MCGS與PLC在鍋爐夾套溫度串級PID控制系統的應用

北方民族大學電氣與信息學院　孫　浩　尚　燕　牛小燕

MCGS與PLC在鍋爐夾套溫度串級PID控制系統的應用

北方民族大學電氣與信息學院孫浩尚燕牛小燕

通過對傳統鍋爐溫度串級PID控制系統的分析，得出其自動化程度不高并存在純滯后特性，因此很難滿足現在復雜的工業控制。本文基于PC機為上位機，S7-200PLC為控制器，電磁閥SCR為被控對象的控制系統研究。通過Smith補償消除了時滯對系統的影響，同時MCGS的畫面更加方便操作人員的監控。

MCGS；PID；S7-200PLC；串級控制；Smith補償

隨著生產的發展和生產工藝的增加，傳統的工業控制系統已不能滿足現在控制系統要求。由于串級控制系統能迅速克服進入副回路擾動的影響，增強系統的動態性能，因此采用串級控制。PC機和MCGS組合為上位機，S7-200PLC為控制器，同時對主副回路控制均采用Smith-PID控制器的策略。

1　鍋爐夾套串級控制的設計原理

夾套溫度作為主控制對象，在控制系統中起到主要的控制，而爐膽內的溫度作為副控制對象起輔助的控制作用。當擾動加入副回路中，此時副控制器是一個定值控制。副回路對檢測到的擾動首先進行粗調，減少進入主控制回路的擾動。

2　鍋爐夾套串級控制的硬件設計

2.1鍋爐夾套串級控制系統

控制系統的結構如圖1所示：

圖1　控制系統的結構

2.2硬件的功能介紹

（1）S7-200PLC 通過EM235實現傳感器與PLC的數據通信，對采集的數據進行處理并傳送給個執行機構如SCR。同時S7-200PLC還和上位機實現通訊，如程序的下載，MCGS和PLC各參數的數據交換，實現了在線監控的目的。

（2）EM235模擬量模塊4路輸入和1路模輸出。主要是完成模擬量和數字量的轉換。設置EM235模擬量輸入為0-5 V電壓輸入，模擬量輸出為4-20 mA。

（3）SCR 系統的執行器，PID整定的參數傳送給SCR，來實現控制器溫度的升降。

（4）上位機 PC機和MCGS組態軟件。

（5）溫度傳感器，這里選擇Pt100 鉑電阻。

（6）變送器 將電阻信號轉換成4-20mA。

3　Smith預估器的PID實現

3.1Smith預估器

由于鍋爐存在較大的滯后特性，破壞系統的動態性能，出現超調和振蕩現象。Smith預估器是一個對時滯進行補償的控制器，使被延遲的被調量，超前反映到調節器，使調節器提前動作，來抵消時滯所造成的影響PID參數整定。設被控對象的傳遞函數，為Smith預估器的傳遞函數，理想的閉環控制是將純滯后環節放到閉環控制系統外，由于系統的滯后現象無法消除，故兩者閉環傳遞函數是相同的，即：

求得從而求得Smith預估器的傳遞函數：

閉環系統的傳遞函數為：

由式可知閉環控制回路中不存在純滯后環節與未加Smith預估器的控制特性是完全一樣的。通過加入Smith預估器，可以消除純滯后部分對系統的影響，從而達到更精確的控制效果。

3.2PID參數整定理論

PID控制器是按照比例、積分、微分規律進行控制的，是現在最為廣泛應用的控制器。PID算法的實現是將系統傳遞函數，化成和有關的公式即：

3.3PLC中PID的實現

每個控制回路的PID都有兩個輸入給定值，反饋值。由于數據類型的不同，因此在進行PID運算及輸出要進行數據的標準化處理， PID回路控制程序如圖2所示。

圖2　PID回路控制程序

3.4串級PID參數整定

參數的整定，就是通過控制器參數的整定，找到最佳的控制參數，以達到最好的控制品質。本課題采用逐步逼近法。逐步逼近法就是斷開主回路，把求得副控制回路的參數加入控制系統中，同時主回路閉合，并求得主控制器的參數。在保持該主控制參數時進行第二次的副控制器參數整定，直到能夠滿足控制系統的品質要求為止。

3.5PLC程序流程圖

PLC程序流程圖如圖3所示，主程序主要是程序的初始化、中斷允許。中斷完成參數的整定，控制外設工作。

4　MCGS監控組態

由于MCGS具有簡單易學、操作簡單、可視化窗口顯示的特點，

因此根據系統的控制要求，通過MCGS的組建得到鍋爐夾套串級PID控制的監控畫面如圖，MCGS和PLC通過PC/PPI通信協議進行數據的交換，在MCGS設備窗口添加串口父設備，從而實現對各控制參數的監控。MCGS設計的系統主畫面如圖4所示，輸出曲線。

圖3　PLC程序流程圖

圖4　MCGS系統整體設計圖

5　結論

本文通過對串級控制系統、Smith預估器、PID算法原理介紹及PLC內置PID算法的程序的實現。通過實驗表明具有Smith-PID控制器的控制系統比傳統的PID控制能更好的解決時滯問題，其動態性能好，超調量不大。通過MCGS組態軟件的實時在線監控，方便操作人員的監控，提高工作效率。

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