工業自動化控制技術及其在鍋爐機組中的應用

郭士杰

摘要：用西門子PLC、觸摸屏、變頻器組建控制系統，以交流電機為控制對象，使用觸摸屏設定電機轉速和調試參數，對電機轉速進行定值調節。在傳統教學過程中，變頻調速理論和PID調參規則，學生不易理解。通過搭建實驗平臺，讓學生能夠通過具體的數據和直觀的畫面，理解電機閉環調速及PID調節參數相關理論，能夠改善學習效果，彌補學生工程實踐經驗的缺乏。

關鍵詞：變頻器;PID;PLC;觸摸屏

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）03-0007-03

0 引言

憑借良好的節電效果和優異的調速性能，變頻調速在化工、煤炭、電力等領域有著越來越廣泛的應用。變頻器是交流電機實現調速的主要設備，采用PID調節進行轉速控制，能夠獲得優良的控制效果。在系統數學模型未知的情況下，PID調節也能夠獲得較為滿意的控制效果，在工程實踐中應用非常普遍。而變頻調速理論和PID參數調試規則，是教學過程中的兩個難點。通過電機PID調速控制系統設計與調試的實踐教學，以直觀、形象、生動的實驗現象，來提高學生學習積極性，改善學習效果。在現有實驗設備基礎上，選擇西門子S7-300 PLC、變頻器G120和觸摸屏TP700組建電機PID調速控制系統。

1 設計思路

電機調速控制系統由變頻器、觸摸屏、可編程邏輯控制器等組建而成。轉速設定值、比例系數、積分時間、微分時間及電機啟停控制信號均可以通過上位機觸摸屏進行設置。這些數據通過以太網從觸摸屏傳送至PLC。在PLC中，對轉速采樣值、轉速設定值，兩者的差值進行PID運算，將輸出值傳送給變頻器，變頻器帶動電機運行。電機的實時轉速和波形，可以在觸摸屏中顯示出來，以此判斷電機運行狀態是否達到要求。電機轉速快速準確的達到設定目標，需要通過完整的系統設計得以實現，總體設計框架如圖1所示。

2 變頻調速原理

性能穩定可靠、性價比高、體積小巧等直流電動機所不具備的優點，正是交流電動機調速系統成為電力拖動控制系統重要組成的主要原因。對于交流調速系統，交流異步電動機轉速計算公式如下：

（1）

式中：為三相交流異步電機的運行速度，為三相交流電源的工作頻率，為三相交流異步電機的磁極對數，為轉差率。

通過式（1）可以知道，改變電源工作頻率f、電機的磁極對數p、轉差率s，這3種方法均可以實現對電機轉速的調整。與變極、變轉差率相比，變頻調速在工業領域應用更加普遍，因為變頻調速調速范圍更加廣泛、性能更加穩定可靠、更適合現場操作。

3 PID控制

PID調節可以為系統提供反饋控制、用積分消除余差、用微分預測將來，是工業控制系統中最常見的一種控制策略，具有性能穩定、應用范圍廣、結構簡單等優點。該調速系統PID控制是通過PLC內置的PID調節器實現的。控制原理為：參照系統誤差，借助PID參數完成控制量的計算，最終實現控制功能[1]。西門子的S7-300的CPU314C-2PN/DP，包含24個DI、16個DO、5個AI通道、2個AO通道，能夠滿足電機調速使用要求。

在SIMATIC S7自動化控制系統中，控制具有連續輸入和連續輸出變量的工藝過程，可以使用CONT_C指令實現。通過分配參數可以實現啟用PID控制器的子功能、禁止PID控制器的子功能、使其適應該過程等功能。除了具有設定值和過程值分支功能之外，該指令還能夠實現一個完整的PID控制器，具有連續的輸出值輸出，且允許手動影響輸出值。該控制器不僅可以應用于單回路定值控制系統，也可以作為混合、比值、級聯控制器應用于多回路控制系統。

設置輸入參數COM_RST=TRUE，將會運行CONT_C指令的初始化例程。初始化過程中，積分作用被設置為初始化值I_ITVAL。所有信號輸出都被設置為零。完成初始化例程后，必須設置COM_ RST=FALSE。在應用時，必須以固定的時間間隔調用塊，所以在循環中斷OB（OB 30到OB 38）中調用控制塊，以確保控制塊中計算的值正確。在CYCLE參數中輸入采樣時間。當指令CONT_C作為多重背景數據塊被調用時，不會創建任何工藝對象。沒有參數分配接口或調試接口可用，必須在多重背景數據塊中分配參數，并通過監視表格進行調試。減小給定值與過程變量的偏差值，直至為零，是定值控制系統的控制目標，可以通過比例系數、積分時間、微分時間來實現。

系統設定值與實際測量值之間出現的偏差大小，能夠通過比例作用快速反映出來。比例作用使系統控制量的輸出含有與系統偏差成線性變化的分量。比例系數越大或者比例度越小，偏差越大，但是系統反映越迅速。積分作用表明控制器的輸出與偏差對時間的積分成線性關系，是由系統偏差大小與偏差持續時間決定的。消除余差、提高控制精度，是積分作用的主要任務。積分時間越大，積分作用越弱，反之，則越強。微分作用的輸出與輸入的大小無關，與輸入量的導數成線性變換，能夠對輸入的變化趨勢作出反應，可以減小超調、控制振蕩次數、使系統趨于穩定，從動態性能方面來優化控制指標。從系統數學模型的角度分析，微分環節的出現，相當于在系統傳遞函數中引入了一個零點。如果微分時間選擇不合適，會導致系統穩定性發生改變。這三種作用是各自獨立的，互不影響。如果其中任一個調節參數發生改變，只會影響該參數對應的一種調節作用，而不會影響其他兩種調節作用。為了使控制系統快速、準確、穩定的運行，一般可使用試湊法、臨界比例度法、衰減振蕩等方法進行P、I、D參數整定，實現控制系統的優化控制。

4 系統程序設計

4.1 程序設計

使用西門子公司的博途軟件，實現PLC、變頻器及觸摸屏的硬件組態及程序設計。在組態過程中，要選擇和實際設備訂貨號匹配的硬件進行組建，并注意建立正確的以太網通訊。編寫程序時，從工藝對象中調用連續工藝函數CONT_C。先對CONT_C函數進行初始化復位，利用觸摸屏的啟動信號對變頻器進行控制字賦值，將16#047F賦值給QW256，電機進行運行準備狀態。在循環中斷塊OB33調用PID控制塊，啟動PID控制，根據工作要求，選擇控制器的控制方式。選擇手動控制時，MAN_ON為TRUE，在MAN值中輸入電機轉速，CONT_C函數的輸出值LMN進行數值轉換后賦值給變頻器狀態字QW258，則電機按照該數值運行;選擇自動控制時，輸入給定轉速值，合理選擇P、I、D參數，電機運行。在電機運行中，采集實際轉速，轉換后，傳送至觸摸屏轉速顯示部分。按下停止按鈕時，將控制字16#047E賦值給變頻器控制字QW256，電機停止運行。此外，PID控制器的部分數據格式要求的是浮點型，所以在程序中要對相關數據進行格式轉換，可利用CONV、ROUND函數等實現。程序設計思路如圖2所示。