能源化工]基于智能仪表和plc的液位控制系统设计

能源化工]基于智能仪表和plc的液位控制系统设计内容摘要：

AB、通用（GE）公司。 PLC 现在的发展很快，总的趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、使用方便、高性能和智能化方向发展 [2]。 6 PLC 的分类 对于 PLC 的分类通常可以根据他的结构形式、容量或功能进行。 按照硬件的结构形式，可将 PLC 分为整体式和模块式两类，还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式 PLC。 PLC 的容量主要指其输入/输出点数。 按容量大小，可将 PLC 分为：小型 PLC：I/O 点数一般在 256 点以下；中型 PLC：I/O 点数一般在 2561024 点之间；大型 PLC：I/O 点数一般在 1024 点以上。 按 PLC 功能上的强弱可分为低档机，中档机，高档机。 当然，上述分类的标准不是固定的，而是随着 PLC 整体性能的提高不断变化。 PLC 的基本结构PLC 专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O 接口）、电源及编程器等几大部分组成。 PLC 的基本结构图如图 22 所示。 输入单元中央处理单元CPU 输出单元电源存储单元 编程器或其他编程设备 图 22 PLC 的基本结构图中央处理器（CPU）是 PLC 的核心，一般由运算器、控制器、寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。 CPU 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、 7 输入输出接口电路相连接。 它的功能是接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。 PLC 中采用的 CPU 一般有三大类：通用微处理器；单片机芯片；位处理器。 存储器主要用于存放系统程序和应用软件。 PLC 所用的存储器基本上由 ROM（只读存储器）、EPROM（可擦除的只读存储器）及 RAM（随机存储器）组成。 根据存储内容的不同，PLC 的存储空间一般分为以下 3 个区域：系统程序存储区、用户程序存储区、系统 RAM 存储区。 输入/输出单元从广义上分包含两部分：与被控设备相连接的接口电路；输入输出的映像寄存器。 PLC 是通过各种 I/O 接口模块与外界联系的，按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。 PLC 的编程 常用的 PLC 程序设计方法有梯形图(LAD)、功能块图(FBD)和语句表(STL)。 梯形图的使用直观方便,可以建立与电器接线图等价的梯形逻辑图,而且在全世界范围内通用,因此,成为多数 PLC 程序设计和维护人员的首选方法,在实际设计中有着广泛的应用。 S7300 型 PLC 的特性S7300PLC 是西门子公司的中型 PLC，最多可以扩展 32 个模块。 S7300PLC 是模块式中小型 PLC，电源、CPU 和其他模块都是独立的，可以通过 U 形总线把电源（PS） 、CPU 和其他模块紧密地固定在西门子 S7300 标准的导轨（Rail）上。 S7300PLC 的结构示意图如图 23 和 24。 8 图 23 S3300PLC 实物图 图 24 S7300PLC 主要结构示意图 9第三章 PID 控制器设计控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。 首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。 然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。 PID 控制器PID 控制技术是在反馈思想被实际应用以后在工业应中发展起来的。 PID 控制器早在一百年前就已经出现，经过长时间发展，已经有许许多多改进形式的PID 控制器出现，但到目前为止没有一个 PID 控制器能够适用于所有控制场合。 PID 控制器具有结构简单，鲁棒性强等特点，因此，今天它己经成为应用最广泛的控制技术，在石化，化工，造纸等工业领域，甚至有 97%的常规控制器都是 PID 控制器。 PID 控制器的基本结构最典型反馈控制系统的方块图如图 31 所示，此系统为单位反馈，其中偏差值 e 为给定值与测量值的差值，u 为控制量，d 为系统中扰动量。 图 31 系统结构框图PID 控制器基本可以由以下的传递函数表示： （31）1())cdiGsKTs其中 为比例增益， 为积分时间， 为微分时间。 cKiTdPID 控制器的另一种表示方式也比较常见，称为并行结构（Parallel form），如下所示：PID 被控对象给定值 被控参数+d+e uPVSV10sKsGdip)( （32）其时域输出方程为： dtetettuip )()()()(（33）式（31）与式（32）实际上可以互相转换，两者参数间的关系如下所式：， ， （34）pcKciiTdcK此时，模型的积分时间和微分时间也相应改变，分别为： ，1iKd PID 控制器各参数的作用PID 控制器包括积分、比例、微分三个部分，分别代表过去，现在，还有未来的控制作用，相应的控制参数,以式（31）为例，比例增益 、积分时间cK、微分时间 的取值影响到系统控制效果的好坏。 三个部分对系统性能的影iTd响如下所示：(1) 比例作用引入比例作用是为了即时地反映控制系统的偏差信号，一旦系统出现了偏差，比例调节作用立即生效，使系统偏差快速向减小的趋势变化。 增大比例增益，可以提高系统的开环增益，减小系统稳态误差，从而提高控制精度加快调节速度。 但是过大的比例增益会使调节过程出现较大的超调量，从而降低系统的稳定性，在某些严重的情况下，甚至可能造成闭环系统不稳定。 (2) 积分作用引入积分作用是为了使系统消除稳态误差，提高系统的无差度，以保证实现对设定值的无静差跟踪，改善系统的稳态性能。 从原理上看，只要控制系统存在动态误差，积分调节就产生作用，直至无差，积分作用就停止，此时积分11调节的输出为常数。 积分作用的强弱取决于积分时间常数 的大小， 越小，iTi积分作用越强，反之则积分作用弱。 但积分作用的引入同时使信号产生相位滞后，使系统稳定性下降，动态响应变慢。 因此，实际中一般不单独使用积分器，积分作用常与另外两种调节规律结合，组成 PI 或 PID 控制器。 (3) 微分作用引入微分作用是为了改善控制系统的响应速度，同时使相位超前，提高系统的相位裕度增加系统的稳定性。 微分作用能反映系统偏差的变化律，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。 直观而言，微分作用能在偏差还没有形成之前，就已经消除偏差。 因此，微分作用改善系统的动态性能。 微分作用的强弱取决于微分时间 的大小， 越大，微分作用越强，反之则越弱。 dTd此外，微分作用反映的是变化率，当偏差没有变化时，微分作用的输出为零。 在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。 但是微分作用对噪声干扰有放大作用，而这是我们在设计控制系统时不希望看到的。 所以我们不能过强地增加微分调节，否则会对控制系统抗干扰能力产生 不利的影响。 因此，微分器也不能单独使用 [4]。 过程控制中常见 PID 参数整定方法从对象的开环响应曲线来看大多数工业过程都能用一阶惯性加纯滞后(First Order Plus Delay Time)模型来近似描述，简记为 FOPDT 模型，其传递函数如下所示： (35)seTKsG1)(、 、 分别为对象模型的开环增益、纯滞后时间常数和惯性时间常数。 KT（1）飞升曲线法（阶跃响应法）将系统开环后（不加入控制环节） ，给其输入一定幅值的阶跃信号，可得如下图所示的飞升曲线（即阶跃响应曲线）。 在曲线上最大斜率点 P 处作切线，FOPDT 模型的参数如图 32 所示。 12KTP图 32 飞升曲线再根据飞升曲线法的经验公式可得控制器各参数。 飞升曲线法非常方便简洁，只要知道过程对象的函数模型，即可根据公式算得 PID 控制器的三个参数。 但是飞升曲线法存在一定的弊端。 首先，它难以确定最大斜率处，并且能够利用的系统信息不足；其次，飞升曲线法只限定与FOPDT 模型，对象广泛的其他经典过程对象，飞升曲线法则束手无策。 （2）临界振荡法（临界比例度法）1942 年，Ziegler 和 Nichols 提出的另一种参数整定方法叫临界比例度法。 这种方法不像飞升曲线法那样依赖于对象的数学模型，而是通过实验由经验公式得到 PID 控制器的最优整定参数。 方法如下：在闭环的情况下，将 PID 控制器的积分和微分作用先去掉，仅留下比例作用，然后给系统输入一个信号，如果系统响应是衰减的，则需要增大控制器的比例增益 ，重做实验；反之则需要减小。 实验的最终目的，是要使闭环cKcK系统做临界等幅振荡，此时的比例增益 就被称为临界增益，记为 而此时uK系统的振荡周期被称为临界振荡周期，记为。 然后再根据经验公式得出相应uT的 PID 参数 [4]。 临界比例度法虽然非常简单易用，在工程上也曾经得到广泛的应用，但是仍然存在许多的缺陷。 首先，对于参数 和 的获取需要花费大量的调试时间；uKT13其次，现场实验中存在的不确定影响会给试验数据带来一定甚至关键的噪声，从影响最终的控制品质；最后，对于那些不允许做临界振荡实验的系统，临界比例度法根本无法应用，否则就会导致整个系统崩溃。 PID 参数整定公式PID 参数自整定包括提取过程动态特性和 PID 控制器的设计两部分。 为了将复杂的设计过程应用于实际的 PID 自整定控制器，可以把 PID 控制器的设计结果表示为一些由过程的简单模型参数或动态特性参数表示的整定公式。 整定公式本身包含了 PID 控制器的设计过程，可以直接应用于 PID 自整定控制器中。 其中最为常见的是 ZieglerNichols 整定公式，最早的 ZN 公式是在 1942 年由Ziegler 和 Nichols 首先提出的，他们所使用的方法及其改进方法至今仍在广泛应用，上文所提到的飞升曲线法也是基于 ZN 公式的确定 PID 参数方法。 对于线性时不变系统，如果输入信号是正弦信号，则稳定后输出信号为同频率的正弦信号，只有幅度和相位发生变化。 系统传递函数可以表述为频率的函数: （36）jGjAe其中 为输入到输出的幅值增益， 是输入信号与输出信号之间的相移。 A图33 Nyquist曲线系统的Nyquist曲线如图33所示。 曲线上相位为 的点的被称为极限180o点该点的频率称为临界振荡频率。 如果在闭环系统中将控制器设为纯比例控u制，当比例增益达到足够高时，系统将不稳定。 调节比例增益使系统达到临界14状态时，这时控制信号与过程输出都是正弦信号，相位相差。 简单起见180o假设设定值SV=0。 则u=K*PV。 由于系统等幅振荡，可知 ，其中()uKGj临界增益 被称为临界比例系数， 为过程传递函数。 由此方程可知uK()uGj。 这样，Nyquist曲线上的极限点被确定，系统的频域传递函数1()Gj就可以通过一次调节试验辨识。 基于以上原理与方法，Ziegler 和 Nichols 提出了除利用阶跃响应法外的另一种 PID 参数整定方法——频率响应法。 频率响应法也就是上文提到的临界比例度法。 临界比例度法的整定公式如下表 31 所示。 表 31 临界比例度法的整定公式控制器 pKiTdP PI .PID 除了 ZN 整定公式外，后人还研究出多种 PID 参数整定公式，例如 RZN 整定公式、Kappatao 整定公式、CohenCoon 整定公式、AMIGO 整定公式等 [4]，本文不做深入介绍。 数学模型被控对象数学模型的建立通常采用下列二种方法。 一种是分析法，即根据过程的机理，物料或能量平衡关系求得它的数学模型；另一种是用实验的方法15确定。 图34 单容自衡水箱特性测试系统 （a）结构图 （b ）方框 图 图34所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。 阀门F1F12和F18全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F111的开度可以改变Q2。 液位h 的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。 若将Q1作为被控过程的输入变量，h 为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h 与Q1之间的数学表达式。 根据动态物料平衡关系有。