PID流量控制

一种基于PLC的PID流量控制设计 在工业生产过程中对液体流量的高精度控制是不可少的.随着工业技术的不断发展,原有的控制手 段已经不能满足对液体流量高精度,高速度的控制需求.在实际工作中采用三级构成:上位机采用工业 PC机,其工作稳定,抗干扰能力强,寿命长;PLC部分采用西门子的S7-300系列处理器;外加一块 FM355C专用PID控制模块进行数据模块进行数据采集和处理.上位机与PLC之间采用PROFIBUS 通讯.采用一款西门子的触摸屏与PLC联机用于现场操作[1]. 1　PLC控制系统设计 本系统由上位机,PLC,触摸屏,流量计,电动阀构 成,系统结构如图1所示. 1.1上位机　由工业PC机构成,其组态软件采用国产 的MCGS6.0,对流量、阀位及其他各种参数进行显示和 控制.上位机与PLC采用PROFIBUS通讯协议,最高通 讯速率可达到1.5 Mb/s. 1.2 PLC控制器　PLC控制器包括PS-200,2A电源, CPU314,FM355C模块[2]. FM355C模块的接线端子如表1. 4、5脚为反馈信号输入脚,与靶式流量计连接,对于两线制的流量计4、5引脚间还需接一个10K的 负载电阻.8、9为模拟量输出脚,与电动调节阀相连.14、15及18、19脚为第二路PID的输入与输出. 1.3　传感器和动作机构　流量采集采用数字靶式流量计,该种流量计采用累计计数的工作方式,1 s钟 累计1次,工作范围40~1 000 L/h,对大流量的采集较为精确.V型调节球阀利用球芯转动与阀座打开 相割打开面积(V形窗口)来调节介质流量,调节性能、自洁性能好,适用于高粘度、悬浮液、纸浆告示不 干净、含纤维介质场合.采用直连方式与执行机构连接,具有结构紧凑、尺寸小、重量轻、阻力小、动作稳 定可靠等优点.流量计和调节阀的信号范围为4~20 mA,与PLC连接. 1.4　触摸屏　采用西门子的TD100触摸屏,与PLC通过PROFIBUS总线相连.使用PROTOOLS6.0 编辑界面监控各种参数.当上位机出现故障时,触摸屏可替代上位机操作,提高了系统的可靠性. 2　PID算法 当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其他技术难以采 用时,系统控制器的结构和参数必须领先经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便,即 利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制[3].PID控制为3环节叠加,公式为:m(t) = Kpe(t)+Kpτ de(t) dt+KiTi∫i0e(t)dt,其中Kp为比例系数,Kd为微分系数,τ为微分时间常数,Ki为积分系数.对于离散 系统的PID公式为:P(k) = Kp{E(k)+TTi∑kj=0E(j)+TdT[E(k)-E(k-1)]}. 3　配置PID程序模块 对西门子的PLC采用SIMATIC STEP7 V5.3编程.进入STEP7的编程环境后首先通过“工程向 导”配置硬件和网络参数,选用的电源模块为PS-200 2A ,中央处理器为CPU 314IFM,PID控制器为 FM355 C型. 完成配置后打开OB1主程序块(图2),调用 FB31模块(STEP7中有LAD,STL ,FBD三种编程 方式,STL为语句表编程方式,其他两种为图形调用 方式).其中DB31为分配给FB31的背景块.FB31 有如下几个参数必须设置:COM_RST参数地址 DB31.DBX44. 0 BOOL型. FM355的启动开关. CHANNEL参数地址DB31.DBX2.0 BOOL型.控 制端的通道号(每块FM355含两个通道).LMN_RE 参数地址DB31.DBX52BOOL,参数类型为REAL 型(32位浮点数).存储的是在未启动PID控制时的 阀位值(即手动控制值),取值范围为0~100(系统将 默认这些数值为电动阀的开度百分数),该参数在 PID控制启动后不起作用.LMN_REON参数地址 DB31.DBX6.4,参数类型BOOL型(在STEP7中为 1位二进制数).当为1时PID控制关闭,LMN_RE 的值作为输出值送给电动调节阀.当为0时,PID控 制超作用,LMN_RE无效.PHASE参数地址DB31.DBD4,参数类型INT型(16位无符号整数).PID 的相位控制,为1时控制相位反向180°.SP_RE参数地址DB31.DBD48,参数类型REAL型.PID控制 的设定值,取值范围为0~100(%).PID控制启动后模块通过计算该值与采集值的差值ER来改变输出 值,仅当LMN_REON为0时有效.DEADB_W参数地址DB31.DBD104,参数类型REAL型.默认值为 0,单位值为0,单位Hz.不工作区带宽设定值,差值ER将通过这个参数滤波.它关系到PID控制的性 湖北大学学报(自然科学版)第28卷 能.GAIN参数地址为DB31.DBD108,参数类型为REAL型.默认值为1.增益控制值,增益过大会提高 系统的趋近速度,但同时会增大系统波动,导致系统不稳定.增益过小则会使系统的趋近速度变慢.TI 参数地址为DB31.DBD112,参数类型REAL型.默认值为3000,单位s.积分时间常数.TI=0时,无积 分环节.TD参数地址为DB31.DBD116,参数类型REAL型.默认值为0,单位s.微分时间常数.TD=0 时,无微分环节. TM_LAG参数地址为DB31.DBD120,参数类型REAL型.默认值为5,单位s.微分时间延迟设 置.LOAD_PAR参数地址为DB31.DBX44.3,参数类型为BOOL型.PID控制的启动开关,每次启动 PID或改变PID参数后必须将此位置1,系统每次检查到此位为1,则将所有参数下载到FM355模块, 然后将此位复位[4]. 4　PID参数的调整方法 PID参数的设置一方面是要根据控制对象的具体情况而定;另一方面是经验.Kp可控制幅值震荡, Kp大则会出现幅值震荡的幅度大,但震荡频率小,系统达到稳定时间长;Ki是解决动作响应的速度快 慢的,Ki大了响应速度慢,反之则快;Kd是消除静态误差的,一般Kd设置都比较小,而且对系统影响比 较小[5]. 5　试验结论 本系统在葛店的新武大有机硅厂通过测试.测试中流体采用甲醇,测试范围为50~250 L/h.以设定 值为200 L/h的系统阶跃响应曲线为例,系统延迟时间td=3.5 s,上升时间tΓ=5 s,峰值时间tp=7 s,调 节时间ts=28.5 s,超调量公式为:δ%=h(tp)-h(∞)h(∞)×100%,在试验中h(tp)=290,h(∞)=200,所以 δ%=45%.经过调试后,本系统被证明完全能胜任有机硅生产过程中,对甲醇流量的精确控制. 参考文献: [1]周军,海心.电气控制及PLC[M].北京:机械工业出版社,2001:90 135. [2]余雷声,方宗达.电器控制与PLC应用[M].北京:机械工业出版社,1999:126 152. [3]陶永华,尹怕欣,葛芦生.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998. [4] Kember G, Dubay R. PID gain scheduling using fuzzy logic[J]. JSA Transactions, 2000,39(3):317 325. [5] Liu G P, Daley S. Optimal-tuning nonlinear PID controllers for unstable processes based on gain and phase margin specifications: a fuzzy neural approach[J]. Fuzzy Sets and Systems, 2002: 128(1):95 106. The PID control system of flow measuring based on PLC XIAO Lei, XIE Ju-fang (School of Phisics and Electronic Technology, Hubei University, Wuhan 430062, China) Abstract:Described a kind of PID control system based on PIC. The system is composed of supervisor PC, PLC control block, the touch screen ,the flow measuring probe and the electrically operated valve. The system reads the flow measuring from the probe and then calculate the output value by using PID algorithm. The value output to the electrically operated valve to control the flow. The system also can be used in hard condition with high quality. Key words:flow measuring control system; PID; PLC; FM355C (责任编辑　晏建章) 文档已经阅读完毕，请返回上一页！