【正文】 水溫串級(jí)控制系統(tǒng)控制程序，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用 WINCC 組態(tài)軟件進(jìn)行上位機(jī)的組態(tài)界面設(shè)計(jì)。 控制系統(tǒng)下位機(jī)軟件組態(tài)配置和程序編寫(xiě)。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 圖 鍋爐夾套與內(nèi)膽溫度串級(jí)控制系統(tǒng) (a)結(jié)構(gòu)圖 (b)方框圖 系統(tǒng)的主控量為鍋爐夾套的水溫 T2，副控量為鍋爐內(nèi)膽的水溫 T1，它是一個(gè)輔助的控制變量。主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)的主控制量 T2 等于給定值，因而系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為 PI 或 PID 控制。由于鍋爐夾套的溫度升降是通過(guò)鍋爐內(nèi)膽的熱傳導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，顯然，由于副對(duì)象管道的時(shí)間常數(shù)小于主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，因而當(dāng)主擾動(dòng)（二次擾動(dòng)）作用于副回路時(shí)，通過(guò)副回路的調(diào)節(jié)作用可快速消除擾動(dòng)的影響。 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 第一步，根據(jù)鍋爐的工藝流程與控制要求，以西門(mén)子可編程邏輯控制器為核心設(shè)計(jì)鍋爐水溫串級(jí)控制系統(tǒng)，原理圖如圖 所示。兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)連接，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副回路 的給定量，副調(diào)節(jié)器的輸出去控制執(zhí)行原件。 第二步，串級(jí)控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。 第三步，串級(jí)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。 第四步， PLC 與 PC 機(jī)之間的聯(lián)機(jī)通信，進(jìn)行整體設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出本次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。該系統(tǒng)有主、副兩個(gè)控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián)工作，其中主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的給定值 R，它的輸出 m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出 m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù) C1。 圖 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 串級(jí)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn) 主要有以下幾點(diǎn)： (1)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，它是由兩個(gè)串接工作的控制 器構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)； (2)系統(tǒng)的目的在于通過(guò)設(shè)置副變量來(lái)提高對(duì)主變量的控制質(zhì)量； (3)由于副回路的存在，對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有超前控制的作用，因而減少了干擾對(duì)主變量的影響； (4)系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷改變時(shí)有一定的自適應(yīng)能力。 副變量的選擇原則是： (1)主、副變量間應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系，副變量的變化應(yīng)在很大程度上能影響主變量的變化； (2)通過(guò)對(duì)副變量的選擇，使所構(gòu)成的副回路能包含系統(tǒng)的主要干擾 ； (3)在可能的情況下，應(yīng)使副回路包含更多的主要干擾，但副變量又不能離主變量太近； 8 (4)副變量的選擇應(yīng)考慮到主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)的匹配，以防“共振”的發(fā)生。串級(jí)控制系統(tǒng)中對(duì)副變量的要求不嚴(yán)。 串級(jí)控制系統(tǒng)中主、副控制器的正、反作用 副控制器的作用方向與副對(duì)象特性、控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)型式有關(guān)，其選擇方法與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中控制器正、反作用的選擇方法相同，是按照使副回路成為— 個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來(lái)確定的。 從上述方法可以看出，串級(jí)控制系統(tǒng)中主控制器作用方向的選擇完全由工藝情況確定，或 者說(shuō)，只取決于主對(duì)象的特性，而與執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣關(guān)型式及副控制器的作用方向完全無(wú)關(guān)。由于副回路的作用總是使副變量跟隨主控制器的輸出變化而變化，不管副回路中副對(duì)象的特性及執(zhí)行器的特性如何，當(dāng)主控制器輸出增加時(shí)，副變量總是增加的，所以在主回路中，副回路這個(gè)環(huán)節(jié)的特性總是“正”作用方向的。主對(duì)象具有“正”作用特性(即副變量增加時(shí)，主變量亦增加 )時(shí)，主控制器應(yīng)選“反”作用方向，反之，當(dāng)主對(duì)象具有“反”作用特性時(shí)，主控制器應(yīng)選“正”作用方向。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)、控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí) ,系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào) 試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 （ 1）比例（ P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng) ,如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差 ,則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。積分項(xiàng)對(duì)誤差的運(yùn)算取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。因此，采用比例 +積分 (PI)控制器 ,可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “超前 ”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象 ,比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng) 在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) (Openloop Control System)是指被控對(duì)象的輸出 (被控制量 )對(duì)控制器 (controller)的輸出沒(méi)有影響，在這種控制系統(tǒng)中 ,不依賴(lài)將被控制量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋 ,若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值 信號(hào)相反 ,則稱(chēng)為負(fù)反饋 ( Negative Feedback)；若極性相同，則稱(chēng)為正反饋?？梢?jiàn)，閉環(huán)控制系統(tǒng)性能遠(yuǎn)優(yōu)于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。如圖 所示系統(tǒng)是用于電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)的 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定值為期望的加熱 10 爐溫度，閉環(huán)控制器的反饋值通過(guò)溫度傳感器測(cè)得，并經(jīng) A/D 變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；目標(biāo)設(shè)定值與溫度傳感器的反饋信號(hào)相減，其差送入 PID 控制器，經(jīng)比例、積分、微分運(yùn)算，得到疊加的一個(gè)數(shù)字量；該數(shù)字量 經(jīng)過(guò)上限、下限限位處理后進(jìn)行 D/A 變換，輸出一個(gè)電壓信號(hào)去控制固態(tài)繼電器，以控制加熱爐的溫度。同時(shí)，其它功能如 A/D、 D/A 都由 PLC 實(shí)現(xiàn)，加熱爐的反饋信號(hào)直接送 PLC 采集，控制固態(tài)繼電器的電壓信號(hào)也由 PLC 送出，從而控制加熱爐的溫度。其中，比例（ P）代表了當(dāng)前的信息，起糾正偏差的作用，使過(guò)程反應(yīng)迅速。在過(guò)程開(kāi)始時(shí)強(qiáng)迫過(guò)程進(jìn)行，過(guò)程結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。此三種作用配合得當(dāng)，可使動(dòng)態(tài)過(guò)程快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確，收到良好的效果。特別 適于 “一階慣性環(huán)節(jié) +純滯后 ”和 “二階慣性環(huán)節(jié) +純滯后 ”的過(guò)程控制對(duì)象。 （ 4） PID 控制根據(jù)不同的要求，針對(duì)自身的缺陷進(jìn)行了不少改進(jìn)，形成了一系列改進(jìn)的 PID 算法。這些改進(jìn)算法在一些應(yīng)用場(chǎng)合取得了很好的效果。 PID 控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定一般有兩種方法：一種是理論計(jì)算法，即根據(jù)廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和性能要求，用根軌跡法或頻率特性法來(lái)確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)；另一種方法是工程實(shí)驗(yàn)法，通過(guò)對(duì)典型輸入響應(yīng)曲線所得到的特征量，然后查照經(jīng)驗(yàn)表，求得調(diào)節(jié)器的 11 相關(guān)參數(shù)。表 為經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進(jìn)一步修正。 表 經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù) 系統(tǒng) 參數(shù) δ (%) TI(min) TD(min) 溫度 20～ 60 3～ 10 ～ 3 流量 40～ 100 ～ 1 壓力 30～ 70 ～ 3 液位 20～ 80 (2)臨界比例度法 這種整定方法是在閉環(huán)情況下進(jìn)行的。根據(jù)臨界比例度δ k和振蕩周期 TS，按表 所列的經(jīng)驗(yàn)算式，求取調(diào)節(jié)器的參考參數(shù)值，這種整定方法是以被控量的動(dòng)態(tài)曲線按 4： 1 衰減為目標(biāo)。首先要生產(chǎn)過(guò)程能承受受控變量等幅振蕩的波動(dòng)，其次是受控對(duì)象應(yīng)是二階以上或具有純滯后的一階以上的環(huán)節(jié)，否則在比例控制下，系統(tǒng)是不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩的。 （ 3）衰減曲線法（阻尼振蕩法） 12 圖 4:1衰減曲線法圖形 在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動(dòng)觀察 輸出響應(yīng)的衰減過(guò)程，直至出現(xiàn)圖 所示的 4:1 衰減過(guò)程為止。相鄰兩波峰間的距離稱(chēng)為 4:1衰減周期 TS。 表 衰減曲線法計(jì)算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)節(jié)器名稱(chēng) δ（ %） TI(min) TD(min) P δ S PI S PID S TS （ 4）動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法 所謂動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)廣義過(guò)程階躍 響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算的方法，即根據(jù)第二章中對(duì)象特性的階躍響應(yīng)曲線測(cè)試法測(cè)得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)（ K、 T、τ等 ） ，利用表 所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出對(duì)應(yīng)于衰減率為4:1 時(shí)調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。 表 經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)節(jié)器名稱(chēng) δ（ %） TI TD P 100% PI 100% PID 100% 2τ 13 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域。為了滿(mǎn)足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)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。本章主要介紹西門(mén)子S7400 系列 PLC 以及運(yùn)用 STEP 7 進(jìn)行硬件組態(tài)和程序編寫(xiě)。 PLC 的特點(diǎn) PLC 是綜合繼電器接觸器控制的優(yōu)點(diǎn)及計(jì)算機(jī)靈活、方便的優(yōu)點(diǎn) 而設(shè)計(jì)制造的，這就使 PLC 具有許多其他控制器所無(wú)法相比的特點(diǎn)。操作系統(tǒng)用來(lái)處理 PLC 的起動(dòng)、刷新輸入 /輸出過(guò)程映像區(qū)、調(diào)用用戶(hù)程序、處理中斷和錯(cuò)誤、管理存儲(chǔ)區(qū)和通信等任務(wù)。 STEP7 將用戶(hù)程序和程序所 需的數(shù)據(jù)放置在塊中，功能塊 FB 和功能 FC 相當(dāng)于用戶(hù)編寫(xiě)的子程序，系統(tǒng)功能 SFC 和系統(tǒng)功能塊 SFB 是操作系統(tǒng)提供給用戶(hù)使用的標(biāo)準(zhǔn)子程序，這些塊統(tǒng)稱(chēng)為邏輯塊。 OB1 14 是用于循環(huán)處理的組織塊，相當(dāng)于用戶(hù)程序中的主程序，它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。此外還要執(zhí)行一次用戶(hù)編寫(xiě) 的“系統(tǒng)啟動(dòng)組織塊” OB100，完成用戶(hù)指定的初始化操作。 在啟動(dòng)完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用 OB1，在 OB1 中可以調(diào)用其他邏輯塊（ FB、SFB、 FC、 SFC）。如果有中斷事件出現(xiàn)，當(dāng)前正在執(zhí)行的塊被暫停執(zhí)行，并調(diào)用分配給該事件的組織塊。 S7400 簡(jiǎn)介 S7400 是模塊化的中小型 PLC，適用于中等性能的控制要求。 S7400 有很高的電磁兼容性和抗振動(dòng)抗沖擊能力，有 350 多條指令，其編程軟件 STEP 7 功能強(qiáng)大，可以使用多種編程語(yǔ)言。 S7400 的構(gòu)成模塊 S7400 模塊式 PLC，主要由機(jī)架、 CPU 模塊、信號(hào)模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成，各種模塊安裝的機(jī)架上。 CPU 模塊： CPU 模塊主要由微處理器和存儲(chǔ)器組成， S7400 將 CPU 模塊簡(jiǎn)稱(chēng)為 CPU。 信號(hào)模塊：輸入（ Input）模塊和輸出（ Output）模塊一般簡(jiǎn)稱(chēng)為 I/O 模塊，開(kāi)關(guān)量輸入 /輸出模塊簡(jiǎn)稱(chēng)為 DI 模塊和 DO 模塊，模擬量輸入 /輸出模塊簡(jiǎn)稱(chēng)為AI 模塊和 AO 模塊，在 S7400 中統(tǒng)稱(chēng)為信號(hào)模塊。開(kāi)關(guān)量輸出模塊用來(lái)控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來(lái)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行器。主要用于完成某些對(duì)實(shí)時(shí)性和存儲(chǔ)容量要求很高的控制任務(wù)。接口模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)中央機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架之間的通信，有的接口模塊還可以為擴(kuò)展機(jī)架供電。 電源模塊： PLC 一般使用 AC 220V 電源或 DC 24V 電源，電源模塊用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為 DC 24V 和背板總線上的 DC 5V 電壓，供其他模塊使用。程序被編譯后下載到 PLC，也可以將 PLC 中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。編程軟件還具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)和硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控和故障診斷等功能。數(shù)字量輸入模塊將從現(xiàn) 場(chǎng)傳來(lái)的外部數(shù)字信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換為 PLC 內(nèi)部的信號(hào)電平。 （ 2）數(shù)字量輸出模塊 SM 422數(shù)字量輸出模塊將 S7400的內(nèi)部電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制過(guò)程所需的外部信號(hào)電平，同時(shí)具有隔離和功率放大的作用。輸出電流典型值為 ~2A，負(fù)載電源由外部現(xiàn) 場(chǎng)提供。有的是非電量，例如溫度、壓力、流量、液位、物體的成分（例如氣體中的含氧量）和頻率等。變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流或直流電壓信號(hào)，例如 DC0~10V 和 4~20mA。 SM 431 也可以直接連接不帶附加放大器的溫度傳感器（熱電偶或熱電阻），這樣可以省去溫度變送器，不但節(jié)約了硬件成本，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也更加緊湊。 模擬量輸出模塊的技術(shù)參數(shù)： SM 432 的 4 種模擬量輸出參數(shù)均有診斷功能，用紅色 LED 指示故障，可以讀取診斷信息。模 塊與背板總線有光隔離，使用屏蔽電纜時(shí)最大距離為 200m。 其它器件介紹 調(diào)節(jié)閥： 采用 SIEMENS 帶 PROFIBUSPA 通訊協(xié)議的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。由 CPU 直接發(fā)送的數(shù)字信號(hào)控制閥門(mén)的開(kāi)度 ， 本氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)進(jìn)行零點(diǎn)校正， 使用和校正 都 非常方便。電磁閥型號(hào)為： ZS15； 工作壓力：最小壓 力為 0Kg/㎝ 2，最大壓力為 10Kg/㎝ 2 ； 工作溫度：－ 5～ 80℃ 。 泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長(zhǎng)， 為三相 380V 恒壓驅(qū)動(dòng)。輸出電壓用來(lái)控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。 流量傳感器、轉(zhuǎn)換器： 流量傳感器用來(lái)對(duì)調(diào)節(jié)閥支路的流量進(jìn)行測(cè)量。 溫度傳感器： 本系統(tǒng)采用 2 個(gè) Pt100 傳感器，分別用來(lái)檢測(cè)鍋爐 內(nèi)膽、鍋爐夾套 。 Pt100 傳感器精 17 度高，熱補(bǔ)償性能較好 。做溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。 管道： 整個(gè)系統(tǒng)管道采用