柳州西门子一级代理

  1 引言 
       汽包水位系统是一个具有较大的扰动和非线性特征的滞后系统。目前，对汽包水位的控制大多采用常规PID控制方式，但由于常规PID控制参数是固定不变的，几乎找不到能适应上述各种扰动的控制参数，从而其控制效果往往难以满足要求，造成系统不稳定甚至失控。这里介绍我们开发的一套PLC和单片机联合控制的系统。

      2 系统硬件配置 
       这套中小型工业锅炉控制器主要由单片机和PLC两大部分组成。
       对汽包水位的测量，采用了量程为[-100mm，+100mm]，分辨率为5mm的干簧圆筒式水位计。磁浮筒对干簧管产生磁场作用，对应生成相应的水位信号，水位信号送入单片机输出5位二进制水位到PLC，同时也送于单片机。单片机根据预先设定好的工艺条件，将水位的数值，阀值的数值和相关的报警信号输出显示到面板上。 
       就地汽包两侧水位计的水位高报警，低报警不送入单片机，直接送至PLC。操作面板上的6个面板上的6个按钮开关状态也连接到PLC的输入端子上。PLC根据所有的输入信号，执行相应的控制算法，计算结果通过输出端去控制对应的设备。 
       输入信号由单片机采集处理后送到PLC，只有重要的水位高/低保护信号不通过单片机直接送到PLC。从安全性来考虑，首先，有两套汽包水位测量装置，水位信号测量准确，可靠。并设置有水位偏差偏差报警功能，当两侧水位测量偏差超过一定值时，送控制器面板显示。其次PLC抗干扰能力强，不易出故障。采用单片机后，PLC输入/输出量大大减少了，输入量减少到18点，输出量减少到10个点，且单片机价格便宜，使得整套系统成本较低。

      3 基于模糊理论的PLC软件设计 
       3.1 模糊控制器设计步骤 
       为得到在输入是e和△e条件下控制量u的大小，首先根据实际论域并确定量化等级[-6～+6]，得到量化因子分别为Ke=0.06，K△e=0.5，Ku=15.3。 
      选择描述某一模糊变量各个模糊子集时，要使他们在论域上分布合理，即他们应该较好的覆盖整个论域。在定义这些模糊子集时要主意使论域中的任何一点对这些模糊子集的隶属度的大值不能太小，否则会在这样的点的附近出现不灵敏区，以至于失控，使模糊控制系统控制性能变坏。 
       采用的模糊条件语句为:if{e=Ai and △e=Bi then u=Ci i=1，2...}其中Ai，Bi，Ci分别为各自论域上的语言变量值。这样可以得到如附表的控制状态表。
       后利用加权平均法得到其终输出量化结果，jingque化后得到其控制量

       3.2 部分PLC程序 
       程序主要包括安全保护，手动控制和自动控制三部分。
       其中手动部分操作者能根据水位，压力变化控制A，B泵的开关时间，以及送引风机的状态。自动部分主要是根据从单片机上采集的水位数据，确定量化数，从而对A，B泵以及风机的控制，首先得到从单片机送来的安全水位信号，根据编码得到水位落在哪个量化区间内，然后根据IR201存储的历史信息对A，B泵开关和开关时间时间X以及送引风机进行自动控制。

       4 结束语 
       这套系统相应速度快，控制精度高，结构合理，功能齐全，软硬件配置可靠性高，具有较高实用价值和推广前景，能够适应工业锅炉的控制要求。节约了资金和人员投入，又提高了工业锅炉的自动控制水平，消除了事故隐患，此外，系统还极大的减少了控制系统的维护工作量及设备备品，备件的更换量和更换周期，经济效益可观。

概述
　　气体公司调节间于2001年10月投入运行，是我厂技改项目的配套工程。其作用是提供调节适当的生产用气（氧气、氮气及氩气），来满足生产单位的需求。

　　近几年，随着我厂生产规模的逐步扩大,就更加要求气体调节在生产中的稳定性和快速性，而目前传统的二次仪表已无法满足现有的控制需求。主要表现在：
　　1）过程自动化程度低，信息采集和反馈仍采用传统的二次仪表，致使数据采集缓慢、调节滞后，降低了系统运行的稳定性。
　　2）仪表内部信息储存量小，采集的压力、流量等数据无法长期保存，不便于日后生产工作的历史查询和分析。
　　3）系统可靠性低，需要配专人负责该系统的运行，造成了人工成本的上升；
　　鉴于以上三点，通过采用PLC（可编程控制器）控制系统，解决当前存在的问题。

　　1 PLC控制系统的特点及组成

　　PLC在现代工业控制领域中早己得到了广泛的应用。以PLC的控制功能而言，具有严谨、方便、易编程、易安装、可靠性高等优点。它通用性强，适应面广,特别在数字量输入/输出等逻辑控制领域有无可比拟的优点。PLC具有丰富的逻辑控制指令和应用指令，它提供高质量的硬件、高水平的系统软件平台和易学易编程的应用软件平台。另外，PLC即有自身的网络体系又有开放I／0及通讯接口，很容易组建网络并实现远程访问。

　　PLC采用Siemens公司生产的S7-300系列，由于现场的PLC系统与主控室的上位机距离较远（800米左右），因此通讯系统需成对加装RS-485中继器，另外在现场增加TP27-10https://触摸屏进行数据显示，确保系统运行的稳定性。
　　1.1 系统结构及硬件配置
　　根据控制需求，CPU模块采用CPU314、数字量输入（DI）采用SM321模块，数字量输出(DO) 采用 SM322模块，模拟量输入(AI) 采用 SM331模块，模拟量输出(AO) 采用 SM332模块以及IM365等模块组成，IM365实现机架扩展，上位监控机采用SIEMENS公司CP5611网卡完成计算机与PLC之间的数据通讯。整个通讯网络采用MPI的通讯协议，从上位机上可对整个气体调节过程进行监控和操作。
　　
　　1．2控制系统的功能实现
　　PLC程序的编制直接关系着供气系统能否正常工作，而程序设计的关键在于编程者对工艺系统的理解程度和程序编制技术的灵活应用。因此，在程序设计中首先考虑了供气压力调节系统的特点，将程序设计细化，分成多个程序模块，实行模块化编程。这样既可以方便的增加或删除程序模块，便于现场对工艺的调整，又可针对配套设备可控性对不同程序模块进行完善。
　　PLC的编程软件采用SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1软件平台用来完成硬件组态、地址和站址的分配以及编制整个生产过程的控制程序的。上位机监控软件采用国产软件组态王，全部采用汉化界面，便于系统的开发与操作，该系统运行于bbbbbbs2000中文平台，可实现对生产过程的全面监控，对重要参数形成历史记录，以报表或曲线的形式显示给操作人员。通过VB语言脚本，可以在主控室的上位机显示重要参数的历史趋势、实时趋势，实现压力调节的手自动切换、操作、压力的高、低限报警、流量数据的显示与累计，满足高生产率的调度需求。
 
1.3 现场显示
　　现场采用TP27触摸屏进行参数显示、控制，触摸屏程序由组态软件来完成，人机界面采用中文菜单，界面友好，操作方便，功能较强，主要用于现场压力、流量、阀位的显示与操作。可作为操作人员现场操作的依据。
　　
　　1.4 工控机配置
　　工控机采用研华IPC-610，通过CP5611卡，完成S7-300 PLC与工控机的通讯。主要完成下列任务：传送现场监控数据；运行监控；故障记录和排除提示；参数设置；生产数据管理和处理；图形化示教和离线编程。
　　
　　2 系统实现了供气系统的自动控制和监控，主要包括如下功能：
　　1）灵活的操作方式以及强大的系统控制功能：
　　系统可以实现上位机操作、控制柜触摸屏操作和就地手动操作；
　　2）报警功能：
　　 当压力超过工艺要求，可在现场、就地实现高、低限压力报警；
　　3）简单、方便的参数设定：
　　压力调节阀的压力设定值、P、I、D等参数可以在上位机中设定。
　　
　　2.1 系统控制功能
　　（1）过程控制的功能：
　　1)系统对供气压力实现了PID自动调节控制；
　　2)对所采集的模拟信号进行线性化、滤波、工程单位转换处理；
　　3)实现了流量信号的温、压补偿，提高了仪表的测量精度。
　　
　　（2）逻辑控制
　　联锁逻辑控制实现开/关的控制，逻辑控制及用户自定义功能块等。系统实现了电磁阀控制以及参数越限报警等功能。
　　
　　（3）人机接口
　　HMI系统中包含主工艺画面，各系统送气压力、流量，供气压力调节等多幅画面，画面直观、丰富，具备PID在线调节、在线显示调节曲线功能，包括过程量变化趋势的实时趋势曲线、历史趋势曲线。
　　
　　（4）报表打印
　　以报表形式绘制报警记录、历史记录画面，调节间数据报表。实时趋势曲线和历史趋势曲线可随意设定时间段，打印在线趋势，历史趋势曲线。
　　
　　3 软件设计
　　根据该系统具体情况，PLC系统软件设计过程中着重要考虑的是以下几个方面：　　　　
　　（1） 数据采集及工程量转换　　
　　（2） PID算法　　　

　　（3） 流量温压补偿计算以及流量的累积计算
　　对于系统中的逻辑控制选用梯形图（LADDER）编程，直观、方便；对于PID回路控制流量温压补偿计算以及流量的累积计算部分则采用语句表（STL）编程，结构紧凑而又灵活。

　　PID调节是该系统中为重要的控制程序，因此特将PID算法作一重点介绍。
　　
　　3．1 PID算法　　
　　STEP7提供了两种常用的PID算法：连续型PID（FB41）和离散型PID（FB42），根据实际要求，选用的是FB41。并在组态王中使用画图功能模拟一个PID调节器的操作面板，完成PID调节控制中的手/自动切换、给定值输入、手动输出值输入、PID参数（比例系数、积分时间）输入等功能。

　　PID算法的输出实际上是比例（P）、积分（I）、微分（D）三部分作用之和：
　　Mn＝MPn＋MIn＋MDn　　
　　MPn ＝ GAIN（SPn－ PVn）　　
　　MPn ＝ GAIN  TS／ TI（SPn－ PVn）＋ MX　　
　　MDn ＝ GAIN  TD／ TS（PVn－1－ PVn）　　
　　Mn：第n次采样时刻的输出值。
　　MPn：第n次采样时刻的比例作用，与偏差成正比。
　　MIn：第n次采样时刻的积分作用，可以消除静差，提高控制品质。
　　MDn：第n次采样时刻的微分作用，根据差值的变化率调节，可抑制超调。　　　　SPn：第n次采样时刻的设定值。
　　PVn：第n次采样时刻的过程值。
　　MX：第n－1次采样时刻的积分作用，每次采样计算后自动刷新。
　　GAIN：回路增益，P参数。
　　TI：积分时间常数，即I参数。
　　TI：微分时间常数，即D参数。
　　TS：采样时间。
　　　　从上面的公式中可以看出，参数P（GAIN）与P、I、D作用都是成正比的，它决定了PID回路的灵敏度，即调节速度的快慢；I参数越大，积分作用越弱，而D参数越大，微分作用越强。不能单靠理论计算来确定PID参数，唯一的衡量标准就是被控参数（压力）的精度和稳定度，所以在实际调试中，都是参照被控参数的实时曲线，反复观察分析，从而达到佳的控制效果。

4 采用该系统的意义
　 （1）计算机化管理使得系统信息储存量大，数据采集与反馈及时、准确，系统的生产数据可实现长期保存，有利于生产数据的历史查询和故障的即时排除；
　 （2）该系统投入运行后，通过计算机显示与控制，提高了过程自动化的程度，可实现无人调节操作，减少了操作环节，降低了运行成本，使系统的管理和控制上了一个新台阶。