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1、在润叶加水系统中运用PID控制技术的设计巫海鹰（四川烟草工业有限责任公司西昌分厂，西昌 615042）时间：时间：2011 年 06 月【摘要摘要】 本论文为在润叶机加水系统中运用PID 控制的研究，采用Logix5563 处理器中的PID指令，实现在加水过程中的闭环控制。处理器通过计算皮带秤流量而得出的加水量设定值（SP）和实际过程中加水流量值（PV）的偏差（E），通过运行PID 指令，处理器输出信号给控制阀，使得加水量稳定在设定值。同时，我们可以通过调整Kp、Ki、Kd 值对PID 控制进行调整。【关键词关键词】闭环控制 偏差一、润叶加水系统的PID控制设计要求随着精细化分组加工生产在卷烟
2、制造业的进一深化，各种工艺指标都在进一步提高，它对制丝线设备的生产能力提出了更高的要求。在制丝生产中烟叶的水分控制一直都是衡量一个生产线工艺水平高低的一个重要标准。西昌分厂原来的制丝生产线的润叶加水系统采用的是开关控制，是在满足以前的工艺标准的情况下设计建造的。随着生产工艺的不断提高，现在控制精度已要求就控制在-3%+3%之间，而原有的控制系统是完全不可能达到的。环视在当前国内烟厂制丝线润叶机加水系统中，已普遍采用PID 指令，实现在加水过程中的闭环控制，使得加水量稳定在生产设定值，达到满意的加水效果。此项技术技术成熟、安全可靠。西昌分厂的润叶加水系统的改进也将采用PID 控制技术，以满足当前
3、的工艺要求，对润叶加水PID 控制系统作如下要求：1 在整个的生产过程中润叶加水存在几个不同的阶段，每个阶段要求的加水量也不相同。PID控制器能准确调整加水量，做到在生产的不同阶段，进行不同加水量的精确调节。2 西昌分厂制丝生产线的烟叶品种很多，为了获得更好的制丝质量，每种烟叶的加水比例是不相同的。PID 控制器能满足对不同的烟叶实现不同加水比例的加水，满足烟叶精细化加工的要求。3 PID 控制的参数在人机界面上设置，有手动和自动两种控制方式。在手动控制模式时，控制器的输出由手动输入的设定值产生；在自动控制模式时，控制器的输出由PID 控制器自动调节。4 整个加水控制系统的控制精度在-3%+3
4、%之间。二、PLC控制器选型1 、PLC控制器的选型要求PLC 的选型必须以西昌分厂制丝线“扩能升级”技术改造的具体情况，以及生产线工艺流程的特点和应用要求作为依据的。并且按照PLC 及相关设备应是集成的、标准的，易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型。所选用PLC 应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC 的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。2 、选型系统概述我们最终选定了美国A-B 公司的ControlLogix 系统 Logix5563型PLC 处理器。 ControlLogix 系统不仅是一个PLC 系统，而且它的结构体系更是一个技术先
5、进的控制平台。在任何大小规模上都是模块化的，可以根据实际应用来选择合适的存储容量、处理器的个数、网络类型和I/O 模块。 ControlLogix 系统具有以下特点：1）网络的无缝连接。2）高速处理3）集成化4）工业化5）结构紧凑6）带电插拔。三、 控制原理概述1、 PID控制原理概述PID 调节器，又称PID 控制器。以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。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，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和
6、被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 控制技术。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制，是一种线性调节器。这种调节器是将设定值w 与实际输出值y 进行比较构成控制偏差e e = = w w y y （1-1）并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，所以简称为P（比例）I（积分）D(微分)调节器。实际应用中，根据对象的特性和控制要求，也可灵活的改变其结构，取其中一部分环节构成控制规律。图1-1 PID 控制原理图2、 润叶加水系统PID控制原理润叶机加水系统是整个润叶机系统最主要的环节，通过加水来控制烟叶的水分，增湿的主要目
7、的是增加烟叶的韧性，提高烟叶的耐加工性，减少后续工序的造碎。本控制系统在润叶机的出口加水，这样可使润叶更加均匀，进而提高润透率。加水系统采用PID 闭环反馈控制，使加水量保持在一个设定值。根据DB1 的瞬时烟叶流量和加水比例计算出的加水设定值与润叶机加水流量计实测出的加水实际流量进行比较得出偏差。设置PID 控制参数，让控制器控制经过补偿后的控制变量（它主要是一个阀门的开启度CV），使加水流量保持在设定值。四、编程软件概述RSLogix5000 梯形图编程软件包，有灵活易用的编辑功能、通用的操作画面、诊断和纠错工具，功能强大，方便实用。Logix5563型处理器具有专门的PID 指令，用以监视
8、和控制如压力、温度、液位和流量等过程回路。PID 指令是一输出指令，当梯级输入条件为真时，PID 指令进入执行状态，PID指令通常接收来自模拟量输入模块的过程变量（PV），并且通过模拟量输出模块调节控制变量输出（CV），以保持过程变量在希望的设定点（SP）；当梯级条件为假时，PID 指令停止执行。PID 指令的控制结构体如图1-3所示图1-3 PID 指令结构体五、润叶加水系统 PID 控制程序设计RSLogix5000 的梯形图编程，主要是配置TB1 润叶机流量 PID 控制器指令的各个参数。TB1strwFlow.PID 为润叶机加水流量PID 控制器。图1-4 PID 控制器的赋值语句“
9、0”语句的输出项为TB1strwFlow.PID.NOBC：它为设置PID 控制器的无反向偏置计算选项，其数据类型为布尔型。该语句选用输出锁存指令OTL，为PID 控制器的无反向偏置计算选项置“1”，该PID 控制器不具有反向偏置计算功能。“1”语句的输出项为TB1strwFlow.PID.PE：它为PID 独立增益和相关增益的位置形式方程的选择项，其数据类型为布尔型（0 为独立增益；1 为相关增益）。该语句选用输出解锁指令OTU，为PID 控制器的独立增益和相关增益的位置形式方程的选择项置“0”，该控制器选用PID 独立增益形式方程。“2”语句的输出项为TB1strwFlow.PID.CA：
10、为PID 控制动作的选择项，其数据类型为布尔型（0 为E=SP-PV；1 为E=PV-SP，E 为偏差）。该语句选用输出解锁指令OTU，给PID 控制器控制动作选项置“0”，该控制器选择E=SP-PV。“3”语句的输出项为TB1strwFlow.PID.UPD：为回路更新时间（秒）参数项，其数据类型为REAL（浮点数）。该语句运用传送指令（MOV），将Source：（源数值）0.5 传送给该Dest：（目标地址）TB1strwFlow.PID.CA。该控制器的回路周期为0.5 秒。图1-5 PID 控制器最大、最小工程单位的赋值“4”语句有2 个输出项，分别是：TB1strwFlow.PID.
11、MAXS：它为对应于过程变量（Process variable）的工程单位最大值，其数据类型为REAL。该语句运用MOV 指令将上位机参数ParSetP71：500 赋值给TB1strwFlow.PID.MAXS。该控制器的最大工程单位为500。 TB1strwFlow.PID.MINS：它为对应于过程变量（Processvariable）的工程单位最小值，其数据类型为REAL。该语句运用MOV 指令将上位机参数ParSetP72：0 赋值给TB1strwFlow.PID.MINS。该控制机器的最小工程单位为0.“5”语句有2 个输出项，分别是：TB1strwFlow.PID.MAXO：它为对
12、应于控制变量（Control Variable）的输出最大辐值（输出百分比），其数据类型为REAL。该语句运用MOV 指令将标签TB1strwFlow.strVis.rParYMaxP:100 赋值给TB1strwFlow.PID.MAXO。该控制器的最大输出为100%。 TB1strwFlow.PID.MINO: 为对应于控制变量（Control Variable）的输出最小辐值（输出百分比），其数据类型为REAL。该语句运用MOV 指令将标签TB1strwFlow.strVis.rParYMinP:0 赋值给TB1strwFlow.PID.MINO。该控制器的最小输出为0%。图1-6 PI
13、D 控制器正、负极限的设定和PV 输入最大、最小值设定“6”语句有3 个输出项，分别是：TB1strwFlow.PID.DVP：为回路正偏移报警极限，其数据类型为REAL，该语句运用MOV 语句给该参数赋值5.0。该控制器的正偏移报警极限为5.0。TB1strwFlow.PID.DVN：为回路负偏移报警极限，其数据类型为REAL，该语句运用计算指令CPT（该指令用于完成表达式中定义的计算操作，并赋值到目的地）。Expression TB1strwFlow.PID.DVP*-1 为计算公式，它表示为TB1strwFlow.PID.DVP-1(5-1=-5)，并把得到的数值赋给Dest TB1st
14、rwFlow.PID.DVN。该控制器的负偏移报警极限为-5.0。 TB1strwFlow.PID.DVDB：为回路偏移死区值，其数据类型为REAL，该语句运用计算指令CPT 。Expression TB1 strwFlow.PID.DVP*0.5 为计算公式，它表示TBstrwFlow.PID.DVP0.5(50.5=2.5)，并把得到的数值赋给Dest TB1strwFlow.PID.DVDB。该控制器的控制死区为2.5。“7”语句有2 个输出项，分别是TB1strwFlow.PID.MAXI：为最大过程变量值（PV），其数据类型为REAL，该语句运用MOV 指令将上位机参数（ ParSe
15、tP71 ） 赋值给TB1 strwFlow.PID.MAXI ； TB1 strwFlow.PID.MINI，为最小过程变量值（PV），其数据类型为REAL，该语句运用MOV 指令将上位机参数（ParSetP72）赋值给TB1strwFlow.PID.MINI。该控制器的最大、最小过程变量值（PV）分别为500 和0。图1-7 PID 控制器控制变量（）的最大、最小开启度赋值“8”语句有2 个输出项，分别是TB1strwFlow.PID.MAXCV：为最大控制变量（CV）值（%），其数据类型为REAL，该语句运用MOV 语句给该参数赋值100，该控制器控制变量（CV）最大开启度为100%；T
16、B1strwFlow.PID.MINCV：为最小控制变量（CV）值（%），其数据类型为REAL，该语句运用MOV 指令给该参数赋值0，该控制器控制变量（CV）最小开启度为0%。图1-8 PID 控制器的参数和实际值(PV)的赋值“10”语句有3 个输出项，分别为：该PID 控制器的KP(比例增益)、KI（积分增益,1/s）、KD(微分增益,s)参数,其数据类型为REAL。该语句运用MOV 指令将上位机参数TB1strwFlow.strVis.rParKP、TB1strwFlow.strVis.rParKD：分别赋值给TB1strwFlow.PID.KP、TB1strwFlow.PID.KD。而参数TB1strwFlow.PID.KI 则采用计算指令CPT，通过计算式：Expression 1/ TB1strwFlow.strVis.rParKI，并把计算结果赋值给TB1strwFlow.PID.KD。“11”
