部分是升速率大小，另一部分是保溫階段給定保溫溫度大小。操作者可以根據(jù)不同的需要改變升溫/保溫切換器，升溫階段選擇到升溫方向，保溫階段選擇到保溫方向。置于升溫階段工作時，微分結(jié)構將反應溫度取一階微分，得到溫度變化率，再與升溫速率設定值作比較，將偏差作為控制器的輸入，可實現(xiàn)升溫速度較穩(wěn)。置于保溫階段工作時，直接將反應溫度與給定保溫溫度作比較，將偏差作為控制器的輸入，可實現(xiàn)保溫控制。 控制過程分析當反應物投入設備后，由于釜溫測量值遠遠小于反應給定溫度，反應溫度變化率很低，因此升溫/保溫切換器選擇升溫控制，由于主控制器為正作用輸出信號較小，副控制器為反作用輸出信號較大，則分程控制的熱水閥S6工作，兩路冷水閥全部關閉，此時誘發(fā)反應進行。當釜溫達到反應誘發(fā)溫度時，化學反應發(fā)生，將有反應熱量放出，釜溫將逐漸升高并且溫度上升速率越來越大，則副控制器輸出信號較小，那么分程控制的熱水閥S6逐漸關閉，冷卻水入口閥VV8逐漸打開，反應所產(chǎn)生的熱量就被冷水帶走一部分，從而達到維持釜溫以適當速率上升的目的。當反應進行一段時間后，釜溫接近給定值120℃時，將升溫/保溫切換器選擇保溫控制，雙閉環(huán)PID控制器調(diào)節(jié)使其溫度始終保持在120℃左右。反應物經(jīng)過了劇烈難控的大量反應階段，已消耗掉大部分，化學反應的劇烈程度顯著降低，釜溫和釜壓將會相應減少，兩路冷水閥VV8將會逐漸關閉，熱水閥S6將逐漸打開。釜溫還在繼續(xù)下降，熱水閥S6將完全打開為反應提供熱量。第3章 硬件設備選型 PLC選型現(xiàn)代社會生產(chǎn)設備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性，可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)正適應這一要求，它是以微處理器為基礎的通用工業(yè)控制裝置。PLC的應用面廣、功能強大、使用方便，已廣泛應用與各種各樣的自動控制系統(tǒng)中。PLC產(chǎn)品的種類有很多，不同型號的PLC,其結(jié)構形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側(cè)重。因此合理選用PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術經(jīng)濟指標有著重要意義。 I/O選擇 系統(tǒng)需要3路模擬量輸入分別為反應溫度、反應釜壓力P、夾套溫度；2路數(shù)字量輸出即S8攪拌機開關和壓力報警信號W；3路模擬量輸出分別控制熱水閥S蛇管冷卻水閥V夾套冷卻水閥V8。由于模擬量的輸入是溫度測量變送裝置或壓力測量變送裝置傳遞來的420mA直流電流信號，模擬量的輸出信號控制直流電流輸入的氣動調(diào)節(jié)閥，所以應選用直流電流形式的模擬量輸入輸出模塊，其量程均為420mA，考慮到精度要求和成本應選擇12位的A/D和D/A模塊。PLC的I/O響應時間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時間延遲（一般在23個掃描周期）等，由于溫度控制系統(tǒng)屬于大滯后過程，對I/O響應時間要求不高，所以可不必考慮響應時間問題。系統(tǒng)所需的輸入輸出量可見表31。表31 系統(tǒng)I/O統(tǒng)計I/O類型個數(shù)說明模擬量輸入AI3：反應溫度：夾套溫度P：反應釜壓力模擬量輸出AO3S6：控制熱水閥V7：蛇管冷卻水閥V8：夾套冷卻水閥數(shù)字量輸出DO2S8：攪拌機開關W：壓力報警信號 PLC型號選擇本文選用西門子公司的S7200型PLC。S7200系列可編程控制器(簡稱PLC)是西門子公司1995年底推出的新一代微型PLC，由于其性能價格比極高，目前已經(jīng)在各個領域得到廣泛的應肉用。S7200CN系列的強大功能使其無論獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能，其在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能，適用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。S7200CN系列可編程控制器可以分為4個不同的基本型號8種CPU。如：CPU22CPU222CN、CPU224CN、CPU224XPCN、CPU226CN等。各種機型配置一覽表見表32。表32 S7200系列機型配置一覽表型號I/O點數(shù)擴展功能CPU2216輸入，4輸出，共10個無I/O擴展能力CPU222CN8輸入，6輸出，共14個可連接2個擴展模塊最大擴展至78路數(shù)字量I/O點或10點模擬量I/O點CPU224CN14輸入，10輸出，共24個可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或者35路模擬量I/O點CPU224XPCN14輸入，10輸出，共24個可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或者38路模擬量I/O點CPU226CN24輸入，16輸出，共40個可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O點或者35路模擬量I/O點以上型號S7200CN系列PLC均具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。本文根據(jù)I/O點數(shù)和性價比綜合考慮可選擇CPU224CN。本機集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O 點。16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。 結(jié)構選擇根據(jù)硬件結(jié)構的不同，可以將PLC分為整體式、模塊式和混合式。模塊式PLC一般被大、中型PLC采用。模塊插在模塊插座上，模塊插座則焊在機架中的總線連接板上，有不同槽數(shù)的機架供用戶選用，如果一個機架容納不下選用的模塊，可以增設一個或數(shù)個擴展機架，各機架之間用接口模塊和電纜相連。整體式PLC每一I/O點的平均價格比模塊式的便宜，小型控制系統(tǒng)一般采用整體式PLC。整體式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸整體。在相同功能和相同I/O點數(shù)據(jù)的情況下，整體式比模塊式價格低。但模塊式具有功能擴展靈活，在I/O點數(shù)、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、I/O模塊的種類等方面選擇余地大，維修方便（換模塊），容易判斷故障等優(yōu)點。 綜上考慮，根據(jù)控制規(guī)模、工作速度和內(nèi)存容量等要求選用西門子公司的S7200整體式模塊。 模擬量擴展模塊選擇本文中系統(tǒng)有3個模擬量輸入，3個模擬量輸出，而所選S7200 PLC的CPU只能處理數(shù)字量，因此需配合使用模擬量擴展模塊。模擬量擴展模塊提供了模擬量輸入/輸出的功能。模擬量I/O模塊的主要任務是實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換（模擬量輸入）和D/A轉(zhuǎn)換（模擬量輸出）。模擬量輸入模塊可選用西門子 S7200CN配套使用模擬量輸入/輸出組合模塊EM231CN。EM231 CN模擬量輸入模塊有5檔量程（ DC 010V、05V、020mA、177。177。5V）并且可以提供4路模擬量輸入。模擬量輸出模塊可選用EM232 CN型號。它只能提供2路模擬量輸出點數(shù)，因此選用2個EM232 CN模擬量輸出模塊。EM231CN和EM232 CN模擬量擴展模塊的優(yōu)點如下： 。 。 。：當實際應用變化時，PLC可以相應地進行擴展，并可非常容易的調(diào)整用戶程序。 調(diào)節(jié)閥選型在過程控制中，執(zhí)行器（亦稱執(zhí)行機構）大多采用閥的形式，控制各種氣體或液體的流量與流速，是過程控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，其特性好壞對控制質(zhì)量的影響是很大的。實踐證明，在過程控制系統(tǒng)設計中，若調(diào)節(jié)閥特性選用不當，閥門動作不靈活，口徑大小不合適，都會嚴重影響控制質(zhì)量。所以，應根據(jù)生產(chǎn)過程的特點、被控介質(zhì)的情況（尤其關注高溫、高壓、劇毒、易燃易爆、易結(jié)晶、易腐蝕等介質(zhì)）和安全運行需要，并從系統(tǒng)設計的總體考慮，選用合適的執(zhí)行器。在過程控制中，使用最多的是氣動執(zhí)行器，其次是電動執(zhí)行器，較少采用液動執(zhí)行器。調(diào)節(jié)閥特性的選用原則包括：⒈選擇合適的工作區(qū)間：在正常工作情況下要求調(diào)節(jié)閥開度處于15%85%之間。⒉選擇合適的流量特性：調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇一般分為兩步進行。首先根據(jù)過程控制系統(tǒng)的要求，確定工作流量特性，然后根據(jù)流量特性曲線的畸變程度，確定理想流量特性。⒊選擇合適的調(diào)節(jié)閥開、關形式。 調(diào)節(jié)閥類型確定根據(jù)工藝使用環(huán)境要求，選擇相應的執(zhí)行機構。氣動執(zhí)行器具有結(jié)構簡單，動作可靠，性能穩(wěn)定，維修方便，價格便宜，適用于防火防爆場合等特點，它不僅能與QDZ儀表配用，而且通過電氣轉(zhuǎn)換器或閥門定位器與DDZ儀表配用，廣泛應用于石油、化工、冶金、電力、輕紡等工業(yè)部門。由于本系統(tǒng)采用了分程控制，需要用到閥門定位器，所以選擇氣動調(diào)節(jié)閥。 調(diào)節(jié)閥流量特性選擇在過程控制工程中，執(zhí)行器的流量特性將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質(zhì)量。所以在工程中必須合理、正確使用。執(zhí)行器的流量特性是指被控介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的相對開度之間的關系，得式31為： (式31)式31中為相對流量，即執(zhí)行器某一開度流量與全開流量之比；為相對開度，即執(zhí)行器某一開度行程與全開行程之比。流量特性有理想流量特性和工作流量特性兩個概念。理想流量特性，就是在閥前后壓差為一定的情況下（常數(shù)）得到的流量特性。它取決于閥芯的形狀。不同的閥芯曲面可以得到不同的理想流量特性。一般，理想流量特性有直線流量特性、對數(shù)流量特性、快開流量特性與拋物線流量特性。 ：是指調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度成直線關系，即單位位移變化多引起的流量變化是一個常數(shù)，其數(shù)學表達式32為： (式32)式32中K為常數(shù)，即執(zhí)行器的放大系數(shù)。：是指單位相對行程的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關系。其數(shù)學表達式33為： （式33）對數(shù)流量特性在控制系統(tǒng)中是有利的。調(diào)節(jié)閥在小開度時，調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)小，控制平穩(wěn)緩和；調(diào)節(jié)閥在大開度時，其放大系數(shù)，控制作用靈敏有效。：是指單位相對行程的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量的平方根成正比關系。其數(shù)學表達式34為： （式34）：這種流量特性在小開度時流量就已很大，其流量就很快達到最大，故稱快開特性。它們的理想流量特性曲線如圖31所示:圖31 理想流量特性曲線1快開 2直線 3拋物線 4對數(shù)工作流量特性，就是在實際工程使用中，調(diào)節(jié)閥兩端的壓力差常數(shù)，此時調(diào)節(jié)閥的相對開度和相對流