基于PLC的锅炉水温PID控制系统

11设计任务设计一个基于PLC的锅炉水温PID控制系统，要求实现锅炉水温为80度，稳态误差1度，最大超调1度。当锅炉内的水温低于或者高于80度时，可以通过外部端子的开关或者远程监控，使系统自动进行PID运算，保证最后锅炉内的水温能够维持在80度左右。2系统硬件设计2．1器件选择本温度控制系统采用德国西门子S7-200PLC。S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。此系统选用的S7-200CPU226,CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。在温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成4-20mA的电流信号，系统需要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里我们选择西门子的EM235模拟量输入/输出模块。EM235模块具有4路模拟量输入/一路模拟量的输出。它允许S7-200连接微小的模拟量信号，±80mV范围。用户必须用DIP开关来选择热电偶的类型，断线检查，测量单位，冷端补偿和开路故障方向：SW1～SW3用于选择热电偶的类型，SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量方向，SW8用于选择是否进行冷端补偿。所有连到模块上的热电偶必须是相同类型。热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最为常用于测量温度的是热电偶和热电阻，2热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度变化转化为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中被广泛应用。该系统需要的传感器是将温度转化为电流，且水温最高是100℃，所以选择Pt100铂热电阻传感器。P100铂热电阻，简称为：PT100铂电阻，其阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值成匀速增长[3]。热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最为常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度变化转化为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中被广泛应用。该系统需要的传感器是将温度转化为电流，且水温最高是100℃，所以选择Pt100铂热电阻传感器。P100铂热电阻，简称为：PT100铂电阻，其阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值成匀速增长[3]。对于要求保持恒温控制而不要温度记录的电阻炉采用带PID调节的数字式温度显示调节仪显示和调节温度，输出0～10mA作为直流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，完全可以满足要求，投入成本低，操作方便直观并且容易维护。温度测量与控制是热电偶采集信号通过PID温度调节器测量和输出0～10mA或4～20mA控制触发板控制可控硅导通角的大小，从而控制主回路加热元件电流大小，使电阻炉保持在设定的温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成。主回路是由可控硅，过电流保护快速熔断器、过电压保护RC和电阻炉的加热元件等部分组成。系统选用了PLCCPU226为控制器，PT100型热电阻将检测到的实际锅炉水温转化为电流信号，经过EM231模拟量输入模块转化成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为0～10mA的电流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，从而调节电热丝的加热。PLC和组态王连接，实现了系统的实时监控。32.2硬件原理图图2-1硬件原理图2.3硬件接线图图2-2硬件接线图43系统软件设计3.1控制系统数学模型的建立在本控制系统中，TT1(出口温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入EM235模块的A路，TT2(炉膛温度传感器)将检测到的出口水温度信号转化为电流信号送入EM235模块的B路。两路模拟信号经过EM235转化为数字信号送入PLC，PLC再通过PID模块进行PID调节控制。具体流程在第四章程序编写的时候具体论述。由PLC的串级控制系统框图如图3-1串级控制系统框图图3-1串级控制系统框图3.2PID控制及参数整定1、PID控制器的组成PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学表达式为：]dtde(t)Tde(t)dtTi1Kc[e(t)u(t)t0公式（3-1）（1）比例系数KC对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。Ｋc偏大，振荡次数加多，调节时间加长。Ｋc太大时，系统会趋于不稳定。Ｋc太小，又会使系统的动作缓慢。Ｋc可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果Ｋc的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远，如果出现这样的情况Ｋc的符号就一定要取反。（2）积分控制Ｔi对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，Ｔi小（积分作用强）会使系统不稳定，主调节器副调节器可控硅炉膛锅炉出口副变送器主变送器5但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。（3）微分控制Ｔd对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，Ｔd偏大时，超调量较大，调节时间较短。Ｔd偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Ｔd合适，才能使超调量较小，减短调节时间2.主、副回路控制规律的选择2、采用串级控制，所以有主副调节器之分。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择规律的基本出发点。主参数是工艺操作的重要指标，允许波动的范围较小，一般要求无余差，因此，主调节器一般选PI或PID控制，副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以。在本控制系统中，我们将锅炉出口水温度作为主参数，炉膛温度为副参数。主控制采用PI控制，副控制器采用P控制。3、主、副调节器正、反作用方式的确定副调节器作用方式的确定：首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，可控硅输出电压应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的Kv0。然后确定副被控过程的K02，当调节阀开度增大，电压增大，炉膛水温度上升，所以K020。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为负，所以副调节器K20，副调节器作用方式为反作用方式。主调节器作用方式的确定：炉膛水温度升高，出口水温度也升高，主被控过程K010。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为负，所以主调节器的放大系数K10，主调节器作用方式为反作用方式[7]。4.采样周期的分析采样周期Ts越小，采样值就越能反应温度的变化情况。但是，Ts太小就会增加CPU的运算工作量，相邻的两次采样值几乎没什么变化，将是PID控制器输出的微分部分接近于0，所以不应使采样时间太小。，确定采样周期时，应保证被控量迅速变化时，能用足够多的采样点，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。因为本系统是温度控制系统，温度具有延迟特性的惯性环节，所以采样时间不能太短，一般是15s～20s，本系统采样17s经过上述的分析，该温度控制系统就已经基本确定了，在系统投运之前还要进行控制器的参数整定。常用的整定方法可归纳为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。6理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，经过理论的计算（微分方程、根轨迹、频率法等），求得最佳的整定参数。这类方法比较复杂，工作量大，而且用于分析法或实验测定法求得的对象数学模型只能近似的反映过程的动态特征，整定的结果精度不是很高，因此未在工程上受到广泛的应用。对于工程整定法，工程人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所学的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛的应用常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法整定控制器的参数值。整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。（1）整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。（2）整定积分环节若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。（3）整定微分环节若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。3.3PLC控制系统的软件设计PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分本在硬件基础上，详细介绍本项目的软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法、编程软件STEP7-Micro/WIN的介绍以及本项目的程序设计。因为由AIW0和AIW2输入的是6400--32000的数字量，所以要转换为实际的温度要进行运算，运算公式为：公式（4-1）其中，T为实际温度，D为AIWO和AIW2输入的数字量。PLC的内存地址分配见表3-17地址说明VD250锅炉出口水温度存放地址VD260炉膛水温存放地址VD270主控制器PID输出存放地址VD300目标设定温度存放地址VD304主控制器Kc存放地址VD308主控制器Ti存放地址VD312主控制器Td存放地址VD320副调节器Kc存放地址表3-1内存地址分配PID指令表见表3-2：地址名称说明VD0主调节器过程变量（PVn）必须在0.0~1.0之间VD4主调节器给定值（SPn）必须在0.0~1.0之间VD8主调节器输出值（Mn）必须在0.0~1.0之间VD12主调节器增益（Kc）比例常数，可正可负VD16主调节器采样时间（Ts）单位为s，必须是正数VD20主调节器积分时间（Ti）单位为min，必须是正数VD24主调节器微分时间（Td）单位为min，必须是正数VD120副调节器过程变量（PVn）必须在0.0~1.0之间VD124副调节器给定值（SPn）必须在0.0~1.0之间VD128副调节器输出值（Mn）必须在0.0~1.0之间VD132副调节器增益（Kc）比例常数，可正可负VD136副调节器采样时间（Ts）单位为s，必须是正数VD140副调节器积分时间（Ti）单位为min，必须是正数VD144副调节器微分时间（Td）单位为min，必须是正数表3-2PID指令回路表控制程序如图所示：主程序：8图3-2主程序主调节器程序：9副调节器程序：10114、组态画面设计本实验中利用力控6.0组态实现课程设计所要求的温度80稳态误差1度最大超调量1度项目中所用到的变量见图4-1实时数据库图4-1实时数据库项目中所用到的组态画面见图4-2组态画