串级PID控制在风柜控制中的应用

82832011年10月第10期电子测试ELECTRONIC TESTOct.2011No.1083串级PID控制在风柜控制中的应用胡蕾1，詹惠琴1，刘子宽2（1电子科技大学自动化工程学院，四川成都611731；2中国铁道科学研究院电子计算技术研究所北京100081)摘要：在我国洁净室技术起始于上世纪60年代，当时，洁净室技术是为满足军工、精密仪器、航空仪表和电子行业的产品质量需求，满足这些行业加工和实验研究的精密化、微型化、纯度、质量和可靠性而诞生的一门新兴技术[1]。利用PID控制原理，基于STEP7和WINCC的串级PID来控制风柜的阀门，从而实现对被控区域温湿度精准的控制。该系统控制方案已经应用于某实验室的洁净室控制风柜，使用结果表明，该系统控制方案具有控制方便，控制效果好，响应速度快，稳定度高，精度高等优点，且各项性能指标均符合要求。关键词：串级PID控制；闭环控制；温湿度中图分类号:TH166文献标识码:ACascadePIDcontrolintheapplicationofwindcabinetHuLei1，ZhanHuiqin1，LiuZikuan2(1CollegeofAutomationEngineering,UESTC,SichuanChengdu611731；2Computingtechnologiesinstitute,Chinaacademyofrailwaysciences,Beijing100081)Abstract:CleanroomtechnologyinChinawasoriginatedinthe60soflastcentury.Atthetime,cleanroomtechnologyforthequalityrequirementsofmilitary,precisioninstruments,aircraftinstrumentationandelectronicsindustry,wasbornedasanemergingtechnology，tomeettheneedsoftheseindustriesprocessingandexperimentalstudyofprecision,miniaturization,purity,qualityandreliability.ThesystemusesPIDcontrolprinciple，adoptsSiemensPLCS7-300，onthebaseofSTEP7andWINCC'scascadePIDtocontrolaircabinet，toachievetheprecisetemperatureandhumidityonthechargedarea。Thesystemcontrolprogramhasbeenappliedtoalaboratorycleanroomcontrolaircabinet,Theresultsshowthatthesystemcontrolprogramiseasytocontrol,goodeffect,Fastresponse;Highstability;andhighprecision。Besides，theperformanceindicatorsareinlinewithrequirements.Keywords:cascadePIDcontrol；closed-loopcontrol；precisetemperatureandhumiditySkill & Practice84852011.108485再加热段：再加热段水管通以45℃~40℃的水；段间安有温湿度传感器；加湿器：加湿器水管通以常温水，段间安有温湿度传感器；管道上均为电动自动阀门。出风总管口安有温湿度传感器；洁净区域安装多个温湿度传感器；S7_300的CPU315-2DP；以太网交换机；PC[8]；空气的温湿度由温湿度变送器采用电流型4～20mA采集，执行器电动风/水阀的位置信号采用电压型1～10V来采集及控制信号都采用电流型0～10V来控制。2   系统控制原理实现以上控制要求的系统组成串级控制原理图如图２所示。该图是由执行器（电动风/水阀门）、温湿度变送器、PID调节器、A/D转换器、和D/A转换器等构成一个双回路温湿度控制系统。PID调节器、D/A和A/D转换器用西门子公司的S7-300CPU315-2DP型PLC来实现。上位机PC中安装了STEP7V5.4编程软件和WINCCV6.2组态软件。PC与PLC之间用工业以太网TCP/IP连接。温湿度控制系统的被控参数是洁净室的温度和湿度。温湿度通过温湿度传感器输出的电信号送0   引言现有90%以上的闭环控制都采用PID控制器，由于其不需要被控对象的数学模型，结构简单，有较强的灵活性和适应性，所以PID控制器是应用最广泛的闭环控制器。西门子SIMATICSTEP7提供丰富的PID控制功能模块，可以很方便的创建PID控制器和处理设定值、过程反馈值以及对控制器的输出值进行后处理。组态软件WINCC是数据采集监控系统SCADA的软件平台工具[2]，利用WINCC不仅可以实现对闭环控制过程的监视，而且还可通过WINCC的组态界面实时设置和修改PID参数，从而避免了在STEP7中每次调试PID控制，都得修改参数，下载程序，频繁启停。1  系统组成下面通过某洁净室风柜原理图如图１所示来具体讲解串级PID控制的编程和监控功能的实现过程。加热段：加热段水管通以45℃~40℃的水，段间安有温湿度传感器；表冷段：表冷段水管通以18℃~13℃的水，段间安有温湿度传感器；再表冷段：再表冷段水管通以11℃~6℃的水，段间安有温湿度传感器；图1风柜原理图8485应用技巧与实践84852011.10到模拟量输入模块经过A/D转换后送到控制器(PLC)后，电信号在控制器中经过PID模块的调节，然后将PID的输出分成加热、制冷或加湿信号，来分别控制热水阀、冷水阀和加湿阀的开度，从而实现了对室内温湿度的控制[3]。考虑温湿度控制属于大滞后系统，调节器采用PID类型。图2串级控制原理图2.1湿度控制说明空调服务的净化区里的露点控制采用主从PID串级控制。主PID控制回路。通常在服务净化区内安装多个温湿度传感器，取它们的加权平均值作为主PID的PV，主PID的CV经过范围转换后调节从PID的SP。主对从的调节因子可以在洁净室控制系统界面上设定。另外，主从串级可以手动断开，这样从PID可以独立运行（调试初期，断开主从串级PID，对从PID的SP采用手动更改，记录主PID的PV、CV，从PID的SP。等待从PID稳定后，根据调试记录反过来修改主PID的调节因子，使主PID的CV落在从PID的SP允许的范围内）。从PID控制回路。新风空调机有一个独立的露点PID控制回路，在主从串级中作为从PID，它自成一体，也可以接受来自主PID的调节作用。新风空调机组的出口安装一套温湿度传感器，PLC计算出的露点作为从PID的PV，从PID的CV经过三分层处理分别控制一级加热段的电动调节阀和一级、二级表冷段的电动调节阀。分层处理的目的是为了避免加热段电动调节阀和表冷段的电动调节阀同时开启。三分层处理有二个备选方案，分别表述如下：1)优先使用中温冷冻水三分层。PID的CV被分为三段，0~50%、50%~xx%和xx%~100%（注：xx%取值范围为60%~75%，可根据表冷段和再表冷段的除湿能力之比来设定）。0~50%段控制加热段的电动调节阀；50%~xx%段控制表冷段上的电动调节阀；xx%~100%段控制再表冷段上的电动调节阀。当CV为0~50%时，加热段的电动调节阀开启控制加湿量，表冷段和再表冷段的电动调节阀全部关闭；当CV为50%~xx%时，表冷段的电动调节阀开启控制除湿量，加热段的电动调节阀和再表冷段的电动调节阀完全关闭；当CV为xx%~100%时，加热段的电动调节阀完全关闭，表冷段的电动调节阀完全打开，再表冷器上的电动调节阀开启控制除湿量。2)三分层，优先使用低温冷冻水。PID的CV被分为3段，0~50%、50%~xx%和xx%~100%（注：xx%取值范围为60%~75%，可根据表冷段和再表冷段的除湿能力之比来设定）。0~50%段控制加热段的电动调节阀；50%~xx%段控制表冷段上的电动调节阀；xx%~100%段控制再表冷段上的电动调节阀。当CV为0~50%时，加热段的电动调节阀开启控制加湿量，表冷段和再表冷段的电动调节阀全部关闭；当CV为50%~xx%时，表冷段的电动调节阀开启（有条件）控制除湿量，加热段的电动调节阀和再表冷段的电动调节阀完全关闭；当CV为xx%~100%时，加热段的电动调节阀完全关闭，表冷段的电动调节阀（有条件）完全打开，再表冷器上的电动调节阀开启控制除湿量。对于表冷器还有另外一个PID控制，调节表冷段的电动调节阀，使表冷段后的干球温度Tdb=20℃（可调）。表冷段的电动调节阀的最终开度值是其温度PID的CV与露点PID的CV分层值中较小者。这样做的目的是为了减少中温冷冻水的使用量。（本系统xx%为60%）上述2个备选方案，它们的共同优点是：露点的控制完全不依赖室外空气的状态，而且控制非常精准。2.2温度控制说明房间的温度通过控制再加热段TCV4来实现，如果房间的平均加权温度低于设定值，则开大TCV4的阀门开度。3   STEP7程序设计3.1硬件组态及参数设置在STEP7中创建一个温湿度控制系统的项目，在项目下生成一个S7-300的站点。进入HWConfig界面，xxA/DSV主控PID调节器副控PID调节器电动风/水阀门房间温湿度风管出口温湿度A/D-PV++-PVSVcvCVSkill & Practice86872011.108687按硬件安装次序和订货号依次插入机架、电源、CPU、I/O模块[5]等。进入CPU属性窗口，设置站点的TCP/IP地址。打开模拟量输入模块，模拟量输出模块，分别按照各通道设定好相应的量程卡，输入输出类型及范围，编译并生成系统数据包。在硬件组态窗口下载硬件组态，在选择节点地址窗口搜寻可访问的节点后下载新组态的硬件。3.2建立通讯数据区建立两个共享数据块DB18；DB19，DB18用来存放实现主级PID控制的过程参数，DB19用来存放实现从级PID控制的过程参数，如图3数据块DB18;DB19所示。WINCC也通过访问或修改DB18，DB19PID的实时数据。DB18.DBD6用来存放湿度给定值（℃），DB18.DBD10用来存放实际湿度值（℃），DB18.DBD16存放执行器手动开度给定值（％），DB18.DBD20存放增益给定值，DB18.DBD24存放积分时间值，DB18.DBD28存放微分时间值（备用），DB18.DBD72存放执行器实际开度值（％）。DB19.DBD6用来存放湿度给定值（℃），DB19.DBD10用来存放实际湿度值（℃），DB19.DBD16存放执行器手动开度给定值（％），DB19.DBD20存放增益给定值，DB19.DBD24存放积分时间值，DB19.DBD28存放微分时间值（备用），DB19.DBD72存放执行器实际开度值（％）。存放积分时间数和微分时间数的数据类型为TIME，其余的上述地址采用REAL数据类型。逻辑控制信号，如手动／自动切换，CRT／本地工作式切换等信号，可以在DB18，DB19中设置，也可以在WINCC中修改。3.3程序流程图程序流程图如图4所示。3.4模拟量的规范化处理FC105用于将模拟量I/O格式的整型值转换为实型值[5]。PIW420~PIW446是温湿度和电动风/水阀的位置信号输入通道。温湿度变送器的量程4~20mA分别对应上限值HL_LIM和下限值LO_LIM，均为实数类型，电动风/水阀的位置信号的量程1~10V分别对图3数据块DB18;DB198687应用技巧与实践86872011.10应上限值HL_LIM和下限值LO_LIM，也均为实数类型。Temp临时变量初始化复位为０，表示输入