工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)及其在鍋爐機(jī)組中的應(yīng)用

郭士杰

摘要：用西門子PLC、觸摸屏、變頻器組建控制系統(tǒng)，以交流電機(jī)為控制對(duì)象，使用觸摸屏設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速和調(diào)試參數(shù)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行定值調(diào)節(jié)。在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，變頻調(diào)速理論和PID調(diào)參規(guī)則，學(xué)生不易理解。通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生能夠通過具體的數(shù)據(jù)和直觀的畫面，理解電機(jī)閉環(huán)調(diào)速及PID調(diào)節(jié)參數(shù)相關(guān)理論，能夠改善學(xué)習(xí)效果，彌補(bǔ)學(xué)生工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的缺乏。

關(guān)鍵詞：變頻器;PID;PLC;觸摸屏

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）03-0007-03

0 引言

憑借良好的節(jié)電效果和優(yōu)異的調(diào)速性能，變頻調(diào)速在化工、煤炭、電力等領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用。變頻器是交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的主要設(shè)備，采用PID調(diào)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，能夠獲得優(yōu)良的控制效果。在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型未知的情況下，PID調(diào)節(jié)也能夠獲得較為滿意的控制效果，在工程實(shí)踐中應(yīng)用非常普遍。而變頻調(diào)速理論和PID參數(shù)調(diào)試規(guī)則，是教學(xué)過程中的兩個(gè)難點(diǎn)。通過電機(jī)PID調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的實(shí)踐教學(xué)，以直觀、形象、生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，來提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，改善學(xué)習(xí)效果。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上，選擇西門子S7-300 PLC、變頻器G120和觸摸屏TP700組建電機(jī)PID調(diào)速控制系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)思路

電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)由變頻器、觸摸屏、可編程邏輯控制器等組建而成。轉(zhuǎn)速設(shè)定值、比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間及電機(jī)啟停控制信號(hào)均可以通過上位機(jī)觸摸屏進(jìn)行設(shè)置。這些數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)從觸摸屏傳送至PLC。在PLC中，對(duì)轉(zhuǎn)速采樣值、轉(zhuǎn)速設(shè)定值，兩者的差值進(jìn)行PID運(yùn)算，將輸出值傳送給變頻器，變頻器帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和波形，可以在觸摸屏中顯示出來，以此判斷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否達(dá)到要求。電機(jī)轉(zhuǎn)速快速準(zhǔn)確的達(dá)到設(shè)定目標(biāo)，需要通過完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

2 變頻調(diào)速原理

性能穩(wěn)定可靠、性價(jià)比高、體積小巧等直流電動(dòng)機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，正是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)成為電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)重要組成的主要原因。對(duì)于交流調(diào)速系統(tǒng)，交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

（1）

式中：為三相交流異步電機(jī)的運(yùn)行速度，為三相交流電源的工作頻率，為三相交流異步電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，為轉(zhuǎn)差率。

通過式（1）可以知道，改變電源工作頻率f、電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)p、轉(zhuǎn)差率s，這3種方法均可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整。與變極、變轉(zhuǎn)差率相比，變頻調(diào)速在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用更加普遍，因?yàn)樽冾l調(diào)速調(diào)速范圍更加廣泛、性能更加穩(wěn)定可靠、更適合現(xiàn)場(chǎng)操作。

3 PID控制

PID調(diào)節(jié)可以為系統(tǒng)提供反饋控制、用積分消除余差、用微分預(yù)測(cè)將來，是工業(yè)控制系統(tǒng)中最常見的一種控制策略，具有性能穩(wěn)定、應(yīng)用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。該調(diào)速系統(tǒng)PID控制是通過PLC內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的。控制原理為：參照系統(tǒng)誤差，借助PID參數(shù)完成控制量的計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)控制功能[1]。西門子的S7-300的CPU314C-2PN/DP，包含24個(gè)DI、16個(gè)DO、5個(gè)AI通道、2個(gè)AO通道，能夠滿足電機(jī)調(diào)速使用要求。

在SIMATIC S7自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，控制具有連續(xù)輸入和連續(xù)輸出變量的工藝過程，可以使用CONT_C指令實(shí)現(xiàn)。通過分配參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)啟用PID控制器的子功能、禁止PID控制器的子功能、使其適應(yīng)該過程等功能。除了具有設(shè)定值和過程值分支功能之外，該指令還能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)完整的PID控制器，具有連續(xù)的輸出值輸出，且允許手動(dòng)影響輸出值。該控制器不僅可以應(yīng)用于單回路定值控制系統(tǒng)，也可以作為混合、比值、級(jí)聯(lián)控制器應(yīng)用于多回路控制系統(tǒng)。

設(shè)置輸入?yún)?shù)COM_RST=TRUE，將會(huì)運(yùn)行CONT_C指令的初始化例程。初始化過程中，積分作用被設(shè)置為初始化值I_ITVAL。所有信號(hào)輸出都被設(shè)置為零。完成初始化例程后，必須設(shè)置COM_ RST=FALSE。在應(yīng)用時(shí)，必須以固定的時(shí)間間隔調(diào)用塊，所以在循環(huán)中斷OB（OB 30到OB 38）中調(diào)用控制塊，以確保控制塊中計(jì)算的值正確。在CYCLE參數(shù)中輸入采樣時(shí)間。當(dāng)指令CONT_C作為多重背景數(shù)據(jù)塊被調(diào)用時(shí)，不會(huì)創(chuàng)建任何工藝對(duì)象。沒有參數(shù)分配接口或調(diào)試接口可用，必須在多重背景數(shù)據(jù)塊中分配參數(shù)，并通過監(jiān)視表格進(jìn)行調(diào)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(tǒng)的控制目標(biāo)，可以通過比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量值之間出現(xiàn)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(tǒng)控制量的輸出含有與系統(tǒng)偏差成線性變化的分量。比例系數(shù)越大或者比例度越小，偏差越大，但是系統(tǒng)反映越迅速。積分作用表明控制器的輸出與偏差對(duì)時(shí)間的積分成線性關(guān)系，是由系統(tǒng)偏差大小與偏差持續(xù)時(shí)間決定的。消除余差、提高控制精度，是積分作用的主要任務(wù)。積分時(shí)間越大，積分作用越弱，反之，則越強(qiáng)。微分作用的輸出與輸入的大小無關(guān)，與輸入量的導(dǎo)數(shù)成線性變換，能夠?qū)斎氲淖兓厔?shì)作出反應(yīng)，可以減小超調(diào)、控制振蕩次數(shù)、使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，從動(dòng)態(tài)性能方面來優(yōu)化控制指標(biāo)。從系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的角度分析，微分環(huán)節(jié)的出現(xiàn)，相當(dāng)于在系統(tǒng)傳遞函數(shù)中引入了一個(gè)零點(diǎn)。如果微分時(shí)間選擇不合適，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性發(fā)生改變。這三種作用是各自獨(dú)立的，互不影響。如果其中任一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)發(fā)生改變，只會(huì)影響該參數(shù)對(duì)應(yīng)的一種調(diào)節(jié)作用，而不會(huì)影響其他兩種調(diào)節(jié)作用。為了使控制系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的運(yùn)行，一般可使用試湊法、臨界比例度法、衰減振蕩等方法進(jìn)行P、I、D參數(shù)整定，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

4.1 程序設(shè)計(jì)

使用西門子公司的博途軟件，實(shí)現(xiàn)PLC、變頻器及觸摸屏的硬件組態(tài)及程序設(shè)計(jì)。在組態(tài)過程中，要選擇和實(shí)際設(shè)備訂貨號(hào)匹配的硬件進(jìn)行組建，并注意建立正確的以太網(wǎng)通訊。編寫程序時(shí)，從工藝對(duì)象中調(diào)用連續(xù)工藝函數(shù)CONT_C。先對(duì)CONT_C函數(shù)進(jìn)行初始化復(fù)位，利用觸摸屏的啟動(dòng)信號(hào)對(duì)變頻器進(jìn)行控制字賦值，將16#047F賦值給QW256，電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)。在循環(huán)中斷塊OB33調(diào)用PID控制塊，啟動(dòng)PID控制，根據(jù)工作要求，選擇控制器的控制方式。選擇手動(dòng)控制時(shí)，MAN_ON為TRUE，在MAN值中輸入電機(jī)轉(zhuǎn)速，CONT_C函數(shù)的輸出值LMN進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換后賦值給變頻器狀態(tài)字QW258，則電機(jī)按照該數(shù)值運(yùn)行;選擇自動(dòng)控制時(shí)，輸入給定轉(zhuǎn)速值，合理選擇P、I、D參數(shù)，電機(jī)運(yùn)行。在電機(jī)運(yùn)行中，采集實(shí)際轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)換后，傳送至觸摸屏轉(zhuǎn)速顯示部分。按下停止按鈕時(shí)，將控制字16#047E賦值給變頻器控制字QW256，電機(jī)停止運(yùn)行。此外，PID控制器的部分?jǐn)?shù)據(jù)格式要求的是浮點(diǎn)型，所以在程序中要對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，可利用CONV、ROUND函數(shù)等實(shí)現(xiàn)。程序設(shè)計(jì)思路如圖2所示。