1、摘 要在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中，常需要用閉環(huán)控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度、流量的控制。因?yàn)镻ID（比例、積分、微分）調(diào)節(jié)不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型而且易于實(shí)現(xiàn)，所以單閉環(huán)溫度PID控制、單閉環(huán)流量PID控制是常見(jiàn)的閉環(huán)控制方式，工程上易于實(shí)現(xiàn)。比例作用可以對(duì)系統(tǒng)作出快速響應(yīng)積分作用可以消除系統(tǒng)的靜差，微分作用有助于減小超調(diào)，克服震蕩。比例、積分、微分三者有效地結(jié)合可以滿(mǎn)足不同的控制要求。PLC作為一種新型的工業(yè)控制裝置，在工業(yè)控制、生產(chǎn)生活的諸多領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)利用西門(mén)子PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和流量的PID的閉環(huán)控制，具有用戶(hù)使用方便，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本次課程設(shè)計(jì)在THJ-FC

2、S型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置上做實(shí)驗(yàn)， 配套計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件。關(guān)鍵詞：PID；西門(mén)子PLC；THJ-FCS型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置目錄1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)部分11.1溫度控制對(duì)象11.1.1功能特點(diǎn)與技術(shù)參數(shù)11.1.2控制手段11.2方案設(shè)計(jì)21.2.1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)概述21.2.2 WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的硬件組成21.3 WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的軟件配置41.3.1 STEP7-Micro/WIN32的介紹41.3.2 WinCC的介紹41.3.3 PC ACCESS的介紹51.3.4 WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)61.3.5 溫度控制算法61.4

3、S7-200 PLC控制程序的設(shè)計(jì)91.4.1 控制程序的組成91.4.2 溫度采集程序設(shè)計(jì)91.4.3 數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)111.4.4 PID控制程序設(shè)計(jì)131.5 WinCC組態(tài)141.5.1 變量組態(tài)141.5.2 畫(huà)面組態(tài)141.5.3 變量連接151.6 程序調(diào)試171.6.1 PLC調(diào)試方法與結(jié)果171.6.2 WinCC調(diào)試方法與結(jié)果171.7 PID參數(shù)的整定181.7.1 整定方法181.7.2 整定結(jié)果及分析191.8 梯形圖程序202過(guò)程控制系統(tǒng)部分262.1概述262.1.1 設(shè)計(jì)目的262.1.2 課程設(shè)計(jì)主要任務(wù)及要求262.1.3 過(guò)程控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介262.1.4

4、單回路控制系統(tǒng)的概述282.2 控制規(guī)律的選擇302.3 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法312.4 實(shí)驗(yàn)原理342.5 實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)流程圖352.6 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟362.7測(cè)試結(jié)果382.7.1不同控制規(guī)律下的系統(tǒng)響應(yīng)382.7.2 結(jié)論42結(jié)束語(yǔ)43參考文獻(xiàn)441計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)部分1.1溫度控制對(duì)象溫度控制對(duì)象，在工業(yè)控制過(guò)程中，是相當(dāng)重要的控制對(duì)象，因?yàn)闇囟戎苯拥挠绊懙搅巳紵?、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、蒸餾、濃度，結(jié)晶以及空氣流動(dòng)等物理的和化學(xué)的變化過(guò)程。溫度控制的不好很有可能引起嚴(yán)重的安全事故，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列的問(wèn)題。溫度控制是許多設(shè)備的重要的構(gòu)成部分，它的功能是將溫度控制在所需要的溫度范圍內(nèi)

5、，以利于進(jìn)行工件的加工與處理。不論是在生活中還是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的變化對(duì)生活、生產(chǎn)的某些細(xì)節(jié)環(huán)節(jié)都會(huì)造成不同程度的影響，所以適時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行控制具有重要的意義。1.1.1功能特點(diǎn)與技術(shù)參數(shù)實(shí)踐證明溫度對(duì)象的特點(diǎn)是:時(shí)間常數(shù)大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，反應(yīng)在控制系統(tǒng)上，就是被控溫度的變化滯后于調(diào)節(jié)器的輸出。我們知道熱量的傳遞是需要一定時(shí)間的，溫度上升的快慢與其熱容量的大小有關(guān)，通常溫度的上升與下降和時(shí)間的關(guān)系是一個(gè)指數(shù)曲線(xiàn)關(guān)系。而產(chǎn)生滯后則與熱量的傳遞過(guò)程有關(guān)，再者測(cè)溫元件也有一定的慣性，這些都會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。本次設(shè)計(jì)選用的是電阻爐加熱器，該加熱器同樣的具有滯后大和慣性大的特點(diǎn)。該加熱器用的是0V到

6、5V的電壓加熱。1.1.2控制手段 通過(guò)以上的分析，系統(tǒng)的總的滯后時(shí)間比較大，升溫的滯后時(shí)間相對(duì)降溫來(lái)說(shuō)是比較小的。因此，在PID調(diào)節(jié)中，要使系統(tǒng)的品質(zhì)變好，除了加入適當(dāng)?shù)姆e分以消除靜態(tài)誤差外，還應(yīng)該加強(qiáng)比例作用使調(diào)節(jié)更加靈敏，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，同時(shí)還應(yīng)該加入適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔?，引入微分作用之后，由于微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，減小動(dòng)態(tài)誤差。但微分抗干擾能力較差，且微分過(guò)大，易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動(dòng)作向兩端飽和調(diào)節(jié)變快，調(diào)節(jié)閥變化速度加快。綜上所述PID調(diào)節(jié)器是最為理想的調(diào)節(jié)器，它具有各類(lèi)調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)，因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。1.2方案設(shè)計(jì)主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的需要選擇硬件。然后將選

7、擇的硬件組成控制系統(tǒng)，根據(jù)任務(wù)的要求選擇西門(mén)子的S7-200的PLC，電阻爐加熱器等硬件，硬件選擇完成后，跟據(jù)所選擇的硬件選擇合適的軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，只有擁有完整的硬件和軟件的系統(tǒng)才能所需要的功能。下面就仔細(xì)的介紹在設(shè)計(jì)中運(yùn)用到的硬件和軟件。1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)概述目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，如法國(guó)的FIP，英國(guó)的ERA，德國(guó)西門(mén)子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，

8、丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface）、MODBus、SDS、Arcnet，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織-基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)FF：FieldBusFoundation、WorldFIP、BitBus，美國(guó)的DeviceNet與ControlNet等等。這些現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)大都用于過(guò)程自動(dòng)化、醫(yī)藥領(lǐng)域、加工制造、交通運(yùn)輸、國(guó)防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域，大概不到十種的總線(xiàn)占有80左右的市場(chǎng)。1.2.2 WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的硬件組成溫度控制系統(tǒng)的主要硬件組成：帶有WinCC和有STEP7Micro/WIN軟件

9、的計(jì)算機(jī)、PLC、PPI數(shù)據(jù)線(xiàn)、TKPLC-2型加熱爐。下面是本次系統(tǒng)的硬件組成圖，如圖1.2.1所示。上位機(jī)PLCS7-200電阻爐加熱器圖 1.2.1 系統(tǒng)硬件圖該系統(tǒng)是通過(guò)簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。由PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖1.2.2所示，系統(tǒng)工作過(guò)程：一是給定值（0100）通過(guò)鍵盤(pán)輸入PLC主機(jī)，再由PLC主機(jī)傳遞給數(shù)字量輸出模塊，控制固態(tài)繼電器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而控制電阻爐的加熱情況；二是通過(guò)溫度檢測(cè)裝置熱電偶檢測(cè)到的變換為電流信號(hào)的爐溫值通過(guò)模擬量輸入模塊讀入PLC主機(jī)，由PLC主機(jī)內(nèi)部PID的程序與溫度給定值相比較，對(duì)數(shù)字量輸出模塊進(jìn)行下一度的控制。其中PLC是整個(gè)系統(tǒng)

10、的主控核心。PLC主機(jī)計(jì)算機(jī)PID調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度檢測(cè)裝置圖1.2.2 電阻爐溫度控制系統(tǒng)圖實(shí)際溫度電阻爐1. S7-200PLC的選型S7-200系列PLC是SIEMENS公司新推出的一種小型PLC。S7-200PLC包含了一個(gè)單獨(dú)的S7-200CPU和各種可選擇的擴(kuò)展模塊，可以十分方便地組成不同規(guī)模的控制器。其控制規(guī)模可以從幾點(diǎn)上到幾百點(diǎn)。S7-200的編程軟件STEP7-Micro/WIN32可以方便地在Windows環(huán)境下對(duì)PLC編程、調(diào)試、監(jiān)控，使得PLC的編程更加方便、快捷。S7-200有四種CPU，其性能差異很大。這些性能直接影響到PLC的控制規(guī)模和PLC系統(tǒng)的配置。本次設(shè)計(jì)選用

11、的是CPU226。2. 加熱爐的選型本次實(shí)驗(yàn)選用的加熱爐為電阻爐加熱器。這種加熱爐集成有驅(qū)動(dòng)模塊和溫度變送器使用簡(jiǎn)單，只需將輸入端和輸出端分別接到PLC的輸出模塊和輸入模塊就可以了。免去了硬件設(shè)計(jì)的麻煩。電阻爐加熱器，也具有慣性大，滯后大的特點(diǎn)，在實(shí)際控制過(guò)程的過(guò)程中會(huì)比較麻煩，而且該加熱爐是靠周邊環(huán)境自然降溫，所以降溫過(guò)程比較長(zhǎng)。不過(guò)通過(guò)改良PID調(diào)節(jié)的參數(shù)，能勉強(qiáng)控制好加熱爐的溫度，使得穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差都能達(dá)到任務(wù)的要求。3. 傳感器的選型溫度傳感器是最早開(kāi)發(fā)，應(yīng)用最廣的一類(lèi)傳感器。1821年德國(guó)物理學(xué)家賽貝發(fā)明了電偶傳感器。50年以后，另一位德國(guó)人西門(mén)子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。在半導(dǎo)體技術(shù)

12、的支持下，本世紀(jì)相繼開(kāi)發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開(kāi)發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。這里我們用熱電阻和熱電偶。1.3 WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的軟件配置本次設(shè)計(jì)使用的軟件STEP7-Micro/WIN32和WinCC以及PC access，通過(guò)STEP7-Micro/WIN32編寫(xiě)PLC的程序，通過(guò)Wincc的組態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制過(guò)程的控制和監(jiān)視。PLC與WinCC之間通過(guò)PPI總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)通信，實(shí)時(shí)的監(jiān)控加熱爐的工作狀態(tài)。1.3.1 STEP7-Micro/WIN32的介紹STEP7-Micro/WIN32

13、是西門(mén)子公司專(zhuān)為SIMATIC S7-200系列可編程序控制器研制開(kāi)發(fā)的編程軟件，它是基于Windows的應(yīng)用軟件，功能強(qiáng)大，既可用于開(kāi)發(fā)用戶(hù)程序，又可實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶(hù)程序的執(zhí)行狀態(tài)。STEP7-Micro/WIN32編程軟件的基本功能是協(xié)助用戶(hù)完成應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，其主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1）在脫機(jī)（離線(xiàn)）方式下創(chuàng)建用戶(hù)程序，修改和編輯原有的用戶(hù)程序。在脫機(jī)方式時(shí)，計(jì)算機(jī)與PLC斷開(kāi)連接，此時(shí)能完成大部分的基本功能，如編程、編譯、調(diào)試和系統(tǒng)組態(tài)等，但所有的程序和參數(shù)都只能存放在計(jì)算機(jī)的磁盤(pán)上。2）在聯(lián)機(jī)（在線(xiàn)）方式下可以對(duì)與計(jì)算機(jī)建立通信關(guān)系的PLC直接進(jìn)行各種操作，如上載、下載用戶(hù)程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等。

14、3）在編輯程序的過(guò)程中進(jìn)行語(yǔ)法檢查，可以避免一些語(yǔ)法錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)類(lèi)型方面的錯(cuò)誤。經(jīng)語(yǔ)法檢查后，梯形圖中錯(cuò)誤處的下方自動(dòng)加紅色波浪線(xiàn)，語(yǔ)句表的錯(cuò)誤行前自動(dòng)畫(huà)上紅色叉，且在錯(cuò)誤處加上紅色波浪線(xiàn)。4）對(duì)用戶(hù)程序進(jìn)行文檔管理，加密處理等。5）設(shè)置PLC的工作方式、參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。1.3.2 WinCC的介紹西門(mén)子公司的WinCC是WlndowsControIConter(視窗控制中心)的簡(jiǎn)稱(chēng)。 它集成了SCADA、組態(tài)、腳本(Script)語(yǔ)言和OPC等先進(jìn)技術(shù)，為用戶(hù)提供了Windows操作系統(tǒng)(W1ndows2000或XP)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。WinCC繼承了西門(mén)子公司的全集成自動(dòng)化(T

15、IA)產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)和無(wú)縫集成的特點(diǎn)。WinCC運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)環(huán)境，可以與多種自動(dòng)化設(shè)備及控制軟件集成，具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目、可視窗口和菜單選項(xiàng)，使用方式靈活，功能齊全。用戶(hù)在其友好的界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需的操作畫(huà)面、監(jiān)視畫(huà)面、控制畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn)、歷史趨勢(shì)曲線(xiàn)和打印報(bào)表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環(huán)境，不僅縮短了軟件設(shè)計(jì)周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一個(gè)特點(diǎn)在于其整體開(kāi)放性，它可以方便地與各種軟件和用戶(hù)程序組合在一起，建立友好的人機(jī)界面，滿(mǎn)足實(shí)際需要。用戶(hù)也可將WinCC作為系統(tǒng)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，通過(guò)開(kāi)放式接口，開(kāi)發(fā)其自身需要的應(yīng)用系統(tǒng)。1

16、.3.3 PC ACCESS的介紹西門(mén)子最新推出的PC Access 軟件是專(zhuān)用于S7-200 PLC的 OPC Server（服務(wù)器）軟件，它向OPC客戶(hù)端提供數(shù)據(jù)信息，可以與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPC Client（客戶(hù)端）通訊。PC Access軟件自帶OPC客戶(hù)測(cè)試端，用戶(hù)可以方便的檢測(cè)其項(xiàng)目的通訊及配置的正確性。OPC作為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供了工業(yè)環(huán)境中信息交換的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，數(shù)據(jù)用戶(hù)不用再為不同廠家的數(shù)據(jù)源開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)或服務(wù)程序。OPC將數(shù)據(jù)來(lái)源提供的數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)方式傳輸至任何客戶(hù)機(jī)應(yīng)用程序。OPC（用于進(jìn)程控制的OLE）是一種開(kāi)放式系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，可允許在自動(dòng)化/PLC應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和基于PC的

17、應(yīng)用程序（例如 HMI或辦公室應(yīng)用程序）之間進(jìn)行簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交換。 定義工業(yè)環(huán)境中各種不同應(yīng)用程序的信息交換，它工作于應(yīng)用程序的下方。您可以在PC機(jī)上監(jiān)控、調(diào)用和處理可編程控制器的數(shù)據(jù)和事件。PC Access可以用于連接西門(mén)子，或者第三方的支持OPC技術(shù)的上位軟件。PC Access可以通過(guò)如下硬件連接與S7-200通訊：通過(guò)PC/PPI電纜（USB/PPI電纜）連接PC機(jī)上的USB口和S7-200、通過(guò)PC/PPI電纜（RS-232/PPI電纜）連接 PC機(jī)上的串行COM口和 S7-200、通過(guò)西門(mén)子通訊處理器（CP）卡和 MPI電纜連接 S7-200、通過(guò)PC機(jī)上安裝的調(diào)制解調(diào)器（M

18、odem）連接S7-200上的EM241模塊、通過(guò)以太網(wǎng)連接 S7-200上的CP243-1或CP243-1 IT模塊，上述S7-200的通訊口可以是CPU通訊口，也可以是EM277的通訊口。1.3.4 WinCC+S7-200溫度控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) WinCC和S7-200的網(wǎng)絡(luò)連接，只要是通過(guò)RS232或USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸速率在1.2 kbps 至 115.2 kbps 之間。WinCC和S7-200的網(wǎng)絡(luò)連接是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，遵循PPI的通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有3種：?jiǎn)沃髡綪PI網(wǎng)絡(luò)、多主站PPI網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜PPI網(wǎng)絡(luò)。雖然PPI網(wǎng)絡(luò)能夠成很多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本次根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，我

19、們只需控制一臺(tái)S7-200，所以我使用了單主站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。1.3.5 溫度控制算法在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。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5。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例（P）控制：比例控制

20、是一種最簡(jiǎn)單,最常用的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，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。 微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分成正比關(guān)系。 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

21、穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。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。需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。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。PID算法的種類(lèi)：PID的基本算式有：位置型、增量型和速度型三種形式，其中最常用的是增量型式。設(shè)u(n)為本周期PID控制器的輸出（控制量），e(n)為本周期的PID輸入偏差信號(hào)，e(n-1)為上一個(gè)周期的偏差信號(hào)，e(n-2)為上上個(gè)周期的偏差信號(hào)。

22、KP 為比例增益，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間，則PID基本算式的公式如下：1）位置型PID算式 （3.1）根據(jù)微分方程和差分方程的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，如果微分方程中的積分運(yùn)算對(duì)應(yīng)差分方程 的累加運(yùn)算，微分方程對(duì)應(yīng)一個(gè)周期的增量變化，則能很容易的推導(dǎo)出表達(dá)式1.3.1。2）增量型PID算式 （3.2）由增量型PID算式也可以得到PID控制器的位置輸出： （3.3）回路定義表：從在PID指令框中輸入的表格（TBL）起始地址為回路表分配八十（80個(gè)字節(jié)。S7-200的PID指令引用一個(gè)包含回路參數(shù)的回路表。此表起初的長(zhǎng)度為36個(gè)字節(jié)。在增加了PID自動(dòng)調(diào)諧后，回路表現(xiàn)已擴(kuò)展到80個(gè)字節(jié)。如果使用PID

23、調(diào)諧控制面板，與PID回路表的全部相互作用將由此控制面板代您完成。如果需要由操作員板提供自動(dòng)調(diào)諧能力，您的程序必須提供操作員和PID回路表之間的相互作用，以發(fā)起和監(jiān)視此自動(dòng)調(diào)諧進(jìn)程，以及隨后套用建議的調(diào)諧數(shù)值。表1.3.1 回路定義表偏移量域格式類(lèi)型說(shuō)明0PVn進(jìn)程變量雙字實(shí)數(shù)入包含進(jìn)程變量，必須在0.0至1.0范圍內(nèi)。4SPn設(shè)定值雙字實(shí)數(shù)入包含設(shè)定值，必須在0.0至1.0范圍內(nèi)。8Mn輸出雙字實(shí)數(shù)入/出包含計(jì)算輸出，在0.0至1.0范圍內(nèi)。12Kc增益雙字實(shí)數(shù)入包含增益，此為比例常數(shù)，可為正數(shù)或負(fù)數(shù)。16Ts采樣時(shí)間雙字實(shí)數(shù)入包含采樣時(shí)間，以秒為單位，必須為正數(shù)。20TI積分時(shí)間或復(fù)原雙字

24、實(shí)數(shù)入包含積分時(shí)間或復(fù)原，以分鐘為單位，必須為正數(shù)。24TD微分時(shí)間或速率雙字實(shí)數(shù)入包含微分時(shí)間或速率，以分鐘為單位，必須為正數(shù)。28MX偏差雙字實(shí)數(shù)入/出包含0.0和1.0之間的偏差或積分和數(shù)值。32PVn-1以前的進(jìn)程變量雙字實(shí)數(shù)入/出包含最后一次執(zhí)行PID指令存儲(chǔ)的進(jìn)程變量以前的數(shù)值。1.4 S7-200 PLC控制程序的設(shè)計(jì)1.4.1 控制程序的組成控制程序主要由溫度采集程序、數(shù)據(jù)濾波程序、PID控制程序組成，溫度采集程序的作用是將溫度值轉(zhuǎn)換成PLC能夠識(shí)別的數(shù)值。數(shù)據(jù)濾波程序是為了消除干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在PID控制前，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣是為了避免由于外部的干擾而導(dǎo)致P

25、ID運(yùn)算出錯(cuò)。1.4.2 溫度采集程序設(shè)計(jì) 圖 1.4.1 溫度采集程序 溫度采集程序，由于溫度變送器送出的是4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，信號(hào)采集模塊將采集到的電流轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)過(guò)后，再通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)類(lèi)型的轉(zhuǎn)換，使得采集到的數(shù)據(jù)變成標(biāo)準(zhǔn)的溫度數(shù)據(jù)信號(hào)，方便識(shí)別。同時(shí)采集到的數(shù)值也需要轉(zhuǎn)化成PLC的PID運(yùn)算要求的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類(lèi)型。爐溫實(shí)際溫度的檢測(cè)是要將溫度量轉(zhuǎn)化為PLC可識(shí)別的量，所以，將溫度變送器輸出的值先由16位的整型轉(zhuǎn)化為32位的雙整型，再由雙整型轉(zhuǎn)化為實(shí)型，實(shí)型小數(shù)點(diǎn)后可有6位，故比較精確。此時(shí)得到測(cè)得溫度值在PLC中計(jì)算所對(duì)應(yīng)的數(shù)，將該數(shù)送入變量寄存器VD296。1.4.3 數(shù)字濾波

26、程序設(shè)計(jì)圖1.4.2網(wǎng)絡(luò)一網(wǎng)絡(luò)一的程序是將每次采集到的值進(jìn)行累加，將累加后得到的值存入VD300中，進(jìn)行累加后就將得到所采集到的溫度值的總和。每次采集十組數(shù)據(jù)。圖1.4.3網(wǎng)絡(luò)二 網(wǎng)絡(luò)二是找出最大值和最小值。圖1.4.4網(wǎng)絡(luò)三網(wǎng)絡(luò)三是將VB0寄存器中的數(shù)據(jù)清零。圖1.4.5網(wǎng)絡(luò)四網(wǎng)絡(luò)四是將最大值和最小值從所求的總和中減去，從而實(shí)現(xiàn)，減去一個(gè)最大值和減去一個(gè)最小值，達(dá)到限幅的作用。圖1.4.6 網(wǎng)絡(luò)五網(wǎng)絡(luò)五是將剩下的總和求平均，從而得到設(shè)計(jì)中想的到的溫度值。圖1.4.7 網(wǎng)絡(luò)六網(wǎng)絡(luò)六的作用是將所有使用過(guò)的寄存器初始化。數(shù)據(jù)濾波的方法有很多種，其中軟件濾波的方法包括：限幅濾波、中位值濾波法、算術(shù)平

27、均濾波法、遞推平均濾波法、中位值平均濾波法、限幅平均濾波法、一階滯后濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、限幅消抖濾波法。圖1.4.2到圖1.4.7的程序圖使用的是限幅平均值濾波。整體思想是，將十次采集到的數(shù)據(jù)，先去掉一個(gè)最大值，然后去掉一個(gè)最小值，然后將剩下的8個(gè)數(shù)求和取平均值。1.4.4 PID控制程序設(shè)計(jì) 圖1.4.8 PID控制程序PID控制程序在整個(gè)程序中是重要的組成部分，通過(guò)PID控制程序可以很好的控制加熱爐的工作狀態(tài)。通過(guò)PID控制程序可以很好的控制加熱爐的工作狀態(tài)。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)

28、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。本設(shè)計(jì)采用的是閉環(huán)控制系統(tǒng)。比例增益、積分時(shí)間、比例時(shí)間，根據(jù)回路定義表的要求分別存到VD332、VD340、VD344中。1.5 WinCC組態(tài)WinCC的組態(tài)在人機(jī)界面的制作中是必不可少的過(guò)程，只有正確的將各個(gè)變量正確的組合到WinCC當(dāng)中，我們才能正常的監(jiān)視加熱爐的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)的對(duì)加熱爐進(jìn)行控制。1.5.1 變量組態(tài)變量組態(tài)是通過(guò)PC ACCESS完成的，PC ACCESS是專(zhuān)用于S7-200 PLC的 OPC Server（服務(wù)器）軟件，它向 OPC客戶(hù)端提供數(shù)據(jù)信息，可以與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPC Client（客戶(hù)端）通訊。變量組態(tài)完成

29、后，可以用軟件自帶的OPC客戶(hù)測(cè)試端檢測(cè)其項(xiàng)目的變量是否通訊及配置是否正確。變量組態(tài)在畫(huà)面組態(tài)前是相當(dāng)重要的工作，只有通過(guò)OPC客戶(hù)測(cè)試端檢測(cè)通訊正常后，WinCC組態(tài)后的變量才能正常和PLC通訊。OPC的使用步驟：設(shè)置通訊訪問(wèn)通道、創(chuàng)建PLC、創(chuàng)建Folder、創(chuàng)建Item、測(cè)試通訊質(zhì)量。當(dāng)測(cè)試通訊質(zhì)量顯示好時(shí)，說(shuō)明了變量組態(tài)完成。變量組態(tài)如表1.5.1。表1.5.1 變量組態(tài)表名稱(chēng)地址數(shù)據(jù)類(lèi)型存取TVD296REALRWINPUTVD200REALRWKcVD332REALRWTiVD340REALRWTdVD344REALRWPVD204REALRW1.5.2 畫(huà)面組態(tài)打開(kāi) WinCC

30、Explorer 窗口 創(chuàng)建一個(gè) WinCC單用戶(hù)項(xiàng)目，在變量管理器添加新的驅(qū)動(dòng)程序OPC。在OPC 項(xiàng)目管理器中添加S7-200的系統(tǒng)參數(shù)。將所需要的變量全部添加到變量管理器中。然后在WinCC資源管理器中，右擊“圖形編輯器”，在彈出的菜單中，單擊“新建畫(huà)面”選項(xiàng)，選擇新建畫(huà)面，系統(tǒng)默認(rèn)畫(huà)面名為“NewPdl.pdl”，雙擊擊“NewPdl.pdl”，進(jìn)入圖形編輯畫(huà)面。進(jìn)入圖形編輯界面后，就要進(jìn)行圖形的編輯，首先是利用靜態(tài)文本顯示輸出值，這種窗口的數(shù)據(jù)只能看，不能進(jìn)行修改，所以只適用于我溫度輸出值顯示。而需要輸入數(shù)據(jù)的就使用輸入輸出文本。這種文本的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的修改，并把修改的變量值傳送

31、PLC，例如溫度設(shè)定值，PID算法的增益，積分時(shí)間，微分時(shí)間都需要用這種方式。然后再建立曲線(xiàn)圖，曲線(xiàn)圖主要用來(lái)進(jìn)行設(shè)定值與顯示值的對(duì)比。整個(gè)畫(huà)面組態(tài)完成后的圖如圖1.5.1所示。圖1.5.1 畫(huà)面組態(tài)1.5.3 變量連接S7-200與WinCC的通訊是PPI協(xié)議，PPI協(xié)議是西門(mén)子S7-200系列PLC常用通信協(xié)議，但WinCC中沒(méi)有集成該協(xié)議，即WinCC不能直接監(jiān)控S7-200系列PLC組成的控制系統(tǒng)。S7-200 OPC Server是西門(mén)子公司推出的專(zhuān)為解決上位機(jī)監(jiān)控S7-200系列PLC控制系統(tǒng)的接口軟件。因此，WinCC可以通過(guò)該軟件與S7-200系列PLC很方便的建立通信。在Wi

32、nCC變量管理器中添加一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)程序，新的驅(qū)動(dòng)程序選擇OPC.CHN，在OPC GROUP中新建一個(gè)連接，打開(kāi)屬性，選擇 OPC Group Setting，OPC服務(wù)器名稱(chēng)為OPCServer.MicroComputing。然后在新添加的連接中新建變量，變量的Item Name與S7-200系列PLC中用于監(jiān)控的變量名對(duì)應(yīng)。變量連接的基本步驟如下：1)用STEP7 MICROWIN完成S7-200的工程建立和編程，其中必須為OPC準(zhǔn)備好符號(hào)表。注意符號(hào)表名稱(chēng)以及表中變量名都禁用中文，這是OPC的要求。2)安裝PC ACCESS，然后導(dǎo)入前面建立的S7-200符號(hào)表，同時(shí)定義PC acces

33、s到S7-200的通訊。這在PG/PC INTERFACE中完成。具體通過(guò)PPI，或MPI，或PROFIBUS，或以太，或MODEM均可以，根據(jù)所用硬件定。3)進(jìn)入WinCC，添加OPC驅(qū)動(dòng)，定義OPC的屬性時(shí)點(diǎn)擊瀏覽。瀏覽路徑是LOCAL/SIMATIC S7-200 OPC SERVER，由此按提示將導(dǎo)入到PC ACCESS中的變量添加到WinCC。4)進(jìn)入WinCC完成其他組態(tài)，即可引用S7-200中的變量。變量連接后，運(yùn)行WinCC，相應(yīng)的變量的值就會(huì)在WinCC上很好的顯示出來(lái)，顯示結(jié)果如圖1.5.2.圖1.5.2 變量顯示圖1.6 程序調(diào)試1.6.1 PLC調(diào)試方法與結(jié)果PLC程序

34、的調(diào)試分為模擬調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試兩個(gè)調(diào)試過(guò)程，在此之前首先對(duì)PLC外部接線(xiàn)作仔細(xì)檢查，外部接線(xiàn)一定要準(zhǔn)確無(wú)誤。也可以用事先編寫(xiě)好的試驗(yàn)程序?qū)ν獠拷泳€(xiàn)做掃描通電檢查來(lái)查找接線(xiàn)故障。將編寫(xiě)完成的程序逐條仔細(xì)檢查，并改正寫(xiě)入時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。寫(xiě)完程序過(guò)后，首先編譯檢查錯(cuò)誤，看使用的語(yǔ)句中是否有違反PLC規(guī)定的用法。下面就是檢查是否有邏輯錯(cuò)誤，看整個(gè)程序的運(yùn)行狀況怎么樣，能否達(dá)到預(yù)期的效果。程序是分塊寫(xiě)的，首先寫(xiě)的是數(shù)據(jù)采集塊，數(shù)據(jù)采集就是主要是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)變換使的最后的顯示值和所測(cè)量的溫度值一致。然后寫(xiě)的是數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)輸出程序也包括了PID運(yùn)算程序，寫(xiě)好后就是出現(xiàn)了數(shù)據(jù)溢出的情

35、況，后來(lái)分析發(fā)現(xiàn)是PID算法內(nèi)的數(shù)據(jù)搞錯(cuò)了。最后進(jìn)行了數(shù)據(jù)濾波程序的編寫(xiě)。通過(guò)多天的程序調(diào)試和修改，通過(guò)狀態(tài)表監(jiān)視，整個(gè)程序基本符合設(shè)計(jì)要求。為人機(jī)界面的編寫(xiě)做好了準(zhǔn)備。1.6.2 WinCC調(diào)試方法與結(jié)果WinCC配合S7-PLCSIM調(diào)試程序的步驟：1.在STEP7編程軟件中生成項(xiàng)目，編寫(xiě)用戶(hù)程序。2.在WINCC組態(tài)軟件中生成項(xiàng)目，組態(tài)變量，建立和編輯反映用戶(hù)程序工作過(guò)程的過(guò)程畫(huà)面。3.點(diǎn)擊STEP7的SIMATIC管理器工具條中的圖標(biāo)，打開(kāi)S7-PLCSIM窗口，將程序下載到仿真PLC中。4.建立WINCC與S7-PLCSIM的通訊連接。5.通過(guò)觀察過(guò)程畫(huà)面的對(duì)象工作情況，檢查用戶(hù)程序

36、是否能正確執(zhí)行。WinCC的調(diào)試主要是查各個(gè)變量是否準(zhǔn)確無(wú)誤的連接上了，是否能正常的通訊，WinCC人機(jī)界面的制作還算比較順利，除了曲線(xiàn)設(shè)置出了點(diǎn)問(wèn)題外，其他都還能正常通訊，通過(guò)變量的連接，可以通過(guò)WinCC實(shí)時(shí)的修改PID參數(shù)，得到控制曲線(xiàn)，通過(guò)多次的調(diào)整WinCC最后成功的完成了。1.7 PID參數(shù)的整定準(zhǔn)確地選擇PID調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和它的參數(shù)，能使系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后仍保持穩(wěn)定，并將靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差保持在最小值。在整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)之前，應(yīng)首先確定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，對(duì)于具有平衡性質(zhì)的控制對(duì)象或生產(chǎn)過(guò)程應(yīng)選擇有積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器；對(duì)于純滯后性質(zhì)的控制對(duì)象，在調(diào)節(jié)器中往往應(yīng)加入微分環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇

37、，必須考慮到具體的工程的工藝控制要求，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)和湊試等方法進(jìn)行整定。1.7.1 整定方法控制器參數(shù)的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值。具體來(lái)說(shuō)，就是確定最合適的控制器比例度P、積分時(shí)間TI，和微分時(shí)間TD?？刂破鲄?shù)整定的方法很多，主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是理論計(jì)算的方法，另一類(lèi)是工程整定法。工程整定法主要包括：1)穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法） 穩(wěn)定邊界法屬于閉環(huán)整定方法，根據(jù)純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)（臨界比例度Pm和振蕩周期Tm），按經(jīng)驗(yàn)公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。2)衰減曲線(xiàn)法衰減曲線(xiàn)法也屬于閉環(huán)整定方法，但不需要尋找等幅振蕩狀態(tài)，只需尋找最佳衰減振蕩

38、狀態(tài)即可。3)響應(yīng)曲線(xiàn)法響應(yīng)曲線(xiàn)法屬于開(kāi)環(huán)整定方法。以被控對(duì)象控制通道的階躍響應(yīng)為依據(jù)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式求取調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)整定值。4)經(jīng)驗(yàn)法 經(jīng)驗(yàn)法是憑經(jīng)驗(yàn)湊試。 其關(guān)鍵是“看曲線(xiàn)，調(diào)參數(shù)”。在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，憑經(jīng)驗(yàn)先將控制器參數(shù)放在一個(gè)數(shù)值上，通過(guò)改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀察過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)，根據(jù)P、 TI 、 TD對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響為指導(dǎo)，對(duì)比例度P 、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD逐個(gè)整定，直到獲得滿(mǎn)意的曲線(xiàn)為止。我在這次參數(shù)整定過(guò)程中采用的是臨界比例度法，利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入

39、的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。最主要還是靠經(jīng)驗(yàn)及工藝的熟悉，參考測(cè)量值跟蹤與設(shè)定值曲線(xiàn)，從而調(diào)整P、I、D的大小。1.7.2 整定結(jié)果及分析當(dāng)加熱爐剛啟動(dòng)加熱時(shí)，由于測(cè)到的爐溫為常溫，sp-pvU為正值且較大，U為PID調(diào)節(jié)器的輸入，此時(shí)PID調(diào)節(jié)器中P起主要作用，使PLC為最大電壓給加熱爐加熱。當(dāng)加熱爐溫度達(dá)到30以上時(shí)，sp-pvU為負(fù)值，經(jīng)PID調(diào)節(jié)，使PLC輸出電壓減小，加熱爐溫度降低。當(dāng)溫度正好達(dá)到30時(shí)，U為零PID不調(diào)節(jié)，此時(shí)PLC輸出的電壓正好平衡加熱爐消耗的熱量，系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。系統(tǒng)平

40、衡后的界面如圖1.7.1所示。圖 1.7.1 系統(tǒng)平衡界面1.8 梯形圖程序 2過(guò)程控制系統(tǒng)部分2.1概述2.1.1 設(shè)計(jì)目的通過(guò)THJ-FCS型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)合所學(xué)理論知識(shí)，按照定值系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計(jì)集中單回路控制規(guī)律，了解單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與原理，進(jìn)行單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，分析調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能的影響，研究P、PI、PD和PID四種控制分別對(duì)流量系統(tǒng)的控制作用。2.1.2 課程設(shè)計(jì)主要任務(wù)及要求1、了解單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與原理。2、進(jìn)行單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。3、分析調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能的影

41、響。4、研究P、PI、PD和PID四種控制分別對(duì)流量系統(tǒng)的控制作用。2.1.3 過(guò)程控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介系統(tǒng)組成：本實(shí)驗(yàn)裝置由被控對(duì)象和上位控制系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)動(dòng)力支路分兩路：一路由三相（380V交流）磁力驅(qū)動(dòng)泵、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、PA電磁流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V變頻）、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。1被控對(duì)象 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱。儲(chǔ)水箱內(nèi)部有兩個(gè)橢圓形塑料過(guò)濾網(wǎng)罩，防止兩套動(dòng)力支路進(jìn)水時(shí)有雜物進(jìn)入泵中。 模擬鍋爐：此鍋爐采用不銹鋼制成，由加熱層（內(nèi)膽）和冷卻層（夾套）組成。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

42、加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測(cè)其溫度。 盤(pán)管：長(zhǎng)37米（43圈），可做溫度純滯后實(shí)驗(yàn)，在盤(pán)管上有兩個(gè)不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)，因而有兩個(gè)不同的滯后時(shí)間。 管道：整個(gè)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(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。 2檢測(cè)裝置 壓力傳感器、變送器：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的壓力傳感器和工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，擴(kuò)散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。 溫度傳感器：本裝置采用六個(gè)Pt100傳感器，分別用來(lái)檢測(cè)上水箱出口、鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套以及盤(pán)管的水溫。六個(gè)Pt100傳感器的

43、檢測(cè)信號(hào)中檢測(cè)鍋爐內(nèi)膽溫度的一路到SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的溫度變送器，直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)；另外五路經(jīng)過(guò)常規(guī)溫度變送器，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成4 20mADC電流信號(hào)。 流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來(lái)對(duì)調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤(pán)管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量。本裝置采用兩套流量傳感器、變送器分別對(duì)變頻支路及盤(pán)管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量，調(diào)節(jié)閥支路的流量檢測(cè)采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊接口的檢測(cè)和變送一體的電磁式流量計(jì)。 3執(zhí)行機(jī)構(gòu) 調(diào)節(jié)閥：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA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)。它具有精度高、體積小、重量輕、

44、推動(dòng)力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。變頻器：本裝置采用SIEMENS帶PROFIBUS-DP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。 水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P，流量為32升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180W。 可移相SCR調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號(hào)為420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。輸出電壓用來(lái)控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。 電磁閥：在本裝置中作為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號(hào)為：2W-160-25 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/2，最大壓力為7Kg/2 ；工作溫度：580。 4控制器 控制器

45、采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型號(hào)為315-2DP，本CPU既具有能進(jìn)行多點(diǎn)通訊功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通訊功能的DP通訊接口?！癟HJ-3型 西門(mén)子PLC過(guò)程控制系統(tǒng)”的控制柜主要由電源控制組件、西門(mén)子PLC控制組件、變頻器控制組件等幾部分組成。一、 西門(mén)子PLC控制組件可編程控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外PLC品種繁多，生產(chǎn)PLC的廠商也很多，其中德國(guó)西門(mén)子公司在S5系列PLC的基礎(chǔ)上推出了S7系列PLC，性能價(jià)格比越來(lái)越高。S7系列PLC有很強(qiáng)的模擬量處理能力和數(shù)字運(yùn)算功能，具有許多過(guò)去大型PLC才有

46、的功能，其掃描速度甚至超過(guò)了許多大型的PLC，S7系列 PLC功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活，并具有緊湊的、無(wú)槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)，因而在國(guó)內(nèi)工控現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)學(xué)校要求，在本裝置中采用了S7-300PLC控制系統(tǒng)。S7-300PLC控制系統(tǒng)采用了的中小型PLC（CPU315-2DP主機(jī)模塊，SM323：8路數(shù)字量輸入輸出模塊，SM331：8路模擬量輸入模塊，SM332：4路模擬量輸出模塊，CP343-1以太網(wǎng)模塊。）以及一塊西門(mén)子CP5611專(zhuān)用網(wǎng)卡和一根MPI網(wǎng)線(xiàn)。二、 電源控制組件充分考慮人身安全保護(hù)，裝有漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)。接上三相四線(xiàn)電源，打開(kāi)總電源開(kāi)關(guān)，此時(shí)三只電壓表均指示380

47、V左右，控制柜后面的插座帶電；打開(kāi)風(fēng)扇開(kāi)關(guān)，可以給控制柜散熱；打開(kāi)控制站電源，西門(mén)子S7-300PLC既可上電。打開(kāi)三相電源開(kāi)關(guān)后，打開(kāi)三相磁力泵和三相電加熱管開(kāi)關(guān)既可各自上電。打開(kāi)單相電源開(kāi)關(guān)后，打開(kāi)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器、電磁閥開(kāi)關(guān)既可各自上電。三、 總線(xiàn)控制柜 總線(xiàn)控制柜有以下幾部分構(gòu)成： (1) 控制系統(tǒng)供電板：該板的主要作用是把工頻AC220V轉(zhuǎn)換為DC24V，給主控單元和DP從站供電。(2) 控制站：控制站主要包含CPU、以太網(wǎng)通訊模塊、DP鏈路、分布式I/O DP從站和變頻器DP從站構(gòu)成。 (3) 溫度變送器： PA溫度變送器把PT100的檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后傳送給DP鏈路。2.1

48、.4 單回路控制系統(tǒng)的概述單回路控制系統(tǒng)的概述：圖2.1.1為單回路控制系統(tǒng)方框圖的一般形式，它是由被控對(duì)象、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器和測(cè)量變送器組成一個(gè)單閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的給定量是某一定值，要求系統(tǒng)的被控制量穩(wěn)定至給定量。由于這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能較好，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，故在工業(yè)生產(chǎn)中已被廣泛應(yīng)用。圖2.1.1 單回路控制系統(tǒng)方框圖干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響：1干擾通道的放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)及純滯后對(duì)系統(tǒng)的影響。干擾通道的放大系數(shù)Kf會(huì)影響干擾加在系統(tǒng)中的幅值。若系統(tǒng)是有差系統(tǒng)，則干擾通道的放大系數(shù)愈大，系統(tǒng)的靜差也就愈大。如果干擾通道是一慣性環(huán)節(jié)，令時(shí)間常數(shù)為T(mén)f，則階躍擾動(dòng)通過(guò)慣性環(huán)節(jié)后，其過(guò)渡過(guò)程的動(dòng)態(tài)

49、分量被濾波而幅值變小。即時(shí)間常數(shù)Tf越大，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差就愈小。通常干擾通道中還會(huì)有純滯后環(huán)節(jié)，它使被調(diào)參數(shù)的響應(yīng)時(shí)間滯后一個(gè)值，但不會(huì)影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量。2干擾進(jìn)入系統(tǒng)中的不同位置。復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程往往有多個(gè)干擾量，它們作用在系統(tǒng)的不同位置，如圖2.1.2所示。同一形式、大小相同的擾動(dòng)作用在系統(tǒng)中不同的位置所產(chǎn)生的靜差是不一樣的。對(duì)擾動(dòng)產(chǎn)生影響的僅是擾動(dòng)作用點(diǎn)前的那些環(huán)節(jié)。圖2.1.2 擾動(dòng)作用于不同位置的控制系統(tǒng)2.2 控制規(guī)律的選擇PID控制規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響已在有關(guān)課程中介紹，在此將有關(guān)結(jié)論再簡(jiǎn)單歸納一下。1比例(P)調(diào)節(jié)純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器，它對(duì)控制作用和擾動(dòng)作

50、用的響應(yīng)都很快。由于比例調(diào)節(jié)只有一個(gè)參數(shù)，所以整定很方便。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)有靜差存在。其傳遞函數(shù)為：GC(s)= KP = (3-1)式中KP為比例系數(shù)，為比例帶。2比例積分(PI)調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)器就是利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用I調(diào)節(jié)消除殘差，但I(xiàn)調(diào)節(jié)會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種調(diào)節(jié)器在過(guò)程控制中是應(yīng)用最多的一種調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為：GC(s)=KP(1+)(1+) (3-2)式中TI為積分時(shí)間。3比例微分(PD)調(diào)節(jié)這種調(diào)節(jié)器由于有微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，減小動(dòng)態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分抗干擾能力較差，且微分過(guò)大，易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動(dòng)作向兩端飽和。因此一般

51、不用于流量和液位控制系統(tǒng)。PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： GC(s)=KP(1+TDs)(1+TDs) (3-3)式中TD為微分時(shí)間。4比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器PID是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種調(diào)節(jié)器。由于它具有各類(lèi)調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)，因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。它的傳遞函數(shù)為GC(s)=KP(1+TDs)(1+TDs) (3-4) 2.3 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法調(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(xiàn)所得到的特征量，然后查照經(jīng)驗(yàn)表，求得調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。工程實(shí)驗(yàn)整

52、定法有以下四種：（一）經(jīng)驗(yàn)法若將控制系統(tǒng)按照液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來(lái)分類(lèi)，則屬于同一類(lèi)別的系統(tǒng)，其對(duì)象往往比較接近，所以無(wú)論是控制器形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表2.3.1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2.3.1 經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)系 統(tǒng)參 數(shù)(%)TI(min)TD(min)溫 度20603100.53流 量401000.11壓 力30700.43液 位2080(二)臨界比例度法圖2.3.1 具有周期TS的等幅振蕩這種整定方法是在閉環(huán)情況下進(jìn)行的。設(shè)TI=，TD=0，使調(diào)節(jié)器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)呈現(xiàn)等幅振蕩

53、，如圖2.3.1所示。根據(jù)臨界比例度k和振蕩周期TS，按表2.3.2所列的經(jīng)驗(yàn)算式，求取調(diào)節(jié)器的參考參數(shù)值，這種整定方法是以得到4：1衰減為目標(biāo)。表2.3.2 臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱(chēng)TI(S)TD(S)P2kPI2.2kTS/1.2PID1.6k0.5TS0.125TS臨界比例度法的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，但此法有一定限制。首先要產(chǎn)生允許受控變量能承受等幅振蕩的波動(dòng)，其次是受控對(duì)象應(yīng)是二階和二階以上或具有純滯后的一階以上環(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。在求取等幅振蕩曲線(xiàn)時(shí)，應(yīng)特別注意控制閥出現(xiàn)開(kāi)、關(guān)的極端狀態(tài)。（三）衰減曲線(xiàn)法（阻尼振蕩法）圖2.3.2

54、4：1衰減曲線(xiàn)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2.3.2所示的4：1衰減過(guò)程為止。這時(shí)的比例度稱(chēng)為4：1衰減比例度，用S表示之。相鄰兩波峰間的距離稱(chēng)為4：1衰減周期TS。根據(jù)S和TS，運(yùn)用表2.3.3所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。表2.3.3 衰減曲線(xiàn)法計(jì)算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱(chēng)（%）TI(min)TD(min)PSPI1.2S0.5TSPID0.8S0.3TS0.1 TS （四）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

55、特性的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)測(cè)試法測(cè)得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)（K、T、等），利用表2.3.4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)。如果被控對(duì)象是一階慣性環(huán)節(jié)，或具有很小滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，若用臨界比例度法或阻尼振蕩法（4：1衰減）就有難度，此時(shí)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法進(jìn)行整定。表2.3.4 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)（%）TITDP100%PI1.1100%3.3PID0.85100%20.52.4 實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖2.4.1所示。被控量為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路（也可采用變頻器支路）的流量，實(shí)驗(yàn)要求氣動(dòng)閥支路流量穩(wěn)定至給定值。將電磁流量計(jì)FT1檢測(cè)到的流量信號(hào)作為反饋信號(hào)，并與給定量比較，其差值通過(guò)調(diào)