【正文】 ；溫度讀子程序完成對溫度傳感器數據的讀取、并通過液晶顯示子程序顯示溫度值等等。進入 PLC 的連續(xù)時間信號，必須 經過采樣和整量化后，變成數字量，方能進入存儲器和寄存器，而在PLC 中的計算和處理，不論是積分還是微分，只能用數值計算去逼近。 PID 的子程序流程圖如圖 3 所示，根據實際檢測到得溫度值和設定溫度比較，求出相應的溫度偏差值 E，根據 E 與 a 的比較判斷采用 PID 算法或是 PD算法，隨后進行算法處理，求出控制值。因此數字 PID 調節(jié)器，表達式如下： ? ? ??( ) ( ) / ( ) / ( ) ( )u kT K p e kT T T i e j T T d T e K d e K t T? ? ? ? ?? 式 由控制理論可知：離散化采樣頻率越高，采樣后失去的信息越少，相應的控制性能也越好。 整個實驗裝置分為上位控制系統(tǒng)和控制對象兩部分，上位控制系統(tǒng)流程圖如圖 所示： 圖 上位控制系統(tǒng) 系統(tǒng)組成 本實驗裝置由被控對象和上位控制系統(tǒng)兩部分組成。 被控對象 被控對象由 不銹鋼儲水箱、圓筒形有機玻璃水箱和敷塑不銹鋼管路組成。 上水箱采用 淡藍色 圓筒型有機玻璃，不但堅實耐用，而且透明度高，便于學生直 能 接觀察 到 液位的變化和 記錄結果 。儲水箱尺寸為：長 寬 高 =68cm52 ㎝ 43 ㎝ 。 管道： 整個系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。其中儲水箱底有一個出水閥，當水箱需要更換水時 ，將球閥打開讓水直接排出。壓力傳感器 用來對上水箱的液位進行檢測 ，其精度為 級，因為為二線制，故工作時需串接 24V直流電源。它具有精度高、體積小、重量輕、推動力大、耗氣量少、可靠性高、操 作方便等優(yōu)點。 變頻器： 本裝置采用 SIEMENS 帶 PROFIBUSDP 通訊接口模塊的 變頻器，其輸入電壓為單相 AC220V，輸出為三相 AC220V。 泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。 可移相 SCR 調壓裝置： 采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信 號為 4～ 20mA標準電流信號。 電磁閥： 在本裝置中作為氣動調節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。 基于數字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計 15 4．控制器 控制器采用 SIEMENS 公司的 S7300 CPU，型號為 3152DP，本 CPU 既具有能進行多點通訊功能的 MPI 接口，又具有 PROFIBUSDP 通訊功能的 DP 通訊接口。 空壓機設有氣量自動調節(jié)系統(tǒng)，當儲氣罐內的氣壓超過額定排氣壓力時，壓力開關會自動切斷電源使空壓機自動停止工作，當儲氣罐內的氣體壓力因外部設備的使用而下降到額定排壓以下 時，氣壓開關自動復位，空壓機又重新工作，使儲氣罐內壓縮空氣壓力保持在一定范圍內。 儀表綜合控制臺包含了原有的常規(guī)控制系統(tǒng)，由于它預留了升級接口，因此它在總線控制系統(tǒng)中的作用就是為上位控制系統(tǒng)提供信號。 控制站：控制站主要包含 CPU、以太網通訊模塊、 DP 鏈路、分布式 I/O DP 從站和 變頻器 DP 從站構成。 系統(tǒng)特點 被控參數全面 ,涵蓋了連續(xù)性工業(yè)生產過程中的液位、壓力、流量及溫度等典型參數。 真實性、直觀性、綜合性強，控制對象組件全部來源于工業(yè)現場。 一個被調參數可在不同動力源、不同執(zhí)行器、不 同的工藝管路下演變成多種調節(jié)回路，以利于討論、比較各種調節(jié)方案的優(yōu)劣。 能進行單變量到多變量控制系統(tǒng)及復雜過程控制系統(tǒng)實驗。 系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件分為上位機軟件和下位機軟件兩部分，下位機軟件采用 SIEMENS的 STEP7，上位機軟件采用 SIEMENS 的 WINCC?？傠娫丛O有通電指示燈和三相指示表。 屏上裝有一套電壓型漏電保護裝置和一套電流型漏電保護裝置。 控制屏設有服務管理器（即定時器兼報警記錄儀），為指導老師對學生實驗技能的考核提供一個統(tǒng)一的標準。 實驗 強電接線插頭采用封閉式結構，防止觸電事故的發(fā)生。 本套控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件采用 SIEMENS 公司的上位監(jiān)控組態(tài)軟件SIMATIC WINCC。高性能的功能耦合、快速的畫面更新以及可靠的數據交換使其具有高度的實用性。 WINCC 的顯著特性就是全面開放，它很容易結合用戶的下位機程序建立人機界面，精確的滿足控制系統(tǒng)的要求。 WINCC 軟件是基于多語言設計的，這意味著可以在中文 、德語、英語等眾多語言之間進行選擇。根據實 驗得到的液位階躍響應曲線，用相關的方法確定被測對象的特征參數 T和傳遞函數。根據物料平衡關系，在平衡狀態(tài)時 Q10Q20=0 （ ） 動態(tài)時，則有 Q1Q2= （ ） 式中 V為水箱的貯水容積， 為水貯存量的變化率，它與 h的關系為 ， 基于數字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計 19 即 = A （ ） A為水箱的底面積。 式（ ）就是單容水箱的傳遞函數。 圖 單容水箱的單調上升指數曲線 基于數字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計 20 當由實驗求得圖 所示的階躍響應曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的 63%所對應的時間，就是水箱的時間常數 T。 圖 單容水箱的階躍響應曲線 如果對 象的階躍響應曲線為圖 ，則在此曲線的拐點 D處作一切線，它與時間軸交于 B點，與響應穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于 A 點。 基于數字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計 21 圖 實驗控制系統(tǒng)流程圖 上水箱液位檢測信號 LT1 為標準的模擬信號，直接傳送到 SIEMENS 的模擬量輸入模塊 SM331， SM331 和分布式 I/O 模塊 ET200M 直接相連， ET200M 掛接到PROFIBUSDP總線上， PROFIBUSDP 總線上掛接有控制器 CPU3152 DP（ CPU3152 DP 為 PROFIBUSDP 總線上的 DP 主站），這樣就完成了現場測量信號到 CPU 的傳送。 實驗內容與步驟 本實驗選擇上水箱作為被測對象（也可選擇中水箱或下水箱）。 接通控制柜和控制臺的相關電源，并啟動磁力驅動泵，接通空壓機電源。 打開作上位控制的 PC 機，點擊“開始”菜單，選擇彈出菜單中的“ SIMATIC”選項，再點 擊彈出菜單中的“ WINCC” ，再選擇彈出菜單中的“ WINCC CONTROL CENTER ” ,進入 WINCC 資源管理器，打開組態(tài)好的上位監(jiān)控程序，點擊管理器工具欄上的“激活（運行）”按鈕，進入實驗主界面如圖 所示。 “參數整定”鍵：系統(tǒng)進入正常測試狀態(tài)時，實驗界面右邊就會顯示參數整定畫面，當你點擊“實時曲線”或“數據報表”鍵時，參數整定畫面的下半部分將會被實時曲線或數據報表所覆蓋，如需轉到參數整定，點擊“參數整定”鍵即可在實驗界面右邊再現參數整定畫面。 “歷史曲線”鍵：系統(tǒng)進入正常 測試狀態(tài)時，歷史曲線是不顯示的，如果需要觀察歷史曲線，點擊“歷史曲線”鍵，即可在實驗界面左邊顯示歷史曲線。 “返回主菜單”鍵：實驗結束，需退出實驗時，點擊“返回主菜單”鍵，即關閉當前實驗界面返回實驗主界面。 點擊實驗界面下邊的“實時 曲線”鍵，在界面的右下方將顯示液位的變化曲線。 圖 單容箱特性響應曲線 7．觀察上位機監(jiān)控界面上水箱液位的歷史曲線和階躍響應曲線。保持其他參數不變，增大輸出值得到的響應曲線如圖 圖 基于數字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計 25 如圖 所示實驗數據可知： 傳遞函數為 )()(1sQsH= 1?TSK = ?S 由以上結果分析可知： 當比例度為 、積分時間為 、微分時間為 時，當參數整定的輸出值為 80%， 50%， 70%，其測量值依次為 131mm、 38mm、 105mm，因而系統(tǒng)放大倍數和時間常數也隨之改變，其傳遞函數也相應的改變。 實驗曲線所得的結果 參數值 測量值 放大系數 K 周期 T 時 間常數τ 液位 h 正階躍輸入 35 128 負階躍輸入 30 平均值 基于數字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計 27 結論 從本次電爐溫度控制系統(tǒng)的 PLC 設計中體會到，要對論文控制并不是一個簡單的自動控制問題，它涉及到多方面的知識，并與 PLC 相互配合。采用 PLC 進行控制，具有電路設計簡單、精度高、控制效果好等特點，對提高生產效率、促進科技進步等方面具有重要現實意義。今后的發(fā)展模式的多能化，面對不斷更新的產品，電氣設計與其他相關專業(yè)技術一樣都需要不斷地協(xié)調創(chuàng)新和完善。 通過實驗的驗證得到很多有用的實驗數據，是我進一步體會到過程控制這門學科知識的重要性，及其在工程上的應用和重要性。 基于數字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計 28 參考文獻 [1] 吳中俊，黃永紅 .可編程序控制器原理及應用（第 2 版） .北京：機械工業(yè)出版社， 2020. [2] 馬丁 . 西門子 PLC200/300/400 應用程序設計實例精講（第 2 版） .北京：電子工業(yè)出版社， . [3] 劉長青 .電氣控制及 PLC 應用技術 .北京：機械工業(yè)出版社， . [4] 王淑英 . S7200 西門子 PLC 基礎教程 . 北京：人民郵電， . [5] 康華光 .電子技術基礎 [M].北京：北京高等教育出版社， . [6] 胡壽松 .自動控制原理 .北京：科學出版社， 2020. [7] 余雷聲 .電氣控制與 PLC 應用 .北京：機械工業(yè)出版社 .2020. [8] 何衍慶 .可編程序控制器原理及應用技巧 .北京：化學工業(yè)出版社 .2020. [9] 金以慧 ,萬崇智 .過程控制 .北京 :清華大學出版社 1993 [10] 俞金壽 .過程控制系統(tǒng)和應用 .北京 :機械工業(yè)出版社 [11] 高金源，夏潔 .計算機控制系統(tǒng) .北京：清華大學出版社 2020 基于數字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計 29 附錄 電阻爐溫度控制系統(tǒng) plc 程序 基于數字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計 30 基于數字 PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計 31