爐窯溫度控制系統(tǒng)

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) PLC技術(shù)及應(yīng)用 課程設(shè)計（論文）題目： 爐窯溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 院（系）： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 自動化072 學(xué) 號： 070302039 學(xué)生姓名： 李洪任 指導(dǎo)教師： （簽字）起止時間： 課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室： 學(xué) 號070302039學(xué)生姓名李洪任專業(yè)班級自動化072課程設(shè)計（論文）題目爐窯溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)課題完成的功能：石灰進入石灰窯燒制后形成熟石灰，石灰窯溫度是決定熟石灰質(zhì)量的關(guān)鍵因素。石灰窯的溫度控制需通過調(diào)節(jié)煤氣和空氣的流量來實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)需完成以下功能：1、完成高爐煤氣的流量控制； 2、完

2、成燃燒空氣的流量控制；3、完成冷卻空氣的流量控制； 4、完成上料皮帶秤的啟?？刂?；5、完成爐窯的窯頂預(yù)熱帶、煅燒帶和冷卻帶的溫度檢測。設(shè)計任務(wù)及要求：1、采用西門子公司200系列PLC； 2、方案設(shè)計，I/O分配表；3、硬件設(shè)計和軟件開發(fā)； 4、離線運行結(jié)果分析；5、撰寫課程設(shè)計說明書；技術(shù)參數(shù)：1、溫度范圍在800-1000，各種氣體流量范圍為2-5m3/h-2200N； 2、上料皮帶電動機的額定功率22Kw，額定電壓380V，額定電流7A，額定轉(zhuǎn)速1450rpm。進度計劃1、熟悉課程設(shè)計題目，查找及收集相關(guān)書籍、資料（2天）；2、設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖（1天）；3、儀表、控制系統(tǒng)等設(shè)備的選型

3、（1天）；4、程序開發(fā)（4天）；5、撰寫課設(shè)論文（1.5天）；6、設(shè)計結(jié)果考核（0.5天）；指導(dǎo)教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要在石灰產(chǎn)品生產(chǎn)的流程中，窯爐燒制是一個非常重要的環(huán)節(jié)。石灰窯燒制工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中,需要調(diào)控的量有很多,最重要的就是高爐煤氣流量的控制,燃燒空氣流量的控制,冷去流量的控制及上料皮帶秤的啟?？刂?PID調(diào)節(jié)作為經(jīng)典控制理論中最典型的閉環(huán)控制方法。本設(shè)計對石灰窯爐加熱溫度調(diào)整范圍為8001000，各種氣體流量范圍為2-5m3/h-2200N。軟件設(shè)計須能進行人工

4、啟動，考慮到本系統(tǒng)控制對象為石灰窯爐，是一個大延遲環(huán)節(jié)，且溫度調(diào)節(jié)范圍較寬，所以本系統(tǒng)對過渡過程時間不予要求。被控對象為爐內(nèi)溫度，溫度傳感器檢測爐內(nèi)的溫度信號，經(jīng)溫度變送器將溫度值轉(zhuǎn)換成電壓信號送入PLC模塊。PLC把這個測量信號與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運算后，發(fā)出控制信號，相應(yīng)的控制可控調(diào)節(jié)閥，從而實現(xiàn)爐溫的連續(xù)控制。 關(guān)鍵詞：爐窯溫度控制；PID算法；PLC編程； 目 錄第1章 緒論1第2章 課程設(shè)計的方案22.1 概述22.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)2第3章 硬件設(shè)計53.1 PLC的選型和硬件配置53.2 傳感器選擇63.3 可控閥門及電動機選擇7第4章 基于PLC的爐溫控制系統(tǒng)的軟件

5、設(shè)計84.1 STEP 7 MICRO/WIN32軟件介紹84.2 系統(tǒng)PID算法及流程圖84.2.1 PID算法簡介8 PID算法的數(shù)字化處理94.3 I/O口分配154.3 主程序清單15第5章 課程設(shè)計總結(jié)23參考文獻24第1章 緒論隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中，溫度是一個非常重要的過程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進行控制。這方面的應(yīng)用大多是基于單片機進行PID控制,然而單片機控制的DDC系統(tǒng)軟硬件設(shè)計較為復(fù)雜,特別是涉及到邏輯控制方面

6、更不是其長處,然而PLC在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。在石灰產(chǎn)品生產(chǎn)的流程中，窯爐燒制是一個非常重要的環(huán)節(jié)。某種石灰燒制的工藝，要求窯爐溫度從室溫升高到1000左右，經(jīng)過長時間恒定高溫?zé)?，最后?000左右降至室溫。在溫度變化的過程，石灰窯的溫度控制需通過調(diào)節(jié)煤氣和空氣的流量來實現(xiàn)，必須對窯爐溫度的升溫、恒溫和降溫進行精確地控制。對窯爐溫度的控制好壞直接關(guān)系到石灰產(chǎn)品的質(zhì)量、廢品率和廠家的生產(chǎn)成本以及安全。本文針對石灰窯爐快速升溫和恒溫的過程，在PID調(diào)節(jié)方法中，采用西門子S7200PLC，實現(xiàn)了窯爐溫度精確控制的效果。在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，常常需要用閉環(huán)控制方式來控制溫度、壓力、流量和液位等連

7、續(xù)變化的量。PID調(diào)節(jié)是經(jīng)典控制理論中最典型的用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法。第2章 課程設(shè)計的方案2.1 概述本PLC溫度控制系統(tǒng)的具體指標(biāo)要求是：對石灰窯爐加熱溫度調(diào)整范圍為8001000，各種氣體流量范圍為2-5m3/h-2200N。軟件設(shè)計須能進行人工啟動，考慮到本系統(tǒng)控制對象為石灰窯爐，是一個大延遲環(huán)節(jié)，且溫度調(diào)節(jié)范圍較寬，所以本系統(tǒng)對過渡過程時間不予要求。2.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)具體指標(biāo)要求，可以對每一個具體部分進行分析設(shè)計。整個控制系統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計和軟件程序設(shè)計兩部分。系統(tǒng)硬件框圖結(jié)構(gòu)如圖所示:石灰石料斗振動篩單斗提升機爐窯煙氣除塵機換熱器抽風(fēng)機排空煤氣流量傳感器空氣流量

8、傳感器出灰機煤氣鼓風(fēng)機圖2.1系統(tǒng)硬件框圖整個控制系統(tǒng)是一個相對聯(lián)系的結(jié)合體，但是又可以分開討論。當(dāng)被控對象為爐內(nèi)溫度，溫度傳感器檢測爐內(nèi)的溫度信號，經(jīng)變送器將溫度值轉(zhuǎn)換成電壓信號送入PLC模塊。PLC把這個測量信號與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運算后，發(fā)出控制信號，經(jīng)可控閥門調(diào)控，從而實現(xiàn)爐溫的連續(xù)控制。當(dāng)被控對象為煤氣流量，流量傳感器檢測煤氣輸送管道內(nèi)的流量信號，經(jīng)變送器將流量值轉(zhuǎn)換成電壓信號送入PLC模塊。PLC把這個測量信號與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運算后，發(fā)出控制信號，經(jīng)可控閥門調(diào)控，從而實現(xiàn)爐溫的連續(xù)控制。當(dāng)被控對象為燃燒空氣流量，流量傳感器檢測燃燒空氣輸送管道內(nèi)的流量信號，經(jīng)

9、變送器將流量值轉(zhuǎn)換成電壓信號送入PLC模塊。PLC把這個測量信號與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運算后，發(fā)出控制信號，經(jīng)可控閥門調(diào)控，從而實現(xiàn)爐溫的連續(xù)控制。當(dāng)被控對象為冷卻空氣流量，流量傳感器檢測冷卻空氣輸送管道內(nèi)的流量信號，經(jīng)變送器將流量值轉(zhuǎn)換成電壓信號送入PLC模塊。PLC把這個測量信號與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運算后，發(fā)出控制信號，經(jīng)可控閥門調(diào)控，從而實現(xiàn)爐溫的連續(xù)控制。當(dāng)被控對象為皮帶秤石灰石上料量，皮帶秤傳感器檢測皮帶秤上的石灰石料量信號，經(jīng)變送器將流量值轉(zhuǎn)換成電壓信號送入PLC模塊。PLC把這個測量信號與設(shè)定值比較得到偏差，經(jīng)PID運算后，發(fā)出控制信號，經(jīng)可控閥門調(diào)控，從而實現(xiàn)

10、爐溫的連續(xù)控制?？煽亻y門石灰窯爐溫度傳感 器給定溫度S7-200PLCCPU運算處理變送器圖2.2 溫度系統(tǒng)硬件框圖可控閥門煤氣輸送管道煤氣流量傳感器給定流量S7-200PLCCPU運算處理變送器圖2.3 高爐煤氣系統(tǒng)硬件框圖可控閥門燃燒空氣輸送管道燃燒空氣流量傳感器給定流量S7-200PLCCPU運算處理變送器圖2.4 燃燒空氣系統(tǒng)硬件框圖可控閥門冷卻空氣輸送管道冷卻空氣傳感器給定流量S7-200PLCCPU運算處理變送器圖2.5 冷卻空氣系統(tǒng)硬件框圖可控閥門上料皮帶皮帶秤傳感器給定值S7-200PLCCPU運算處理變送器圖2.6 皮帶秤系統(tǒng)硬件框圖第3章 硬件設(shè)計3.1 PLC的選型和硬件

11、配置S7-200 系列 PLC 是由德國西門子公司生產(chǎn)的一種超小型系列可編程控制器，它能夠滿足多種自動化控制的需求，其設(shè)計緊湊，價格低廉，并且具有良好的可擴展性以及強大的指令功能，可代替繼電器在簡單的控制場合，也可以用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它具有極強的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。S7-200系列可以根據(jù)對象的不同, 可以選用不同的型號和不同數(shù)量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機架上。SiemensS7-200 主要功能模塊介紹： (1)CPU 模塊S7-200的CPU 模塊包括一個中央處理單元,電源以及數(shù)字I/O 點,這些都被集成在一個緊湊,獨立的設(shè)備中。CPU 負

12、責(zé)執(zhí)行程序,輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號,輸出部分則輸出控制信號,驅(qū)動外部負載.從 CPU 模塊的功能來看, CPU 模塊為CPU22*,它具有如下五種不同的結(jié)構(gòu)配置CPU 單元：CPU221 它有 6 輸入/4 輸出,I/0 共計 10 點.無擴展能力,程序和數(shù)據(jù)存 儲容量較小,有一定的高速計數(shù)處理能力,非常適合于少點數(shù)的控制系統(tǒng)。CPU222 它有8 輸入/6 輸出，I/0 共計 14 點，和 CPU 221 相比,它可以進行一定的模擬量控制和2個模塊的擴展,因此是應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。CPU224 它有 14 輸入/10 輸出，I/0 共計 24 點，和前兩者相比,存儲容量 擴大了一

13、倍,它可以有 7 個擴展模塊,有內(nèi)置時鐘,它有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力,是使用得最多 S7-200 產(chǎn)品。CPU226 它有 24 輸入/16 輸出,I/0 共計 40 點,和 CPU224 相比,增加了 通信口的數(shù)量,通信能力大大增強。它可用于點數(shù)較多,要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。CPU226XM 它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲容量上進行了擴展,其他指標(biāo)和 CPU226相同。 (2)開關(guān)量 I/O 擴展模塊 當(dāng) CPU 的 I/0 點數(shù)不夠用或需要進行特殊功能的控制時,就要進行 I/O 擴 展,I/O 擴展包括 I/O 點數(shù)的擴展和功能模塊的擴展。通常開關(guān)量 I/O 模塊產(chǎn)品 分

14、3 種類型:輸入模塊,輸出模塊以及輸入/輸出模塊。為了保證 PLC 的工作可 靠性,在輸入模塊中都采用提高可靠性的技術(shù)措施。如光電隔離,輸入保護(浪 涌吸收器,旁路二極管,限流電阻),高頻濾波,輸入數(shù)據(jù)緩沖器等。由于 PLC 要控制的對象有多種,因此輸出模塊也應(yīng)根據(jù)負載進行選擇,有直流輸出模塊, 交流輸出模塊和交直流輸出模塊。按照輸出開關(guān)器件種類不同又分為 3 種：繼電 器輸出型,晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。這三種輸出方式中,從輸出響應(yīng)速度來看，晶體管輸出型最快，繼電器輸出型最差，晶閘管輸出型居中；若從 與外部電路安全隔離角度看,繼電器輸出型最好。在實際使用時，亦應(yīng)仔細查看開關(guān)量 I/O

15、模塊的技術(shù)特性，按照實際情況進行選擇。 由于本系統(tǒng)是單回路的反饋系統(tǒng)，CPU224XP相比與其他型號具有更好的硬件指標(biāo)，其上自帶有模擬量的輸入和輸出通道，因此節(jié)省了元器件的成本，CPU224XP自帶的模擬量I/O規(guī)格如表：表3.1模擬量I/O配置表I/O信號信號類型電壓信號電流信號模擬量輸入*210V/模擬量輸出010V020mACPU224XP自帶的模擬量輸入通道有2個，模擬量輸出通道1個。在S7-200中，單極性模擬量的輸入/輸出信號的數(shù)值范圍是032000，雙極性模擬信號的數(shù)值范圍是-32000+320003.2 傳感器選擇在此設(shè)計中, 爐窯窯頂?shù)念A(yù)熱帶、燃燒帶和冷卻帶溫度由3個熱電偶傳

16、感器進行采集。按照測溫的范圍，選擇熱電偶傳感器。熱電偶傳感器的測量范圍為-501600，精度為（1%5%）。熱電偶溫度傳感器的工作原理：兩種不同的金屬A和B構(gòu)成閉合回路,當(dāng)兩個接觸端T T0時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng), 該電動勢稱為熱電勢。這兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，導(dǎo)體A、B稱為熱電極。 兩個接點，一個稱熱端，又稱測量端或工作端，測溫時將它置于被測介質(zhì)中;另一個稱冷端，又稱參考端或自由端，它通過導(dǎo)線與顯示儀表相連。 圖3.1 熱電偶測溫系統(tǒng)簡圖 流量傳感器是對高爐煤氣,燃燒空氣以及冷卻空氣流量的檢測部件，在此論文中選擇法蘭式V錐流量傳感器FFM61

17、S。工作原理：V錐流量計是由V錐傳感器和差壓變送器組合而成的一種差壓流量計，可精確測量寬雷諾數(shù)（8103Re5107）范圍內(nèi)各種介質(zhì)的流量。其測量理論是：由于實際流體都具有粘性，不是理想流體，當(dāng)其在管道中流動時，在充分發(fā)展管內(nèi)流動的前提下，具有層流和紊流兩種流動狀態(tài)。根據(jù)連續(xù)流動的流體能量守恒原理和伯努力方程：對于以層流狀態(tài)流動的流體，其流速分布是以管道中心線為對稱的一個拋物面，流體通過一定管道的壓力降與流量成正比；對于紊流狀態(tài)流動的流體，其流速分布是以管道中心線為對稱的一個指數(shù)曲面，流體通過一定管道的壓力降與流量的平方成正比。如圖3.3。.gy圖3.2 法蘭式V錐流量傳感器FFM61S3.3

18、 可控閥門及電動機選擇電動調(diào)節(jié)閥是工業(yè)自動化過程控制中的重要執(zhí)行單元儀表。隨著工業(yè)領(lǐng)域的自動化程度越來越高正被越來越多的應(yīng)用在各種工業(yè)生產(chǎn)林宇中。與傳統(tǒng)的氣動調(diào)節(jié)閥相比具有明顯的優(yōu)點，節(jié)電，環(huán)保，安裝便捷。可控閥門是對高爐煤氣,燃燒空氣以及冷卻空氣流量的控制部件，在此論文中選擇電動調(diào)節(jié)閥。上料皮帶電動機的額定功率22Kw，額定電壓380V，額定電流7A，額定轉(zhuǎn)速1450rpm。電機直接帶動皮帶的轉(zhuǎn)動，因此應(yīng)該考慮其功率和電流的大小，所以選擇YC YCL系列的電動機。第4章 基于PLC的爐溫控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 4.1 STEP 7 MICRO/WIN32軟件介紹 STEP7-Micro/WIN3

19、2編程軟件是由西門子公司專為S7-200系列PLC設(shè)計開發(fā)，它功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，例如創(chuàng)建用戶程序、修改和編輯原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡單語法檢查功能。同時它還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外，還可直接用軟件設(shè)置PLC的工作方式、參數(shù)和運行監(jiān)控等。程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯誤。梯形圖中的錯誤處的下方自動加紅色曲線，語句表中錯誤行前有紅色叉，且錯誤處的下方加紅色曲線。軟件功能的實現(xiàn)可以在聯(lián)機工作方式（在線方式）下進行，部分功能的實現(xiàn)也可以在離線工作方式下進行。聯(lián)機方式：有編程軟件的計算機與PLC 連接，

20、此時允許兩者之間做直接通信。離線方式：有編程軟件的計算機與PLC 斷開連接，此時能完成大部分基本功能。如編程、編譯和調(diào)試程序系統(tǒng)組態(tài)等，但所有的程序和參數(shù)都只能存放在計算機上。兩者的主要區(qū)別是：聯(lián)機方式下可直接針對相連的PLC進行操作，如上載和下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等；而離線方式下不直接與PLC 聯(lián)系，所有程序和參數(shù)都暫時存放在磁盤上，等聯(lián)機后在下載到PLC 中。4.2 系統(tǒng)PID算法及流程圖 PID算法簡介在工程實際中，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，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近80年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工

21、業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(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，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有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、微分計算出控制量進行控制的。比例（P）控制：比例控制是一種最簡單,最常用的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 積分（

22、I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(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的微分（即誤差的變化率）成正比

23、關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(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，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動

24、態(tài)特性。 PID算法的數(shù)字化處理為了能讓數(shù)字計算機處理這個控制式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值，數(shù)字計算機處理的算式如下：Mn =Kc*en +Ki*ex+Mintial+Kd*(en-en-1)輸出=比例項+積分項+微分項其中：Mn 在采樣時刻n，PID回路輸出的計算值 Kc PID回路增益 en 采樣時刻n回路的偏差值 en-1 回路的偏差值的前一個值 ex 采樣時刻x的回路偏差值 Ki 積分項的比例常數(shù) Mintial 回路輸出的初始值 Kd 微分項的比例常數(shù)從這個公式可以看出，積分項是從第一個采樣周期到當(dāng)前采樣周期所有誤差項的函數(shù)，微分項是當(dāng)前采樣和前一次采

25、樣的函數(shù)，比例項是當(dāng)前采樣的函數(shù)，在數(shù)字計算機中，不保存所有的誤差項，實際上也不必要。其中：MIn 第n采樣時刻積分項的值由于計算機從第一次采樣開始，每有一個偏差采樣值必須計算一次輸出值，只要保存偏差前值和積分項前值。作為數(shù)字計算機解決的重復(fù)性的結(jié)果，可以得到在任何采樣時刻必須計算的方程的一個簡化算式。簡化算式是：Mn =Kc*en +Ki*en +MX+Kd*(en-en-1)輸出=比例項+積分項+微分項其中：Mn 在第n采樣時刻，PID回路輸出的計算值 Kc PID回路增益 en 采樣時刻n回路的偏差值 en-1 回路的偏差值的起一個值 Ki 積分項的比例常數(shù) MX 積分項前值 Kd 微分

26、項的比例常數(shù)CPU實際上使用以上簡化算式的改進形式計算PID輸出，這個改進型算式是：Mn =MPn +MIn +MDn輸出=比例項+積分項+微分項其中：Mn 第n采樣時刻的計算值 MPn 第n采樣時刻的比例項值 Min 第n采樣時刻的積分項值 MDn 第n采樣時刻的微分項值比例項MP是增益（Kc）和偏差（e）的乘積。其中Kc決定輸出對偏差的靈敏度，偏差（e）是給定值（SP）與過程變量值（PV）之差，S7-200解決的求比例項的算式是：MPn=Kc*（SPn-PVn）其中：MPn 第n采樣時刻比例項的值 Kc 增益 SPn 第n采樣時刻的給定值 PVn 第n采樣時刻的過程變量的值積分項值MI與偏

27、差和成正比。S7-200解決的求積分的算式是：MIn=Kc*Ts/Ti*(SPn-PVn)+MX Kc 增益 Ts 采樣時間間隔 Ti 積分時間 SPn 第n采樣時刻的給定值 PVn 第n采樣時刻的過程變量的值 MX 第n-1采樣時刻積分項（積分項前值） 積分和（MX）是所有積分項前值之和，在每次計算出MIn后，都要用MIn去更新MX。其中MIn可以被調(diào)整或限制，MX的處置通常在第一次計算輸出以前被設(shè)為Minitial（初值）。積分項還包括其他幾個常數(shù)：增益（Kc），采樣時間（Ts）和積分時間（Ti）。其中采樣時間是重新計算輸出的時間間隔，而積分時間控制積分項在整個輸出結(jié)果中影響的大小。微分項

28、值Md與偏差的變化成正比，S7-200使用下列算式來求解微分項：Mdn=Kc*Td/Ts*(SPn-PVn)-(SPn-1-PVn-1)為了避免給定值變化的微分作用而引起的跳變，假定給定值不變SPn=SPn-1，這樣可以用過程變量的變化替代偏差的變化，計算算式可改進為：Mdn=Kc*Td/Ts*(SPn-PVn-SPn+PVn-1)或Mdn=Kc*Td/Ts*(PVn-1+PVn)其中：Mdn 第n采樣時刻的微分項值 Kc 回路增益 Ts 回路采樣時間 Td 微分時間 SPn 第n采樣時刻的給定值 SPn-1 第n-1采樣時刻的給定值 PVn 第n采樣時刻的過程變量的值 PVn-1 第n-1采

29、樣時刻的過程變量的值為了下一次計算微分項值，必須保存過程變量，而不是偏差，在第一采樣時刻，初始化為PVn-1=PVn。在許多控制系統(tǒng)中，只需要一兩種回路控制類型。例如只需要比例回路或者比例積分回路，通過設(shè)置常量參數(shù)，可以選擇需要的回路控制類型。如果不想要積分動作（PID計算中沒有“I”），可以吧積分時間（復(fù)位）置為無窮大“INF”。即使沒有積分作用，積分項還是不為零，因為有初值MX。如果不想要微分回路，可以把微分時間置為零。如果不想要比例回路，但需要積分或積分微分回路，可以把增益設(shè)為0.0，系統(tǒng)會在計算積分項和微分項時，把增益當(dāng)做1.0看待。本系統(tǒng)設(shè)計采用PID算法閉環(huán)控制系統(tǒng)程序，優(yōu)點是:

30、PID算法蘊涵了動態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在、將來的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。PID控制適應(yīng)性好，有較強的魯棒性，對各種工業(yè)應(yīng)用場合，都可在不同的程度上應(yīng)用。PID算法簡單明了，各個控制參數(shù)相對較為獨立，參數(shù)的選定較為簡單，形成了完整的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。PID控制根據(jù)不同的要求，針對自身的缺陷進行了不少改進，形成了一系列改進的PID算法。 爐窯溫度采集 比較判斷PID算法輸出控制NY圖4.1爐窯溫度控制系統(tǒng)流程圖高爐煤氣流量采集 比較判斷PID算法輸出控制NY圖4.2高爐煤氣流量控制系統(tǒng)流程圖燃燒空氣流量采集 比較判斷PID算法輸出控制NY圖4.3燃燒空氣流量控制

31、系統(tǒng)流程圖冷卻空氣流量采集 比較判斷PID算法輸出控制NY圖4.4冷卻空氣控制系統(tǒng)流程圖皮帶秤石料采集 比較判斷PID算法輸出控制NY圖4.5皮帶秤控制系統(tǒng)流程圖4.3 I/O口分配系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉由I0.0和I0.1分別控制。系統(tǒng)中有四個被控對象，分別是上料皮帶秤，煤氣流量調(diào)節(jié)閥，燃燒空氣調(diào)節(jié)閥，冷卻空氣調(diào)節(jié)閥。其中: 上料皮帶電動機的額定功率22Kw，額定電壓380V，額定電流7A，額定轉(zhuǎn)速1450rpm。各種氣體流量范圍為2-5m3/h-2200N。表4.1 I/O口分配 I0.0啟動Q0.0上料皮帶秤啟動I0.1停止Q0.1上料皮帶秤停止AQ2高爐煤氣調(diào)節(jié)閥AQ4燃燒空氣調(diào)節(jié)閥AQ6冷卻空氣調(diào)節(jié)閥4.3 主程序清單 在程序中，分為五個