PID流量控制.doc

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 通讯协议.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模块的接线端子表如表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