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I摘要鑒于壓力控制在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用,研究PLC在壓力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是教學(xué)乃至實(shí)踐技能培養(yǎng)的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。本課題針對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的壓力控制對(duì)象,提出了一種基于PLC的壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,該系統(tǒng)采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制,底層選用PLC作為控制器,上層選用PC計(jì)算機(jī)為上位機(jī)。本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)以西門子S7-300PLC為控制器,采用STEP7軟件構(gòu)造系統(tǒng)硬件組態(tài)和編寫控制程序,完成現(xiàn)場(chǎng)壓力信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波和PID自動(dòng)控制。上位PC機(jī)選用工業(yè)組態(tài)軟件WinCC編寫監(jiān)控界面,完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),并能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝過(guò)程進(jìn)行模擬動(dòng)態(tài)以及顯示實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線。在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試過(guò)程中,系統(tǒng)軟件運(yùn)行良好,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字PID調(diào)節(jié),監(jiān)控界面基于WINDOWS,操作簡(jiǎn)便,具有較強(qiáng)的可靠性和實(shí)用性,滿足現(xiàn)場(chǎng)控制的要求,達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。關(guān)鍵詞PLC控制器,WinCC組態(tài),壓力過(guò)程控制,PID控制算法ABSTRACTSincepressurecontrolsystemwaswidelyusedintherealmsofindustrialcontrol,theresearchoftheapplicat(yī)ionofPLCinpressurecontrolsystemisaveryimportantlinkforteachingandpracticalskillstraining.Accordingtopressurecontrolobjectinthelaboratorycurrently,thisessayproposedadesignproposalofpressurecontrolsystembasedonPLC.Thesystemisconsistoftwolayersofcomputercontrol.PLCcontrollerperformsastheslavecomputerinabaselayer,whileaPCfunctionsasthehostcomputerintheupperlayer。ThesystemuseSiemensS7-300PLCforcontroller,andsoftwareSTEP7forboththeconfigurationofthePLChardwareandthedesigninggram,toaccomplishthedataacquisition,digitalfilteroffieldpressuresignalandPIDautocontrol.OnthePC,WinCC(adustrialconfigurationsoftware)isameanspilingthemonitoringandcontrollinginterface,toaccomplishthereal-timemonitoringanddatastorage,andbeabletosimulatetheprocessofdynamicprocessanddisplaythereal-timetrendcurve。Duringthecommissioningprocessinthelaborat(yī)ory,softwareofthesystemrunswell.ThesystemrealizedthedigitalPIDregulating,duetotheWINDOWS—basedmonitoringinterface,thesystemwaswithadvantagesineasyoperation,strongreliabilityandpracticability。Thesystemsatisfiedcontrolrequirements,andreachedthetargetofthedesign。KEYWORDSPLCController,WinCCConfiguration,PressureProcessControl,PIDControl基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用第一章緒論第一章緒論1.1課題概述1.1。1課題來(lái)源及研究意義該課題來(lái)源于中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室的教師科研題,題目類型屬于實(shí)驗(yàn)研究。在一些生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),如各種冶煉生產(chǎn)中,容器罐內(nèi)氣體壓力必須保持在一定的范圍內(nèi),反應(yīng)才可以正常進(jìn)行.適宜的壓力下,反應(yīng)速率可以達(dá)到最高,而且原料和催化劑的利用更為徹底??梢姡瑝毫^(guò)程控制是一項(xiàng)富有意義的研究。隨著技術(shù)的發(fā)展,PLC的性能不斷提高,其價(jià)格也能讓更多的中小型企業(yè)接受。近年來(lái),越來(lái)越多的中小設(shè)備開始采用PLC進(jìn)行控制,PLC在我國(guó)的應(yīng)用增長(zhǎng)十分迅速.本課題研究的基于PLC的壓力控制系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單、可移植性強(qiáng)、靈活方便、具有強(qiáng)大的人機(jī)交互功能,并且可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試,將在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用.1.1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求本課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容是基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用,即設(shè)計(jì)一個(gè)以S7—300PLC為控制器的壓力控制系統(tǒng),根據(jù)過(guò)程壓力系統(tǒng)的控制要求選用合適的檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)壓力過(guò)程量的自動(dòng)控制。系統(tǒng)要求采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制,底層選用PLC作為控制器,上層選用PC計(jì)算機(jī)為監(jiān)控機(jī),用WinCC組態(tài)軟件編制上位機(jī)的監(jiān)控軟件,完成人機(jī)界面的控制功能,實(shí)現(xiàn)一套完整的集測(cè)量、控制、組態(tài)、監(jiān)視為一體的壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)。1。2PLC可編程邏輯控制器1.2。1PLC可編程邏輯控制器介紹可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController),簡(jiǎn)稱PLC,在二十世紀(jì)六十年代美國(guó)推出,主要用來(lái)取代傳統(tǒng)繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制[1]。20世紀(jì)70年代,人們將微機(jī)技術(shù)應(yīng)用到PLC中,使得其更多的發(fā)揮計(jì)算機(jī)的功能,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了邏輯控制的范圍,從而真正成為一種電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高,PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制,在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。PLC可以直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境,具有很強(qiáng)的抗干擾能力,廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。1.2。2PLC控制在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用在工業(yè)控制自動(dòng)化領(lǐng)域,PLC是一種重要的控制設(shè)備,它代表著當(dāng)前程序控制的先進(jìn)水平。無(wú)論是從國(guó)外引進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)線,還是國(guó)內(nèi)自行生產(chǎn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng),都可以看到PLC的身影.可以說(shuō),PLC裝置已成為自動(dòng)化系統(tǒng)[2]的基本裝置.20世紀(jì)末期,可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō),這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī);從控制能力上來(lái)說(shuō),誕生了各種各樣的特殊功能單元,用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合[3];從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō),生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元,使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易.目前,可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前,全世界PLC生產(chǎn)廠家約200家,生產(chǎn)300多種產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)PLC市場(chǎng)仍以國(guó)外產(chǎn)品為主,如Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE的產(chǎn)品.我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。隨后在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用[4]。目前,我國(guó)自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。可以預(yù)期,隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入,PLC在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地。我國(guó)的PLC生產(chǎn)目前也有一定的發(fā)展,小型PLC已批量生產(chǎn);中型PLC已有產(chǎn)品;大型PLC已開始研制.國(guó)內(nèi)PLC形成產(chǎn)品化的生產(chǎn)企業(yè)約30多家,國(guó)內(nèi)產(chǎn)品市場(chǎng)占有率不超過(guò)10%,主要生產(chǎn)單位有:蘇州電子計(jì)算機(jī)廠、蘇州機(jī)床電器廠、上海蘭星電氣有限公司、天津市自動(dòng)化儀表廠、杭州通靈控制電腦公司、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化所和江蘇嘉華實(shí)業(yè)有限公司等.國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在價(jià)格上占有明顯的優(yōu)勢(shì)。?隨著微處理器、網(wǎng)絡(luò)通信、HMI界面技術(shù)的迅速發(fā)展,工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)日新月異,各種產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)激烈,新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn).PLC也由最初的只能處理開關(guān)量而發(fā)展到可以處理模擬量和數(shù)據(jù),加之與DCS、PID調(diào)節(jié)器、工業(yè)PC等技術(shù)相結(jié)合,使之不再是一種簡(jiǎn)單的控制設(shè)備,而且必將隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展生存下去。1.2.3PLC控制器的發(fā)展趨勢(shì)PLC作為工控機(jī)的一員,在主要工業(yè)國(guó)家中成為自動(dòng)化系統(tǒng)的基本電控裝置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、體積小、價(jià)格適宜等特點(diǎn).據(jù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)今世界PLC生產(chǎn)廠家約150家,生產(chǎn)300多個(gè)品種.2000年銷售額約為86億美元,占工控機(jī)市場(chǎng)份額的50%,PLC將在工控機(jī)市場(chǎng)中占有主要地位,并保持繼續(xù)上升的勢(shì)頭。?新一代的PLC具有PID調(diào)節(jié)功能,它的應(yīng)用已從開關(guān)量控制擴(kuò)大到模擬量控制領(lǐng)域,廣泛地應(yīng)用于航天、冶金、輕工、建材等行業(yè)。但PLC也面臨著其它行業(yè)工控產(chǎn)品的挑戰(zhàn),各廠家正采取措施不斷改進(jìn)產(chǎn)品,主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:?=1\*GB3①微型、小型PLC功能明顯增強(qiáng)
很多有名的PLC廠家相繼推出高速、高性能、小型、特別是微型的PLC.三菱的FXOS14點(diǎn)(8個(gè)24VDC輸入,6個(gè)繼電器輸出),其尺寸僅為58mm×89mm,僅大于信用卡幾個(gè)毫米,而功能卻有所增強(qiáng),使PLC的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大到遠(yuǎn)離工業(yè)控制的其它行業(yè),如快餐廳、醫(yī)院手術(shù)室、旋轉(zhuǎn)門和車輛等,甚至引入家庭住宅、娛樂(lè)場(chǎng)所和商業(yè)部門。?=2\*GB3②集成化發(fā)展趨勢(shì)增強(qiáng)?由于控制內(nèi)容的復(fù)雜化和高難度化,使PLC向集成化方向發(fā)展,PLC與PC集成、PLC與DCS集成、PLC與PID集成等,并強(qiáng)化了通訊能力和網(wǎng)絡(luò)化,尤其是以PC為基的控制產(chǎn)品增長(zhǎng)率最快.PLC與PC集成,即將計(jì)算機(jī)、PLC及操作人員的人—機(jī)接口結(jié)合在一起,使PLC能利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源,而計(jì)算機(jī)能和PLC的模塊交互存取數(shù)據(jù)。以PC機(jī)為基的控制容易編程和維護(hù)用戶的利益,開放的體系結(jié)構(gòu)提供靈活性,最終降低成本和提高生產(chǎn)率.?=3\*GB3③向開放性轉(zhuǎn)變?PLC曾存在嚴(yán)重的缺點(diǎn),主要是PLC的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的,絕大多數(shù)的PLC是專用總線、專用通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議,編程雖多為梯形圖,但各公司的組態(tài)、尋址、語(yǔ)文結(jié)構(gòu)不一致,使各種PLC互不兼容?,F(xiàn)在,以PC為基礎(chǔ)、在WINDOWS平臺(tái)下、符合IEC1131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的新一代開放體系結(jié)構(gòu)的PLC的開發(fā)正在規(guī)劃中.1.3論文組織結(jié)構(gòu)本文主要研究基于PLC的壓力過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用,本文的篇章結(jié)構(gòu)安排如下:第一章緒論,介紹了此次研究的課題,以及PLC控制器和該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,最后闡述了本文的篇章結(jié)構(gòu)。第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案,介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方式,以及系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn),介紹了系統(tǒng)的硬件選型,以及各部分之間的連接與通訊。第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn),介紹了STEP7軟件平臺(tái)上PLC控制程序的編程,以及WinCC組態(tài)軟件平臺(tái)上實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的編程.第五章系統(tǒng)的運(yùn)行和調(diào)試,介紹了系統(tǒng)投運(yùn)的方法和步驟,以及PID參數(shù)的整定,并且講述了系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題及其解決方法。最后一章為總結(jié)與展望,對(duì)課題的研究進(jìn)行總結(jié),并提出今后研究的問(wèn)題與方向。基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)包含硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。根據(jù)課題的要求和中南大學(xué)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室提供的設(shè)備,系統(tǒng)控制對(duì)象選用三個(gè)壓力容器作為被控對(duì)象,底層采用PLC作為控制器,上層采用普通的PC機(jī)作為上位機(jī)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC控制程序和上位機(jī)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì),采用STEP7和WinCC工具軟件進(jìn)行軟件開發(fā),這兩款軟件是西門子公司針對(duì)PLC控制器推出的.2.1。1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基于PLC的壓力過(guò)程控制系統(tǒng)[5]的被控對(duì)象是由三個(gè)壓力容器對(duì)象組成,可以根據(jù)需要構(gòu)成不同階(1階、2階[6]或3階)的被控對(duì)象,如圖2.1所示。壓縮空氣經(jīng)過(guò)兩路進(jìn)入壓力容器中,經(jīng)過(guò)兩個(gè)流量調(diào)節(jié)閥,在單回路控制過(guò)程中,一路作為主回路,另一路作為干擾回路。
圖2.1壓力控制對(duì)象如圖2。1所示,1#、2#、3#壓力罐為被控對(duì)象,三個(gè)氣罐的壓力信號(hào)分別由壓力變送器[7]檢測(cè)變成4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC(可編程控制器),PLC通過(guò)PID程序運(yùn)算后,輸出4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),由其控制閥門開度,調(diào)節(jié)氣壓,使氣罐內(nèi)的壓力保持在給定的壓力值上。即當(dāng)氣罐內(nèi)的壓力大于或小于給定值時(shí),PLC控制閥門開度,以達(dá)到減壓或者加壓的目的,實(shí)現(xiàn)氣罐內(nèi)的壓力值保持在給定范圍內(nèi)。系統(tǒng)采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制,底層選用PLC為控制器,上層選用PC機(jī)為監(jiān)控機(jī),用STEP7軟件編寫PLC控制程序,用WinCC組態(tài)軟件編寫上位機(jī)監(jiān)控程序,完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。圖2。2壓力過(guò)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.1.2控制方式介紹系統(tǒng)采用單回路控制方式,三個(gè)氣罐的壓力信號(hào)分別由檢測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),然后將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)[8]送入PLC控制器,經(jīng)過(guò)PID算法處理,PLC輸出4~20mA的模擬信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu),對(duì)氣罐的進(jìn)氣閥門進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)氣罐中的氣體壓力自動(dòng)控制.系統(tǒng)單回路控制原理框圖如圖2.3所示。圖2.3系統(tǒng)單回路控制原理框圖2。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)硬件主要由壓力對(duì)象裝置、PLC控制器以及PC計(jì)算機(jī)組成。目前,全世界PLC控制器的廠家約200家,生產(chǎn)300多種產(chǎn)品,根據(jù)中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室的提供的設(shè)備和調(diào)研結(jié)果,系統(tǒng)選用西門子公司的S7-300系列PLC為控制器,系統(tǒng)的總體硬件示意圖如圖2.4所示。圖2.4系統(tǒng)硬件示意圖底層PLC與壓力對(duì)象的連接是通過(guò)模擬量輸入輸出模塊,壓力對(duì)象裝置中的壓力變送器將氣罐內(nèi)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號(hào)送入PLC的模擬量輸入通道,在PLC中經(jīng)過(guò)多種PID控制運(yùn)算處理,由模擬量輸出通道輸出4~20mA的電流信號(hào)給壓力裝置中的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),來(lái)控制氣壓的變化。PLC與上位機(jī)PC計(jì)算機(jī)之間的通訊[9]有多種方式,由于被控對(duì)象只有一個(gè),而且系統(tǒng)對(duì)PC計(jì)算機(jī)沒(méi)有特殊的要求,因此這里采用的是TCP/IP通訊方式,簡(jiǎn)單方便。PLC的通訊模塊通過(guò)雙絞線連接到交換機(jī),PC計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡也用一根雙絞線連接到交換機(jī),從而PLC控制器和PC計(jì)算機(jī)可以通過(guò)IP協(xié)議進(jìn)行通訊。2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面:PLC控制程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)。其中,PLC控制程序采用西門子[10]的STEP7軟件編程,先對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行組態(tài),然后使用梯形圖(LAD)編寫采樣濾波,輸入輸出線性轉(zhuǎn)換,PID控制算法等程序.上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序采用WinCC組態(tài)軟件[11]編程,編制實(shí)時(shí)監(jiān)控界面,完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),并能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝過(guò)程進(jìn)行模擬動(dòng)態(tài)以及顯示實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線。2。3.1數(shù)字濾波方式的設(shè)計(jì)PLC控制器可以對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種被控對(duì)象(如溫度、壓力、流量、液位等)進(jìn)行處理,在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般都會(huì)有瞬時(shí)干擾對(duì)信號(hào)的產(chǎn)生影響,系統(tǒng)采取數(shù)字濾波算法[12],來(lái)降低或消除采樣過(guò)程中的噪聲影響。本設(shè)計(jì)中,PLC采用的數(shù)字濾波算法是平均值計(jì)算法,即對(duì)采樣和模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換得到多個(gè)數(shù)據(jù),用算術(shù)平均值法求平均值,以此平均值作為模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果進(jìn)行處理。算術(shù)平均值法的算法公式為:公式(2.1)其中:N—采樣次數(shù);Xi—第i次采樣值;—平均值。2.3.2PID控制算法設(shè)計(jì) 在控制工程中,PID控制[13]是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律,它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便,結(jié)構(gòu)改變靈活。PID控制表示比例(proportional)—積分(integral)—微分(differential)控制,連續(xù)系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)即為對(duì)誤差的比例、積分、微分。本設(shè)計(jì)中采用的幾種控制算法就是基于PID的,包括位置式PID算法,增量式PID算法,以及在位置式上改進(jìn)的積分分離PID算法、帶死區(qū)的PID算法[13].1.位置式PID算法位置式PID算法如公式2.2所示.?公式(2。2)式中:為積分時(shí)間常數(shù),為微分時(shí)間常數(shù),為控制周期,稱為比例系數(shù),為當(dāng)前時(shí)刻的給定量和檢測(cè)量的偏差。2.增量式PID算法增量式PID算法如公式(2.3)所示。公式(2。3)式中:u(kT)是控制器輸出量的變化量,為當(dāng)前時(shí)刻的給定量和檢測(cè)量的偏差,為上一時(shí)刻的給定量和檢測(cè)量的偏差,為兩個(gè)時(shí)刻前的給定量和檢測(cè)量的偏差,、、、同上。增量式PID算法計(jì)算的是控制器輸出量的變化量u(k),不需要對(duì)偏差進(jìn)行累加??刂破鬏敵隽繛?而.3.積分分離PID算法積分分離PID算法是在位置式PID算法上進(jìn)行改進(jìn)的,需要設(shè)置積分分離閾E0。當(dāng)時(shí),也即偏差值比較小時(shí),采用PID控制,可保證系統(tǒng)的控制精度。當(dāng)時(shí),也即偏差值比較大時(shí),采用PD控制,可使超調(diào)量大幅度降低。積分分離算法可表示為公式2。4.公式(2.4)式中,Kl為邏輯系數(shù),4.帶死區(qū)PID算法帶死區(qū)PID算法是在位置式PID算法上進(jìn)行改進(jìn)的。對(duì)于帶死區(qū)的PID算法,需要設(shè)定死區(qū)值,當(dāng)時(shí),調(diào)節(jié)器的輸出前一個(gè)時(shí)刻的輸出量,即.當(dāng)時(shí),調(diào)節(jié)器才有PID輸出。帶死區(qū)PID算法可表示為公式2。5。公式(2.5)以上幾種基于PID的控制算法在控制效果上有所差異,在第五章中,對(duì)幾種算法分別進(jìn)行整定,并對(duì)各種算法進(jìn)行了比較和分析。基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)硬件選型系統(tǒng)硬件主要由壓力對(duì)象、PLC控制器以及PC計(jì)算機(jī)三個(gè)部分組成。目前世界上不乏生產(chǎn)PLC的廠家,主要的有:德國(guó)的西門子(Siemens)公司,美國(guó)Rockwell公司所屬的AB公司,GE—Fanuc公司,法國(guó)的施耐德(Schneider)公司,日本的三菱和歐姆龍(OMRON)公司.根據(jù)課題的要求和中南大學(xué)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室的條件,這里選用西門子公司的S7-300系列PLC,壓力對(duì)象也選用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的壓力對(duì)象實(shí)驗(yàn)裝置。3.1.1壓力對(duì)象裝置選型該裝置由三個(gè)互相串聯(lián)的不同大小的壓力容器、針型閥、壓力及流量的檢測(cè)[14]、變送、執(zhí)行儀表等組成.從控制角度來(lái)說(shuō),如第二章中圖2。1所示,整個(gè)裝置有三個(gè)壓力檢測(cè)變量(即1#、2#、3#罐的壓力),從中選擇一到兩個(gè)作為被控變量。裝置還有兩個(gè)可控變量,即兩路經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)的壓縮空氣流量。支路1的流量通常作為主控變量,而支路2則作為擾動(dòng)輸入。壓力變送器壓力變送器用于測(cè)量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力,然后將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成4~20mADC信號(hào)輸出。壓力變送器主要有電容式壓力變送器和擴(kuò)散硅壓力變送器,陶瓷壓力變送器,應(yīng)變式壓力變送器等。一般意義上的壓力變送器主要由測(cè)壓HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/1141392。htm"\t"_blank"元件傳感器(也稱作壓力傳感器)、HYPERLINK”http://baike.b/view/2132600.htm"\t"_blank"測(cè)量電路和過(guò)程連接件三部分組成.它能將測(cè)壓元件傳感器感受到的HYPERLINK”http://baike。baidu。com/view/10082.htm"\t"_blank"氣體、液體等物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)(如4~20mADC等),以供給HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/60869.htm"\t"_blank"指示報(bào)警儀、HYPERLINK"http://baike。baidu。com/view/1648169。htm”\t"_blank"記錄儀、調(diào)節(jié)器等HYPERLINK”http://baike。baidu.com/view/1302249.htm”\t”_blank”二次儀表進(jìn)行測(cè)量、指示和過(guò)程調(diào)節(jié).本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,壓力變送器采用湖南立升信息設(shè)備有限公司的型號(hào)為LSYB變送器,如圖3.1所示,其量程均為0~80KPa,輸出信號(hào)為4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。電動(dòng)執(zhí)行器電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一種能提供直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置,它利用某種驅(qū)動(dòng)能源并在某種控制信號(hào)作用下工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用液體、氣體、電力或其它能源并通過(guò)電機(jī)、氣缸或其它裝置將其轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)作用。目前的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含了位置感應(yīng)裝置,力矩感應(yīng)裝置,電極保護(hù)裝置,邏輯控制裝置,數(shù)字通訊模塊及PID控制模塊等,而這些裝置全部安裝在一個(gè)緊湊的外殼內(nèi).本設(shè)計(jì)中選用湖南立升信息設(shè)備有限公司的型號(hào)為L(zhǎng)SDZ的電子式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),如圖3.2所示,其動(dòng)作范圍為0~90°,定位精度和位置反饋精度均為0.6%,輸入輸出信號(hào)均為4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。圖3。1LSYB壓力變送器圖3.2LSDZ電子式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)3。1.2PLC控制器選型本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用西門子S7—300PLC為控制器,因?yàn)槲鏖T子S7-300系列PLC功能強(qiáng)大,采用模塊化設(shè)計(jì),有中央處理單元(CPU)、各種信號(hào)模塊(SM)、通信模塊(CP)、功能模塊(FM)、電源模塊(PS)、接口模塊(IM)等,有多種規(guī)格的CPU可供選擇。本系統(tǒng)采用西門子S7-300系列,CPU為315-2DP的PLC.它執(zhí)行指令時(shí)間短,掃描1000條指令不需10ms,足以滿足控制的時(shí)間要求。S7-300PLC的結(jié)構(gòu)S7-300系列PLC[15]采用緊湊的、無(wú)槽位限制的的模塊化組合結(jié)構(gòu),根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同,可選擇不同型號(hào)和數(shù)量的模塊,根據(jù)系統(tǒng)的需求,實(shí)驗(yàn)選用的PLC含有中央處理單元(CPU)、各種信號(hào)模塊(SM)、通信模塊(CP)、功能模塊(FM)、電源模塊(PS)、接口模塊(IM)等,結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。CPU315-2DP模塊CPU315-2DP(315-2AG10-OAB0)模塊本身沒(méi)有集成I/O通道,帶有MPI(多點(diǎn)接口)和PROFIBUS—DP接口。模塊執(zhí)行指令的周期短(每條指令執(zhí)行時(shí)間us級(jí)),指令豐富。SM323數(shù)字量輸入/輸出模板SM323-1BH01-0AA0數(shù)字量輸入/輸出DI8/DO8×24VDC/0。5A模板具有以下顯著特性:8個(gè)輸入點(diǎn),帶隔離,8點(diǎn)為一組8?jìng)€(gè)輸出點(diǎn),帶隔離,8點(diǎn)為一組額定輸入電壓24VDC額定負(fù)載電壓24VDC適用于電磁閥、直流接觸器和指示燈模擬量輸入/輸出模板SM334模擬量輸入/輸出模板SM334—AI4/AO2×8/8位(334-0CE01—0AA0)具有以下特性和特點(diǎn):四輸入通道和兩輸出通道,精度8位,測(cè)量范圍和輸出范圍為0~10V或0~20mA,不帶隔離的負(fù)載電壓.CPU只能以二進(jìn)制處理模擬值。模擬量輸入模板可以將模擬過(guò)程信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。模擬量輸出模板可以將數(shù)字輸出值轉(zhuǎn)換為一個(gè)模擬信號(hào)。通訊模塊CP343-1(343-1EX20-0XEO)該模塊用來(lái)連接SIMATICS7-300PLC和工業(yè)以太網(wǎng),10/100Mbit/s全雙工,可以自動(dòng)切換。該模塊具有自身的處理器,在工業(yè)以太網(wǎng)上獨(dú)立處理自己數(shù)據(jù),它分擔(dān)CPU的通訊任務(wù)并允許其他連接。通過(guò)CP343-1,S7-300可與計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面裝置設(shè)備進(jìn)行通訊、編程.在本系統(tǒng)中通訊模塊CP343-1通過(guò)RJ45水晶接頭和集線器相連,然后連接到上位機(jī),實(shí)現(xiàn)PLC和上位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。1。電源模塊2。后備電池3.24VDC連接器4.模式開關(guān)5.狀態(tài)和故障指示燈6。存儲(chǔ)器卡(CPU313以上)7。MPI多點(diǎn)接口8.前連接器9。前蓋圖3.3S7-300PLCPS307電源模塊(5A)PS307—1EAX0-0AA0電源模塊(5A(chǔ))具有以下特性:輸出電流5A,輸出電壓24VDC,防短路和開路保護(hù),連接單相交流系統(tǒng)(輸入電壓120/230VAC,50/60Hz),可靠的隔離特性,符合EN60950,可用作負(fù)載電源。3。2系統(tǒng)硬件的連接與通訊系統(tǒng)的硬件連接主要包括兩個(gè)方面,一是PLC與壓力對(duì)象裝置之間的連接,二是PLC與PC計(jì)算機(jī)之間的通訊。3.2。1PLC與壓力對(duì)象裝置的連接壓力對(duì)象裝置的儀表控制柜的面板上有壓力變送器輸出信號(hào)端PT1、PT2、PT3以及電動(dòng)閥輸入信號(hào)端VL1、VL2,用導(dǎo)線將其連接到PLC實(shí)驗(yàn)臺(tái)接線板相應(yīng)的端口,具體可參見下面圖3。4的接線說(shuō)明,這樣即可實(shí)現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)采集與輸出。由于系統(tǒng)選用的壓力變送器輸出信號(hào)和電動(dòng)閥輸入信號(hào)都是4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào),所以都選用電流端口。圖3.4PLC與壓力對(duì)象接線說(shuō)明圖3。4中,AI—/AO—是指模擬量輸入輸出的公共端.PT1、PT2、PT3分別指1號(hào)罐壓力、2號(hào)罐壓力、3號(hào)罐壓力的變送器接線端,F(xiàn)1、F2分別指支路1和支路2閥門的接線端。3.2。2PLC與PC計(jì)算機(jī)間的連接與通訊系統(tǒng)中PLC與PC計(jì)算機(jī)之間采用的是TCP/IP通訊方式,即PLC的通訊模塊通過(guò)雙絞線連接到交換機(jī),PC計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡也用一根雙絞線連接到交換機(jī),從而PLC控制器和PC計(jì)算機(jī)可以通過(guò)IP協(xié)議進(jìn)行通訊.PLC通信參數(shù)設(shè)置在用STEP7對(duì)PLC硬件組態(tài)時(shí),需要設(shè)置PLC的通信參數(shù).如圖3.5所示,STEP7中的PLC工程的連接設(shè)備名稱需和本地計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡相同。配置通訊模塊時(shí),PLC的CPU模塊的IP地址需和計(jì)算機(jī)的IP一致。圖3.5PLC通信參數(shù)設(shè)置示意圖Wincc通信參數(shù)設(shè)置使用WinCC編制監(jiān)控程序,也需要設(shè)置WinCC通信參數(shù)。如圖3.6所示,WinCC項(xiàng)目的邏輯連接設(shè)備名稱需和計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡相同,項(xiàng)目的IP協(xié)議也需要和PC機(jī)的IP一致。圖3。6WinCC通信參數(shù)設(shè)置示意圖基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)基于PLC的壓力控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC控制程序的設(shè)計(jì)和上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)。4.1PLC控制程序PLC控制程序的開發(fā)是在STEP7軟件平臺(tái)上進(jìn)行的,連接好系統(tǒng)硬件后,打開STEP7軟件,首先需要新建一個(gè)工程,然后對(duì)該工程進(jìn)行系統(tǒng)硬件組態(tài),并在CPU模塊上用梯形圖語(yǔ)言編寫數(shù)據(jù)采樣、數(shù)字濾波、PID控制算法等程序。4.1.1STEP7軟件介紹STEP7編程軟件是用于SIMATICS7編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具,是SIMATIC工業(yè)軟件的重要組成部分。STEP7具有硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測(cè)試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等.將PC機(jī)連接到MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上[16]后,可以在STEP7中,用項(xiàng)目來(lái)管理系統(tǒng)的硬件和軟件,進(jìn)行硬件的配置和控制程序的編程等。STEP7標(biāo)準(zhǔn)軟件包中集成了用于S7—300和S7-400的編程語(yǔ)言,即梯形邏輯圖(LadderLogic)、語(yǔ)句表(StatementList)和功能塊圖(FunctionBlockDiagram)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用梯形邏輯圖(LAD)編程,它的指令語(yǔ)法與一個(gè)繼電器的梯形邏輯圖相似。4。1。2PLC硬件組態(tài)PLC的硬件組態(tài)是編寫控制程序的前提。在STEP7軟件平臺(tái)上創(chuàng)建一個(gè)工程,如圖4。1所示,然后分別配置好CPU模塊、電源模塊、通信模塊、DI/DO模塊、AI/AO模塊,如圖4.2所示。圖4.1新建工程YT_Pro圖4.2硬件組態(tài)窗口4.1.3PLC控制程序的實(shí)現(xiàn)PLC控制程序的設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)化編程[17]的思想,即將復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)分解為小任務(wù),這些任務(wù)由相應(yīng)的邏輯塊(OB、FC)來(lái)表示,程序運(yùn)行時(shí)所需的大量數(shù)據(jù)和變量存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)塊(DB)中。調(diào)用時(shí)將“實(shí)參”賦值給形參。定義共享數(shù)據(jù)塊(DB)PLC控制程序和實(shí)時(shí)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)時(shí),需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)用。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用是通過(guò)定義共享數(shù)據(jù)塊(DB1)實(shí)現(xiàn)的。共享數(shù)據(jù)塊是用來(lái)存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)域,供所有的塊共享。數(shù)據(jù)塊[18]中沒(méi)有STEP7的指令,STEP7按數(shù)據(jù)生成的順序自動(dòng)地為數(shù)據(jù)塊中的變量分配地址。在CPU模塊下,創(chuàng)建共享數(shù)據(jù)塊DB,依次寫入系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的變量名,以及其數(shù)據(jù)類型和初始值,STEP7自動(dòng)給各個(gè)變量分配地址。這樣,在編寫梯形圖程序的時(shí)候可以對(duì)這些變量進(jìn)行調(diào)用和存儲(chǔ),WinCC編制監(jiān)控界面時(shí)也可以連接到這些變量.共享數(shù)據(jù)塊(DB)的定義如圖4.3所示。2.PLC控制主程序PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式,主程序采用組織塊OB1來(lái)編寫的,OB是用于循環(huán)處理的組織塊(主程序),是操作系統(tǒng)與用戶程序的接口,決定用戶程序的結(jié)構(gòu).組織塊控制掃描循環(huán)和中斷程序的執(zhí)行、PLC的啟動(dòng)和錯(cuò)誤處理等,它可以調(diào)用別的邏輯塊,或被中斷程序(組織塊)中斷。開始控制后,PLC主程序首先調(diào)用采樣濾波子程序,采集氣罐氣體壓力信號(hào)。然后讀取控制參數(shù),如果選擇手動(dòng)控制的方式,則直接將手動(dòng)輸出值輸出給閥門,控制閥門開度.如果選擇自動(dòng)控制的方式,則調(diào)用PID控制算法子程序,用選擇的控制算法計(jì)算閥門開度并輸出控制閥門.選擇結(jié)束后,系統(tǒng)將結(jié)束控制。PLC控制主程序流程框圖見圖4。4。圖4.3共享數(shù)據(jù)塊(DB)的定義圖4。4PLC控制主程序流程框圖3.PLC子程序PLC控制程序的子程序由采樣濾波子程序、PID控制算法子程序、位置式PID算法子程序、增量式PID算法子程序、積分分離PID算法子程序、帶死區(qū)PID算法子程序組成。子程序采用邏輯塊功能(FC)來(lái)編寫的,將任務(wù)模塊化,在主程序中對(duì)其進(jìn)行調(diào)用即可。功能(FC)沒(méi)有固定的存儲(chǔ)區(qū)的塊,其臨時(shí)變量存儲(chǔ)在局域數(shù)據(jù)堆棧中,功能執(zhí)行結(jié)束后,這些數(shù)據(jù)就丟失了。用共享數(shù)據(jù)區(qū)來(lái)存儲(chǔ)那些在功能執(zhí)行結(jié)束后需要保存的數(shù)據(jù)。=1\*GB3①采樣濾波子程序采樣濾波子程序?qū)⒉杉哪M量進(jìn)行數(shù)字濾波處理,來(lái)消除工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)瞬時(shí)干擾對(duì)模擬量信號(hào)的影響,由功能FC1編寫。在本設(shè)計(jì)中,采用算術(shù)平均值濾波的方式。在程序中,采樣7次,減去最大值和最小值,再除以5求平均,得出濾波后的結(jié)果。采樣濾波子程序流程框圖如圖4.5所示。圖4。5采樣濾波子程序流程框圖=2\*GB3②PID控制算法子程序PID控制算法子程序是用來(lái)管理系統(tǒng)調(diào)用何種PID算法的一個(gè)子程序,在PID算法子程序中,有四種PID控制算法進(jìn)行選擇,用戶根據(jù)需要選擇調(diào)用相應(yīng)的控制算法,該程序采用功能FC3編寫。PID控制算法子程序流程框圖如圖4.6所示.圖4。6PID控制算法子程序流程框圖③位置式PID算法子程序位置式PID算法結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單,該子程序采用功能FC30編寫。程序中,首先讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值,然后計(jì)算偏差,輸出PID公式計(jì)算的輸出值u(KT)。該子程序流程框圖如圖4.7所示.④增量式PID算法子程序增量式PID算法子程序用功能FC31編寫,相比位置式PID算法,增量式PID算法計(jì)算控制量的變化,不需要進(jìn)行偏差的累加.程序讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值,計(jì)算偏差,當(dāng)偏差小于死區(qū)值時(shí),控制量的變化為0;當(dāng)偏差大于死區(qū)值時(shí),則用增量式PID公式計(jì)算控制量的變化u(KT),最后輸出。該子程序流程框圖如圖4.8所示。⑤積分分離PID算法子程序積分分離PID算法是在位置式PID算法上進(jìn)行改進(jìn)的,該子程序采用功能FC32編寫。程序中,首先讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值,然后計(jì)算偏差,并對(duì)偏差和積分分離閾值進(jìn)行比較,當(dāng)偏差大于閾值時(shí),邏輯系數(shù)為0,系統(tǒng)沒(méi)有積分作用,輸出PD運(yùn)算結(jié)果;當(dāng)偏差小于閾值時(shí),邏輯系數(shù)為1,系統(tǒng)有積分作用,輸出PID運(yùn)算結(jié)果.該子程序流程框圖如圖4。9所示.圖4.7位置式PID算法子程序流程框圖圖4.8增量式PID算法子程序流程框圖圖4。9積分分離PID算法子程序流程圖圖4.10帶死區(qū)PID算法子程序流程框圖⑥帶死區(qū)式PID算法子程序帶死區(qū)PID算法是在位置式PID算法上進(jìn)行改進(jìn)的,該子程序采用功能FC33編寫.程序中,首先讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值,然后計(jì)算偏差,并對(duì)偏差和控制死區(qū)值進(jìn)行比較,當(dāng)偏差小于死區(qū)值時(shí),輸出前一個(gè)狀態(tài)的輸出值u(KT-T);當(dāng)偏差大于死區(qū)值時(shí),則用位置式PID公式計(jì)算輸出值u(KT),并輸出。該子程序流程框圖如圖4.10所示。=7\*GB3⑦輸出子程序輸出子程序采用FC4編寫,程序?qū)⑤敵鲋迪薹?~100,并線性轉(zhuǎn)換成4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào),輸出給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。輸出子程序流程框圖如圖4.11所示.圖4.11輸出子程序流程框圖4.2上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序[19]是在組態(tài)軟件WinCC平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)的.用組態(tài)軟件編制的監(jiān)控程序包括首頁(yè)、工藝流程圖、實(shí)時(shí)監(jiān)控界面、系統(tǒng)介紹界面,其中實(shí)時(shí)監(jiān)控界面中有壓力曲線圖和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圖等。在裝有WinCC的PC機(jī)上,監(jiān)控程序只要被激活,就可以作為實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件使用。4。2.1WinCC組態(tài)軟件介紹西門子組態(tài)軟件WinCC[20]是windowsControlCenter(視窗控制中心)的簡(jiǎn)稱,是第一個(gè)使用最新的32位技術(shù)的過(guò)程監(jiān)視系統(tǒng),具有良好的開放性和靈活性。軟件集成了SCADA、組態(tài)、腳本語(yǔ)言、OPC等先進(jìn)技術(shù),提供了Windows操作系統(tǒng)(Windows2000或XP)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。WinCC繼承了西門子公司的全集成自動(dòng)化產(chǎn)品的先進(jìn)技術(shù)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,可形成工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的所需的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線、歸檔以及報(bào)表打?。?1]等。另外WinCC還有對(duì)SIMATICPLC進(jìn)行系統(tǒng)診斷的選項(xiàng),給硬件的維護(hù)提供了方便。WinCC另一個(gè)特點(diǎn)是在于它的整體開放性,它可以方便地與各種軟件和用戶程序組合在一起,建立友好的人機(jī)界面,滿足實(shí)際需要.WinCC基本系統(tǒng)是很多應(yīng)用程序的核心。它包含以下九大部件:=1\*GB3①變量管理器,管理WinCC中所使用的外部變量、內(nèi)部變量和通訊驅(qū)動(dòng)程序。=2\*GB3②圖形編輯器,用于設(shè)計(jì)各種圖形畫面.=3\*GB3③報(bào)警記錄,用于定義報(bào)警的類型和時(shí)間及其相關(guān)的詳細(xì)信息。=4\*GB3④變量歸檔,負(fù)責(zé)處理測(cè)量值,并長(zhǎng)期存儲(chǔ)所記錄的過(guò)程值。=5\*GB3⑤報(bào)表編輯器,提供許多標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)表,也可設(shè)計(jì)各種格式的報(bào)表,并可按照預(yù)定的時(shí)間進(jìn)行打印.=6\*GB3⑥全局腳本,是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員用ANSI-C及VisualBasic編寫的代碼,以滿足項(xiàng)目的需要。=7\*GB3⑦文本庫(kù),編輯不同語(yǔ)言版本下的文本消息.=8\*GB3⑧用戶管理器,用來(lái)分配、管理和監(jiān)控用戶對(duì)組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)的訪問(wèn)權(quán)限。=9\*GB3⑨交叉引用表,負(fù)責(zé)搜索在畫面、函數(shù)、歸檔和消息中所使用的變量、函數(shù)、OLE對(duì)象和ActiveX控件。4.2。2實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的實(shí)現(xiàn)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)在WinCC平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)。WinCC的基本組件包括組態(tài)軟件和運(yùn)行軟件,實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)利用WinCC的組態(tài)軟件開發(fā)和組態(tài)一個(gè)項(xiàng)目,利用WinCC的運(yùn)行軟件對(duì)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.監(jiān)控程序設(shè)計(jì)的流程框圖如圖4.12所示。1.項(xiàng)目的創(chuàng)建和通訊驅(qū)動(dòng)的設(shè)置啟動(dòng)WinCC后,創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目,并選擇和安裝通訊的驅(qū)動(dòng)程序。在該驅(qū)動(dòng)程序下選擇TCP/IP通道單元,建立一個(gè)邏輯連接,并設(shè)置IP地址。如圖4.13所示,這樣該項(xiàng)目即與壓力控制系統(tǒng)建立了連接。圖4。12實(shí)時(shí)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)流程框圖圖4.13TCP/IP通道單元邏輯連接的建立2.內(nèi)部變量和過(guò)程變量的創(chuàng)建通訊連接建立完成后,進(jìn)行內(nèi)部變量和過(guò)程變量的創(chuàng)建。內(nèi)部變量可以作為有寫入并顯示功能的I/O域的變量連接,在WinCC界面上將數(shù)據(jù)寫入PLC中需要內(nèi)部變量搭橋。內(nèi)部變量可以直接在變量管理中新建,并且可以對(duì)其進(jìn)行復(fù)制、剪切、粘貼等.過(guò)程變量是WinCC項(xiàng)目與PLC控制系統(tǒng)連接的變量,可以用作I/O域的變量連接。過(guò)程變量需在邏輯連接“壓力控制”中創(chuàng)建。每個(gè)過(guò)程變量必須分配一個(gè)與PLC中對(duì)應(yīng)的地址,地址類型與對(duì)象有關(guān)。過(guò)程變量創(chuàng)建如圖4。14所示。圖4.14過(guò)程變量創(chuàng)建示意圖3。監(jiān)控界面的創(chuàng)建與編輯在圖形編輯器中,即GraphicsDesign,創(chuàng)建并命名所需的畫面。在對(duì)各畫面進(jìn)行編輯,需先設(shè)計(jì)好畫面之間的切換動(dòng)作,然后逐個(gè)對(duì)各畫面進(jìn)行總體的布局,利用控件創(chuàng)建需要的對(duì)象如按鈕、氣罐、管道、數(shù)據(jù)框、文本框等等,并設(shè)置顏色、大小、C語(yǔ)言觸發(fā)以及其連接的變量等,過(guò)程畫面的編輯如圖4.15所示。圖4.15過(guò)程畫面的編輯4.項(xiàng)目的激活過(guò)程畫面編輯完成后,設(shè)置好WinCC系統(tǒng)的運(yùn)行屬性,激活項(xiàng)目,如圖4。16所示。這樣,監(jiān)控程序開始運(yùn)行。圖4。16激活項(xiàng)目項(xiàng)目激活后,在安裝了WinCC的PC機(jī)上,可以直接打開ye_tian。MCP文件,運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),當(dāng)成監(jiān)控軟件使用。5。系統(tǒng)監(jiān)控界面展示系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)的界面如下,包括系統(tǒng)首頁(yè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控界面、工藝流程圖界面、系統(tǒng)介紹界面。=1\*GB3①系統(tǒng)首頁(yè)系統(tǒng)激活后,首先進(jìn)入的是首頁(yè),如圖4.17所示.點(diǎn)擊按鈕“進(jìn)入系統(tǒng)”進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控界面,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。點(diǎn)擊按鈕“退出系統(tǒng)”即退出系統(tǒng),并關(guān)閉監(jiān)控軟件。圖4.17系統(tǒng)首頁(yè)=2\*GB3②實(shí)時(shí)監(jiān)控界面(一)進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控界面后,選擇被控對(duì)象、手動(dòng)或自動(dòng)以及控制算法。若選擇手動(dòng),設(shè)定好手動(dòng)輸出值,然后點(diǎn)擊按鈕“參數(shù)投運(yùn)",系統(tǒng)將把剛剛設(shè)定的手動(dòng)輸出值給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),控制閥門的開度。若選擇自動(dòng),設(shè)定好各算法相應(yīng)的PID參數(shù)以及給定值,然后點(diǎn)擊按鈕“參數(shù)投運(yùn)”,PLC將通過(guò)對(duì)誤差的PID運(yùn)算計(jì)算輸出值給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的開度,從而使當(dāng)前值越來(lái)越接近給定值。界面上有系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài),如圖4。18所示.圖4.18實(shí)時(shí)監(jiān)控界面---—實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)=3\*GB3③實(shí)時(shí)監(jiān)控界面(二)在實(shí)時(shí)監(jiān)控界面上,點(diǎn)擊按鈕“壓力曲線”查看壓力變化曲線,右上方標(biāo)明了當(dāng)前值、設(shè)定值及閥門開度相應(yīng)的曲線顏色.利用WinCC控件自帶的工具,可以查看設(shè)置哪幾條曲線可見、放大部分曲線,暫停曲線等。界面如圖4.19所示。圖4。19實(shí)時(shí)監(jiān)控界面-——壓力曲線=4\*GB3④工藝流程圖界面工藝流程圖界面可以看到氣罐、管道、閥門以及儀表控制點(diǎn)等,可以幫助用戶了解系統(tǒng)的工藝流程,界面如圖4.20所示。圖4.20工藝流程圖界面=5\*GB3⑤系統(tǒng)介紹界面系統(tǒng)介紹界面有關(guān)于系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件組成和軟件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要介紹,通過(guò)系統(tǒng)介紹界面,用戶可以了解系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)思想,有助于了解和使用系統(tǒng)。界面如圖4.21所示.圖4.21系統(tǒng)介紹界面基于PLC的壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用第五章系統(tǒng)投運(yùn)與調(diào)試第五章系統(tǒng)投運(yùn)與調(diào)試5.1系統(tǒng)運(yùn)行方法系統(tǒng)運(yùn)行的大體順序是需先連接好硬件,然后將STEP7平臺(tái)上創(chuàng)建的工程下載到PLC中,打開WinCC監(jiān)控程序就可以開始對(duì)壓力對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控。具體操作步驟如下:=1\*GB3①按照3。2。1節(jié)中的連接說(shuō)明,連接PLC與壓力對(duì)象裝置。按照3.2.2節(jié)中的,用雙絞線將PC計(jì)算機(jī)和PLC連接到同一個(gè)交換機(jī)上。=2\*GB3②打開PC計(jì)算機(jī)、PLC控制器、壓力對(duì)象裝置(以及空氣壓縮機(jī))等裝置.=3\*GB3③在PC計(jì)算機(jī)上打開STEP7軟件,打開已經(jīng)編寫好的工程YT_Pro,將工程下載到PLC中。=4\*GB3④在PC計(jì)算機(jī)上打開WinCC編好的監(jiān)控程序ye_tian.MCP,即進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)的首頁(yè)。=5\*GB3⑤點(diǎn)擊首頁(yè)上的“進(jìn)入系統(tǒng)”,開始實(shí)時(shí)監(jiān)控。在首頁(yè),若點(diǎn)擊“退出",可以直接退出系統(tǒng)。=6\*GB3⑥進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控界面后,可以點(diǎn)擊界面上的按鈕,開始或結(jié)束控制,也可以切換到系統(tǒng)工藝流程、系統(tǒng)介紹等其他界面,還可以返回到首頁(yè)。=7\*GB3⑦在實(shí)時(shí)監(jiān)控界面下,選擇被控對(duì)象、手動(dòng)或自動(dòng)的控制方式以及PID控制算法,設(shè)置好控制參數(shù),然后點(diǎn)擊“參數(shù)投運(yùn)”,此時(shí)系統(tǒng)開始進(jìn)行控制.此后,也可以對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行修改,改變后,都只需點(diǎn)“參數(shù)投運(yùn)”即可。點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)”或“壓力曲線”可以查看實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖或壓力變化趨勢(shì)。=8\*GB3⑧控制完成后,點(diǎn)擊“結(jié)束”,然后返回首頁(yè),點(diǎn)擊“退出”,即可退出系統(tǒng).5.2系統(tǒng)的調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,主要有這幾個(gè)方面的內(nèi)容:一是硬件間的通訊狀態(tài)的診斷,即各個(gè)模塊之間是否連通并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;二是PID參數(shù)的整定,即找出合適的控制參數(shù),使系統(tǒng)的控制效果達(dá)到最佳。5。2.1硬件間的通訊狀態(tài)的診斷進(jìn)入系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)后,手動(dòng)給定一個(gè)閥門開度(比40稍大即可,因?yàn)殚y門的動(dòng)作死區(qū)約為38.5),查看系統(tǒng)動(dòng)態(tài),觀察當(dāng)前值有無(wú)變化。若有,則說(shuō)明硬件間的通訊正常,可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。若數(shù)據(jù)沒(méi)有變化,或者,顯示當(dāng)前值數(shù)據(jù)框?yàn)榛疑W爍,則說(shuō)明沒(méi)有實(shí)現(xiàn)通訊.本系統(tǒng)可以從兩個(gè)方面進(jìn)行硬件通訊診斷,即為WinCC系統(tǒng)診斷和PLC程序執(zhí)行情況診斷。WinCC項(xiàng)目通訊診斷WinCC軟件自帶一個(gè)項(xiàng)目診斷工具,查看WinCC的診斷工具,如圖5。1所示,查看邏輯連接是否連上。診斷結(jié)果如圖5.2所示。圖5。1WinCC通訊診斷工具圖5.2邏輯連接診斷結(jié)果示意PLC程序的執(zhí)行情況診斷在STEP7軟件中,可以對(duì)PLC梯形圖程序的執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)視,如圖5.3所示,查看有無(wú)數(shù)據(jù)采集、程序執(zhí)行過(guò)程中有無(wú)數(shù)據(jù)變化,同時(shí)還可以檢查程序有否按設(shè)計(jì)方式的執(zhí)行。圖5.3PLC程序執(zhí)行情況監(jiān)視5.2.2PID參數(shù)的整定PID控制普遍運(yùn)用于過(guò)程控制[22]系統(tǒng)中,本設(shè)計(jì)中的四種控制算法就是基于PID運(yùn)算的。每一種算法都需要進(jìn)行PID參數(shù)的整定,找到最合適的Kp、Ti、Td和控制周期T,需要考慮死區(qū)的算法還需選取合適的控制死區(qū),積分分離PID算法需要找到合適的積分分離閾。PID控制算法簡(jiǎn)單,計(jì)算量較少,并且各參數(shù)之間相對(duì)獨(dú)立,易于整定。對(duì)于壓力、液位、流量等對(duì)象的控制,可以采用比例(P)控制、比例積分(PI)控制,也可以采用比例積分微分(PID)控制。比例作用會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。Kp太小,又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢,Kp太大,振蕩次數(shù)加多,調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng),系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。Kp合適,系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏,調(diào)節(jié)速度加快。在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下,Kp加大可以減小穩(wěn)態(tài)誤差,提高控制精度。積分控制可用來(lái)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,因?yàn)橹灰嬖谄?,它的積分所產(chǎn)生的信號(hào)總是用來(lái)消除穩(wěn)態(tài)誤差的,直到偏差為零,積分作用才停止。積分控制通常會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性較低,Ti小,積分作用大,振蕩次數(shù)多,Ti太小會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定.Ti太大,積分作用對(duì)系統(tǒng)作用甚微.只有Ti合適,過(guò)渡特性比較理想,能消除穩(wěn)態(tài)誤差。微分控制的作用,實(shí)質(zhì)上是跟偏差的變化速度有關(guān),也就是微分的控制作用跟偏差的變化率有關(guān)系。微分控制能夠預(yù)測(cè)偏差,產(chǎn)生超前的校正作用,因此,微分控制可以較好地改善動(dòng)態(tài)性能。選擇合適的Td可以減小超調(diào)量,縮短調(diào)節(jié)時(shí)間,允許加大比例控制使穩(wěn)態(tài)誤差減小,提高控制精度.1。位置式PID算法參數(shù)整定PID參數(shù)的整定方法是在其他參數(shù)不變的情況下,改變一個(gè)參數(shù)的值,觀察控制效果,首先確定系統(tǒng)的Kp,然后再調(diào)節(jié)Ti,有需要再調(diào)節(jié)Td和控制周期T。=1\*GB3①Kp的整定對(duì)比例系數(shù)Kp進(jìn)行整定時(shí),應(yīng)將控制周期T、積分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù)Td固定,然后Kp從小到大選擇不同的值進(jìn)行相應(yīng)的比較.在本系統(tǒng)中選擇控制周期T=1.0s,積分時(shí)間常數(shù)Ti=25s,微分時(shí)間常數(shù)Td=0.5s時(shí),Kp分別選擇0.8、1.5、1.8進(jìn)行對(duì)比調(diào)試,如圖5。4所示,結(jié)果表明,Kp=0。8時(shí),超調(diào)較小,系統(tǒng)動(dòng)作靈敏,反應(yīng)速度也較快,為Kp最佳值。=2\*GB3②Ti的整定同理,對(duì)積分時(shí)間Ti進(jìn)行整定時(shí),將控制周期T、比例系數(shù)Kp和微分時(shí)間常數(shù)Td固定,然后Ti從小到大選擇不同的值進(jìn)行相應(yīng)的比較。本系統(tǒng)中選擇控制周期T=1.0s,比例系數(shù)Kp=0.8,微分時(shí)間常數(shù)Td=0s時(shí),Ti分別選擇30s和28s進(jìn)行對(duì)比調(diào)試,如圖5。5所示,結(jié)果表明Ti=28時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差最小,振蕩次數(shù)也較少。圖5.4位置式Ti=25s,Td=0.5s,T=1.0s時(shí),Kp=1.8和Kp=0.8的曲線比較圖5。5位置式Kp=0.8,Td=0s,T=1.0s時(shí),Ti=30s和Ti=28s的曲線比較=3\*GB3③Td的整定對(duì)微分時(shí)間Td進(jìn)行整定時(shí),將控制周期T、比例系數(shù)Kp和積分時(shí)間常數(shù)Ti固定,然后Td從小到大選擇不同的值進(jìn)行相應(yīng)的比較。本系統(tǒng)中選擇控制周期T=1。0s,比例系數(shù)Kp=0。8,微分時(shí)間常數(shù)Td=0s時(shí),Ti分別選擇30s和28s進(jìn)行對(duì)比調(diào)試,如圖5.6所示,結(jié)果表明Td=0。5s時(shí),系統(tǒng)更早進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能更好。圖5.6位置式Kp=0。8,Ti=25s,T=1。0s時(shí),Td=0s和Td=0.5s的曲線比較經(jīng)過(guò)調(diào)試,得出了位置式PID算法控制的最佳參數(shù)為Kp=0.8,Ti=28s,Td=0.5s,T=1.0s,最佳曲線見圖5。7.圖5.7位置式Kp=0.8,Ti=28s,Td=0.5s,T=1.0s時(shí)的最佳曲線位置式PID算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不過(guò)位置式PID的輸出u(kT)是全量輸出,是執(zhí)行機(jī)構(gòu)所應(yīng)達(dá)到的位置(如閥門的開度),調(diào)節(jié)器的輸出u(kT)跟過(guò)去的狀態(tài)有關(guān),計(jì)算機(jī)的運(yùn)算工作量大,需要對(duì)e(kT)做累加,而且,計(jì)算機(jī)的故障有可能使u(kT)做大幅度的變化,這種情況在生產(chǎn)中一般是不容許的,而且有些場(chǎng)合可能會(huì)造成嚴(yán)重的事故.2.增量式PID算法參數(shù)整定增量式PID算法不需要進(jìn)行偏差的累加,相比位置式PID算法,計(jì)算量大大減小。對(duì)于增量式算法,同樣需要整定Kp、Ti、Td以及T,同上,調(diào)試過(guò)程中先確定合適Kp,使系統(tǒng)反應(yīng)速度較快,同時(shí)超調(diào)又較小。然后對(duì)Ti進(jìn)行整定,使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差盡可能小,系統(tǒng)震蕩次數(shù)在可以接受的范圍。如果有必要的話,對(duì)Td和控制周期T進(jìn)行調(diào)整,使系統(tǒng)性能更加理想。=1\*GB3①Kp、Ti、Td和T的整定增量式算法Kp、Ti、Td和T的整定方法和位置式相同,其他參數(shù)不變的情況下,改變一個(gè)參數(shù)的值,觀察控制效果,首先確定系統(tǒng)的Kp,然后再調(diào)節(jié)Ti,有需要再調(diào)節(jié)Td和控制周期T。對(duì)Kp的整定,如圖5。8所示,選擇Ti=25s,Td=0s,T=1.0s,比較Kp=1.6和Kp=0.8的調(diào)試效果,結(jié)果表明,Kp=1.6時(shí),超調(diào)較小,系統(tǒng)動(dòng)作靈敏,反應(yīng)速度也較快,為Kp最佳值。圖5.8增量式Ti=25s,Td=0s,T=1.0s時(shí),Kp=1。6和Kp=0。8的曲線比較同理,對(duì)Ti的整定,如圖5.9所示,選擇Kp=1。6,Td=0s,T=1.0s時(shí),比較Ti=30s和Ti=25s的控制效果,結(jié)果表明,Ti=25時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差最小,振蕩次數(shù)也較少.對(duì)Td的整定,如圖5.10所示,選擇Kp=1.6,Ti=25s,T=1.0s時(shí),比較Td=0s和Td=0。5s的控制效果,結(jié)果表明,Td=0s時(shí),系統(tǒng)更早進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能更好。圖5.9增量式Kp=1。6,Td=0s,T=1。0s時(shí),Ti=30s和Ti=25s的曲線比較圖5.10增量式Kp=1.6,Ti=25s,T=1。0s時(shí),Td=0s和Td=0.5s的曲線比較經(jīng)過(guò)調(diào)試,得出增量式PID算法控制的最佳參數(shù)為Kp=1.6,Ti=25s,Td=0s,T=1.0s,最佳曲線見圖5。11。圖5.11增量式Kp=1。6,Ti=25s,Td=0s,T=1.0s時(shí)的最佳曲線增量式算法雖然只是算法上的一點(diǎn)改動(dòng),卻有不少的優(yōu)點(diǎn):計(jì)算機(jī)(數(shù)字調(diào)節(jié)器)只輸出增量,計(jì)算機(jī)誤動(dòng)作時(shí)造成的影響比較小;手動(dòng)—自動(dòng)切換的沖擊小;算式中不需要做累加,增量只跟最近的幾次采樣值有關(guān),容易獲得較好的控制效果。由于式中無(wú)累加,消除了當(dāng)偏差存在時(shí)發(fā)生飽和的危險(xiǎn)。特別是,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)在增量式算法的基礎(chǔ)上也加入了死區(qū)控制,控制死區(qū)選為0.5Kpa,減少了被控對(duì)象值在設(shè)定值附近的變動(dòng),從而使得系統(tǒng)更加完善。3。積分分離PID算法參數(shù)整定對(duì)于積分分離算法是在位置式PID算法的基礎(chǔ)上,加入了積分分離閾,即當(dāng)偏差大于閾值時(shí),使積分作用無(wú)效,采用PD控制,當(dāng)偏差小于閾值時(shí),積分作用才起作用,采用PID控制。積分分離算法的參數(shù)整定,除整定Kp、Ti、Td、T外,還需整定積分分離閾值.Kp、Ti、Td、T的整定和前面位置式PID算法的一致,經(jīng)過(guò)比較,確定Kp=2.0時(shí),超調(diào)較小,系統(tǒng)動(dòng)作靈敏,反應(yīng)速度也較快;Ti=25s時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差最小,振蕩次數(shù)也較少;Td=0s,沒(méi)有加入微分作用。對(duì)于積分分離閾值的整定,為了更好地觀察控制效果,這里將時(shí)間軸由原來(lái)的10分鐘調(diào)整為3分鐘,控制曲線更清晰和直觀。圖5。12、圖5。13和圖5.14是在Kp=2.0、Ti=25s、Td=0s、T=1.0s時(shí),積分分離閾分別為30Kpa、20Kpa和35Kpa的曲線圖。圖5。12積分分離式Kp=2.0、Ti=25s、Td=0s、T=1.0s,積分閾為30Kpa時(shí)的曲線圖圖5.13積分分離式Kp=2。0、Ti=25s、Td=0s、T=1.0s,積分閾為20Kpa時(shí)的曲線圖圖5.14積分分離式Kp=2。0、Ti=25s、Td=0s、T=1。0s,積分閾為35Kpa時(shí)的曲線圖通過(guò)對(duì)比,結(jié)果表明,積分分離閾=30Kpa時(shí),系統(tǒng)超調(diào)量最小,反應(yīng)也較快,系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。因此,積分分離式的最佳參數(shù)為Kp=2.0,Ti=25s,Td=0s,T=1。0s,積分閾值=30Kpa,如圖5.15所示,此時(shí)控制效果最佳。圖5。15積分分離式Kp=2.0,Ti=25s,Td=0s,T=1.0s,積分閾值=30Kpa時(shí)的最佳曲線系統(tǒng)中加入積分校正以后,會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)量,這對(duì)某些生產(chǎn)過(guò)程是絕對(duì)不允許的,引進(jìn)積分分離算法,既保持了積分的作用,又減小了超調(diào)量,使得控制性能有了較大的改善。4.帶死區(qū)PID算法參數(shù)整定帶死區(qū)PID算法是在位置式PID算法的基礎(chǔ)上,加入了控制死區(qū)。積分分離算法的參數(shù)整定,除整定Kp、Ti、Td、T外,還需整定控制死區(qū)值.Kp、Ti、Td、T的整定過(guò)程與位置式PID的一樣,經(jīng)過(guò)比較,確定Kp=0.8時(shí),超調(diào)較小,系統(tǒng)動(dòng)作靈敏,反應(yīng)速度也較快;Ti=35s時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差最小,振蕩次數(shù)也較少;Td=0s,沒(méi)有加入微分作用.對(duì)于控制死區(qū)值的整定,與前面積分分離閾值的整定一樣,為了更好地觀察控制效果,將時(shí)間軸調(diào)整為3分鐘,使控制曲線更清晰和直觀。圖5.16、圖5。17和圖5.18是在Kp=0.8、Ti=35s、Td=0s、T=1.0s時(shí),控制死區(qū)分別為1.0Kpa、0.5Kpa和0.2Kpa時(shí)的曲線圖。通過(guò)對(duì)比,結(jié)果表明,控制死區(qū)選擇0。2Kpa時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)定性較好,.因此,帶死區(qū)PID算法的最佳參數(shù)為Kp=0。8,Ti=35s,Td=0s,T=1。0s,控制死區(qū)=0。2,此時(shí),可以得到最好的控制效果,最佳調(diào)試曲線如圖5.19所示。圖5.16帶死區(qū)式Kp=0.8,Ti=35s,Td=0s,T=1.0s,控制死區(qū)=1.0Kpa時(shí)的控制曲線圖5.17帶死區(qū)式Kp=0.8,Ti=35s,Td=0s,T=1。0s,控制死區(qū)=0。5Kpa時(shí)的控制曲線圖5.18帶死區(qū)式Kp=0.8,Ti=35s,Td=0s,T=1.0s,控制死區(qū)=0.2Kpa時(shí)的控制曲線圖5.19帶死區(qū)式Kp=0.8,Ti=35s,Td=0s,T=1。0s,控制死區(qū)=0.2Kpa時(shí)的最佳曲線帶死區(qū)PID控制在常規(guī)的位置式PID基礎(chǔ)上加入了控制死區(qū),這樣可以減少當(dāng)前值在目標(biāo)值附近的變動(dòng),電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作不會(huì)那么頻繁,從而延長(zhǎng)的其使用壽命.帶死區(qū)PID適用于要求控制作用少變動(dòng)的場(chǎng)合。5.2.3調(diào)試過(guò)程中的問(wèn)題及其解決辦法=1\*GB3①上位機(jī)STEP7平臺(tái)下的工程和PLC通訊失敗,工程無(wú)法下載到PLC中。解決辦法:PC計(jì)算機(jī)與PLC之間采用TCP/IP通訊協(xié)議進(jìn)行通訊,所以要確保計(jì)算機(jī)的IP地址和PLC的IP地址再同一個(gè)網(wǎng)段才行,檢查兩者的IP設(shè)置,并進(jìn)行修改。=2\*GB3②WinCC項(xiàng)目從一臺(tái)計(jì)算機(jī)拷到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上后,無(wú)法激活。解決辦法:WinCC項(xiàng)目在建立時(shí),會(huì)根據(jù)當(dāng)前的計(jì)算機(jī)確定計(jì)算機(jī)名,兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的名稱是不一樣的,所以導(dǎo)致項(xiàng)目不是本地文件,無(wú)法激活.需將WinCC項(xiàng)目的計(jì)算機(jī)名改成和新PC機(jī)一致。=3\*GB3③項(xiàng)目激活后,實(shí)時(shí)監(jiān)控界面上連接過(guò)程變量的輸入輸出域?yàn)榛疑?,且沒(méi)有變化.解決辦法:利用WinCC自帶的工具進(jìn)行檢測(cè)打開開始WinCCToolsChannelDiagnosis,查看WinCC項(xiàng)目的通訊情況,若為紅色的叉,則通訊失敗,需重新配置通信參數(shù)。若為綠色的勾,則說(shuō)明通訊成功,是輸入輸出域連接的變量有問(wèn)題,確認(rèn)變量名稱、變量的數(shù)據(jù)類型、地址、變化時(shí)間是否正確。=4\*GB3④壓力對(duì)象的量程為0~80Kpa,但是輸入線性轉(zhuǎn)換得到的都是0~100的電壓當(dāng)前值,如何解決量程不一致的問(wèn)題。解決方案:在數(shù)據(jù)塊中創(chuàng)建一組新的變量,將1、2、3號(hào)罐的壓力當(dāng)前值以及濾波后的結(jié)果乘以0.8,存入前面創(chuàng)建的一組變量中,在顯示和PID計(jì)算時(shí),使用這樣一組變量即可。=5\*GB3⑤項(xiàng)目激活后,監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)沒(méi)有變化,一直顯示最初的數(shù)據(jù)。解決方法:a.打開梯形圖程序監(jiān)視工具,查看程序有無(wú)執(zhí)行,相應(yīng)的變量有無(wú)數(shù)據(jù)變化。b。查看WinCC項(xiàng)目中過(guò)程變量的地址是否出錯(cuò),其需和STEP7中的數(shù)據(jù)塊中分配的地址一致,若不一致,需進(jìn)行修改.c.WinCC項(xiàng)目中,過(guò)程畫面編輯過(guò)程中,使用了C-Action來(lái)編輯按鈕等控件的動(dòng)作.檢查C語(yǔ)言中的變量名稱是否完全正確,可能會(huì)出現(xiàn)寫錯(cuò)、大小寫不一致等情況,這屬于與粗心引起的錯(cuò)誤,需使其和定義的變量完全一致?;赑LC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用第六章總結(jié)與展望第六章總結(jié)與展望6。1課題研究總結(jié)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,PLC向著小型化、專用化、大容量、高速度和智能化的方向發(fā)展,性價(jià)比不斷提高,廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中.組態(tài)軟件的出現(xiàn),改變了工控領(lǐng)域的用戶通過(guò)手工或委托第三方編寫HMI應(yīng)用,開發(fā)時(shí)間長(zhǎng),效率低,可靠性差;選擇余地小,不能滿足用戶需求;難與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互以及升級(jí)和增加功能都受到嚴(yán)重的限制的現(xiàn)狀,使用戶可以利用組態(tài)軟件的功能,構(gòu)建一套最適合自己的應(yīng)用系統(tǒng)。基于PLC的壓力過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),利用了PC計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)能力、PLC抗干擾能力強(qiáng)、適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn),融合了先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)[23]、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和軟件技術(shù),具有可靠性高、維護(hù)容易等特點(diǎn)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力對(duì)象的測(cè)量、自動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控,具有人機(jī)交互功能,監(jiān)控軟件界面美觀,操作起來(lái)簡(jiǎn)單明了,程序使用方便靈活,可移植性較高,實(shí)現(xiàn)了課題的要求。以下是對(duì)系統(tǒng)的幾點(diǎn)總結(jié)。=1\*GB3①系統(tǒng)中控制算法的選擇是影響系統(tǒng)性能的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。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.系統(tǒng)采用PID控制,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、參數(shù)的整定也方便。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了位置式、增量式、積分分離式、帶死區(qū)式四種PID算法,可以適應(yīng)被控對(duì)象的特性,實(shí)現(xiàn)達(dá)到很好的控制效果。=2\*GB3②PLC采用的算法平均值法進(jìn)行數(shù)字濾波處理,即對(duì)采樣和模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換得到多個(gè)數(shù)據(jù),用算術(shù)平均值法求平均值,以此平均值作為模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果進(jìn)行處理。這樣很好地降低或消除了采樣過(guò)程中的噪聲影響,使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。=3\*GB3③系統(tǒng)有良好的人際交互界面,在PC計(jì)算機(jī)上借助西門子WinCC組態(tài)軟件,編制實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件,用戶可以直接在PC機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)視并控制壓力對(duì)象。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面以選項(xiàng)卡的形式構(gòu)成,從系統(tǒng)首頁(yè)進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控后,用戶可以輕松點(diǎn)選,進(jìn)入各個(gè)界面.系統(tǒng)介紹界面可以幫助用戶了解和使用該控制系統(tǒng).=4\*GB3④系統(tǒng)PLC控制器與PC計(jì)算機(jī)之間采用的是TCP/IP通訊方式,即PLC的通訊模塊通過(guò)雙絞線連接到交換機(jī),PC計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡也用一根雙絞線連接到交換機(jī),從而PLC控制器和PC計(jì)算機(jī)可以通過(guò)IP協(xié)議進(jìn)行通訊。這種通訊方式連接簡(jiǎn)單,操作方便.6.2后續(xù)工作展望基于PLC的壓力過(guò)程控制系統(tǒng)達(dá)到了課題設(shè)計(jì)的要求,但是由于時(shí)間的關(guān)系,還存在很多不足的地方??梢葬槍?duì)以下幾點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善,使其更適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng),在過(guò)程控制領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。=1\*GB3①??刂扑惴ㄟM(jìn)一步優(yōu)化。在控制系統(tǒng)中,串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)改善控制過(guò)程的品質(zhì)極為有效,它改善了單回路系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)
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