化工企业 仪器仪表 固定资产郑州苏豫仪器仪表

来源:http://www.signgr.com 作者:公司简介 人气:73 发布时间:2020-01-19
摘要:基于PLC_PID参数整定的锅炉水温控制系统_工学_高等教育_教育专区。PID调节 技术与应用 基于 PLC-PID 参数整定的锅炉水温控制系统 张亚闽 王福明 030051) (中北大学现代教育技术中心,太

  基于PLC_PID参数整定的锅炉水温控制系统_工学_高等教育_教育专区。PID调节

  技术与应用 基于 PLC-PID 参数整定的锅炉水温控制系统 张亚闽 王福明 030051) (中北大学现代教育技术中心,太原 摘要 目前城市供暖的锅炉运行的过程中都需要精确的实时控制,大多数锅炉系统的控制 还采用继电器逻辑控制,这类系统自动化程度很低,大部分操作还是由手动来完成,只能处理 一些开关量问题,无法处理模拟量,其电气线路复杂,可靠性不高,不便维护,而采用 S7-300 系列 PLC 设计的控制系统实现了在集中供热锅炉房的系统自动控制,并且实现了整个系统的优 化控制。本系统利用 PLC、过程控制系统来模拟锅炉水温定制加热过程,通过 PID 算法仿真来 实现锅炉的水温恒定,显示出 PID 算法的优越性。 关键词:PLC;锅炉;组态王;A3000;STEP7;PID Based on PLC-PID Parameter Tuning of the Boiler Water Temperature Control System Zhang Yamin Wang Fuming ( Modern Education Technology and Information Center, North University of China, Taiyuan 030051) Abstract Urban heating boiler is currently in the process requires accurate real-time control,most of the boiler control system also uses relay logic control,low degree of automation of such systems,most of the actions are completed by hand,it can only deal with the problem of switching value,can not handle analog quantity,the electrical circuit complexity,reliability is not high,and not easy to maintain,then the use of S7-300 series PLC control system design of central heating boiler room in the automatic control system,and to achieve optimal control of the whole system. This system uses PLC,process control systems to simulate the boiler water temperature heating process simulation through the PID algorithm to achieve the value of the boiler water temperature constant,showing the superiority of PID algorithm. Key words:PLC;boiler;Kingview;A3000;STEP7;PID 温度是生产过程和科学实验中普遍存在而且重 要的物理参数之一,准确测量和有效地控制温度是 优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。目前我 国的温度控制主要以传统控制方式为主, 精度不高。 因此如何有效、可靠地对温度进行控制就成为本文 的重要研究内容。PID 控制作为一种基本的控制方 案,至今在工业生产过程仍保持着主导位置。 在工业生产中,常需要用闭环控制方式来实现 连续变化的模拟量控制。无论是模拟控制系统,还 是使用计算机(包括 PLC)的数字控制系统 [1],PID 控制都得到了广泛的应用。本系统要保持的恒定参 数是锅炉温度给定值,即控制的任务是控制锅炉温 度等于给定值。郑州苏豫仪器仪表 1 1.1 原理介绍与系统建模 PLC-PID 控制器的实现 PLC 的 PID 控制器的设计是以连续系统的 PID 控制规律为基础,将其数字化写成离散形式的 PID 控制方程,再根据离散方程进行控制程序设计。 图1 连续闭环控制系统方框图 在系统中,典型的 PID 闭环系统如图 1 所示。 图中 sp(t ) 是给定值, pv(t ) 是反馈量, C (t ) 是系统的 22 2011 年第 6 期 技术与应用 输出量,PID 控制的输入输出关系式为 1 t 1 M (t) = K p [e(t) + ∫ e(t )dt + de(t ) / dt ] + M0 (1) Ti 0 Td 式(1)中: M (t) 为控制器的输出量; M0 为输出的 初始值: e(t ) = sp (t ) - pv (t ) 为误差信号; Kp 为比例系 数; Ti 为积分时间常数; Td 为微分时间常数 [2]。 式(1)的右边前 3 项是比例、积分、微分部分, 它们与误差,误差的积分和微分成正比。 假设采样周期为 Ts,系统开始的时刻为 t=0, 用矩形积分近似精确积分,用差分近似精确微分, 将式(1)离散化,第 n 次采样时控制器的输出为 M n = K p en + Ki ∑ e j + Kd (en ? en ?1 ) + M 0 j =1 n 结构图,锅炉里为循环水,变频器、齿轮泵、锅炉 组成循环供水系统。 (2) 式(2)中, e n ? 1 为第 n-1 次采样时的误差值;Ki 为 积分系数;Kd 为微分系数。 基于 PLC 的闭环控制系统如图 2 所示。图 2 中的虚线部分在 PLC 内。其中 spn 、 pvn 、 en 、Mn 分别为模拟量在 sp (t ) 、 pv (t ) 、 e(t ) 、郑州苏豫仪器仪表 M (t ) 在第 n 次 采样时的数字量。 图3 A3000 系统结构 图2 PLC 闭环控制系统方框图 在许多控制系统内,可能只需要 P、I、D 中的 一种或两种控制类型。 PID 控制有两个输入量: 给定值(sp)和过程变量 多数工艺要求给定值是固定的值, 如加热炉温 (pv)。 度的给定值。过程变量是经 A/D 转换和计算后得到 的被控量的实测值,如加热炉温度的测量值。给定 值与过程变量都是与被控对象有关的值,对于不同 的系统,它们的大小、范围与工程单位有很大的区 别。应用 PLC 的 PID 指令对这些量进行运算之前, 必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。 1.2 锅炉水温定值控制系统 A3000 系统结构原理图如图 3 所示 [3]。现场系 统包括三个水箱,一个大储水箱,一个锅炉,一个 工业用板式换热器,两个水泵,大功率加热管,滞 后时间可以调整的滞后系统,一个硬件联锁保护系 统。传感器和执行器系统包括 5 个温度、3 个液位、 1 个压力、1 个电磁流量计、1 个涡轮流量计、1 个 电动调节阀、两个电磁阀、2 个液位开关。 图 4 为一个闭环单回路的锅炉温度控制系统的 图4 控制工艺流程图 控制逻辑结构图如图 5 所示。 图5 控制逻辑结构框图 1.3 控制系统编程 在本系统中,温度 TI102 是 4~20mA 信号,被 SM334 模拟量输入输出模块采集后,数据范围是 5530~27648。 首先, 创建输入数值转换功能。 其中, 各输入输出临时变量的含义分别为:IN:需要进行 转换的原始输入变量(测量模拟量即水温) ; IN_MIN:原始输入变量的下限值;IN_MAX:原始 输入变量的上限值;OUT_MIN:转换成的目标变量 (数字量)的下限值;OUT_MAX:转换成的目标 变量的上限值;OUT:输出目标变量。 创建输出数值转换功能,设置输入临时变量, 输出临时变量,中间数据临时变量,其中,各输入 2011 年第 6 期 23 技术与应用 输出临时变量的含义分别为:IN:需要进行转换的 原始输入变量(数字量,用于 PID 运算) ;IN_MIN: 原始输入变量的下限值;IN_MAX:原始输入变量 的上限值;OUT_MIN:转换成的目标变量(测量模 拟量即水温数字量,用于 PID 运算)的下限值; OUT_MAX:转换成的目标变量的上限值;OUT: 输出目标变量。 这段程序 (如图 6 所示) 的意义是: AI0 SM334 将 ( 的 PIW256 输入通道 0)转换成 0~100 的数,存储到 “MYDATA”.AI0(DB3.DBD0)中。再将 AI1 转换 成 0~100 的数,存储到“MYDATA”.AI1 中。 图8 设备通信结构图 3 3.1 仿真过程分析 未加干扰的温度控制曲线)首先,将设定值设为 40,调整 P,I 参数,使 系统达到稳定状态(如图 9 所示)[7]。SP 为给定值, PV 为锅炉温度,MV 为调压器输入。图 10-图 14 设 置同图 9。 图6 程序 A 图9 未加干扰的温度控制曲线 A 这段程序(如图 7 所示) 的意义是将 PID0 中的 0~100 的数转换成 Word 格式,化工企业 仪器仪表 固定资产给 AO0,AO1。 2)在稳定状态下,将设定值从 40 调到 50,等 于增加了阶跃扰动, I 不变,在第一次的基础上, 将 P 调大,取 P=8,得到曲线 所示。可以看 出,系统很不稳定,出现了震荡。出现这种情况, 是由于 P 调节过大。因为调大比例系数就可以迅速 地反应控制系统的偏差信号,很快产生作用。 P 的 值越大,系统的响应也越快,系统的稳态误差也就 越小。但由于 P 调节过大,大大增加了系统的超调 量,降低了系统的相对稳定性,从而造成了闭环系 统的不稳定,产生震荡, 系统动静态特性也变差了。 图7 程序 B 2 PLC 与上位机的通信 组态王定义设备时选择: 西门子 S7-300 系列用 [4] PI,PPI 协议支持 。I/O 设备地址要与 PLC 的 Port 口一致。 组态王与之保持一致: 可以将组态王与 PLC [5] 相连。软件采用梯形图编程 ,PLC 丰富的应用指 令便于实现复杂的计算控制,程序分为主程序, PID 运算,控制输出报警处理等,如图 8 所示。 将已组态的硬件,软件全部下载到 S7-300 的 CPU 中。STEP7 可以在线调试程序,通过设置变量 表在线修改参数和监视变量,组态王用来显示画面 和完成数据的组态,实现对温度的监视控制 [6]。 图 10 未加干扰的温度控制曲线)在第一次结果的基础上,将设定值从 40 调 到 50, I 不变,将 P 减小为 3,得到的阶跃响应曲 线 所示。可以看出,系统没有造成震荡,逐 步趋于稳定的。将比例系数调小,使得控制器反应 控制系统偏差信号的速度降低, 从而响应时间延长,化工企业 仪器仪表 固定资产 稳态误差变大,降低了控制系统的控制精度。 24 2011 年第 6 期 技术与应用 图 11 未加干扰的温度控制曲线)在第一次结果的基础上,将 I 改为 100000,P 不变,得到响应曲线 所示。可以看出,系统造 成了一定的震荡,最后还是趋于稳定。I 的值太小,会 影响系统的稳定性,郑州苏豫仪器仪表值太大,对系统的影响将削弱,只 有选择适合的 I 值,才可使系统逐渐趋于理想的状态。 统也出现了震荡。I 值太小,系统不稳定,I 值偏小, 容易引起系统振荡, I 值太大,对系统的影响将削 弱,只有选择适合的 I 值,才可使系统的过度过程 趋于理想状态。 4)当将 P、 I 都调到稳定值时,加入变频器进 行干扰。系统曲线出现波动,但之后因为调节水位 平衡,曲线又趋于稳定, 只是上下波动范围比较大。 在仿真的过程中,不仅要在稳定的状态下做出 实验,还要考虑到外界干扰情况,这个主要是通过 调节变频器的值来实现的。 在这整定参数的作用下,系统稳定性良好。这个 参数识别法的优点是对象的方程直接可以从物理模 型中得出,模型比较完善。其次,在识别时可以不加 人为的扰动,而且在任意情况下,从任何时刻出发识 别都有效,也不必等待系统稳定以后再作试验。 图 12 未加干扰的温度控制曲线)在上述基础上,取 P=4,I=150000 时,我通 过实验法,最终调整出质量较为理想的波形如图 13 所示。这里将积分时间常数调节得很大,减弱了 PI 控制器多稳定性的不利影响,比例系数适当提高, 也使系统获得了较好的动态性能。 4 结论 图 13 未加干扰的温度控制曲线 加入变频器干扰的温度控制曲线分析 当考虑到干扰的情况时,利用变频器缓慢的给 锅炉内注水,同时冷凝管水管放水,调节变频器数 值,当变频器数值为 17.4 时,两者水量达到平衡, 锅炉内水位一直不变,水位达到平衡,曲线 所示。 由以上仿真结果可以得到,PLC 控制可以实时动 态的响应系统的变化。利用组态王软件与仪表的连接 可以直观、便捷地对锅炉温度进行控制。但应该充分 考虑到外界干扰对系统的影响,将得到的数据进行分 析、 比较, 得出结果在不同环境下所代表的不同意义。 本文的PID控制器在仿真中虽然取得了较为理 想的控制效果,但是选取这样的控制器又受到很多 不确定的、人为的因素影响。所以在今后的实践中 可以考虑设计在线修改的自适应模糊控制器,或者 引入自寻优、遗传算法、神经网络等算法,这样可 以获得更为理想的效果 参考文献 [1] 王永华 ,宋寅卯 ,陈国玉 ,郑安平 .现代电气控制及 PLC 应用技术 [M].北京航空航天大学出版社 ,2003:80-85. [2] 胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2000:64-69. [3] A3000 高级过程控制系统实验指导书 V4.北京华晟 高科教学仪器有限公司编制 . [4] 北京亚控自动化软件科技公司.组态王 6.5 使用手册[Z].2000. 图 14 加入变频器干扰曲线] 宋伯生 .PLC 编程实用指南 . 北京 : 机械工业出版社 , 仿线)当加入阶跃时,因为 P、 I 的值没有变,所 以系统处于和之前相同的稳定状况。 2)当改变 P 值,其他值不变的情况下,系统出现了 震荡。 增加 P, 可提高系统动作的灵敏度, 加快调节速度, 但是,若 P 取值偏大,容易引起系统振荡,反而使调节 时间加长,且当 P 太大时,系统将趋于不稳定状态。 3)当改变 I 值时,在其他值不变的情况下,系 3.3 2006:27-126. 王雄堂 , 吴记雄 . 组态王监控软件在锅炉控制系统中 的应用 [J].中国科技信息 ,2005(21). 张玉华 .组态软件中的控制算法的应用及研究 : 中国 优秀博硕士学位论文全文数据库 . 2004.3. 作者简介 张亚闽(1985-) ,男,在读研究生,研究方向:控制理论与控制工程。 王福明,男,教授,博士后,硕士生导师,研究方向:结构振动信 号分析与处理、设备故障诊断。 2011 年第 6 期 25

本文由领航仪器发布于公司简介,转载请注明出处:化工企业 仪器仪表 固定资产郑州苏豫仪器仪表

关键词:

最火资讯