【導(dǎo)讀】本論文首先對無縫鋼管φ76管坯加熱爐的實(shí)現(xiàn)電控自動化控制的意義進(jìn)行了介紹，軟件編程，以及觸摸屏在φ76管坯加熱爐的電控系統(tǒng)改造中的應(yīng)用。煙道等部件的控制實(shí)現(xiàn)對加熱爐的恒壓恒溫自動控制。通過簡要介紹恒溫恒壓的改造方。案，引出了實(shí)現(xiàn)其恒壓的最佳方法——PID控制算法。

　　

【正文】 ，力圖使被控制量趨于給定值。閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí) 現(xiàn)自動控制，因此在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 PID 控制原理及其運(yùn)用 PID 基本控制原理 圖 閉環(huán)控制系統(tǒng) 如圖 ， PID 控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差 e和輸入量r、輸出量 c 的關(guān)系 : )()()( tctrte ?? （ 41） 控制器的輸出為： ])()(1)([)( 10 dttdeTdtteTteKtu dip??? ? （ 42） )(tu PID 回路輸出 pK 比例系數(shù) P iT 積分系數(shù) I dT 微分系數(shù) D PID 調(diào)節(jié)的傳輸函數(shù)為 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 ]11[)( )()( STSTKsE sUsD dip ???? （ 43） 數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對偏差周期采樣后，計(jì)算機(jī)輸出值。其離散化的規(guī)律如表 所示： 表 模擬與離散形式 模擬形式 離散化形式 )()()( tctrte ?? )()()( nrne ?? dTtde)( T nene )1()( ?? ?t dtte0 )( ?? ?? ? nini ieTTie 00 )()( 所以 PID 輸出經(jīng)過離散化后，它的輸出方程為 : 00)()()()]}1()([)()({)(ununununeneTTdieTTneKnudipniip????????? ?? （ 44） 式中， )()( neKnu pp ? 稱為比例項(xiàng) ??? niipi ieTTKnu 0 )()( 稱為積分項(xiàng) )]1()([)( ??? neneTTKnu dpd 稱為微分項(xiàng) 上式中，積分項(xiàng)是包括第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差的累積值。計(jì)算中，沒有必要保留所有的采樣周期的誤差項(xiàng)，只需要保留積分項(xiàng)前值，計(jì)算機(jī)的處理就是按照這種思想。故可利用 PLC中的 PID 指令實(shí)現(xiàn)位置式 PID 控制算法量。 PLCPID 控制器的實(shí)現(xiàn) PLC 的 PID 控制器的設(shè)計(jì)是以連續(xù)系統(tǒng)的 PID 控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化寫成離散形式的 PID控制方程，再跟據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。 在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 所示。圖 中 sp（ t）是給定值，pv(t)是反饋量， c(t)是系統(tǒng)的輸出量， PID控制的輸入輸出關(guān)系式為 : 01( ) [ ( ) ( ) ( ) / ]DC IM t K e t e t d t T d e t d t MT? ? ? ?? （ 4） 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 上式中 : M(t)— 控制器的輸出量， M0 為輸出的初始值 。 e(t)=sp(t)pv(t) — 誤差信號 。 CK — 比例系數(shù) 。 IT — 積分時(shí)間常數(shù) 。 DT — 微分時(shí)間常數(shù)。 P I D 控 制 器 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 被 控 對 象敏 感 元 件S p （ t ）e ( t )M ( t )c ( t )p v ( t )圖 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 上式的右邊前 3項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差，誤差的積分和微分成正比。如果取其中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)，可以組成 P、 PD 或 PI 控制器。 假設(shè)采樣周期為 ST ，系統(tǒng)開始運(yùn)行的時(shí)刻為 t＝ 0，用矩形積分來近似精確積分，用差分近似精確微分，將公式（ 1）離散化，第 n次采樣時(shí)控制器的輸出： 101()nn C n I D n njM K e K e K e e M??? ? ? ? ?? （ 5） 上式中 : 1ne? — 第 n1次采樣時(shí)的誤差值 。 IK — 積分系數(shù) 。 DK — 微分系數(shù)。 基于 PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 。其中 spn、 pvn、 en、 Mn分別為模擬量在 sp(t)、pv(t)、 e(t)、 M(t)在第 n 次采樣時(shí)的數(shù)字量。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 P I D 控 制 器 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 被 控 對 象敏 感 元 件S p ne nM ( t )c ( t )p v ( t )D / AA / Dp v nM n圖 PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 在許多控制系統(tǒng)內(nèi)，可能只需要 P、 I、 D 中的一種或兩種控制類型。如 可能只要求比例控制或比例與積分控制，通過設(shè)置參數(shù)可對回路進(jìn)行控制類型進(jìn)行選擇。 PID部分梯形圖 調(diào)整 PID 參數(shù)的方法中較常用的是 （ 1）經(jīng)驗(yàn)整定法 （ 2）擴(kuò)充臨界比例帶法 （ 3）擴(kuò)充響應(yīng)曲線法 [13] 。 盡管 PID 整定方法有很多，但由于爐子環(huán)境比較復(fù)雜，經(jīng)過綜合考慮和比較之后我采用了經(jīng)驗(yàn)整定法。各項(xiàng)參數(shù)需要到現(xiàn)場進(jìn)行整定， 本設(shè)計(jì)中實(shí)驗(yàn)調(diào)試所用 經(jīng)驗(yàn)法 的參數(shù)為：ST =1000ms, IT =10min,TD =0。 在 PID的控制部分，由壓力變送器將風(fēng)壓信號變換成 4mA到 20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，傳送給EM231模塊，由 EM231模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng) PID運(yùn)算后，結(jié)果由 EM232進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而來控制變頻器頻率來改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制風(fēng)機(jī)壓力的自動升高和降低。 調(diào)試 PID時(shí)用到穩(wěn)壓電源一臺， 通過穩(wěn)壓電源得到 010V的電壓，當(dāng)輸入的值比設(shè)定的模擬量小時(shí)，隨著輸入值的增大， PID的輸出者也隨著增加。當(dāng)輸入的值比設(shè)定的模擬量大時(shí)，隨著輸入值的增大， PID的輸出者則隨著減小。 下面就介紹程序中使用 PID 指令 調(diào)節(jié)變頻器控 制風(fēng)壓恒定 的具體方法： PID 調(diào)節(jié)變頻器控制風(fēng)壓恒定的部分程序 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 系統(tǒng)的恒溫部分 梯形圖 在恒溫控制的部分存在著兩個(gè)溫區(qū)，高溫區(qū)和中溫區(qū)，在程序中采用了比較的指令實(shí)現(xiàn)了恒溫的控制。 高溫恒溫控制的核心主要是比較指令，在爐子運(yùn)行前先對爐子的高溫進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)加熱爐在加熱的過程中，通過 EM231輸入模塊 檢測 爐子的溫度，采用延時(shí)繼電器，當(dāng)爐溫低于設(shè)定值時(shí)延時(shí)開啟 1號 、 2號 大火，高于設(shè)定值時(shí)延時(shí)關(guān)閉 2號 、 1號 大火，從而實(shí)現(xiàn)爐子高溫部分的恒溫控制。 首先介紹高溫部分，程序如下： 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 在中溫控制區(qū)，同樣用了比較指令，控制的方法與高溫部分的控制方法相同，當(dāng)欠溫時(shí)延時(shí)順序開啟 3～ 6號 燒嘴的大火，超溫時(shí)延時(shí)順序關(guān)閉 6～ 3號 大火，實(shí)現(xiàn)中溫部分的恒溫控制。 中溫部分的恒溫控制 ，程序如下： 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 開部分 梯形圖 天然氣的煙道氣流控制，通過 PLC程序中在燒嘴大火開啟和關(guān)閉的同時(shí)控制煙道的開度大小。 我們知道由于自動控制的明火燃燒系統(tǒng)對爐內(nèi)壓力波動較大，要求生產(chǎn)對側(cè)出鋼加熱爐，如果不加煙道控制，煙道成打開的狀態(tài)，燃燒功率偏高時(shí)，出鋼口呈現(xiàn)負(fù)壓，柸料端常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 部輕者發(fā)生 氧化，重者冷卻發(fā)黑無法穿孔。為了保證操作人員的安全，防止吸入大量的冷空氣冷卻柸料，人為關(guān)閉部分煙道，一旦爐內(nèi)的壓力過正，在出鋼時(shí)從爐門噴出火焰，浪費(fèi)能源。通過燒嘴的大火開啟和關(guān)閉狀態(tài)控制煙道的開度大小后，使?fàn)t口壓力處于微正壓，滿足工藝要求，保證鋼管穿孔質(zhì)量。 煙道控制采用了大火的輸出點(diǎn) 、 、 、 、 、 度，大火自動開啟的個(gè)數(shù)對應(yīng)著相同的煙道開度大小。 6個(gè)大火的輸出點(diǎn) 、 、 、 、 煙道氣流進(jìn)行控制，當(dāng)開一個(gè)大 火時(shí)，煙道開啟 %；開兩個(gè)大火時(shí)，煙道開啟 %；開三個(gè)大火時(shí)，煙道開啟 50%；開四個(gè)大火時(shí)，煙道開啟 %；開五個(gè)大火時(shí)，煙道開啟 %；大火全開時(shí)，煙道也全開。 下面就以煙開開啟 0%和 %為例來用程序說明， 程序如下 : 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 報(bào)警 部分 (1)該系統(tǒng)在風(fēng)壓未達(dá)到 800Pa時(shí)，自動控制時(shí)不能打開燃?xì)饪烨虚y和點(diǎn)火系統(tǒng)送電。在風(fēng)壓不達(dá)到 3500Pa時(shí)燒嘴不打開大火。 (2)對天然氣進(jìn)行了欠壓，超壓和報(bào)警監(jiān)控，如果發(fā)生異常，馬上關(guān)掉燃?xì)饪烨虚y，以防事故擴(kuò)大，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警 信號，并在觸摸屏上顯示事故的原因。 (3)燒嘴控制器負(fù)責(zé)對燒嘴進(jìn)行點(diǎn)火控制，在點(diǎn)火的狀態(tài)下如發(fā)現(xiàn)熄火的情況，燒嘴控制器自行關(guān)斷本身的燃?xì)忾y，并送報(bào)警信號，該 PLC通過觸摸屏進(jìn)行故障提示，但并不影響系統(tǒng)的正常工作。 (4)能保存必要的爐子的溫控曲線進(jìn)行記錄，用觸摸屏監(jiān)控爐子的高溫和中溫曲線，同時(shí)能連續(xù)對 24小時(shí)溫度曲線進(jìn)行記錄，以利于分析工藝，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。 (5)觸摸屏能按時(shí)間記錄 1200條故障，以利于分析、排除故障。 (6)配備打印機(jī)，可把儲存在觸摸屏內(nèi)的溫度曲線、事故記錄打印出來。 在設(shè) 備臨時(shí)檢修時(shí)，通過觸摸屏對 PLC發(fā)出檢修指令，使?fàn)t子恒溫在 1000度狀態(tài)下工作，一方面節(jié)約天然氣，另一方面帶檢修結(jié)束后能及時(shí)升溫至工藝需要的爐溫。在下班停爐時(shí)，為了防止高溫?zé)龎臒欤ぷ魅藛T通過觸摸屏發(fā)出停爐指令，這時(shí)所有天然氣管道全部關(guān)閉，但空氣管道繼續(xù)恒壓在 800Pa工作，直至爐溫降到 450度時(shí)再自動關(guān)閉風(fēng)機(jī)。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 第五章 觸摸屏的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)要求能通過觸摸屏進(jìn)行手動和自動的操作，并能記錄溫度曲線及報(bào)警記錄。可以選擇 ，它具有 強(qiáng)大的 32位嵌入式高性能 CPU,支持 256色真彩顯示與敏捷的反應(yīng)速度 ； 功能強(qiáng)大且簡單易用的簡體中文編輯軟件，使你輕松完成復(fù)雜的人機(jī)界面設(shè)計(jì)；獨(dú)特的多視窗操作功能，大大增加可顯示信息量；創(chuàng)新的在線模擬功能，大大節(jié)省工程時(shí)間；幾乎與所有的 PLC兼容 ；最多可以記錄 1200條故障信息，是一款的性價(jià)比較高的觸摸屏。 確定要設(shè)置的畫面 1． 在區(qū)分手動和自動控制畫面時(shí)需要“手動自動切換畫面”。 2． 在進(jìn)入“手動自動切換畫面”之前需要啟 動 畫面。 3． 為了防止操作人員失誤錯(cuò)點(diǎn)按鈕，點(diǎn)擊“停爐”時(shí)就需要出現(xiàn)“手動 停爐”面進(jìn)行確認(rèn)，同時(shí)也要出現(xiàn)當(dāng)時(shí)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)和曲線，以方便操作人員判斷是否進(jìn)行下一步操作。因?yàn)橐獙⑹謩赢嬅婧妥詣赢嬅娴母綄佼嬅鎱^(qū)分所以需要 一個(gè) 手動停爐畫面和 一個(gè) 自動停爐畫面。 4． 因?yàn)樵趯?shí)際工作中操作人員需要根據(jù)需要 對 系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，所以就需要添加 PID參數(shù)設(shè)置畫面和其他各種參數(shù)的設(shè)置畫面以及各個(gè)畫面數(shù)據(jù)的輸入鍵盤。 5． 同時(shí)在實(shí)際工作過程中，由于工廠內(nèi)的人員分工不同，各種 人 員所涉及的專業(yè)知識的不同需要對系統(tǒng)的重要畫面進(jìn)行等級限制，以防止非專業(yè)人員破壞系統(tǒng)參數(shù)造成損失。所以就設(shè)置了安全等級的確認(rèn)畫面 ，設(shè)置密碼 ，每個(gè)畫面設(shè)置安全等級。 6． 設(shè)置報(bào)警信息記錄畫面方便操作人員查詢。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及觸摸屏屏幕大小的限制我將畫面分為以下部分： 10號啟動畫面 11號風(fēng)機(jī)停止畫面 12號手動控制畫面 13號自動控制畫面 14號自動停爐畫面 15號 PID參數(shù)設(shè)置畫面 16號溫度曲線記錄畫面 17號報(bào)警記錄畫面 18號手動自動切換畫面 19號自動 快選畫面 20號數(shù)字鍵盤畫面 21號切換安全等級鍵盤畫面 22號風(fēng)機(jī)壓力設(shè)置鍵盤畫面 23號安全等級畫面 24號煙道壓力設(shè)置鍵盤畫面 25號修改密碼鍵盤畫面 26號參數(shù)設(shè)置畫面 27號手動停爐畫面 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 畫面切換關(guān)系 因?yàn)楫嬅鎮(zhèn)€數(shù)較多，需要合理的設(shè)置各個(gè)畫面之間的切換關(guān)系。開機(jī)后顯示的是初始畫面，用于選擇是否要進(jìn)入系統(tǒng)，點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng)按鍵后切換到自動、手動工作方式的選擇畫面，這一換面可切換到手動或自動工作方式畫面 。因?yàn)闋t子正常時(shí)工作在自動運(yùn)行方式，所以定義為主畫面，設(shè)置“功能菜單”?？梢酝ㄟ^功能菜單切換到“故障報(bào)警”、“ PID 參數(shù)”、“溫度曲線”、“安全等級”、“參數(shù)設(shè)置”等畫面。這種畫面組織方式的層次少，操作比較方便。 另外 當(dāng)對某一參數(shù)進(jìn)行設(shè)置時(shí) 要 在旁邊彈出相應(yīng)的數(shù)字鍵盤。 啟動畫面切換到工作方式選擇畫面的 設(shè)置 方法如下： 右擊“進(jìn)入系統(tǒng)”按鈕選擇“屬性”進(jìn)入“功能鍵元件屬性