【導(dǎo)讀】之處，本人愿承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。過(guò)程控制是生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的簡(jiǎn)稱，這是自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。PID控制器產(chǎn)品技術(shù)工藝應(yīng)用有很好的前景。PID技術(shù)工藝的發(fā)展對(duì)行業(yè)項(xiàng)目也有一定的影響。制對(duì)象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷進(jìn)行。若擾動(dòng)出現(xiàn)使得現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象。節(jié)器按此偏差以預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，去改變調(diào)節(jié)器的開(kāi)度，到控制的目的，用流量調(diào)節(jié)閥PID控制來(lái)調(diào)節(jié)流量有重要的研究?jī)r(jià)值。量，F(xiàn)T-102為被控變量，采用PID調(diào)節(jié)來(lái)完成。首先了解PID調(diào)節(jié)流量的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀以及本課題的可行性。管道容量PID過(guò)程控制系統(tǒng)的框圖及流程圖。式開(kāi)始的第1周周五之前獨(dú)立撰寫(xiě)完成，并交指導(dǎo)教師審閱。

　　

【正文】 GAIN REAL 比例控制增益 TI TIME T20S 決定積分器響應(yīng)時(shí)間 TD TIME T2S 微分時(shí)間 LMN REAL 浮點(diǎn)型輸出有效操作 表 1： PID 模塊的主要參數(shù) 組態(tài)介紹 對(duì)上位監(jiān)控軟件的要求 組態(tài)現(xiàn)場(chǎng)工藝流程畫(huà)面，要求生動(dòng)、形象；要求有采集現(xiàn)場(chǎng)的模擬量和數(shù)字量的信號(hào)，并以文字或者圖形方式顯示。被控對(duì)象的工作 參數(shù)包括溫度、液位、流量、壓力等；在自動(dòng)方式下，在現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)條件滿足的情況下，可以通過(guò)中控室工控遠(yuǎn)程控制各個(gè)開(kāi)關(guān)；被控對(duì)象的各個(gè)模擬量參數(shù)要求加以范圍限制，超出范圍的要求報(bào)警；被控對(duì)象的各個(gè)模擬量參數(shù)要求有趨勢(shì)曲線圖，便于查看變化過(guò)程；模擬量的數(shù)據(jù)要求歸檔，以保證操作的可靠性和安全性； 上位監(jiān)控畫(huà)面的設(shè)計(jì) 程序運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)入主畫(huà)面，顯示流量調(diào)節(jié)閥 PID 控制的整個(gè)工藝過(guò)程。顯示畫(huà)面顯示各個(gè)模擬量實(shí)時(shí)值和開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)。在中央控制室的工程師站和操作員都可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)、停止控制，參數(shù)采集以及儀表數(shù)據(jù) 顯示。 組態(tài)設(shè)計(jì) 通常情況下，建立一個(gè)應(yīng)用工程大致可分為以下幾個(gè)步驟： 第一步：創(chuàng)建新工程 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 為工程創(chuàng)建一個(gè)目錄來(lái)存放與工程先關(guān)的文件。 第二步：定義硬件設(shè)備并添加工程變量 添加工程中需要的硬件設(shè)備和工程中使用的變量，包括內(nèi)存變量和 I/O 變量。 第三步：制作圖形畫(huà)面并定義動(dòng)畫(huà)連接 按照實(shí)際工程的要求繪制監(jiān)控畫(huà)面并使靜態(tài)畫(huà)面隨著過(guò)制對(duì)象產(chǎn)生動(dòng)態(tài)效果。 第四步：編寫(xiě)命令語(yǔ)言 通過(guò)腳本程序的編寫(xiě)以完成較復(fù)雜的操作上位控制。 第五步：進(jìn)行 運(yùn)行系統(tǒng)的配置 對(duì)運(yùn)行系歷史數(shù)據(jù)記錄、網(wǎng)絡(luò)、用戶等設(shè)置，使系統(tǒng)完成用于現(xiàn)場(chǎng)前的必備工作。 第六步：保存工程并運(yùn)行 組態(tài)王對(duì)控制器的設(shè)備組態(tài) 西門子 S7300 在與組態(tài)網(wǎng)通訊時(shí)，通常采用 MPI 多點(diǎn)接口電纜連接，這里我們主要介紹這種通訊方式。 運(yùn)行組態(tài)王 軟件，彈出組態(tài)王工程管理器。單擊新建按鈕或點(diǎn)擊文件中的新建工程，如圖所示： 圖 35 新建組態(tài)王工程 輸入保存路徑和名稱等，即可建立一個(gè)新的組態(tài)工程，如圖所示： 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 圖 36 輸入保存路徑 圖 37 輸入工程名稱 在工程瀏覽器中， 選擇左側(cè)大綱項(xiàng)“設(shè)備” “ COM1”，在工程瀏覽器右側(cè)用鼠標(biāo)左鍵雙擊“新建”圖標(biāo)，運(yùn)行“設(shè)備配置向?qū)А?，如圖所示： 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 圖 38 選擇 COM1 選擇“ PLC” “西門子” “ S7300 系列” “ MPI（電纜）”。如圖所示： 圖 39 設(shè)備配置 單擊“下一步”，彈出“邏輯名稱”窗口，可任意輸入一個(gè)名稱。 再單擊“下一步”，彈出“選擇串口號(hào)”。 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 為設(shè)備選擇連接串口，現(xiàn)今的電腦通常只有一個(gè)串口，為 COM1。選擇完畢后單擊“下一步”，彈出“設(shè)備地址設(shè)置指南”，如圖所示： 圖 310 選擇串口號(hào) 填寫(xiě)設(shè)備地址，輸入“ ”。其中小數(shù)點(diǎn)前為 MPI 地址（即站點(diǎn)），小數(shù)后為MPI設(shè)備（即所使用的通訊模塊或 CPU模塊）的槽號(hào)（ slot number）范圍為 ~，建議使用通用的地址為 ~。一般 PLC 默認(rèn)的地址（即站號(hào)）為 2，槽號(hào)為 2，故將組態(tài)王設(shè)備地址定義為 . 設(shè)置通信故障恢復(fù)參數(shù)（一般情況下使用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置即可），單擊“下一步”，彈出“信息總結(jié)”，如圖所示： 圖 311 設(shè)置地址 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 組態(tài)王定義數(shù)據(jù)變量 數(shù)據(jù)庫(kù)是“組態(tài)王”軟件的核心部分，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀 況要以動(dòng)畫(huà)的形式反映在屏幕上，操作者在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，所以這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中介環(huán)節(jié)，所以說(shuō)數(shù)據(jù)庫(kù)是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。 選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項(xiàng)“數(shù)據(jù)庫(kù) /數(shù)據(jù)詞典”，雙擊“新建”圖標(biāo)，如圖所示： 圖 312 新建數(shù)字詞典 彈出“變量屬性”對(duì)話框，此對(duì)話框可以對(duì)數(shù)據(jù)變量完成定義、修改等操作，以及數(shù)據(jù)庫(kù)的管理工作。在“變量名”處輸入變量名，如 PID0_PV。在“變量類型”處選擇變量類型如： IO 實(shí)數(shù)，如圖所示： 圖 313 變量屬性 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 本范例中所能用到的變量如圖所示。變 量類型、連接設(shè)備、寄存器號(hào) 2 可以從圖中得知。 圖 314 定義所用變量 建立新畫(huà)面 為建立一個(gè)新的畫(huà)面請(qǐng)執(zhí)行一下操作： 在工程瀏覽器左側(cè)的“工程目錄顯示區(qū)”中選擇“畫(huà)面”選項(xiàng)，在右側(cè)視圖中雙擊 “新建”圖標(biāo)，彈出新建畫(huà)面對(duì)話框。如圖所示： 圖 315 建立新畫(huà)面 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 最終畫(huà)面，如圖 316 所示： 圖 316 組態(tài)王監(jiān)控畫(huà)面 小結(jié) 在這一部分，我們主要介紹了組態(tài)王和 S7300 的相關(guān)知識(shí)，并且在相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)之上，簡(jiǎn)單的介紹了相關(guān)的程序和組態(tài)的設(shè)計(jì)。 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 及結(jié)果分析 調(diào)試過(guò)程 首先介紹一下 A3000 高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的接線，如圖 41 圖 41 運(yùn)行接線圖 調(diào)試時(shí)下水箱擋板開(kāi)度為 2cm。 1) 在現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)上，打開(kāi)手閥 QV10 QV105，調(diào)節(jié)下水箱閥板 QV116 開(kāi)度，其余閥門關(guān)閉。 2) 在控制系統(tǒng)上，將 IO 面板的流量計(jì)（支路二）的輸出連接到 AI0， IO 面板的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制端連接 AO0 3) 打開(kāi)電源設(shè)備，啟動(dòng)右邊水泵 P102 和調(diào)節(jié)閥。 4) 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件，進(jìn)入測(cè)試項(xiàng)目界面。啟動(dòng)調(diào)節(jié)器，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，可以將調(diào)節(jié)器的手動(dòng)控制切換到自動(dòng)控制。 5) 設(shè)置 PID 參 數(shù)。觀察計(jì)算機(jī)顯示屏上的曲線，待被調(diào)節(jié)參數(shù)基本穩(wěn)定在給定值后，可以加干擾測(cè)試。 6) 減小 P，增大 P，尋找 P 的合適范圍。 7) 在比例調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，加入積分作用，即在界面上設(shè)置 I 參數(shù)不是特別大的數(shù)。固定比例 P 值（中等大小），改變 PI 調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù) Ti，然后觀察加階躍擾動(dòng)后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同 Ti 值下的超調(diào)量。 8) 選擇合適的 P， Ti 和 Td,使系統(tǒng)輸出響應(yīng)為一條較為滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線（階躍輸 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 入可由給定值突變 10%左右來(lái)實(shí)現(xiàn)）。 結(jié)果分析 下面結(jié)合著具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖進(jìn)行分析參數(shù)設(shè)定與曲線變化，其中 SP 值是 由 25變?yōu)?35： 圖 42 P= I=8000 D=0 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 圖 43 P= I=8000 D=0 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖 44 P= I=8000 D=0 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖 45 P= I=8000 D=0 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖 42 到圖 45，是 I 值很大時(shí)， P 值變化的響應(yīng)曲線，從以上的四幅圖可以看出，在 I 值趨于很大時(shí)， P 值越大，響應(yīng)速度越快，控制的作用很強(qiáng)，但是系統(tǒng)振蕩加劇，P 值很小的情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定性卻是增強(qiáng)的。 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 圖 46 P= I=1000 D=0 對(duì)比圖 45 和圖 46，可以看到，當(dāng)積分項(xiàng)變小時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。 圖 47 P= I=8000 D=1000000 對(duì)比圖 45 和圖 47， D 增大，對(duì)于誤差變化反映變的強(qiáng)烈，使得系統(tǒng)存在振蕩，穩(wěn)定性變差。 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 圖 48 P= I=8000 D=0 時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 最后選擇合適的 P、 I、 D 值，得到了圖 49 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥吹剑到y(tǒng)在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的過(guò)渡過(guò)程之后穩(wěn)定，實(shí)際流量值與設(shè)定的流量值實(shí)現(xiàn)了很好 的吻合。P=，比例的控制作用減弱，響應(yīng)速度減慢，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)了。 控制系統(tǒng)性能的要求就是穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)字。一個(gè)系統(tǒng)要正常工作，首先系統(tǒng)必須時(shí)穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)時(shí)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性；通過(guò)上面的幾幅圖可以看到，系統(tǒng)的確是穩(wěn)定的，加入階躍干擾之后，階躍響應(yīng)是收斂的。圖 49 的準(zhǔn)確性很高，響應(yīng)也很快，完全滿足穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求。 這就說(shuō)明，系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié)是成功的，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效而且穩(wěn)定的控制。 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29 遠(yuǎn)程控制 打開(kāi)發(fā)布畫(huà)面 —— 然后 雙擊新建 —— WEB 發(fā)布組態(tài)配置 —— 填寫(xiě)（組名稱、描述）選擇工程中可選擇的畫(huà)面 （本課題為管道流量），點(diǎn)擊向右指的箭頭，點(diǎn)擊身份驗(yàn)證，然后單擊用戶配置 —— WEB 發(fā)布組用戶列表，點(diǎn)擊添加 —— WEB 發(fā)布組用戶配置，填寫(xiě)用戶名稱，設(shè)置用戶密碼，用戶類別為高級(jí) ，點(diǎn)確定 （圖如下所示）。 在 遠(yuǎn)程控制電腦的 網(wǎng)頁(yè)框中輸入終端控制電腦的 IP 地址即可進(jìn)行查看。 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 30 結(jié)論 通過(guò)在 A3000 高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行調(diào)試，得到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。 a) 在 I 為一定值時(shí)， D 為 0 時(shí)， P 的范圍為 之間，在這 個(gè)范圍內(nèi)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好，穩(wěn)態(tài)誤差較小。 b) 當(dāng)把 P 值固定，進(jìn)行 I 值范圍選取時(shí)， I 值減小的時(shí)候，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，出現(xiàn)振蕩， I 減小的越多，振蕩越嚴(yán)重， I 值在 800010000 之間是比較理想的范圍。 c) 微分時(shí)間常數(shù)增加，會(huì)使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，但是，調(diào)整得當(dāng)，可使過(guò)渡過(guò)程縮短，從而使系統(tǒng)既無(wú)余差存在，又能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 d) 本次調(diào)試，最終選擇的 P、 I、 D 的時(shí)間常數(shù)為 Kp、 Ki、 Kd 分別為 ， 8000，0。在這些時(shí)間常數(shù)下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能很好，能夠達(dá)到控制系統(tǒng)穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求，所以說(shuō)，基于 A3000 的管道 流量 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試是成功的。 展望 可編程控制器（ PLC）在工控領(lǐng)域中占有重要的地位。 PLC 具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、變成簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，隨著微處理器、網(wǎng)絡(luò)通訊、人機(jī)界面技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)日新月異，各種產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)激烈，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。 PLC 已由最初的只能處理開(kāi)關(guān)量發(fā)展到可以處理模擬量和數(shù)據(jù)，加之與 DCS、 PID 調(diào)節(jié)器、工業(yè) PC 等技術(shù)相結(jié)合，使之不再是一種簡(jiǎn)單的控制設(shè)備，而將隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展而繼續(xù)向更廣的領(lǐng)域發(fā)展。 PLC 在工業(yè)自動(dòng)化控制中的地 位，在將來(lái)也是無(wú)法被取代的。 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 致謝 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利的完成，得益與老師的指導(dǎo)和同學(xué)們的幫助、鼓勵(lì)和支持。首先感謝我的指導(dǎo)老師沈建冬， 經(jīng)過(guò)他細(xì)心人真的指導(dǎo)，我對(duì)試驗(yàn)的好多難點(diǎn)才得以攻破， 還有實(shí)驗(yàn)室的其他老師。他們對(duì)待工作認(rèn)真負(fù)責(zé)，對(duì)待同學(xué)熱情而有耐心。在做畢設(shè)的這段時(shí)間里對(duì)老師都有了更深的了解，還有和實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)們的幫助，在他們的幫助下，我在短時(shí)間內(nèi)熟悉并掌握了組態(tài)王和 S7300 的相關(guān)知識(shí)，很快的學(xué)會(huì)了使用這些軟件。在此期間我的同學(xué)給我提供了大量的資料，給我提了很多寶貴的意見(jiàn)和建議。同時(shí)，也 學(xué)到了不少東西，感受到鉆研知識(shí)的快樂(lè)。最后，非常感謝學(xué)校為我們提供了一個(gè)良好的環(huán)境來(lái)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。 管道流量調(diào)節(jié)閥 PID 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32 參考文獻(xiàn) [1]. 邊春園等 實(shí)例解析 S7300/400PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與開(kāi)發(fā)技巧 北京機(jī)械工業(yè)出版社 [2]. 胡學(xué)林 可編程控制器教程 .實(shí)訓(xùn)篇 北京 電子工業(yè)出版社 [3]. 邊春園等 . 實(shí)例解析 S73000/400PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與開(kāi)發(fā)技巧 北京機(jī)械工業(yè)出版社 [4].基于 S7300PLC控制系統(tǒng) A3000實(shí)驗(yàn)和測(cè)試培訓(xùn)、北京華昇高科教學(xué)儀器有限公司編制 [5].馮太合 陳宇駒 . 西門子 S7300系列 PLC及應(yīng)用軟件 STEP7 廣州華南理工大學(xué)出版社 [6].基于組態(tài)王軟件的 A3000測(cè)試和測(cè)試培訓(xùn)指導(dǎo) /清華大學(xué)深圳研究院工程教育中心（內(nèi)部教材）， 20213 [7].陶永華 .新型 PID控制及其應(yīng)用 [M]. 1998 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 [8].西門子（中國(guó)）有限公司 自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)集團(tuán)