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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：2011年06月摘要：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：闭环控制 偏差论文主体：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制造业的进一深化，
2、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，已普遍采用了调用PLC 控制器的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，以达到满意的加水效果。此项技术技术成熟、安全可靠。现已在全国多家烟厂中得到应用，并取得了非常满意的效果。西昌
3、分厂的润叶加水系统的改进也将采用PID 控制技术，以满足当前的工艺要求，对润叶加水PID 控制系统有以下要求：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
4、 控制器自动调节。4 整个加水控制系统的控制精度在-3%+3%之间。二、PLC控制器选型1 、PLC控制器的选型要求PLC 的选型是以西昌分厂制丝线“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。在综合分析了系统的具体情况后，按照以下几点要求：输入输出(I/O)点数的估算：根据统计的输入输出点数，再增加10%-20%的可扩展余量。存储器容量
5、的估算：存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小。控制功能的选择：该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。机型的选择：PLC 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU 字长分为1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。 I/O 模块的选择：输人输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。电源的选择：应采用不间断电源或稳压电源供电。存储器的选择：应选择容量大，档次高的存储器。冗余功能的选择。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（17
6、56-L63）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进的控制平台。和传统的PLC 不同，ControlLogix 系统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 系统既可以连接先进的网络系统，如以太网、ControlNet 和DeviceNet，也可以在A-B PLC 的核心网络如DH+、远程 I/O 链路之间实现桥接.这时的 ControlLogix 系统就是一个网关，只要在框架上插入所需连接网络的通信模块，ControlLogix 系统就可
7、以不需要处理器而集成已有的PLC 系统7。而且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。ControlLogix 系统的控制器提供模块化用户内存750K8M 字节，能解决最大I/O 点数为4000个模拟量和128，000 个数字量，CompactFlash 卡可做程序的移动存储，多种处理器、多种通讯模块和I/O 可以混合使用，不受限制，支持过程密集型的应用和快速运动控制应用。处理器不需要执行I/O 的桥接和路由，随着系统的增大，可用网络把控制分布到另外的机架，处理器可以通过EtherNet/IP、 ControlN
8、et、 DeviceNet 和Universal Remote I/O 监控I/O10。 Logix5563（1756-L63）处理器是属于ControlLogix 系统的控制器，它是安装在1756 框架的高速单槽处理器，最大I/O 点数达到128，000 个数字量或4000 个模拟量，处理速度为0.08ms/k逻辑指令，可使用的内存容量为8MB。符合IEC1131-3 标准的符号寻址，允许在不依赖硬件的情况下，通过在应用程序中使用符号标识数据，支持多达40 个字符的长文件名和变量名。还可以创建标准程序库以便这些标准程序可以在其他处理器或应用程序中再次使用。RSLogix5000 编程软件提供
9、完整的编程和组态的工具。Logix5563 处理器模块可以插在1756 框架中的任何一个槽内，框架有4 槽、7 槽、10 槽、13 槽、17 槽。并且，在同一个背板上可以安装多个处理器模块，处理器之间通过背板相互通信，就像处理器通过网络通信一样，但各个处理器的运行又相互独立的。多个处理器可以共享同一个I/O 模块和通信模块。Logix5563 处理器还具有完整的运动控制功能，具有丰富的指令集，可以和多种网络进行连接，包括RS-232-C、DeviceNet、DH+、远程I/O 链路、ControlNet和Ethernet 等。下图为Logix556（1756-L63）与其它处理器的特性对比如表
10、1-1 所示：10表1-1三、 控制原理概述1、 PID控制原理概述PID 调节器，又称PID 控制器。问世至今已有近70 年历史，它以其结构简单、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，实际中也有PI和PD 控制。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
11、进行控制。PID 调节器是一种线性调节器，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 = w 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 控制原理图比例调节器P比例调节器是一种最简单的调节器，其控制规律为式中，K 为比例系数，U0为控制量的基准，也就是e = 0 时的控制作用（阀门起始开度、基准电信号等）。比例调节器对于偏差e 是即时反应的，偏差一旦产生，调节器即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化
12、，控制作用的强弱取决于比例系数K 。.比例积分调节器I为了消除在比例调节中残存的静差，可在比例调节的基础上加上积分调节，形成比例积分调节器，其控制规律为：式中， Ti为积分时间。PI 调节器对于偏差的阶跃响应除按比例变化的成分外，还带有累计的成分。只要偏差e 不为零，它将通过累计作用影响控制量u，并减小偏差，直至偏差为零，控制作用不再变化，系统才能达到稳定。因此，积分环节的加入有助于消除系统静差。.比例积分微分调节器D积分调节作用的加入，虽然可以消除静差，但是降低了响应速度。为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但对偏差作出即时反应（即比例调节作用），而且对偏差量的变化作出反应，或
13、者说按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭于萌芽状态之中。为了达到这一目的，在上述PI 调节器的基础上再加入微分调节以得到PID 调节器。其控制规律为：式中，Ti为微分时间。在PI 调节器中加入微分环节 它对偏差的任何变化都产生一控制作用Ud，以调整系统输出，阻止偏差变化。偏差变化越快，Ud 越大，反馈校正量则越大。故微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度，减小了调整时间，从而改善了系统的动态性能。3.2 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，增湿的主要目的是增加烟叶的韧性，提高烟叶的耐加工性，减
14、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。与第一代可编程控制软件相比，RSLogix 5000 功能更加强大，更加方便实用。RSLogix 5000 编程软件除了
15、为顺序控制提供梯形图编程外，还可以为运动控制提供完整的编程及调试支持。RSLogix 5000 可同时完成顺序控制与运动控制。使用RSLogix 5000 软件可以完全实现对模块的设置和监视， 通过I/O 实现ControlLogix 背板连接， 所有模块相关数据都包含在一个处理器数据对象中，这便于配置，监视和连接模块参数Logix5563（1756-L63）型处理器具有专门的PID 指令，用以监视和控制如压力、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
16、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 参数设置：PID:一个PID 指令的控制结构体文件。过程变量（Process variable）:用户要控制值的标签，它的数据类型（PV Data Type）可以是SINT（一个字节整数，-128127）；DINT（四个字节整数，-21474836482147483648）；REAL（四个字节浮点数）。牵引信号（Tieback）:硬件手动/自动工作站的输出标签，旁路控制器的输出标签。它的数据类型为SINT、INT（两个字节整数，-3276832767）、DINT、REAL。如果用户不用此参数，则输入0 值。
