過程系統(tǒng)PLC入門

過程系統(tǒng)過程系統(tǒng)是通過對流量、溫度、壓力、液位等的測量和控制來進行生產(chǎn)的一種系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域：鋼鐵廠化工廠環(huán)保設(shè)備上下水處理設(shè)備空調(diào)設(shè)備半導(dǎo)體工廠食品工廠藥品工廠發(fā)電廠等反饋控制這里以保持容器內(nèi)液體溫度的裝置為例，說明反饋控制過程。溫度檢測部分測量容器內(nèi)液體溫度。將測量的溫度值與目標值進行比較，根據(jù)兩者之差（偏差）來確定調(diào)節(jié)閥的開閉（操作量）。對調(diào)節(jié)閥進行操作，調(diào)節(jié)蒸汽量，使容器內(nèi)的液體的溫度上升或下降。重復(fù)1~3，直至液體溫度與目標值之差為零。ON/OFF控制反饋控制中較為簡單的ON/OFF控制。所謂ON/OFF控制，就是根據(jù)偏差值（目標值-測量值）的正負對操作部進行ON/OFF操作的控制。右圖所示為ON/OFF控制方式下調(diào)節(jié)閥的狀態(tài)和液體溫度的變化。右圖①所示，當(dāng)液體溫度低于目標值時，調(diào)節(jié)閥全開（ON），供應(yīng)蒸氣。開始供應(yīng)蒸汽后，液體溫度仍然繼續(xù)下降，一段時間后開始轉(zhuǎn)為上升，然后如②所示超過目標值。液體溫度超過目標值后，調(diào)節(jié)閥全閉（OFF），停止供應(yīng)蒸氣。蒸氣供應(yīng)停止后，液體溫度仍然繼續(xù)上升，需要經(jīng)過一段時間后才轉(zhuǎn)為下降。ON/OFF控制方式下，液體溫度并不能保持為一定值，而是如圖所示在不斷地變化。要解決這一問題，可以使用下面介紹的P控制（比例控制）。P動作（比例動作）按照偏差值（目標值-測量值）的大小，輸出與其成正比的操作量的動作叫做P動作（比例動作）。操作量=比例增益（Kp）×操作量=比例增益（Kp）×偏差P動作的操作量用公式因此偏差值相同時，比例增益越大，操作量就越大，蒸氣供應(yīng)量也大；比例增益越小，操作量就越小，蒸氣供應(yīng)量也隨之減少。P動作對階躍偏差的操作量如下所示下圖所示為不同比例增益下，P動作控制效果（對容器內(nèi)液體溫度進行P控制的結(jié)果）之間的差異。通過調(diào)節(jié)閥的細微調(diào)整，液體溫度的變動得以減小。P動作下，液體溫度的變動有所減小，但無法實現(xiàn)測量值與目標值的一致，兩者之間會有一定的偏差。這一偏差叫做偏移（靜差或剩余偏差）。I動作（積分動作）與PI控制P動作下，無法實現(xiàn)測量值與目標值的一致，兩者之間會有一定的偏移。I動作（積分動作）可以消除這一偏移。I動作通過對過去到現(xiàn)在的偏差進行時間積分后輸出，來消除偏移。（圖）I動作一般與P動作組合，作為PI控制來使用。積分時間越小，消除偏移的時間就越短。積分時間越大，消除偏移的時間越長。積分時間不同時，PI控制下積分效果的差異如下圖所示。D動作（微分動作）D動作（微分動作）是為了減輕外部干擾對控制對象的影響，而在P動作輸出的基礎(chǔ)上加上與偏差變化率（偏差的微分）成正比的輸出。一般與PI控制組合，作為PID控制來使用。下圖所示為同一干擾（外部干擾A）導(dǎo)致偏差出現(xiàn)變化時，有D動作和無D動作情況下控制對象響應(yīng)的差異。如圖所示，加上D動作后，可以減輕外部干擾帶來的影響。微分時間越大，D動作帶來的操作量越大，微分效果也越大。D動作（微分動作）與PD控制[比較實用的D控制：不完全微分]直接使用D控制時，會使得高頻干擾成分增大，導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，操作量的時間幅度變小（偏差變?yōu)殡A躍時會出現(xiàn)瞬間的脈沖波形輸出），因此存在無法提供足夠的能量來驅(qū)動操作部分等問題。因此一般情況下，大多使用在微分項輸入中加入一次延時濾波的不完全微分。偏差為一定的階躍響應(yīng)時，PD控制的輸出如下所示。PID控制PID控制是在輸出操作量與偏差值成正比的P動作基礎(chǔ)上，加上I動作（增加對偏差積分的操作量，以消除偏移）和D動作（根據(jù)偏差的變化率增加操作量，以改善控制對象對外部干擾的響應(yīng)性）的控制方式。下圖所示為P控制、PI控制、PID控制下響應(yīng)性的比較。[比較實用的PID控制]在注重實用的PID控制方式下，為了消除目標值變化時操作量的大幅變動（D動作的影響除外），會如下圖所示對測量值進行微分運算。PID控制的選擇流量?壓力的控制因其過程的響應(yīng)較快，而PI控制也能獲得足夠的響應(yīng)性能，且D動作會使得計測干擾增幅、導(dǎo)致過程不穩(wěn)定，因此通常使用PI控制。溫度控制一般過程響應(yīng)較慢，因此經(jīng)常使用PID控制?？刂茖ο罂刂品绞竭x擇要點流量、壓力PI流量、壓力的控制，其過程響應(yīng)較快，PI控制也能獲得足夠的響應(yīng)性能。（加上D動作后，計測干擾會被放大，使得過程不穩(wěn)定）溫度PID溫度控制一般過程的響應(yīng)較慢PID控制的正動作與反動作PID控制下，相對于測量值的變化，操作量可以向兩個方向變化，分別叫做正動作和反動作。以空調(diào)器為例，正動作和反動作分別如下所示。正動作：比如制冷時若室溫上升，則加大操作量（制冷輸出）反動作：比如制熱時若室溫下降，則加大操作量（制熱輸出）定值控制與追蹤控制PID控制等反饋控制，按照目標值的設(shè)定方法，可以分為定值控制和追蹤控制兩種。定值控制目標值為一定值時的控制，例如將壓力、溫度保持為一定值的控制即為定值控制。追蹤控制目標值隨時間變化時的控制。也稱為跟蹤控制。追蹤控制的種類包括按照預(yù)定模式使得目標溫度隨時間而變化的程序控制，以及將燃燒時空氣與燃料的空燃比、以及多種液體混合時比例保持為一定值的比例控制等?？刂骗h(huán)檢測部分與操作部分控制環(huán)方塊圖中檢測部分和操作部分檢測部分以下所示為用于檢測流量以及溫度的、具有代表性的傳感器一覽。檢測對象檢測方式流量差壓式…節(jié)流機構(gòu)（節(jié)流孔、文丘里流量計等）電磁式…電磁流量計容積式…根式、橢圓式其它（科里奧利式、超聲波式、渦旋式等）溫度熱電偶、測溫電阻、放射溫度計壓力差壓電氣式…電阻線式、壓電式彈性式…布爾頓管、隔膜式、風(fēng)箱式液柱式…U形管、單管式液位差壓式、浮動式、靜電容量式、超