基于PLC的温度串级控制.pdf

自动 化 1 ． 广 东 摘要 介绍 了对 于控 于它 的精确数学模型 响应时 间等方面有了 关键词 串级控制 ； 中图分类 号T P 3 1 2 文献标识码A 文章编号 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 1 1 0 0 0 3 8 - 0 5 Te mp e r a t u r e Ca s c a d e Co n t r o l S y s t e m Ba s e d o n Pr o g r a mma b l e Lo g i c Co n t r o l l e r L I N Xu e me i ． HE Xi a n g s h a n f 1 ．Gu a n g d o n g S o n g s a n P o l y t e c h n i c C o H e g e ， S h a o g u a n 5 1 2 1 2 6 ， C h i n a ； 2 ． S h a o g u a n I r o n a n d S t e e l Gr o u p ， S h a o g u a n 5 1 2 1 2 3 ， C h i n a Abs t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e t e mp e r a t u r e s y s t e m o f l o n g t i me c o n s t a n t a n d c a p a c i t y l a g s ， u s e d c a s c a d e PI D c o n t r o l s y s t e m t O a c h i e v e d e ffe c - t i v e c o n t r o l s c he me ．Be c a u s e i t i s d i ffic u l t t o d e t e r mi n e t h e p r e c i s e ma t h e ma t i c a l mo d e l ，s t e p t u n i n g me t h o d s a r e a d o pt e d t o a c h i e v e g o o d r e s u hs ． Ex pe r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o n t r o l q u a l i t y i s g r e a t l y i mp r o v e d o f t he c a s c a d e e f f e c t t h a n s i n g l e l o o p PI D c o n t r o l i n t e rm s o f t i me r e s p o n s e ． Ke y wo r ds c a s c a d e c o n t r o l ；p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r ； PI D c o n t r o l 1引言 由于温度控制 系统具有一定 的非线性和时滞 性 的特 点 ，所 以单 回路 P I D控制效果并不理 想 ， 因此采用 串级控 制能有效地提高各项性 能指标 ， 有很大的实际意义和广阔的应用前景。 2串级控 制系统 2 ． 1串级控 制 系统 的特点 [ ’ 当对象的滞后 和时间常数很大 ，干扰作用强 而且频繁 ，负荷变化大 ．简单控制系统满足不 了 控制质量的要求时 ．可采用串级控制系统。 串级系统与单 回路 系统 的区别在于前者可获 得可测 中间变量 ．并利用它构成副反馈 回路 ，对 影 响中间变量 的干扰进行预先调节 ，从 而改善整 个系统的动态品质 ，串级系统特点如下 。 1 从系统结 构来看 ．串级控 制系统有 主 、 副两个 闭合 回路 有主 、副两个控制器 ；有分别 测量主变量和副变量 的两个 测量变送器 。在串级 控制系统 中。主回路是定值控制系统 ，而副 回路 是随动控制系统。 2 在串级控制系统中 ，有两主 、副两个变 量 。主变量是反映产 品质量或生产过程运行情况 的主要工艺变量 ．控制的 目的在于使这一变量等 于工艺规定的给定值。 3 从系统特性来看 ，串级控制系统 由于副 回路 的引入 ，改善了对象的特性 ，使控制过程加 快，具有超前控制的作用 ，从而有效地克服滞后 ， 提高了控制质量。 2 ． 2串级控制系统的设计 串级控制系统的设计主要从 副参数 的选择和 副回路的设计以及主、副 回路关系的考虑 。 2 ． 2 ． 1主参数的选择和主回路的设计 主 回路是一个定值控制系统 ，对于主参数的 选择和主回路的设计 ，基本上可 以按照单 回路控 制系统的设计原则进行 ，凡直接或间接与生产过 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 0 6 匿 丑 圉 自 L N 图 1 串级控 制系统 的组成 图 程运行性能密切相关并可直接测量 的工艺参数均 可选择作主参数 。若条件许 可 ，可 以选用质量指 标作为主参数 ，因为它最直接也最有效 。否则应 选用一个与产 品质量有单值 函数关系的参数作 为 主参数 。 另外 ，对于选用 的主参数必须具有足够 的灵敏度 ，并符合工艺过程的合理性。 2 ． 2 ． 2副参数的选择和副回路 的设计 串级控制系统 副回路具有调节速度快 、抑制 扰动能力强 的特点 ，在副 回路设计时 ，要充分发 挥这一特点 ，把生产过程中的主要扰动并可能 多的把其它一些扰动包括在副 回路 中 ，以尽量 减少对 主参数 的影响 ，提高主参数 的控制质量 ， 在选择副参数进 行副 回路设计时 ，必 须注意主 、 副过程时间常数的匹配问题 ， 因为它是 串级控制 系统正常运行的主要条件 ，是保证安 全生产 、防 止共振的根本措施 。 3基 于 P L C 的 串级 控 制 系统 在实验 室里 ．通过某 换 热器温度控 制模拟 系统 来 具体分析 串级 P I D控制 的编程和监控 功能 的实现 过程 。 串级控制 系统 的结 构 如图 1所示 。该系统是 由执行 器 、换热 器 、温度 变送 器 、P L C系统等 构成 一 个串级温度控制系统。 P I D调节功能是用 西门子公司 的 S 7 3 0 0的 C P U 3 1 5 2 D P型 P L C来实现。上位机 P C中安装 了 S T E P 7 V 5 ． 2编程软件和 Wi n C C V 6 ． 0组态软件 。 P C与 P L C之 间用 P C A d a p t e r 连接 。考虑到 温度 控制是大纯滞后系统 ，主控制器温度控制器采用 比例积分控制 。副控制器流量控制器也用 比例积 分控制 ，也可以用 P控制。系统结构如图 2所示。 3 ． 1硬 件组 态 在 S T E P 7中创建一个 温度控制系统 的项 目． 在 项 目下 生成 一 个 s 7 3 0 0的 站点 。进入 H W C o n t l g界面 ，按硬件安装 次序 和订货号依次插入 机架 、电源 、C P U、I ／ 0模块等。进入 C P U属性 窗 口。设置站点的 MP I 地址 ．打开模拟量输入模 块 ，设置模拟量输人参数为 主副变量的测量类 型 E ，测量范 围都 为 1 ～ 5 V。打开模 拟量输 出模 块 ，设置模拟量输出参数为 输出类型 I ．输出范 图 2 串级控制 系统 的结构图 自动 化 围 4 ～ 2 0 m A。安装模拟量输入模块前 ，必须根据 输入信号种类正 确设置量程卡 ，对于 1 ～ 5 V的模 拟量 电压输入 ，量程卡选择为 B位置 _ 2 ] 。 3 _ 2建 立通讯 数据 区 建立共享数据区 ，建立一个共享数据块 D B 1 ， 如图 3所示 ，用来存放实现 P I D控制的过程参数 。 Wi n C C也通过 D B 1访问或修改 P I D的实 时数据 。 主 回路的设定值 、主变送器 的检测值 、副回路的 设定值及副变送器的测量值 的电压表示形式及在 WI N C C上显示 的实际值都需要在共享数据块上分 配地址以便 WI N C C访问。输出形式也有电流及开 度百分 比形式两种。主副控制器 的 P I D参数在共 享数据块里都需要分别分配地址供 P L C和 WI N C C 程 序调 用 图 3 共享数据块 D B 1 3 ． 3模 拟量 的规范 化处 理 F C 1 0 5用 于将模拟量 I ／ O格式 的整 型值 转换 为实型值 。主变送器温度变送器及副变送器流量 变送器外设 输入地址为 P I W2 8 8 、P I W2 9 0 。主变 送器 及 副变 送器 的量 程 1 ～ 5 V分 别对 应上 限值 HI L I M 和下限值 L O L I M，均为实数类型 。其意 义为从外设输人 口P I W 进来 的数字量对应在上限 和下限幅之间的实型数据 ，并把输出实 型数据放 到对应的共享数据 的进址中。M2 0 ． 0默认为 0 ，表 示输入值为单极性 。F C 1 0 6用 于将模 拟量实型值 转换 为 I ／ O格式 的整型值 。D B 1 ． D B D 2 6是执行器 开度电流形式的实型值。电动执行器的量程上 限 4 m A和下 限 2 0 m A分别对应上 限值 H I L l M和下 限值 L O L I M。M2 0 ． 0默 认 为 0 ，表 示单 极性 转 换。P Q W3 0 4是电流 I ／ O格式整型值的输出通道 。 规范化程序如图 4所示。 s e a l g V a l u e s s c L 葚 勰E J P l 2 88 球 r , sr v 5 ． 0 0O O O0 H l 』 勰 L 0 3． I I B l ∞ L 拣 O 5 S c a l i n gV a l u , ,g LE 臻E| P 玎嚏尊。 l I |,“ r vt L OO T H 】 I L O _hl i B If 饥， R 辩 l O6 Un s e a l i n g V a l u e s 懈 5 C地E m 工 N I T VA L OU T H U 4 ． 0 0 0 0 0 0 o L O _L I I g B PO L KR 图 4 输入输 出规范 3 ． 4温度 的 P l D控制 程序 F B 4 1 是连续 P I D控制器 ，输 出为连续变量。 因为是采用串级控制 ，需采用两个控制器 ，调用 时应 指定背景 数据块 ，这里 指定为 D B 2 、D B 3 。 调用程序如图 5及图 6所示。 骞 4 l C o n U n u o u sC o n t l o l O 0 1 ff_C 勰 啪 c 。 鼍 _ R S T L 黼 盆 5 ． 0 Q 5 l “ p 麓 l 麟 P E R l． o 1Z O ⋯ P -- K．O N 乱 射U扎t _ { ．吩 ． 一 瓯 棚UL L I I - s 飘u目_ P I I t r _ B O L D U鼠』 I _I _0 1 1 U匪 D - S 飘 P V C 燃h“ R s P _i l q r P 尹 E R 鼍 基 G哪 H 抑 珥 } 蜘 D 融哺 J l 瑚 坶一 L 聃 _ L L l 图 5 主控制器 P I D程序 工 业 自 Hl ‘ l C o n t l n u mm C , n t r o l 。 。 孵 r 聃 I W0 o o t i m 铺 ． o 叠 5 。 l L | 鞋 o x 0 l ⋯ ．．． H ui ． j u ／ } __ J P - 罐L Q t I I ． J Xl l I _ S l I I ．t i m3 nr t ． t z u i _ l l t 0 1 l U| Lp 阿 c L E 馘 ． j l c r l t ． ． 1 , l l l t ■ 龌 Ⅱ l 气 瞻 ∞ U 脚 U盹 J ⋯⋯⋯⋯ 图 6 副控制器 P I D程序 在 O B 3 5中 调用 两 个 连 续 P I D 控 制功 能 块 F B 4 1 。O B 3 5执行 的时间间隔 即 P I D控制器运行 的周期 ．在 C P U属性设置对话框 的循 环中断选项 卡 中设 置 ，最 大 为 1 0 0 0 0 ms ，本 控 图 5 、6中 ， Q 5 ． 0 Q 5 ． 1 表示远程控制方式下的手动操作模式及 本地控制方式下断开 1 0 ． 1 ，关 闭 P I D功 能。主控 制器 S P 输入 ． 中电压形式 的温度 给 _ I NT DB1 DBD6 定值 ，P V jN输入 D B I ． D B D1 4中电压形式的实际 温度值 ，MA N输 入 D B I ． D B D 2 6中电流形 式 的实 际阀门开度值 。G A I N输入实 型 比例增益 。T I 输 入 D B 1 ． D B D 3 4中 T I ME类型的积分时间常数 ，T D 输入 D B 1 ． D B D 3 8中 T I ME类 型 的微 分时 间常数 ， 若取消微分作用该数置 0 。D E A D B _ W 设置死区宽 度为 0 ． 0 0 0 2 。主控制器 的输出可 由 L MN H L M设 置输出上限值为 5 V，L MN L L M设置输出下限值 为 l V来设定成 电压形式输 出。主控制器 L MN输 出电压形式的实际阀门开度值存放 到 D B 1 ． D B D 4 6 中。因为主控制器的输 出为副控制器 的设定值 的 输入 ，副变送器 的输入为 1 ～ 5 V电压输入 ，因此 主控制器输 出形式必须为 电压形式 ，同种信号才 能进行信号的加减运算 。因此 D B 1 ． D B D 4 6为副控 制器 S P 的电压形式设 定值输入 ，副控制器_ I N T P V _ I N输入 D B I ． D B D 5 4中 电压 形 式 的实 际流量 值 ，副控制器 MA N输入 D B I ． D B D 2 6中电流形式 的实际阀门开度值 ． G A I N输入 D B 1 ． D B D 5 8为副 控 制 器 实 型 比例 增 益 。T I 输 入 D B 1 ． D B D 6 2中 T I ME类型 的副 控制器 积分 时 间常数 。T D输入 D B 1 ． D B D 6 6中 T I ME类型 的副控制器微分时 间常 数 ，若取消微分作用该数置 0 。 3 ． 5温度串级系统参数整定 温度串级系统针对炉温及蒸汽流量设计成主 、 副双闭环结构 ，这样做提高了控制精度和控制效 果 ，但增 加 了控制难度 。在对系统进行调节 时 ， 采用一步整定法 。即根据经验先将副控制器一次 放好 ，不再变动 ，经验值如表格 1所示 ，然后按 一 般单回路控制系统的整定方法经验凑试法整定 主控制器参数 ．从 而使整个系统达到稳定运行状 态 ．经验凑试法经验值如表格 2所示 _ 1 ] 。 表 1 副变量经验参数 副变量 放大倍数 温度 压力 流量 液位 表 2 单回路经验凑试 法 4实验结果 为 了方便监控 ．采用 WI N C C监控组态软件对 温度串级控制观察 整定情况。经过在线调试 ，分 0 0 5 似 自动化 别得到 了温度 串级控制主 回路及副回路 的 P I D整 定 曲线 ，如图 7和图 8所示 。采用经验整定法及 看 曲线调参数法 ，主 回路采用 P I 控制 ，副 回路也 用 P I 控制 ，经多 次调试得 出主回路 比例增 益为 3 ． 5 ．积分时 问为 1 1 0 0 0 ms ．即 1 1 s ，副 回路 比例 增益为 3 ． 5 ．积分时间为 1 0 0 0 0 ms，即 1 0 s 。 图 7 主 回路 P I D曲线图 图 8 副 回路 P I D曲线图 从图 7 、8可以看出当给定温度从 7 2 ℃跃变到 7 5 ℃时 ，温度上升 ，温度值迅速趋 向给定值 ，并 达到稳态 ，上升时间较快 ．执行器开度经过两个 振荡周期后 ，趋 向稳定 。如果 突然 改变给定值 ， 无论是增加还是减小 ，温度均能较快趋 向给定值。 如果改变负载 ，如增 大负载 ，此 时 ，温度下 降 ， 经过 P I 调节 ，温度可 以恢复到原值并稳定 。未发 生振荡。和单回路控制质量 相比 ，串级控制改善 了对象的动态特性 ，有效地 克服 了滞后 ，具有一 定 的 自适应能力 ，改 善了控制系统的性能指标 。 单回路控制整定效果如图 9 所示 图 9 单 回路控制系统 P I D整定曲线图 从 图 9可看出 ，给单 回路系统 阶跃扰动改变 给定温度从 4 5 ℃变到 5 0 ℃时 ．单 回路 比例增益需 增大到 1 O ，积分时间为 1 0 0 0 0 m s 不变 ，才能使系 统较快稳定 下来 ， 单 回路 系统灵敏度 比串级 系统 差 ，温度及执行器开度 比串级控 制波动较大 ，滞 后时间也较大 ，系统控制质量不理想。 5结论 对 于温度 串级控制 系统 ，从系统特性来 看 ， 串级控制系统 由于副回路 的引入 ，改善 了对象的 特性 ，使控制过程加快 ，具有超前控制 的作 用 ， 从而有效地克服滞后 ，提高 了控制质量 。由于采 用的是 P L C控制 ，串级控制方案可以在 P L C软件 内连续调用两次 P I D模块而不需要实 际 P I D控制 器 。从经济角度看只比单 回路在硬件上增加了一 个副变送器 ，但控制质量有较大提高 ，并且采用 的 WI NC C组态软件可 以很方便地观察整定效果 ， 有一定的实际应用价值。 参考文献 [ 1 ]杨三青 ． 过 程控制[ M]． 武汉 华 中科技 大 学 出版 社 ．2 0 0 8 ． [ 2 ]廖 常初． 大中型 P L C应用教程[ M]． 北京机械 工业 出版 社 ．2 0 0 8 ． 第一作者 简介 林雪梅 ，女 ，1 9 7 5年生 ，广东廉江人 ，硕 士 ，讲师 。研究领域 过程控制 、检测 。已发表论文4篇 。 编辑 向 飞