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1、第1章 概述1.1过程控制1工业过程控制的发展概况自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材等工业部门。初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度、液位、压力、流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。其后，串级控制、比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表
2、也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。之后，以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计所组成的现代控制理论，开始应用于解决过程控制生产中的非线性，耦合性和时变性等问题，使得工业过程控制有了更好的理论基础。同时新型的分布式控制系统（DCS）集计算机技术、控制技术、通讯技术、故障诊断技术和图形显示技术为一体，使工业自动化进入控制管理一体化的新模式。现今工业自动化己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综
3、合自动化的方向发展。2过程计算机控制系统现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。由于计算机具有运算速度快精度高存储量大编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。在控制系统中引入计算机，可以充
4、分利用计算机的运算逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）进行运算，计算结果再经D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。过程计算机控制系统的组成包括硬件和软件（除了被控对象检测与执行装置外）。1过程计算机系统的硬件部分：（1）由中央处理器时钟电路内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分，进行数据采集数据处理逻辑判断控制量计算越限报警等，通过接口电路向
5、系统发出各种控制命令，指挥系统安全可靠的协调工作。（2）包括各种控制开关数字键功能键指示灯声讯器和数字显示器等的控制台是人机对话的联系纽带，操作人员可以通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出操作命令；计算机向操作人员显示系统运行状态，发出报警信号。（3）通用外围设备包括打印机记录仪图形显示器闪存等，它们用来显示存储打印记录各种数据。（4）I/O接口和I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁。I/O通道有模拟量通道和数字量通道。模拟量I/O通道将有传感变送器得到的工业对象的生产过程参数（标准电信号）变换成二进制代码传送给计算机；同时将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，实现
6、对生产过程的控制。2过程计算机系统的软件部分：（1）系统软件由计算机及过程控制系统的制造厂商提供，用来管理计算机本身资源，方便用户使用计算机。（2）应用程序由用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序（如各种数据采集滤波程序控制量计算程序生产过程监控程序），应用软件的优劣将影响到控制系统的功能精度和效率。1.2 可编程控制器PLCPLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与
7、工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。它有如下特点：1.编程方法简单易学：梯形图是使用得最多的PLC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，提醒图语言形象直观，易学易懂。2.功能强，性能价格比高：一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性价比。通过通信联网，PLC可以实现分散控制，集中管理。3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强：PLC已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，使用能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。4.可靠性高，抗干扰能
8、力强：PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。5.系统的设计、安装、调试工作量下：PLC使用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中问继电器、时问继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。完成了系统的安装和接线后，在现场调试过程中，一般通过修改程序就可以解决发现的问题，系统的调试时问比继电器系统少得多。6.维修工作量小，维修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上
9、的发光二极管或编程软件提供的信息，方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速的排除故障。7.体积小，功耗低：对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小因此可以将开关柜的体积缩小到原来的12110。第2章 控制方案的设计2.1 设计控制系统框图控制系统框图是控制系统实现的前提条件，它根据控制工艺的具体流程，反映系统信息的流动控制过程，本设计采用串级控制，考虑流量变化快，时间惯性小，应较快得到抑制，选择流量作为副被控参数，副环是随动控制，追求快速性，因而采用P调节，P调节器输出信号控制阀的开度改变流量，流量传感器将检测信号送
10、回P调节器并形成负反馈，此闭环作为内环。温度变化相对缓慢，时间惯性大，作为主被控参数，主环是定值控制，追求准确性，采用PID调节。得到控制系统框图如图2-1所示：水泵2PLCQT电动阀2V1上水箱V1下水箱V22V10储水箱 图2-1流量控制实验流程图实验原理：本论文采用PLC控制,将流量控制在设定值。根据设定的流量输出给PLC,PLC根据P、I、D参数进行PID运算，输出信号给电动调节阀，从而达到管内流量的平衡。电动阀支路流量控制的方块原理图：如图2-2：图2-2流量控制实验方框图2.2 被控对象建模实验对象水路图如图2-3所示：图2-3 实验对象水路图本实验装置对象主要由水箱、锅炉两大部分
11、组成。供水系统有两路：一路由单相磁力驱动泵、电动调节阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由单相磁力驱动泵及手动调节阀组成。 由于本次论文是基于PLC的流量控制系统所以不涉及加热的锅炉。本论文中传感器与变送器的选择，数据采集系统，控制电路均按照此装置中已安装的应用。1.被控对象管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。 2.检测装置 流量传感器、变送器：采用电磁流量计，型号为 FMCLDE15。它的优点是测量精度高，反应快。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。流量范围：01.2m3
12、/h；精度：1.0%；输出：420mADC。3.执行机构电动调节阀：本装置采用的电动调节阀是由是Honeywell的ML7420A6033型电动阀门执行器和三通线性阀门组成。其执行器采用智能直行程调节，根据控制的信号变化，来调节执行器的行程，从而调节三通线性阀门的开度，进而对控制回路的流量进行调节；具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、使用和校正非常方便等优点；工作时需提供24V交流电源（此电压由变压器提供），轴杆推力：600N，执行器行程：20mm，输入信号：0-10Vdc或2-10Vdc；本装置中的执行器已被设置为输入信号为2-10
13、Vdc，由于实验控制台输出的信号为420mADC,故接到执行器的信号线两端加500欧的电阻。其三通线性阀门的直径为20mm。水泵：本装置采用上海新西山有限公司生产的磁力驱动泵，型号为MP-55RM及MP-15RM，其中MP-55RM的进口直径：25，出口直径：25，流量为60升/分，扬程为4米，功率为90W；MP-15RM的进口直径为25mm；出口直径：25，流量为8升/分，扬程为2.4米，功率为10W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。此装置两只磁力驱动循环泵均接为单相变频220V输出驱动控制，分别为两条水路供水。4.系统控制台“PCS-E型过程控制综合实验装置实验控制台”主要
14、由电气控制接线底板、信号控制板、DDC，智能仪表及S7-200 PLC控制器单元组成。5.电气控制接线底板该电气控制接线底板位于控制台柜的底部，其主要有调压模块、液位继电器、4个接触器，一个温度变送器，两个开关电源以及几排接线端子等器件组成，通过它们之间和信号控制板间特定的连线来形成符合实验要求的整体统一控制系统。 第3章 PID控制器原理3.1 PID控制器简介PID控制器可以方便地实施多种控制算法，多年以来，在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器），是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立
15、，参数的选定比较简单等优点；选择系统调节规律的目的，是使调节器与调节对象能很好地匹配，使组成的控制系统能满足工艺上所提出的动、静态性能指标的要求。1、比例（P）调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快速。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是使系统存在静态误差。2、积分（I）调节积分调节器的突出特点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除以后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。但是，单纯的积分调节动作过于缓慢，因而在改善静态准确度的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间内延长，甚至造成系统不稳定。因此在实际生产中，总是把比例作用的及时性和积分作用消除静差的优点结合起来，组成比例积分调节器（简称PI调节器），其传递函数为Gc(S)=Kp(1+1/T1S)3、微分（D）调节微分调节器能在偏差信号出现或变化的瞬间，立即根据变化的趋势，产生强烈的调节作用，使偏差尽可能地消除在萌芽状态之中。但是单纯的微分调节对静态偏差毫无抑制作用，因此不能单独使用，总要和比例或比例积分调节规律结合起来，称为PD
