鍋爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

成成績題目基于PID的鍋爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 課程名二級學(xué)專班學(xué)生姓學(xué)指導(dǎo)教稱過程控制系統(tǒng)與儀表院機(jī)電工程學(xué)院 業(yè)自動(dòng)化 名金高翔 師黃麗麗 基于PID的鍋爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：從上世紀(jì)的80年代到90年代中期，PLC得到了飛速的發(fā)展，在這個(gè)時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到了大幅度的提高，PLC逐漸的進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的未來，是無法取代的。數(shù)，以PLC為控制器，構(gòu)成鍋爐溫度控制系統(tǒng)；采用PID算法，運(yùn)用PLC梯形圖編程語言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的自動(dòng)控制。鍋爐的控制系統(tǒng)大都采用以微處理器為核心的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，既提高設(shè)備的自動(dòng)化程度又提高設(shè)備的控制精度。本文分別就鍋爐的控制系統(tǒng)工作原理，溫度變送器的選型、PLC配置、組態(tài)軟件程序設(shè)計(jì)等幾方面進(jìn)行闡述。通過改造電熱鍋爐的控制系統(tǒng)具有響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、可靠性高,控制精度好等特點(diǎn)，對工業(yè)控制有現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：電熱鍋爐的控制系統(tǒng)溫度控制PLCPID根據(jù)國內(nèi)實(shí)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(jīng)逐漸被淘汰；燃油和燃?xì)忮仩t也存在著燃料供應(yīng)不方便和安全性等問題。因此在先，都生產(chǎn)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(yīng)用。更具有吸引力?？貙ο?，很難用數(shù)學(xué)的方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)一直是工業(yè)技術(shù)人員研究的重點(diǎn)及熱點(diǎn)。CLCPLC介紹LCCPU組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務(wù)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(lǐng)域的應(yīng)用。組態(tài)的概念最早出現(xiàn)在工業(yè)計(jì)算機(jī)控制中，如DCS(集散控制系統(tǒng))組態(tài)，PLC梯形圖組態(tài)。人機(jī)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(jié)果是用在實(shí)時(shí)監(jiān)控的。從表面上看，組態(tài)工具的運(yùn)行程序就是執(zhí)行自己特定的任務(wù)。工控組態(tài)軟件也提供了編程手段，一般都是內(nèi)置編譯系統(tǒng)，提供類BASIC語言，有的支持VB，現(xiàn)在有的組態(tài)軟件甚至支持高級語言。在當(dāng)今工控領(lǐng)域，一些常用的大型組態(tài)軟件主要有：ABB-OptiMax，WinCC，進(jìn)行組態(tài)的設(shè)計(jì)。(3-1)(3-1)組態(tài)王軟件具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)并以動(dòng)畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢曲線等，可便利的生成各種報(bào)表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備。數(shù)據(jù),就是創(chuàng)建一個(gè)具體的數(shù)據(jù)庫,并用此數(shù)據(jù)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(dòng)畫來模擬現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行,以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令。3PID控制及參數(shù)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(shù)學(xué)表達(dá)式為：Ti0dt(1)比例系數(shù)KC對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。K偏大，振蕩次c數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長。K太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。K太小，又會(huì)使系統(tǒng)cc的動(dòng)作緩慢。K可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、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(dāng)對象狀態(tài)就會(huì)離控制目標(biāo)的狀態(tài)越來越遠(yuǎn)，如果出c現(xiàn)這樣的情況K的符號就一定要取反。ci積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，T小(積分作用強(qiáng))會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能i消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。T的影響：d微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，T偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。T偏dd小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長。只有T合適，才能使超調(diào)量較小，減短d調(diào)節(jié)時(shí)間。采樣周期T越小，采樣值就越能反應(yīng)溫度的變化情況。但是，T太小就會(huì)增ss加CPU的運(yùn)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(yīng)使采樣時(shí)間太小。，確定采樣周期時(shí)，應(yīng)保證被控量迅速變化時(shí)，能用足夠多的采樣點(diǎn)，以保證不會(huì)因采樣點(diǎn)過稀而丟失被采集的模擬量中的重要信息。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是溫度控制系統(tǒng)，溫度具有延遲特性的慣性環(huán)節(jié)，所以采樣時(shí)間不能太短，一般是15s~20s，本系統(tǒng)采樣17s經(jīng)過上述的分析，該溫度控制系統(tǒng)就已經(jīng)基本確定了，在系統(tǒng)投運(yùn)之前還要進(jìn)行控制器的參數(shù)整定。常用的整定方法可歸納為兩大類，即理論計(jì)算整定法和工程整定法。理論計(jì)算整定法是在已知被控對象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)選取的質(zhì)量指標(biāo)，經(jīng)過理論的計(jì)算(微分方程、根軌跡、頻率法等)，求得最佳的整定參數(shù)。這類方法比較復(fù)雜，工作量大，而且用于分析法或?qū)嶒?yàn)測定法求得的對象數(shù)學(xué)模型只能近似的反映過程的動(dòng)態(tài)特征，整定的結(jié)果精度不是很高，因此未在工程上受到廣泛的應(yīng)用。對于工程整定法，工程人員無需知道對象的數(shù)學(xué)模型，無需具備理論計(jì)算所學(xué)的理論知識，就可以在控制系統(tǒng)中直接進(jìn)行整定，因而簡單、實(shí)用，在實(shí)際工程中被廣泛的應(yīng)用常用的工程整定法有經(jīng)驗(yàn)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(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)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(shù)減小為原來的50~80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。(3)整定微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過步驟(2)，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。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(nèi)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(shí)也是容器中液體的溫度)流ipp出加熱容器。設(shè)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(dòng)態(tài)關(guān)ip系的數(shù)學(xué)模型。把加熱容器看作一個(gè)獨(dú)立的隔離體，根據(jù)能量動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入容器的熱量Q化率，可得：與單位時(shí)間內(nèi)流出容器的熱量Q之差等于容器內(nèi)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(xué)可知，單位時(shí)間內(nèi)加熱容器向四周散發(fā)熱量與容器散熱面積(設(shè)為A)、保溫材料的材料的傳熱系數(shù)(設(shè)為K)以及容器內(nèi)、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(shí)，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(guān)系。e為使問題簡化，在工作點(diǎn)(u,Q)附近進(jìn)行線性化處理：在工作點(diǎn)附近的小范e0圍內(nèi)，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(guān)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(shù)：(4-12)T(s)(4-12)p=U(s)T+1s5PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)(1)編寫程序前，必須先填寫PID指令的參數(shù)表，參數(shù)表如表5.1所示表5.1鍋爐溫度控制PID參數(shù)表功能描功能描述溫度經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值PID回路輸出值70PID程變量值參數(shù)過程變量(PVn)給定值(SPn)輸出值(Mn)增益(Kc)采樣時(shí)間(Ts)積分時(shí)間(Ti)微分時(shí)間(Td)積分項(xiàng)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?qū)?，選定PID。選中菜單欄中的“工具”，單擊其子菜單“指令向?qū)А保瑥棾鋈鐖D5.2所示的界面，選定“PID”選項(xiàng)，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(shè)置回路參數(shù)，如圖5.4所示，本例將比例系數(shù)設(shè)定為3，將采樣時(shí)間設(shè)定為0.5s，積分時(shí)間設(shè)定為20min，微分時(shí)間設(shè)定為0，即不使用微分項(xiàng)，只使用PI控制器，然后單擊“下一步”按鈕。圖5.4設(shè)置回路參數(shù)(4)為計(jì)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(gè)36字節(jié)的參數(shù)表，儲存用于控制回路操作的參數(shù)。PID計(jì)算還要求一個(gè)“暫存區(qū)”，用于存儲臨時(shí)結(jié)果。先單擊“建議地址”，再單擊“下一步”按鈕，地址自動(dòng)分圖5.5為計(jì)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(rèn)子程序名，只要單擊“下一步”按鈕即可。如果項(xiàng)目包含一個(gè)激活PID配置，已經(jīng)建立的中斷程序名被設(shè)為只讀。因?yàn)轫?xiàng)目中的所有配置共享一個(gè)公用中斷程序，項(xiàng)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(chǎn)PID代碼，如圖4.7所示，單擊“完成”按鈕，S7-200PLC指令向?qū)橹付ǖ呐渲蒙a(chǎn)程序代碼和數(shù)據(jù)塊代碼。由向?qū)Ы⒌淖映绦蚝椭袛喑绦虺蔀轫?xiàng)目的一部分。要在程序中使能該配置，每次掃描周期時(shí)，使用SM0.0從主程序塊調(diào)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(xiàn)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?qū)В顚懝こ堂Q。然后打開剛建立的工程。進(jìn)入組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)，如圖圖6.2新建設(shè)備IO存圖6.3新建變量圖6.4變量表以上步驟進(jìn)行完成，開始繪制主監(jiān)控界面，主控界面實(shí)現(xiàn)的是操作者觀察儀表，得到鍋爐內(nèi)液體溫度和液位的實(shí)時(shí)信息，在該界面加入菜單項(xiàng)，可以查看歷史系統(tǒng)報(bào)警，加入實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和開關(guān)按鈕，可以使操作者更加快捷、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對系圖6.5鍋爐溫度控制系統(tǒng)主監(jiān)控界面打開組態(tài)王的項(xiàng)目工程管理器，點(diǎn)擊窗口欄中“VIEW”或者在畫面中點(diǎn)擊右