成成績題目基于PID的鍋爐溫度控制系統的設計 課程名二級學專班學生姓學指導教稱過程控制系統與儀表院機電工程學院 業(yè)自動化 名金高翔 師黃麗麗 基于PID的鍋爐溫度控制系統的設計摘要：從上世紀的80年代到90年代中期，PLC得到了飛速的發(fā)展，在這個時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到了大幅度的提高，PLC逐漸的進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等優(yōu)點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的未來，是無法取代的。數，以PLC為控制器，構成鍋爐溫度控制系統；采用PID算法，運用PLC梯形圖編程語言進行編程，實現鍋爐溫度的自動控制。鍋爐的控制系統大都采用以微處理器為核心的計算機控制技術，既提高設備的自動化程度又提高設備的控制精度。本文分別就鍋爐的控制系統工作原理，溫度變送器的選型、PLC配置、組態(tài)軟件程序設計等幾方面進行闡述。通過改造電熱鍋爐的控制系統具有響應快、穩(wěn)定性好、可靠性高,控制精度好等特點，對工業(yè)控制有現實意義。關鍵詞：電熱鍋爐的控制系統溫度控制PLCPID根據國內實際情況和環(huán)保問題的考慮和要求，燃料鍋爐由于污染并且效率不高，已經逐漸被淘汰；燃油和燃氣鍋爐也存在著燃料供應不方便和安全性等問題。因此在先，都生產出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀表，并在各行廣泛應用。更具有吸引力?？貙ο?，很難用數學的方法建立精確的數學模型，因此用傳統的控制理論和方法很難D電熱鍋爐的控制中，用來代替?zhèn)鹘y的控制方法，并獲得良好的控制效果。因此，鍋爐溫度控制系統一直是工業(yè)技術人員研究的重點及熱點。CLCPLC介紹LCCPU組態(tài)就是用應用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務的過程。組態(tài)軟件是有專業(yè)性的，一種組態(tài)軟件只能適合在某種領域的應用。組態(tài)的概念最早出現在工業(yè)計算機控制中，如DCS(集散控制系統)組態(tài)，PLC梯形圖組態(tài)。人機界面生成軟件就叫工控組態(tài)軟件。工業(yè)控制中形成的組態(tài)結果是用在實時監(jiān)控的。從表面上看，組態(tài)工具的運行程序就是執(zhí)行自己特定的任務。工控組態(tài)軟件也提供了編程手段，一般都是內置編譯系統，提供類BASIC語言，有的支持VB，現在有的組態(tài)軟件甚至支持高級語言。在當今工控領域，一些常用的大型組態(tài)軟件主要有：ABB-OptiMax，WinCC，進行組態(tài)的設計。(3-1)(3-1)組態(tài)王軟件具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結構。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現對現場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數據、動畫。通過對監(jiān)控系統要求及實現功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統進行設計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時并以動畫方式顯示控制設備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態(tài)方式、數據鏈接功能。圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現場和相應的工控設備。數據,就是創(chuàng)建一個具體的數據庫,并用此數據庫中的變量描述工控對象的各種屬性,比如水位、流量等。連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現場設備的運行,以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令。3PID控制及參數整定PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其數學表達式為：Ti0dt(1)比例系數KC對系統性能的影響：比例系數加大，使系統的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。K偏大，振蕩次c數加多，調節(jié)時間加長。K太大時，系統會趨于不穩(wěn)定。K太小，又會使系統cc的動作緩慢。K可以選負數，這主要是由執(zhí)行機構、傳感器以控制對象的特性決c定的。如果K的符號選擇不當對象狀態(tài)就會離控制目標的狀態(tài)越來越遠，如果出c現這樣的情況K的符號就一定要取反。ci積分作用使系統的穩(wěn)定性下降，T小(積分作用強)會使系統不穩(wěn)定，但能i消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統的控制精度。T的影響：d微分作用可以改善動態(tài)特性，T偏大時，超調量較大，調節(jié)時間較短。T偏dd小時，超調量也較大，調節(jié)時間也較長。只有T合適，才能使超調量較小，減短d調節(jié)時間。采樣周期T越小，采樣值就越能反應溫度的變化情況。但是，T太小就會增ss加CPU的運算工作量，相鄰的兩次采樣值幾乎沒什么變化，將是PID控制器輸出的微分部分接近于0，所以不應使采樣時間太小。，確定采樣周期時，應保證被控量迅速變化時，能用足夠多的采樣點，以保證不會因采樣點過稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。因為本系統是溫度控制系統，溫度具有延遲特性的慣性環(huán)節(jié)，所以采樣時間不能太短，一般是15s~20s，本系統采樣17s經過上述的分析，該溫度控制系統就已經基本確定了，在系統投運之前還要進行控制器的參數整定。常用的整定方法可歸納為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法。理論計算整定法是在已知被控對象的數學模型的基礎上，根據選取的質量指標，經過理論的計算(微分方程、根軌跡、頻率法等)，求得最佳的整定參數。這類方法比較復雜，工作量大，而且用于分析法或實驗測定法求得的對象數學模型只能近似的反映過程的動態(tài)特征，整定的結果精度不是很高，因此未在工程上受到廣泛的應用。對于工程整定法，工程人員無需知道對象的數學模型，無需具備理論計算所學的理論知識，就可以在控制系統中直接進行整定，因而簡單、實用，在實際工程中被廣泛的應用常用的工程整定法有經驗整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、比例，再積分，最后微分”。(1)整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。(2)整定積分環(huán)節(jié)若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟(1)中選擇的比例系數減小為原來的50~80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數。(3)整定微分環(huán)節(jié)若經過步驟(2)，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，則應加入微分控制，構成PID控制。先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數和積分時間，反復試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數。某單容電加熱過程如圖4.1所示：QQQ=cp圖4.1單容電加熱過程熱力過程容器內液體的總熱容為C，液體的比熱容為C，流體流量(流入、流出相等)p為q，液體以溫度T流入加熱容器，以溫度T(T同時也是容器中液體的溫度)流ipp出加熱容器。設容器所在的環(huán)境溫蒂為T(T>T)。在環(huán)境溫度T、液體流入cpcc溫度T和流量q不變的條件下，建立電加熱電壓u與液體輸出溫度T之間動態(tài)關ip系的數學模型。把加熱容器看作一個獨立的隔離體，根據能量動態(tài)平衡關系，單位時間內進入容器的熱量Q化率，可得：與單位時間內流出容器的熱量Q之差等于容器內熱量儲存的變ndTiodt 式中，輸入熱量由電加熱器的發(fā)熱量Q和流入液體攜帶熱量qCT兩部分組epiQ=Q+qCTiepi 同樣，由加熱容器輸出的熱量由流出液體攜帶熱量由流出液體攜帶熱量qCT和容器向周圍散發(fā)的熱量Q兩部分組成：pprQ=Q+qCTorpp 由熱力學可知，單位時間內加熱容器向四周散發(fā)熱量與容器散熱面積(設為A)、保溫材料的材料的傳熱系數(設為K)以及容器內、外溫差成正比：rQ=AK(TT)，將上式代入式4-3得：rrpcorpcpp(4-4)加熱過程工程在穩(wěn)態(tài)時，T保持不變，從加熱容器輸出熱量Q等于從外部poQiioiodt 若以增量形式表示變量相對于穩(wěn)態(tài)值的變化量，即：T=T一T；ppp0iii0ooo0i0o0iodticeee0QQiepieeQAKTT)+qCT]=(AK+qC)TorpcpprppQ一(AK+qC)T=CdTperppdt 電加熱器的發(fā)熱量與外加電壓的平方成正比，故Q與電壓u成非線性關系。e為使問題簡化，在工作點(u,Q)附近進行線性化處理：在工作點附近的小范e0圍內，以切線代替原來的曲線，可以用下式表示電壓變化(增量)u和加熱量變化(增量)Qe之間的關系Qe=Kqu，將其代入式4-9得：qrppdt 令T=C，K=Kq，則上式可表示為：AK+qCAK+qCrPrpTdTp+T=Ku(4-11)dtp對式4-11取拉氏變換，可得到輸出液體溫度與電加熱器電壓之間的傳遞函數：(4-12)T(s)(4-12)p=U(s)T+1s5PLC控制系統的軟件設計(1)編寫程序前，必須先填寫PID指令的參數表，參數表如表5.1所示表5.1鍋爐溫度控制PID參數表功能描功能描述溫度經過A/D轉換后的標準化數值PID回路輸出值70PID程變量值參數過程變量(PVn)給定值(SPn)輸出值(Mn)增益(Kc)采樣時間(Ts)積分時間(Ti)微分時間(Td)積分項前值(MX)過程變量前值(PVn-1)地址VD100VD104VD108VD112VD116VD120VD124VD128VD132序號123456789(2)編寫PLC控制程序圖5.1鍋爐溫度的PLC控制梯形圖(一)圖5.1鍋爐溫度的PLC控制梯形圖(二)(1)打開指令向導，選定PID。選中菜單欄中的“工具”，單擊其子菜單“指令向導”，彈出如圖5.2所示的界面，選定“PID”選項，單擊“下一步”按鈕。圖5.2硬件配置圖(2)指定回路號碼，如圖5.3所示，本例選定回路號碼為0，單擊“下一步”。圖5.3指定回路號碼(3)設置回路參數，如圖5.4所示，本例將比例系數設定為3，將采樣時間設定為0.5s，積分時間設定為20min，微分時間設定為0，即不使用微分項，只使用PI控制器，然后單擊“下一步”按鈕。圖5.4設置回路參數(4)為計算指定儲存區(qū)，如圖5.5所示，PID指令使用V儲存區(qū)中的一個36字節(jié)的參數表，儲存用于控制回路操作的參數。PID計算還要求一個“暫存區(qū)”，用于存儲臨時結果。先單擊“建議地址”，再單擊“下一步”按鈕，地址自動分圖5.5為計算指定存儲區(qū)(5)指定子程序和中斷程序，如圖5.6所示，本例使用默認子程序名，只要單擊“下一步”按鈕即可。如果項目包含一個激活PID配置，已經建立的中斷程序名被設為只讀。因為項目中的所有配置共享一個公用中斷程序，項目中增加的任何新配置不得改變公用中斷程序的名稱。圖5.6指定子程序和中斷程序(6)生產PID代碼，如圖4.7所示，單擊“完成”按鈕，S7-200PLC指令向導為指定的配置生產程序代碼和數據塊代碼。由向導建立的子程序和中斷程序成為項目的一部分。要在程序中使能該配置，每次掃描周期時，使用SM0.0從主程序塊調用該子程序。PID代碼(9)編寫程序，如圖5.8所示雙擊組態(tài)王的快捷方式，出現組態(tài)王的工程管理器窗口，雙擊新建按扭，按照彈出的建立向導，填寫工程名稱。然后打開剛建立的工程。進入組態(tài)畫面的設計，如圖圖6.2新建設備IO存圖6.3新建變量圖6.4變量表以上步驟進行完成，開始繪制主監(jiān)控界面，主控界面實現的是操作者觀察儀表，得到鍋爐內液體溫度和液位的實時信息，在該界面加入菜單項，可以查看歷史系統報警，加入實時曲線、歷史曲線和開關按鈕，可以使操作者更加快捷、準確的實現對系圖6.5鍋爐溫度控制系統主監(jiān)控界面打開組態(tài)王的項目工程管理器，點擊窗口欄中“VIEW”或者在畫面中點擊右