基于GPRSPLC多点温度监控系统设计
摘 要
在中国北方地域关键采取集中供暖方法,依据小区供暖对恒压恒温控制要求,
本 | 设 | 计 | 采 | 取 | 计 | 算 | 机 | 、 | 工 | 业 | 智 | 能 | 模 | 块 | 、 |
传感器和实施器组成一个温度和压力双重闭环供暖控制系统。
经过组态控制方法和PID控制策略,设计了组态界面监控程序,
实现了对小区供暖系统温度、压力、流量参数现场采集和实时调整,
从而提升控制精度。在本设计了关键分为三个部分:上位机通用组态软件、
GPRS无线传输、下位机S7-200PLC。
在上 位 机 部 分采 取 是 MCGS通 用 组态 软 件,
含有丰富画面显示组态功效。在组态界面上关键显示各小区换热站网管温度、
压力、流量等参数并对其进行控制,确保其安全可靠运行。
该系统数据传输网络关键是经过GPRSDTU和移动企业GPRS网络来完成。
DTU是数据接收和发送模块,在网络中关键完成下位机和上位机数据传输任务,
同时也是和移动GPRS网络工作接口。
下 | 位 | 机 | 部 | 分 | 利 | 用 | 了 | 西 | 门 | 子 | 得 | S7-200 |
PLC对现场设备运行情况及参数进行采集和控制。
经过在试验室将程序进行调试,使其控制精度、
运行可靠性基础符合了系统控制要求。
关键词:S7-200PLC GPRS PID MCGS组态软件
TheDesign of Multi-point Temperature
Control System Basedon GPRS and PLC
Abstract
In the northern Chinamainly uses the central heating way, according to the districtcontrol requirements of constant pressure and temperature. Thisdesign uses the computer, industrial intelligent module, sensors andactuators form a temperature and pressure double closed loop ofheating control system. Through the configuration control method andPID control strategy, design the monitoring program of configurationinterface, realizing the data acquisition and real-time adjustment oftemperature, pressure, and flow rate parameters in the heatingcontrol system, so as to improve the control precision. This designcan be divided into three parts, including the general configurationsoftware of upper machine, GPRS wireless transmission, PLCS7-200.
Use MCGS general configuration software as the upperpart. MCGS is specialized configuration interface mainly shows thetemperature, pressure, flowing parameters of every heating transferstation and its control, ensure the safe and reliable operation.
Thedata transmission network of system is mainly through the GPRS DTUand mobile company GPRS network. DTU is the sending and receivingmodule, which is used to finish the transmission task between theupper machine and the under machine in the network. Meanwhile it’salso the connection with mobile GPRS network.
Inthe under machine we use Siemens S7-200 PLC to gather the data andcontrol the operation of the heating system.
Through the program testing in the laboratory, finish the controlsystem basically both in control accuracy and operationreliability.
Keywords:S7-200 PLC; PID; GPRS; MCGS
目 录
1引言..................................................................................................................................12工艺要求及设计方案......................................................................................................22.1工艺要求................................................................................................................22.2设计方案................................................................................................................23.1网络结构................................................................................................................43.2 GPRS技术............................................................................................................43.2.1GPRS简述..................................................................................................4
3.2.2选择GPRS优势..........................................................................................4
3.2.3选择GPRS要处理关键问题......................................................................4
3.3.1GPRS型号..................................................................................................5
3.3GPRS型号选择.....................................................................................................5
4电气控制........................................................................................................................10
4.1控制方案..............................................................................................................11 4.1.1PID模拟量控制结构...............................................................................11 4.1.2PID指令向导...........................................................................................12 4.1.3PID参数...................................................................................................124.2温度控制..............................................................................................................12 4.2.1手动控制方法...........................................................................................13 4.2.2自动运行方法...........................................................................................144.3恒压控制..............................................................................................................18 4.3.1变频器.......................................................................................................18 4.3.2压力手动运行方法...................................................................................19
4.3.3压力自动运行方法...................................................................................20
4.4补水箱液位控制..................................................................................................214.5供水流量控制......................................................................................................225硬件及设备选型............................................................................................................245.1PLC.......................................................................................................................245.1.1模拟量输入输出模块选型.......................................................................24
5.1.2I/O分配.....................................................................................................25
5.2设备选型..............................................................................................................255.2.1传感器选择...............................................................................................25
5.2.2变频器选择...............................................................................................27
5.2.3电动阀门选择...........................................................................................27
6.1相关MCGS组态软件...........................................................................................28
6通用组态软件.................................................................................................................28
6.2.2用户窗口...................................................................................................29 6.2.3实时数据库...............................................................................................29 6.2.5脚本程序...................................................................................................30 6.2.6设备窗口...................................................................................................31 6.3系统组态步骤......................................................................................................327系统调试.........................................................................................................................33 7.1调试过程..............................................................................................................33 7.1.1接线...........................................................................................................33 7.1.2分步调试...................................................................................................33 7.1.3组态连接...................................................................................................35
7.2调试过程中问题..................................................................................................36
7.2系统存在问题......................................................................................................368结论................................................................................................................................38谢辞...................................................................................................................................39参考文件...........................................................................................................................40附录...................................................................................................................................41外文资料...........................................................................................................................49
1引言
伴 | 随 | 多 | 年 | 来 | 中 | 国 | 城 | 市 | 建 | 设 | 快 | 速 | 发 | 展 | , |
在中国北方地域普遍采取是集中式供暖方法。热电厂将热水经过城市高温供热管道送至分布在城市中各个居民小区换热站中。换热站高温管道中热水和居民暖气片中冷水经过换热器进行交换热量再将交换后热水送入各居室内作为供暖用。
一个供热企业通常控制多个甚至多个小区供暖,供暖作为城市发展一个关键基础设施是经济和社会发展源泉,加强对供暖信息化建设不仅能够为供热企业提升经济效益还对城市建设发展含有
相 | 当 | 关 | 键 | 意 | 义 | 。 | 本 | 文 | 利 | 用 | 计 | 算 | 机 | 信 | 息 | 技 | 术 | 、 |
通信技术和自动控制技术对整个供暖系统运行过程中关键参数、管网信息、
并将监测点运行情况用组态画面显示,直观表现出管网运行情况,
设备运行情况进行动态监测、实时调度和自动化控制,实现自动化信息管理,
在加装了电动调整阀和测量一次热水流量测量变送器;为了保持二次回路压力稳定,在二次回路加装有变频补水泵以稳定二次供暖回路压力。同时在二次管网中还装了温度传感器和压力传感器。现在采取S7-200PLC技术和GPRS无线通讯网络技术相结合对供暖远程监控系统,在对管网快速、正确监控、安全维护、抢修施工等方面含相关键意义。
2工艺要求及设计方案
2.1工艺要求
（1）检测显示和上传六个换热站参数
热网回水温度,补水箱液位,热网回水压力,供水网流量,（2）控制和联锁部分
PLC控制器依据补水管网压力,控制补水泵转速。
依据换热器出水口温度调整供水网上加装电动调整阀开度来控制温度保持在
一定范围内恒定。
当补水箱处于低液位时,报警信号送至PLC,同时停补水泵。
（3）报警保护部分
补水箱处于低液位或高液位
热网回水压力大于0.35MPa时 换热站出水口温度超出设定值5℃时产生报警
上 位 机上,方便工作人员能够经过上位机直观看到各个换热站设备运行情况并对其进行参数设置,来确保系统稳定运行。每个换热站控制参数和情况全部是一样,所以在下面设计里只研究了一个换热站控制运行情况。
一个换热站控制系统关键是由三部分组成:现场换热站S7-200
PLC[1]控 | 制 | 部 | 分 | 、 | GPRS无 | 线 | 数 | 据 | 传 | 输 | 部 | 分 | 、 |
监控室控制中心上位机MCGS组态软件部分。系统首先经过S7-200PLC采集换热站内温度、压力、流量变送器现场信息参数,经过RS232模块完成和GPRSDTU数据交互[2]。监控室内上位机和GPRS 数据接收端连接起来并定时接收从现场传来数据,
计 | 算 | 机 | 利 | 用 | 组 | GPRS接 | 收 | 现 | 场 | PLC对 | 数 | 据 | 进 | 行 | 采 | 集 | , |
并经过MCGS组态软件统计和分析,在计算机屏幕上清楚显示出来;经过PID运算对给定信号和反馈信号进行比较运算,将运算结果作为控制信号经过GPRS无线通信传送到现场换热站PLC去控制电动调整阀和变频器动作,从而实现对现场设备运行控制。系统总体结构图2-1所表示。
（1）大多数换热站全部采取是超短波来进行传输,不过伴随城市快速发展,很多高楼大厦拔地而起阻挡了信号传输,使很多数据不能正常抄报。无线电波还含有一定不足,抗干扰能力也比较差。对于现有传输系统不仅需要人工检验进行大量维护,还需要投入大量维修费用,
严 | 重 | 影 | 响 | 了 | 企 | 业 | 经 | 济 | 效 | 益 | 。 |
为了有效处理供热管网存在数据传输问题本方案采取是GPRS通用分组业务,
不需要电路交换模式网络资源。GPRS不仅能够提供一个高效率、
它许可用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据,
还在很大程度上为用户降低了成本[3]。
MCGS组态监
控
工控机
GPRS传输终
端
无线
通信
GPRS终端1 GPRS终端6
S7-200…… S7-200
恒温系统 恒压补水 恒温系统 恒压补水
（2）现场数据采集部分我们采取是西门子SP-200系列PLC,
另外在编程方面PLC也比单片机和ARM简单轻易了解。
在PLC型号选择时有些控制系统基础上均采取S7-300PLC,即使其I/O点数增加了能够充足满足系统控制要求,但同时也增加了系统成本,在本设计里六个站里分别安装了PLC,控制数字量不是很多,所以本系统采取了S7-200加上扩展模块方法来实现对系统参数采集。
（3）在监控中心上位机部分利用是通用组态软件,此软件能直观对现场设备运行情况进行监控,画面美观形象,人机界面良好,还有最大优势就是功效齐全应用起来简单方便还能够清楚显示现场设备运行情况,
生成生报表浏览报警信息。
3数据传输
3.1网络结构
该系统数据传输网络关键是经过GPRSDTU和移动企业GPRS网络来完成。DTU是数据接收和发送模块,在网络中关键完成S7-200PLC和监控中心数据传输任务,同时也是和移动GPRS网络工作接口。
3.2GPRS技术
3.2.1GPRS简述
GPRS(General | Packet | Radio | Service, |
通用分组无线业务)是现有GSM系统上发展出来一个新承载业务,为GSM用户提供分组形式数据业务[3]。GPRS采取分组交换技术,
GPRS技 术 采 取 实 送 和 接收,资源能够被充足利用,数据传输速率最高可达成171.2kb/s。
3.2.2选择 GPRS优势
选择一个适宜传输方案是决定系统运行稳定性和经济性关键指标。GPRS能够让用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据,不需要利用电路交换模式网络资源,很适合小区供暖这种间断、突发和频繁少许数据传输[4]。
GPRS技术从试验室研究,在小范围地域内试用再到正常商用,这个过程经过了长时间完善,改善使其技术含有很强可靠性;GPRS设备数据监控终端DTU传输设备能一开机就自动连接到GPRS网络上,能够使监控中心实时在线对现场设备进行数据通讯,它能够高速传输并含有一定可靠性;GPRS网络覆盖面很广, 不存在信号盲区,而且是根据流量收取费用,收费合理、科学, 使企业投资减小,提升经济效益[4]。
3.2.3选择GPRS要处理关键问题
GPRS是 | 一 | 个 | 新 | 技 | 术 | , |
中国移动通讯作为运行商为它提供了满足行业应用数据传输网络平台,但要实施GPRS数据采集和管网数据监控系统还需要处理以下关键技术问题: （1）数据中心接入方法选择
采取GPRS网络,数据中心有公网接入方法和专网接入方法。服务器采取公网接入方法接入Internet,如ADSL拨号或电信专线宽带上网等,申请公网固定IP地址,能够满足中小容量数据传输应用。
服务器采取当地移动通信企业提供DDN专线（DigitalData Network, 数字数据网,即平时所说专线上网方法）,申请配置固定IP地址,和GPRS网络相连。因为DDN专线能够为系统提供较宽带宽,这就为PLC大容量系统提供了一个平台。
登录时不需要用户名和密码,而且分配IP地址是动态;
GPRS公网登录和专网登录不一样方面是APN不一样,公网CMNET
并不在SIM卡里有IP地址,而是分配给SIM卡IP地址是不变,这就是GPRS公网登录和专网登录区分也是SIM卡绑定原理。
（2）数据中心IP地址选择
在 | 本 | 系 | 统 | 里 | 就 | 是 | 选 | 择 | SIM卡 | 和 | IP地 | 址 | 绑 | 定 | 模 | 式 | , |
在这种模式下监控中心能够取得一个固定IP地址,数据终端DTU将地址配置后,一上电就能够和监控中心建立双向数据通道,不用进行域名解析,数据流量小,使得传输速度提升。这么系统采取GPRS作为远程数据通讯手段,利用无线分组交换技术为用户提供高速率,高透明数据传输通道。
3.3 GPRS型号选择3.3.1 GPRS型号
对 | GPRS数 | 据 | 传 | 输 | 业 | 务 | 和 | 一 | 般 | 数 | 据 | 业 | 务 | 不 | 一 | 样 | , | |
行 | 业 | 应 | 用 | 有 | 很 | 强 | 专 | 业 | 性 | 和 | 特 | 殊 | 性 | |||||
各 | 个 | , | ||||||||||||||||
在不一样行业利用里为用户提供不一样数据终端,
这就要求结合各行业运行不一样特点进行硬件、软件开发和系统集成。为此,
宏电企业在总结近几年来行业应用不一样特点基础上,
结合网络运行商网络特点和具体实际情况,推出了公用基础平台、
个性化应用设计H7710系列无线DDN通信终端(DTU)产品[5]。
深圳市宏电技术开发开发H7000无线DDN系统为用户提供了高速、
永远在线、透明数据传输虚拟专用数据通信网络。
关键针对电力系统及其自动化、工业监控、交通管理、金融等很多部门应用,
利 用 GPRS网 络 平 台 实 现 数据 信 息透 明 传 输,
尤其适合中心对多点、点多分散中小数据量传输。
同时考虑到各应用部门在网络方面需要,在网络结构上实现虚拟数据专用网。
无线DDN数据中心路由器:用户数据中心协议转换和数据转发,
可 采 取 宽 带 网 络 或 GPRS/CDMA接 入 方 法 和 GPRS/CDMA
DTU进行数据通信和协议转换,并经过以太网接口和数据中心服务器通信。
经过对宏电H7000系列产品多方面综合考虑在本系统选择H7710型号作为系统
数据传输。
表3-1 H7710功效特点
H7710特点 | H7710功效 | H7710设备参数 |
| ||||||||
（1）DTU为用户提供透明数据传输通道直接提供RS- | 使用方便、灵活、可靠 | 天线接口: 50Ω/SMA 阴头 | ||||||
232/422/485接口 | 支持双频GPRS或CDMA 1X网络 | SIM卡 | : | 3V | ; | 数 | 据 | 速 |
（2）永远在线, 按流量计费 | 支持GSM-R和GoTa网络 | 300~115,200bits/s | ||||||
（3）组网简单、快速、灵活 | 数据终端永远在线 | 接 | 口 | 端 | 子 | |||
透明数据传输和协议 | 3.5mm可插拔接线端子(14~24AW | |||||||
支持虚拟数据专用网 | 配 | 置 | 接 | 口 | : | |||
支持动态数据中心域名和IP地址TTL/RS- | 232(需配H7071专用配置线缆) | |||||||
232/422/485 | 最大工作电流: 230mA@+12VDC | |||||||
工作环境温度:-30~+70ºC
3.3.2H7710DTU参数设置
在主菜单(mainmenu)状态下键入c进入DTU参数配置,假如没有删除配置密码,
就 | 要 | 输 | 入 | 密 | 码 | 进 | 入 | , | 宏 | 电 | H711x | |||||||||
输入了正确密码后就能够进入参数设置界面[5]。 | ||||||||||||||||||||
3 | data service center (DSC) setup | 数据业务中心参数配置 | ||||||||||||||||||
4 | serial port setup | 串口通讯参数配置 | ||||||||||||||||||
5 | special setup | 特殊参数设置 | ||||||||||||||||||
在 | 主 | 菜 | 单 | 下 | 能 | 够 | 对 | 以 | 上 | 参 | 数 | 进 | 行 | 设 | 置 | , | ||||
按下1键能够对移动业务中心参数进行设置,其中包含对呼叫号码、用户名称、密码、接入点名称和用户SIM卡pin码设置。
在主菜单下按下2键就能够对数据终端参数进行设置,进入数据终端参数配置(dataterminal unit (DTU) setup)界面后按下1键,按提醒信息能够填写移动终端识别号,输入目前SIM卡用户对应手机号码, 为了安全起见还能够设置数据业务中心登录密码。
在数据终端参数设置(dataterminal unit (DTU)setup)菜单状态下键入3,
能 | 够 | 设 | 置 | 通 | 讯 | 端 | 口 | 号 | , |
通讯端口号必需和GPRS数据终端所接入数据中心服务器通讯端口号相对应,
设置当地移动终端通讯端口号,宏电出厂端口号通常为:5001。
在参数设置主菜单下还能够对数据业务中心IP地址,
域名和通讯端口进行设置。
在DTU参数配置(configurations)里最关键就是串口通讯参数配置,
在这里能够设置波特率、字节位长度、校验类型、停止位长度等。
（1）baudrate (波特率)
在 | 配 | 置 | 串 | 口 | 通 | 信 | 参 | 数 | 配 | 置 | (serial | port |
setup)菜单状态下按下1显示页面就能够按下1～8选择用户所需要波特率即可,
（2）databits (字节位长度)
假如需要设定自己特殊波特率,键入9, 然后输入所需值,键r 就能够返回界面。
（3）paritybit (校验类型)
在串口通信参数配置(serialport setup)菜单状态下键入3,
按所提醒信息选择所需要校验类型即可。
（4）stopbit (停止位长度)
在串口通信参数配置(serialport setup)菜单状态下按下4,
然后按提醒信息输入停止位长度即可。
3.4GPRS连接
GPRS连接关键包含:GPRS和上位机MCGS组态软件连接和GPRS和下位机S7-
200系列PLC连接。
GPRS数据发送端DTU和PLC相连首先要进行DTU参数设置,
将 设置 好 DTU用 RS232数 据 线 将 两个 设 起 来,
GPRS就能够自动接收PLC采集多种参数,并将其传送到监控中心上位机上。
在 | 监 | 控 | 中 | 心 | 内 | GPRS |
Modem安装过程中要注意问题就是要将GPRS串口线直接和电脑串口线相连,这么才能够确保信号强度足够拨号成功。
（1）在安装GPRSModem过程中首先点击计算机左下角开始,找到控制面板根据下面次序进行属性设置:
控制面板电话和调制解调器选项调制解调器
选择添加不检测调制解调器标准19200bps调制解调器选定安装到哪个串口 （2）设置19200调制解调器
将上面设置完成后,将19200调制解调器安装到COM2口,就能够按下面次序对19200调制解调器进行设置:
最高速率（57600）高级额外初始化命令
控制面板电话和调制解调器选项调制解调器属性常规串口2
图3-1 调制解调器设置
最终在完成调制解调器属性设置后能够再根据上面次序进入控制面板检测调
制解调器安装是否正确。
（3）建立拨号连接
在本系统里采取是拨号到专用网络方法,所以要新建一个网络连接方法,能够根据下面次序进行设置:
新建连接—>拨号到专用网络—>标准19200调制解调器—>电话号码填:*99***1#
（4）设置拨号连接网络属性
打开拨号连接右击属性进入网络,在服务器类型里选择PPP,连接选择TCP/IP协议,设置窗口图3-2所表示。
填写上用户名和密码, 并进行拨号,PPP服务器会自动检测用户名和密码,
在将上面设置完成以后就能够试着登陆网络,双击刚才新建拨号连接,
硬件:
服务器:一般pc＋一般Modem,拨号上网。
用户端:一般pc＋GPRSModem, 拨号上GPRS网络。
软件:
MCGS通用版:通用TCP/IP父设备＋网络数据同时
图3-2 拨号设置窗口
用户必需含有固定IP地址。在用户端软件上设置服务器IP地址,
服务器:经过Modem拨号连接或经过其它方法连接到Internet上,
经 过 上 述 步 骤 安 装 了 GPRS Modem,
和Internet连接上后就含有了将数据上传（下传）通讯能力。
(5)相关固定IP
经过GPRS网路传输数据时,服务器端必需要有固定IP地址。
在实际现场应用中,需要经过向当地移动企业申请一个固定IP地址,
每一个用户端需要将该IP地址用SIM卡固化在连接GPRSModem中,
当用户端上电以后自动依据固化IP地址连接到GPRS网络,在网络上寻求服务器。
服务器端父设备设置图3-3。
图3-4 用户端父设备设置
4电气控制
4.1控制方案
因为必需确保北方小区供暖恒温、恒压性,本系统采取了西门子S7-200系列PLC在六个小区换热站内对现场各个参数进行采集,用传感器和温度调整阀,变频器等组成闭环控制系统,经过PLC里PID控制器进行自动控制,来确保系统稳定运行。
4.1.1PID模拟量控制结构
PID是一个经典百分比、积分和微分综合运算控制器,它适合部分惯性比较大系统[6]。
sp(t) e(t) M(t) c(t)经典PID控制结构图如4-1所表示。
图4-1 PID控制结构图
该闭环控制系统控制原理是:当反馈值PV( t)小于设定值SP( t)时就会产生误差e( t),将其输入给PID调整器进行百分比(P)、积分(I)、微分(D)综合运算,经过上述综合运算能够找出一个比较适宜控制信号M( t)送给实施机构,促进被控对象过程量PV( t)在一定时间范围内恢复到设定值sp( t), 达成自动控制效果。
PID控制器输入输出关系式为:
| | M | ( t | ) | | K | | | e | | 1 | 1 | edt | | T | | de | ) | | M | | （4-1） | ||||
误差: | e ( t | | | C | | | T | I | 0 | | | | D | dt | | | | initial | | |||||||
) | | sp | ( t | ) | | pv | | |||||||||||||||||||
( t | ) | |||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||
PID控制器输出=百分比项+积分项+微分项+输出初始值,式中M( t)
是控制器输出, | M | initial | 是回路输出初始值; | K | C | 是PID回路增益; | T I | 和 | T D |
分别是积分时间常数和微分时间常数[7]。
在利用PID时,能够分为PI、P或PD控制器。
当需要很好控制精度时能够选择用PI控制方法,
不过假如系统惯性很大时就应该选择PID控制方法了。
在使用PID时能够将上式离散化,第n次采样输出为
式中, | e n | M | n | | K | c | e n | | ( | K | I | n j1 | e | j | | M | initisl | ) | | K | D | ( | e n | | e n | 1 | ) | （4-3） | 和 | K | D | |||||
是第n次采样误差值, | e n | 1 | 是第n-1次采样误差值, | K | C | 、 | K | I | ||||||||||||||||||||||||||||
分别是PID回路增益,积分项系数和微分项系数。
n n n n （4-4）CPU实际改善后PID算法算式为
要 先 把 给 定 值 转 换 为 0到 1之 间 标 准 化 实数,
经过PID运算后还要把回路输出值转换为模拟量模块能够接收整数,
编程和计算过程很复杂。为了降低使用PID控制器难度,在S7-
200程序指令中现在已经有PID指令向导,这就为我们设计和利用提供了很大方便,
在使用PID时我们只需要先打开工具里PID向导建立一个PID,
不过在建立时一定要注意PID回路编号和回路给定地址范围不能反复。
完 | 成 | 设 | 置 | 后 | 生 | 成 | PID就 | 自 | 动 | 在 | 子 | 程 | 序 | 里 | 出 | 现 | , |
在编写程序时只需要调用子程序就能够了。
4.1.3 PID参数
在PID运算中有四个参数 | T S | 、 | K | C | 、 | T I | 和 | T D | , 它们之间既相互独立, |
又相互影响,会对系统稳定性造成影响[7]。
（1） | T S | 采样周期 |
采样周期能够反应出系统改变情况,采样周期越小,反应改变越显著。
不过采样周期太小,采样频率也高,这么会影响PLC内部CPU。所以,
采样周期要合适选择。
（2） | K | C | 百分比增益 |
在PID里百分比部分是和误差同时,和积分相比它对系统改变反应比较快,
在产生误差时能很快做出反应,使误差量朝着减小方向很快改变。KC太小,
即使使超调变小不过系统反应速度就变慢了;KC太大又会使超调变大,
震荡次数增加,使得系统变不稳定。
在PID控制器里,积分时间不仅和目前误差相关,还和以前误差相关系,
（3）TI积分时间
（4）TD微分时间
微分时间在PID控制器里反应是被控对象改变趋势,
它作用关键是阻碍被控量改变,而且含有一定估计性。
它能够对系统产生超前抑制影响,这就为调整系统稳定节省了时间。
4.2温度控制
本系统在温度控制部分关键是控制换热器出水口温度恒定,
以 | 满 | 足 | 居 | 民 | 室 | 内 | 供 | 暖 | 温 | 度 | 需 | 求 | 。 |
在实际现场应用中换热器出水口温度会因为多种原因出现上下波动,
而控制换热器出口温度关键是靠调整在一次供水管安装温度调整阀开度大小。
当换热器出水口温度值低于设定值时就能够利用PID控制器自动调整一次供水阀门
开度来提升温度值,也能够经过手动调整阀门大小来直接调大阀门开度;
当换热器出口温度值偏高时也能够用自动和手动方法进行调整使一次供水侧温度调整阀阀门开度减小,来降低出水口温度值。
为了确保温度控制稳定性能,在这里还设置了温度报警功效,当温度传感器采集温度值高于设定值时就会产生报警信号。
4.2.1手动控制方法
手动控制方法系统关键是利用上位机组态软件直接控制阀门开度,
来 | 调 | 整 | 换 | 热 | 器 | 出 | 水 | 口 | 温 | 度 | 值 | , |
让系统在监控中心里依据温度传感器温度值强制调整温度调整阀开度大小。在本系统里组态软件界面上设置了一个和现场温度调整阀相对应滑动块,
把 | 滑 | 动 | 块 | 和 | 现 | 场 | 温 | 度 | 调 | 整 | 阀 | 建 | 立 | 连 | 接 | 通 | 道 | , |
经过改变滑动块大小来控制温度调整阀开度。
手动控制来调整阀门开度从而来确保温度值恒定。
这么系统就能够在PID发生故障或不想使用PID控制器自动调整情况下也能够进行
图4-2 手动控制程
手 | 动 | 方 | 法 | 下 | PLC程 | 序 | 图 |
| 示 | , |
手动控制方法下PLC程序里VD80是PLC内部一个存放单元,
将这个存放单元和组态画面里温度调整阀滑动块建立一个连接通道。
在手动按钮按下时候,就能够经过组态界面上滑块给VD80一个值,
将这个值送给PLC并经过数值转换,再从PLC模拟量通道AQW0输出一个4-
20mA电 | 流 | 信 | 号 | 来 | 直 | 接 | 控 | 制 | 阀 | 门 | 开 | 度 | 。 |
在经过组态软件界面上温度调整阀进行手动控制时必需要处理组态界面上滑动调
整阀数值转换成PLC能接收数值,从而来控制调整阀[8]。
4.2.2自动运行方法
本系统关键是要控制小区供暖温度值,温度控制是一个惯性比较大控制系统,
而且还含有很大偏差。本系统自动控制方法采取了西门子S7-200系列
PLC内部经典PID控制器来对温度进行调整。能够经过对PID内部百分比、
依据系统工艺要求需要确保换热器出口温度大约在60℃左右,
积分和微分这些参数设置来优化系统稳定性,使系统实现有效, 正确控制。
PLC模拟 量 扩 展模 块 EM235输 入 通 道 AIW0。
经 过 EM235对 模 拟量 进 行A/D转 换 后 送 给PLC,
经过PLC内部PID控制器对采集值进行处理,将反馈值和给定值进行比较运算,
输出一个适合系统运行参数然后经过模拟量输出模块对其进行D/A转换,
由AQW0输出模拟量就传送给供水网回路电动调整阀进行调整控制。
这么经过温度传感器,S7-200和温度调整阀组成了一个控制温度闭环控制系统,
由此来控制温度恒定,步骤图图4-3所表示。
GPRS | PLC | A/D转换 | 变送器 | 温度传感器 |
D/A转换 | 调整阀 |
|
图4-3 自动控制步骤图
在自动运行控制方法下,关键是经过PID控制器来对系统温度值进行控制。在使用PID调整器时候首先要对其有深刻了解和认识并熟练掌握利用方法,目前PLC内部全部有PID指令向导,而且还含有PID自整定参数功效,这就为我们减轻了很大工作量。
在使用PID时在S7-200窗口里,打开工具里PID向导,就会出现图4-4所表示。
在这里选择配置哪个回路注意假如系统里有好多个PID时一定要记住回路数要不一样。点击下一步,进入下一个界面, 图4-5所表示。
图4-5 参数设置
在 界 面 上 填 写PID运 算 里 各 个 参 数值,
这些参数也是PID控制运算里最关键部分,这些值大小直接影响着系统运行情况。
表 4-1是 PID控 制 运 算器 采 样 周 期经 验 值 数 据 表,
表4-1 采样周期经验数据表
被控制量 | 流量 | 压力 | 温度 | 液位 | 成份 |
采样周期 | 1—5 | 3—10 | 15—20 | 6—8 | 15—20 |
设置完上述参数点击下一步进入下面得界面,图4-6所表示。
图4-6 回路报警选项
能够在此页面设置输出上限报警和下限报警等信息。
设置完成后点击下一步进入以下界面,图4-7所表示。
图4-7 地址选择
在 | 此 | 界 | 面 | 里 | 能 | 够 | 选 | 择 | PID存 | 放 | 区 | 地 | 址 | , |
在选择其地址时候一定要注意假如会用到好多个PID话就要避免地址不能反复,
不然PID运算就会出现错误。然后能够点击下一步进入下面界面,图4-8所表示。
图4-8 PID命名
在上面界面中点击下一步就进入下面界面,图4-9所表示。
图4-9 PID完成界面
在上面界面中点击完成,生成了一个PID子程序而且完成了对PID设置,在编写程序时就能够在子程序里直接调用,自动运行情况下程序图4-10所表示。
图4-10 温度自动控制
在程序里AIW0是温度传感器把采集到温度值转换为4-20mA电流值,
经过PLCEM235模拟量输入通道送给PLC里PID控制器进行运算,
找到一个适宜输出值送给电动调整阀来控制其开度大小。
将 给定 值 setpoin和 行 比 较 运 算,
在小区供暖系统中不仅要确保换热站出水口温度保持在一定范围内,
二次管网水要往居民小区输送这就要求必需确保二次管网压力保持恒定。
在二次管网中压力是时刻在改变假如在这里采取恒定转速泵对其进行补水,
很显著不能确保时刻在改变压力保持恒定;假如采取阀门对其进行恒压补水,
会造成对电能很大浪费,还会使电机受到冲击,水锤和频繁开启影响,
所以在这里采取了变频补水泵对其进行随时补水确保管道压力值恒定。
使用变频器恒压供水和传统补水方法相比不仅使系统供水质量提升,灵活性变强,
节省能源还在一定程度上保护了电机,使其起制动平稳。
本系统用压力传感器,PLC和变频器组成一个控制压力闭环控制系统,
这么控制方法不仅使硬件运行可靠,还使软件编程更简单。
在这里也如温度控制一样有手动和自动两种方法来对压力进行控制。
4.3.1变频器
变频器是利用电力半导体器件通断作用将50HZ工频电源变换成另一个频率可变控制装置。我们现在使用变频器关键是采取交—直—
交 | 方 | 法 | (VVVF变 | 频 | 或 | 矢 | 量 | 控 | 制 | 变 | 频 | ), |
先把工频交流电源经过三相不可控整流桥转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制交流电源以供给电动机[9]。
对于恒压补水,实际上就是利用三相电动机带动水泵转动,来进行补水。所以对二次管网压力控制也就是对电机转速控制。
三相异步电动机转速公式:
n | | n | ( 1 | | s | ) | | 60 | f | ( 1 | | | ) | （3-1） |
| | 1 | | | | | | p | | | | | | |
（3-2）三相异步电机转差率定义为: | ||||||||||||||
n1为异步电动机理想空载转速;
n为异步电动机转子转速;
f是供电电源频率;
p为异步电动机磁极对数;
s为转差率。
由以上公式可知,在调速方面异步电动机能够有三种方法:能够改变转差率、
电 | 源 | 频 | 率 | 和 | 异 | 步 | 电 | 动 | 机 | 磁 | 极 | 对 | 数 | 。 |
当电机极对数P不变时,电机转子转速和电源频率f成正比, 经过对电源频率进行改变来控制电机转速能够实现连续平滑改变。
假如保持电源频率和转差率不变,改变电机极对数,
那 | 样 | 只 | 能 | 经 | 过 | 改 | 变 | 电 | 机 | 绕 | 组 | 接 | 线 | 方 | 法 | 来 | 实 | 现 | , |
这种方法是一个有级调速不适合供水恒压调速。
改变转差率方法会使电机运行效率变低,还会影响经济性,
也 | 不 | 适 | 合 | 在 | 恒 | 压 | 供 | 水 | 系 | 统 | 上 | 使 | 用 | 。 |
所以本系统采取了改变电源频率来控制补水泵转速。
4.3.2压力手动运行方法
在 | 对 | 二 | 次 | 管 | 网 | 压 | 力 | 手 | 动 | 控 | 制 | 方 | 面 | , |
本系统采取是在组态界面上有一个和变频器相对应滑动块,
让 | 滑 | 块 | 和 | PLC变 | 频 | 器 | 信 | 号 | 建 | 立 | 一 | 个 | 连 | 接 | 通 | 道 | , |
使工作人员能够直接改变滑块大小来控制变频器频率信号。
也能够经过直接控制变频器频率信号来调整补水泵转速。
确 保 系 统 既 能 自 动调 整,
变组态软件界面上对应PLC内部单元VD556滑块值来控制频率信号,
把滑块值送到存放单元VD556内,直接经过模拟量输出通道输出给变频器,
PLC只能处理0-3数值,所以将组态软件上滑块值转换成和之成百分比数,
方便经过滑块来直接改变变频器频率信号,手动压力控制图4-11所表示。
算 | 方 | 法 | , |
补水泵补水情况完全由PLC依据压力情况和内部PID设定参数来进行自动控制。
上电后,首先PLC采集压力传感器管网压力值送给模拟量输入通道,
经过模拟量扩展模块A/D转换送到PLCCPU内经过PID和给定值进行比较运算,
得 | 出 | 一 | 个 | 适 | 宜 | 调 | 整 | 参 | 数 | , |
将结果再送给模拟量输出模块进行D/A转换输出给变频器信号口,
来 | 控 | 制 | 补 | 水 | 泵 | 转 | 速 | 。 | 当 | 管 | 网 | 压 | 力 | 过 | 高 | 时 | , |
经过降低补水泵频率来降低转速从而使压力降低;
当压力过低时经过PID运算来控制变频器信号变高,来提过补水泵转速, 使管网压力变大,控制步骤图4-12所表示。
开始
PID自整定
PID调整
否 | 大于设定值 |
是
减小频率信号加大频率信号
图4-12 自动控制步骤图
自动方法恒压供水PID设置向导和对温度控制类似,
PID会把从模拟量输入通道AIW2采集来压力值和给定值进行比较计算,
只是在PLC内部存放单元必需确保不反复。经过给PID一个给定值,
使管道爆破等造成无须要损失,本系统还包含到了管道压力过高时报警系统。
在 系 统 运 行 时,
就把PLC从压力传感器采集来压力值不仅送给PID还同时送到PLC内部一个存放单
元,设定一个上限值,使得管道压力在超出上限值由PLC输出报警信号,
压力报警程序以下4-12所表示。
图4-12 压力报警
4.4补水箱液位控制
系统对于补水箱液位控制没有特殊要求,就是要确保系统在变频恒压补水时候,确保水箱水位总在一定范围内。本系统关键是利用液位记采集补水箱液位信号,送给PLC内部存放单元,经过设定上限值和下限值,在补水箱水位超出或低于设定值时,经过PLC输出报警信号,对补水箱控制程序图4-13所表示。
图4-13 补水箱控制程序
4.5供水流量控制
系 | 统 | 在 | 对 | 流 | 量 | 方 | 面 | 控 | 制 | 没 | 有 | 具 | 体 | 要 | 求 | , |
只是要在一次供水网侧安装一个流量计来显示一次侧供水流量。经过安装流量计采集流量信号传送给PLC内部一个存放单元,
在 | 这 | 里 | 要 | 处 | 理 | 就 | 是 | 数 | 值 | 转 | 换 | 问 | 题 | , |
要使工作人员能在监控室上位机上直观看到供水流量值。要想把流量值在组态软件界面上显示出来,就要在组态界面上添加一个显示输出,将它和换热站流量传感器在PLC内部存放单元建立一个连接通道,流量程序图4-14所表示。
图4-14 流量处理
5硬件及设备选型
5.1PLC
本 | 系 | 统 | 控 | 制 | 器 | 选 | 择 | 是 | 西 | 门 | 子 | S7-200系 | 列 | PLC, |
因为本系统是对六个小区换热站控制,所以在这里选择了六个S7-200来对现场参数进行采集。S7-200能够替换很多继电器工作,降低了触点,使得系统抗干扰性增强还能够有很广泛通讯能力。
在PLC中,CPU 224XP数字量有14入/10出,最大可扩展数字量点数为168,模拟量点数为35,还有两路模拟量输入(10bit,±DC10V),一路模拟量输出(10bit,DC 0-10V或0-20mA),有两个RS-485通信口,高速脉冲输出频率提升到20kHz,有PID自整定功效。这些参数全部符合本系统运行,所以本系统选择了CPU224XP来完成对系统采集、控制。
5.1.1模拟量输入输出模块选型
因为本系统要对现场温度,压力, 流量,液位等进行采集,模拟量扩展模块能够把从多种传感器送来模拟量经过A/D转换变成PLC能接收0-3数字量,还能够把PLC内数字量经过D/A转换变成0-5V或4-20mA电流信号,
来 | 控 | 制 | 各 | 个 | 实 | 施 | 机 | 构 | 。 |
所以在这里系统选择了EM235作为模拟量扩展模块来辅助运行。EM235里有4路模拟量输入/1路模拟量输出,本系统需要四个模拟量输出,
一 | 个 | PLC最 | 多 | 能 | 够 | 扩 | 展 | 7个 | 模 | 拟 | 量 | 模 | 块 | , |
这里只需要选择4个EM235就能够完成对系统模拟量处理[10],EM235结构图图5-1所表示。
负 | 下图是模拟量扩展模块EM235接线方法, 对于电压信号, 根据电压正、 |
一定要将RX和X＋短接后才能接电流输入信号“＋” 端;没有连接传感器通道要将X＋和X－短接。
在选择量程和输入格式时候必需要符合一致标准,依据EM235技术参数,在这里我们选择是电流信号,因为电流信号传输含有一定稳定性好,能够远距离传输。能够经过模块上DIP开关设置来选择输入模式和单双极性。
图5-1 EM235结构图
5.1.2I/O分配
I/O分配表图5-2所表示。
图5-2 系统I/O分配表
5.2设备选型
5.2.1传感器选择
压力和流量等信号转换成0-5V或4-20mA电流信号送给PLC模拟量扩展模块。
现在大多数传感器有输出0-5V还有4-20mA电流信号,但假如在信号需要远距离传输或在使用现场环境中电网干扰较大场所,最好还是选择4-20mA电流信号,电流型传感器里有恒流源能够保持电流不变,
而 | 电 | 压 | 型 | 会 | 伴 | 随 | 距 | 离 | 增 | 加 | , | 电 | 压 | 会 | 产 | 生 | 压 | 降 | , |
而且电压输出型传感器抗干扰能力较差。
考虑到本系统是将各个小区换热站参数传送到监控室里需要各个部件及控制器间远距离传送,所以,在本系统中选择传感器均选择输出4-
20mA电流信号电流输出型传感器。 （1）温度传感器pt100
Pt100是现在比较常见铂电阻温度传感器,它关键使用于-60℃到+400℃之间温度值,在本系统里测量范围大约在0℃-100℃之间[10]。要把温度传感器pt100伴随温度改变采集来电阻转换成对应温度值,利用下面温度公式能够求得:
T℃=(温度数字量-0℃偏置量)/1℃数字量
温度数字量为存放在PLC内部存放单元值
0℃偏置量为在0℃测出数字量
1℃数字量为温度每升高1℃数字量[9]
（2）压力传感器PTJ205
PTJ205含有不锈钢封焊结构,有很强抗干扰能力。量程:0～1～150（MPa）输出信号为4～20mA（二线制）、0～5V、1～5V、0～10V(三线制)、
（3）涡街式流量计
供电电压:24DCV(9～36DCV)、介质温度: -20～85℃环境温度:常温(-20～85℃)
能同时显示流量值和累计流量值。能够测量介质温度为–25℃～100℃,输出4-
20mA电流信号。在本系统里选择是HQLUGB稳压赔偿智能型涡街流量计。
这 | 种 | 流 | 量 | 计 | 是 | 将 | 压 | 力 | 、 | 温 | 度 | 、 |
流量信号综合起来经过智能数字处理后输出一个标准流量。
HQLUGB型流量计技术参数:介质温度范围是-50℃～+400℃,压力等级为PN25,连接方法有夹持式、法兰式或插入式,供电电压为12～36VDC或3.6V电池,输出信号为两线制4～20mA电流输出,通讯方法为RS485。
（4）液位计
在本系统里采取是HQ-UHZ水箱液位计,它采取了浮力原理和磁性耦合作用,填补了玻璃管液位计显示不清楚和易破碎不足,显示范围大。
HQ-UHZ液位计技术参数:测量范围0-15000mm,公称压力为PN1.6-10.0MP,
输出信号为4-20mA电流信号,电源电压能够为24DC或220V,
能够采使用方法兰式接法。
5.2.2变频器选择
补水泵是最一般负载,对变频器要求也很简单,
变 | 频 | 器 | 给 | 电 | 机 | 脉 | 动 | 电 | 流 | 比 | 工 | 频 | 时 | 电 | 流 | 值 | 大 | , |
所以只要变频器容量稍微小于电动机容量即可。
为了确保二次侧管网压力恒定在这里采取了自控控制闭环系统,
反 | 馈 | 装 | 置 | 用 | 了 | PID调 | 整 | , |
为了满足工艺要求在这里能够选择施耐德ATV38变频恒压供水控制器,
它功率为22KW,拥有4-0mA电流信号输出端。
5.2.3电动阀门选择
在 本 系 统 里 控制 换 热 站 出 水口 温度 值,
它结构简单,易操作,体积小,重量轻很符合本系统控制要求。
调整型是以AC220V电源作为动力,接收为了满足控制要求4-20mA（0-
5V等弱电控制）电流信号来完成调整动作。
6通用组态软件
6.1相关MCGS组态软件
MCGS[11](Monitorand Control Generated System)是在软件领域内,
工作人员依据控制对象及工艺要求,配置用户应用软件过程,
即使用软件工具对计算机和软件多种资源进行配置,
实现用软件根据预先设定要求满足使用者要求目标。
MCGS是 | 数 | 据 | 采 | 集 | 和 | 过 | 程 | 控 | 制 | 专 | 用 | 软 | 件 | , |
能以灵活多样组态方法为用户提供良好用户开发界面,
含有丰富画面显示组态功效。并能同时支持多种硬件厂家计算机和I/O产品[11]。
MCGS软件系统包含组态环境和运行环境两个部分,
组 态 环 境 相 当 于 一 套 完 整 工 具软件,
在用户对组态画面进行设置后,能够根据自己控制要求来模拟系统运行方法,
工作人员能够在组态环境里设计自己应用系统。运行环境是一个独立运行系统,
在
6.2MCGS组成部分
MCGS通用组态软件由主控窗口、设备窗口、用户窗口、
实时数据库和运行策略五部分组成[12]。
6.2.1主控窗口
主 | 控 | 窗 | 口 | : | 是 | 组 | 态 | 工 | 程 | 主 | 窗 | 口 | 。 |
它就像一个大容器能够放置很多用户窗口和负责这些窗口管理调度。
工作台界面图6-1所表示。
图6.1 工作台界面
6.2.2用户窗口
用户窗口:是用户自己定义用来实现MCGS图形界面,是组成MCGS基础窗口,
还能够建立报表数据,系统运行曲线图等。
并对器件属性进行设置和建立实时数据库里数据对象连接起来使设置控件根据控
制要求动作[13]。
在小区换热站控制系统里包含到了一个加热器（来交换热水和冷水热量）、
一个温度调整阀、一个温度传感器和压力传感器、一个补水泵、
一个补水箱和报警指示灯组成,组态完成后界面图6-2所表示。
图6-2 换热站系统图
6.2.3实时数据库
用对象变量替换真正意义上对象值系统各个部分均在实时数据库交换多种数据,
实 时 数 据 库处 理 中 心,
并对其进行布局完成后。就能够在实时数据库里添加界面上元器件对象,实
并对其属性进行设置,选择好是开关量还是数值量,
假 | 如 | 是 | 数 | 值 | 量 | 就 | 得 | 设 | 置 | 好 | 其 | 量 | 程 | 。 |
建立好这些数值对象后就能够在用户窗口里对其进行属性设置,
在属性里设置对象连接。
建立实时数据库图6-3所表示。
关键完成脚本程序编写和循环策略生产。在运行策略窗口内,从策略构件箱中,
建 | 立 | 新 | 用 | 户 | 策 | 略 | , | 在 | 用 | 户 | 策 | 略 | 里 | 添 | 加 | 脚 | 本 | 程 | 序 | , |
脚本程序时MCGS为用户提供编程功效构件（称之为“脚本程序”功效构件）,编写工程控制程序。编写好脚本程序后,还要在运行策略里建立新循环策略,把系统包含到得脚本程序调用到循环策略里,设置脚本程序图6-4所表示。
6.2.5脚本程序
脚本程序是为了实现对系统步骤控制和操作处理,在脚本程序中包含多个简单语句:赋值语句、条件语句、退出语句和注释语句。
在编写脚本程序时一定要注意在各语句之间用“: ” 分开。脚本程序编辑环境关键由脚本程序编辑处、功效按钮、
操作对象列表和函数列表、脚本语句和表示式等4个部分组成。
在编写脚本程序来实现对温度报警控制时,对控制步骤假设:当温度值变大时阀门开度对应变小,温度值变小时,阀门开度变小。在运行策略里,双击循环策略进入策略属性设置窗口中,把循环时间设置为200ms,温度脚本程序图6-5所表示。
图6-5 脚本程序
6.2.6设备窗口
设备窗口:是设置连接MCGS和外部设备通讯窗口界面,使系统能和外部设备进行良好通讯,能够读取和控制外部设备运行情况,设备窗口设置图6-6所表示。
图6-6 设备窗口
明确控制要求和动画显示效果,分析系统中各个元器件控制对象建立实时数据库,
搞 | 清 | 哪 | 些 | 是 | 数 | 值 | 量 | , | 哪 | 些 | 是 | 模 | 拟 | 量 | , |
正确选择连接通道设备采集及输出通道和软件中实时数据库变量对应关系。 本设计用GPRS远程数据通讯将PLC采集运行参数传送到上位机MCGS组态软
件 | 上 | [13]。 |
在用户窗口里设计好组态界面并和实时数据库联络起来后就能够在设备组态窗口中选择合适串口通讯设备,能够添加用户需要多种通讯父设备和子设备,正确设置其属性及通道连接就能够实现GPRS和组态软件连接。能够将PLC采集各个参数经过GPRS无线数据通讯发送到监控室上位机界面上,方便实现工作人员对现场设备调整和控制。
7系统调试
7.1调试过程
在完成了GPRS学习、组态软件设计和系统程序编写后,然后就能够在PLC试验室对系统进行调试了。调试过程中分了三个部分:接线,程序分步调试,和组态相连[14]。
7.1.1接线
依据EM235使用手册选择好输入量程和单双极性,设置好后就能够根据使用说明进行连线了,对于模块上驱动恰好用是0-
24V电压信号, 能够用PLC模块电压源直接引出就能够使用, 把AIW0连到 | U | 0 | 上, |
输出AQW0连到0-5V反馈端。模拟量模块接线连完后,然后把报警信号灯和系统开关等根据数字量模块得接线要求把线接好。
检验线路连接没有问题后就能够进行编译下载,对系统进行分步调整了。
7.1.2分步调试
实际温度控制系统里是采取4-20mA电流输出信号,但试验台上对于PT100和加热器采取是0-5V电压信号,所以在调试过程中也采取是0-5V电压信号进行模拟调试。
对于PID三个参数整定在本系统里采取是西门子S7-200PLC里PID自整定方法,PID三个参数既是相互独立又是相互影响,而且设置过程很复杂。
现在PLC内部PID全部含有自整定功效,本系统采取就是PID自整定方法,这种方法为我们在应用PID过程中提供了很大方便,也节省了很多时间。
在程序运行过程中打开工具里PID控制面板,点击界面上自动整定,系统就开始进入自行整定过程,经过一段时间整定, 系统会自动找出一组比较适合此系统运行参数值,
整定时间会依据系统运行情况而定,有一个小时,有需要多个小时。
但 | 自 | 动 | 整 | 定 | 结 | 束 | 后 | , | 确 | 定 | 了 | 各 | 个 | 参 | 数 | 值 | 后 | , |
再调整系统时就能够很快速达成给定值。为用户提供参数值,假如用户认为不符合要求,也能够在这些参数基础上,点击手动调整改变参数值。 参数自整定界面图7-1所表示。
图7-1 参数自整定
在经过多个小时自整定后,PID自整定出了一组参数,积分增益为9.26194,积分参数为2.95111,微分参数为0。点击手动整定将整定出来参数值输入进去,设定一个给定值,再次进行调整观察调整到给定值时间大约在5分钟,超调大约±2%, 温度控制本身就属于惰性系统会存在一定惯性和误差,过比较能够满足系统控制要求,调整结果图7-2所表示。
图7-2 调试结果
（2）压力部分自动行方法调试过程和温度调试过程是大致一样,只是压力调整PID参数和温度调整参数因为数学模型不一样而不同,
将在压力过高时经过PLC发出报警信号使指示灯变亮,同时组态界面上压力报警指示灯变绿表示压力过高产生报警。
（3）量调整关键是液位报警信息和流量显示,将PLC内部存放单元和组态软件里实时数据建立连接后,关键处理问题也是数值转换。将PLC采集传感器4-20mA电流信号经过模拟量扩展模块A/D转换,再将其进过一下式子转换,将其变为0-1之间数,作为产生报警信号。
在 | 调 | 试 | 过 | 程 | 中 | 是 | 给 | 定 | AIW4一 | 个 | 模 | 拟 | 信 | 号 | , |
来调整给定模拟量当PLCVD466里值超出设定上限或下限值后, 就由PLC输出报警信息,使试验台上报警指示灯亮,
同时组态界面上报警指示灯变绿,液位处理程序图7-4所表示。
在PID参数调整完后,就能够将组态软件和PLC连接起来进行调试了。首先要在组态软件设备窗口内添加通讯窗口父设备,然后选择西门子S7-200系列PLC作为子设备。双击S7-200PLC在基础属性里添加完PLC通道,打开通道连接窗口在对应数据对象里输入和之对应组态软件实时数据,这么就把组态软件和PLC建立了可靠连接通道 [15]。假如要看通道是否连接正常了能够点开设备调试界面,在连接正常通道会显示1或具体数值,通道连接设置图7-6所表示。
图7-6 通道连接
在进行手动调整时候,就是观察并采集数据找出压力信号和温度值得对应关系,
给 定 值 和 温 度 值 关 系 ,将 数 据转 换 写入 程 序,
方便将内存但单元数据和组态上数据对应起来。
经过在运行过程中采集数据发觉,温度没升高一度数字量大约为240,
信号,当温度高于一定值后指示灯就会亮,同时组态界面上报警指示灯也亮起。
7.2调试过程中问题
（1）在调试过程中首先要处理就是数字转换问题,
在PLC内部只能处理数字量,所以在必需要把模拟量转换成PLC能接收数字量,
还有就是在组态上显示数据需要是温度,压力实际值,
要想在组态上显示出系统各个参数值,就要把0-3数值转换为实际温度和压力值。
（2）在运行之前必需要把PLC程序编译下载,点击运行后一定要关闭S7-
200程 序 窗 口 , 这 么 才 能 正 常 运 行 组 态 软件 。
PLC程序下载运行和组态软件运行用全部是串口,
假如两个窗口同时运行将会产生拥挤使系统不能正常运行。
7.3系统存在问题
（1）因为温度控制是一个惯性很大系统,系统在运行时滞后性比较大,调整时间很长。假如系统给定值发生改变,系统不能对其作出快速反应。
（2）温度受外界环境干扰性比较大,当阴天或天气出现大波动时,就会对温度控制造成很大影响。
（3）因为系统使用了GPRS作为组态软件和PLC之间通讯,PLC必需采集温度传感器值经过GPRS数据发送端传输给组态软件上,组态软件在把调整情况经过GPRS传送到PLC上,这之间就会出现时间上滞后。
8结论
本系统经过西门子S7-200PLC对小区换热站现场设备运行参数采集,
并采取目前应用广泛GPRS无线通讯业务将六个小区换热站参数和监控室上位机进
行通信,这里应用了通用组态软件来完成上位机方面。
上位机组态软件不仅能够经过GPRS接收收六个换热站设备运行参数,
还能够经过在组态软件上将调整参数经过GPRS发送终端传送给现场设备,
方便控制现场设备正常运行。
PLC模拟量扩展模块能接收数值,再经过D/A转换,送给PLCPID运算模块,
将 | 系 | 统 | 采 | 样 | 值 | 和 | 给 | 定 | 值 | 进 | 行 | 比 | 较 | 运 | 算 | , |
输出一个适宜偏差值作为输出控制系统里实施机构,
从 | 而 | 达 | 成 | 温 | 度 | 和 | 压 | 力 | 控 | 制 | 目 | 标 | 。 |
为了预防存在PID有不能满足控制要求时候或出现故障时,
这里还加入了手动调整方法。
目前PLC内部全部有PID向导和自整定参数调整方法,
这 就为 我 们 处 理 了 应 用PID所 面 临 最 大 问题,
所以现在GPRS+PLC控制方法适用性很强。
在本系统里存在最大问题就是误差问题,因为温度控制属于惰性系统,
它含有很大惯性,还有就是外部环境改变会对系统造成影响,
这就使系统在控制精度上产生一定误差。
这段时间不仅增强了我实践能力,还让我学习到了很多书本上没有东西。
以前对这方面知识了解极少,不过经过此次毕业设计对它有了深刻认识,即使达不到专业水平,但也认为有巨大收获,也提升了自己自学能力。
在此次设计中首先要感谢我指导老师马壮老师。
本系统设计和论文撰写是在马老师悉心指导下才完成,马老师知识渊博,每七天不辞辛劳全部为我们指导和讲解,尤其是在最终调试过程中,更是耐心指导我们。马老师为人和善,不仅在学习中给了我很大帮助,在平时生活中也教了我们很多东西。
在毕业之际还要感谢教过我老师们在学习过程中给我帮助和关心,还有和我朝夕相处同学们,对她们给帮助送上我最深祝福。
参考文件
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附录
主程序:
流量处理:
热网压力:
补水箱液位:
手动温度调整:
手动压力调整:
外文资料
Introductionsto temperature control and PID controllers Processcontrol system
Automaticprocess control is concerned with maintaining process variablestemperatures pressures flows compositions, and the like at somedesired operation value. Processes are dynamic in nature. Changes arealways occurring, and if actions are not taken, the important processvariables-those related to safety, product quality, and productionrates-will not achieve design conditions.
Inorder to fix ideas, let us consider a heat exchanger in which aprocess stream is heated by condensing steam.
provided there are no heat losses to surroundings, that is, the heatexchanger and piping
The energy gained by the process fluid isequal to the heat released by the steam,
temperature to deviate from its desired value. If this happens, someaction must be taken to correct for this deviation. That is, theobjective is to control the outlet process temperature to maintainits desired value.
One way to accomplish this objective is by first measuring thetemperature T(t), then comparing it to its desired value, and, basedon this comparison, deciding what to do to correct for any deviation.The flow of steam can be used to correct for the deviation. This is,if the temperature is above its desired value, then the steam valvecan be throttled back to cut the steam (energy) to the heatexchanger. If the temperature is below its desire value, the steamvalve could be opened some more to increase the steam flow (energy)to the exchanger. All of these can be done manually by the operator,and since the procedure is fairly straightforward, it should presentno problem. However, since in
mostprocess plants there are hundreds of variables that must bemaintained at some desired value, this correction procedure wouldlike to accomplish this control automatically. That is, we want tohave equipment control variables with on requiring intervention fromthe operator. (This is what we mean by automatic process control.) Toaccomplish this objective a control system must be designed andimplemented. A possible control system and its basic components areshown in Fig.2.
Theimportance of these components is that they perform the three basicoperations that must be present in every control system. Theseoperations are
(1)Measurement (M): Measuring the variable to be controlled is usuallydone by the combination of sensor and transmitter.
(2)Decision (D): Based on the measurement, the controller must thendecide what to
(3) Action (A): As a result of the controller’s decision, thesystem must then take an
do to maintain the variable at itsdesired value.
system.
PIDcontrollers can be stand-alone controllers (also called single loopcontrollers), controllers in PLC, embedded controllers, or softwarein Visual Basic or C# computer programs.
PID controllers are process controllers with the followingcharacteristics:
Continuous process control
Analogueinput (also known as “measurement” or “Process Variable” or“PV”) Analogue output (referred to simply as “output”)
Setpoint (SP)
Proportional (P), Integral (I), and/or Derivative(D) constantsExamples of “continuous process control” aretemperature, pressure, flow, and level
control.For example, we control the heating of a tank. For simple control,you have two temperature limit sensors (one low and one high) andthen switch the heater on when the low temperature limits sensorturns
on and then mm the heater off when the temperature rises to the hightemperature limit sensor. This is similar to most home airconditioning & heating thermostats.
Incontrast, the PID controller would receive input as the actualtemperature and control a valve that regulates the flow of gas to theheater. The PID controller automatically finds the correct (constant)flow of gas to the heater that keeps the temperature steady at theset point. Instead of the temperature bouncing back and forth betweentwo points, the temperature is held steady. If the set point islowered, then the PID controller automatically reduces the amount ofgas flowing to the heater. If the set
to the heater. Likewise the PID controller would automatically forhot, sunny days (when
point is raised, then the PID controllerautomatically increases the amount of gas flowing
want the PV to be a highly accurate indication of the processparameter you are trying to
control.For example, if you want to maintain a temperature of + or – onedegree then we typically strive for at least ten times that orone-tenth of a degree. If the analogue input is a 12 bit analogueinput and the temperature range for the sensor is 0 to 400 degreesthen our “theoretical” accuracy is calculated to be 400 degreesdivided by 4,096 (12 bits)=0.09765625 degrees. [~] We say“theoretical” because it would assume there was no noise anderror in our temperature sensor, wiring, and analogue
converter.There are other assumptions such as linearity, etc. The pointbeing—with 1/10 of a degree “theoretical” accuracy—even withthe usual amount of noise and other
problems—one degree of accuracy should easily be attainable.
The analogue output is often simply referred to as “output”. Often this is given as
0~100percent. In this heating example, it would mean the valve is totallyclosed (0%) or totally open (100%).
Theset point (SP) is simply—what process value do you want. In thisexample—what temperature do you want the process at?
ThePID controller’s job is to maintain the output at a level so thatthere is no difference (error) between the process variable (PV) andthe set point (SP).
InFig. 3, the valve could be controlling the gas going to a heater, thechilling of a cooler, the pressure in a pipe, the flow through apipe, the level in a tank, or any other process control system. Whatthe PID controller is looking at is the difference (or “error”)between the PV and the SP.
Itlooks at the absolute error and the rate of change of error. Absoluteerror means—
means—is the difference between the PV and SP getting smaller orlarger as time goes
is there a big difference in the PV and SPor a little difference? Rate of change of error
quickly changes—the PID controller has to quickly change the outputto get the process on.
variableback equal to the set point. If you have a walk-in cooler with a PIDcontroller and someone opens the door and walks in, the temperature(process variable) could rise very quickly. Therefore the PIDcontroller has to increase the cooling (output) to compensate forthis rise in temperature.
Oncethe PID controller has the process variable equal to the set point, agood PID controller will not vary the output. You want the output tobe very steady (not changing). If the valve (motor, or other controlelement) is constantly changing, instead of maintaining a constantvalue, this could caused more wear on the control element.
So there are these two contradictory goals. Fast response (fastchange in output) when there is a “process upset”, but slowresponse (steady output) when the PV is close
tothe set point.
Notethat the output often goes past (over shoots) the steady-state outputto get the process back to de set point. For example, a cooler maynormally have its cooling valve open 34% to maintain zero degrees(after the cooler has closed up and the temperature settled down). Ifsomeone opens the cooler, walks in, walks around to find something,then walks back out, and then closes the cooler door—the PIDcontroller is freaking out because the temperature may have raised 20degrees! So it may crank the cooling valve open to 50, 75, or even100 percent—to hurry up and cool the cooler back down—beforeslowly closing the cooling valve back down to 34 percent.
Let’sthink about how to design a PID controller.
Wefocus on the difference (error) between the process variable (PV) andthe set
The absolute error point (SP). There are three ways we can view theerror.
Absolute error is the “proportional” (P) component of the PIDcontroller.
Thesum of errors over time
Giveus a minute and we will show why simply looking at the absolute error(proportional) only is a problem. The sum of errors over time isimportant and is called the “integral” (I) component of the PIDcontroller. Every time we run the PID algorithm we add the latesterror to the sun of errors. In other words Sum of Errors = Error 1 q-Error 2 + Error 3 + Error 4 ….
The dead time
Dead time refers to the delay between making achange in the output and seeing the change reflected in the PV. Theclassical example is getting your oven at the right temperature. Whenyou first mm on the heat, it takes a while for the oven to “heatup”.
Thisis the dead time. If you set an initial temperature, wait for theoven to reach the initial temperature, and then you determine thatyou set the wrong temperature—then it will take a while for theoven to reach the new temperature set point is also referred to asthe “derivative” (D) component of the PID controller. This holdssome future changes back because the changes in the output have beenmade but are not reflected in the process variable yet.
AbsoluteError/Proportional
Oneof the first ideas people usually have about designing an automaticprocess controller is what we call “proportional”. If thedifference between the PV and SP is small—then let’s make a smallcorrection to the output. If the difference between the PV and SP islarge—then let’s make a larger correction to the output. Thisidea certainly
We simulated a proportional only controller in Microsoft Excel.Fig.4 is the chart
makes sense.
The integral portion of the PID controller accounts for the offsetproblem in a proportional only controller. We have another Excelspreadsheet that simulates a PID controller with proportional andintegral control. Here (Fig. 5) is a chart of the first simulationwith proportional and integral (DEADTIME: 0, proportional=0.4).
Asyou can tell, the PI controller is much better than just the Pcontroller. However, dead time of zero (as shown in the graph) is notcommon.
If we start turning up the gas flow, it will take time for the heatto be produced, the heat to flow around the oven, and for thetemperature sensor to detect the increased heat. Derivative controlsort of “holds back” the PID controller because some increase intemperature will occur without needing to increase the outputfurther. Setting the derivative constant correctly allows you tobecome more aggressive with the P&I
constants.
温度控制介绍和PID控制器
成份等类型过程变量保持在理想运行值得系统。过程实际上式动态改变。
改变总是在出现,此时假如不采取对应方法,那些和安全、产品质量和生产率相关关键变量就不能满足设计要求了。
为了说明问题,让我们来看一下热交换器。流体在这个过程中北热蒸汽加热。 这一装置关键目标是将流体由入口温度加热到某一期望值T（f）,加热介质是热蒸汽。
只要周围没有热损耗,过程流体取得热量就等于蒸汽释放出来热量,即热交换器和管道之间隔热性很好。
很多变量在这个过程中会发生改变,继而造成出口温度偏离期望值。假如出现这种情况,就该采取部分方法来矫正偏差,
目标就是确保出口温度在期望值。
实现该目标一个方法是首先测量输入值r（0）,然后和期望值进行比较,
由比较结果决定怎样矫正偏差,蒸汽流量能够用于偏差矫正。
就是说假如温度高于期望值,就关小蒸汽阀门来减小进入换热器蒸汽流量;
若温度值低于期望值,就开大蒸汽阀门,以增加进入换热器蒸汽流量。
全部这些操作全部可由操作人员手工实现,操作很简单,不会出现什么问题。不过,
因为多数过程对象全部有很多变量需要保持为某一期望值,
就需要很多操作员来进行矫正。所以,我们想自动完成这种控制,就是说,
我们想利用无需操作人员介入就能够控制变量设备。
这就是所谓自动化过程控制。
为达成上述目标,就需要设计并实现一个系统。
首先要做就是测量过程流体出口温度,这一任务由传感器（热电偶、
由变送器将传感器输出信号转换成足够大信号送给控制器。
热 电 阻 等 ） 完 成 到 变送 器 上,
控制器再发出一信号给实施机构来完成流量控制。
下面介绍控制系统中4种基础元件,分别是
（1）传感器,也称为一次元件
（2）变送器,也称为二次元件
（3）调整器,控制系统大脑
（4） 实施机构,通常是一个调整阀,但并不全是。
其它常见实施机构有变速泵、传送装置和电动机。
这些元件关键性在于它们实施每个控制系统中全部必不可少3个基础操作:
（1）测量:被控量测量通常由传感器和变送器共同完成。
（2） 决议:依据测量结果, 为了维持输出为期望值,
控制器必需决定怎样操作。
（3）操作:依据控制器处理,系统必需实施某种操作,
这通常由实施机构来完成。
上述每个控制系统全部有M,D和A这3种操作。
有 | 些 | 系 | 统 | 决 | 议 | 任 | 务 | 简 | 单 | , | 而 | 有 | 些 | 很 | 复 | 杂 | , |
设计控制系统工程师必需确保操作能影响被控量,也就是说,
该操作要影响测量值。不然,系统是不可控,还会带来很多危害。
PID控制器能够使独立控制器,可编程控制器（PLC）中控制器,
嵌入式控制器或是Vb或C+编写计算机编程软件。
PID控制器是过程控制器,它含有以下特征:
连续过程控制:
模拟输入（也被称为测量量或过程变量或PV）
基准点（SP） 模拟输出（简称输出）
控 制 一 个 容 器热 量 。 对于 简 单 控 制,
你使用两个含有温度限定功效传感器（一个限定低温,一个限定高温）。
当 | 低 | 温 | 限 | 定 | 传 | 感 | 器 | 接 | 通 | 时 | 就 | 会 | 打 | 开 | 加 | 热 | 器 | , |
当温度升高到高温限定传感器时就睡关闭加热器。
这类似于大多数家庭使用空调及供暖兄台呢温度自动调整器。
反过来,PID控制器能够接收像温度这么输入,控制阀门,
这个阀门能全部控制进入加热器气体流量。
PID控 | 制 | 器 | 自 | 动 | 找 | 到 | 加 | 热 | 器 | 中 | 气 | 体 | 适 | 宜 | 流 | 量 | , |
这么就保持了温度在基准点稳定。温度稳定了,就不会在高低两点间跳动了。
假如基准点降低了,PID控制器就会自动降低加热器中气流量。
假如基准点升高,PID控制器就会自动增加加热器中气体温度。一样对于高温,
晴朗天气及阴冷多云天气,PID控制器全部会自动调整。
模拟输入也叫做过程变量或PV。期望PV达成你所控制过程参数高精度。
比 | 如 | , | 假 | 如 | 我 | 们 | 想 | 要 | 保 | 持 | 温 | 度 | 为 | +1或 | -1度 | 。 |
我们最少要使其精度控制在0.1度内。假如是一二12为模拟量输入,
传 | 感 | 器 | 温 | 度 | 范 | 围 | 是 | 从 | 0到 | 400度 | , |
我们计算理论精度就是4096除400度=0.097656度。我们之所以说这是理论上因为我们佳冬温度传感器,电线及模拟转换器上没有噪音和误差。还有其它假设。比如,线性等等。即使是有大量噪音和其它问题,按理论精度1/10计算,1度正确度得数值应该很轻易得到。
模拟输出常常被简称为输出。常常在0%到100%之间给出。
基准点（SP）很简单,即你想要什么样过程量。
在这个热量得例子里阀门完全关闭0%,完全打开为100%。
这么过程变量和基准点上机没有偏差。
阀门用来控制进入加热器气体,冷却器制冷,水管压力,水管流量,容器水位后其它过程控制系统。
PID控制器所观察是PV和SP之间偏差（或误差）。它观察绝对偏差和偏差变换率。绝对偏差就是PV和SP之间偏差大小,偏差变换率就是PV和SP之间偏差伴随时间而改变是越来越小还是越来越大。
假 | 如 | 存 | 在 | 过 | 程 | 扰 | 动 | , |
即过程变量或基准点改变时PID控制器就要快速改变输出,这么过程变量就返回到基准点。假如有一个PID控制可进入冷冻装置,某人打开门进入, 温度将会快速升高。所以,
PID控制器不得不提升冷度来赔偿这个温度升高。
一旦过程变量等同于基准点,一个红啊PID控制器就不会改变输出。你所哟啊输出就会稳定。假如阀门不停改变,而不是维持恒量,这么就会造成控制元件更多磨损。
这么就有了两个矛盾目标。当有过程扰动时就能快速发硬。当PV靠近基准点时就缓慢反应。
我们注意到输出量常常超出稳定状态输出使过程变量回到基准点。比如,一个制冷器通常打开它制冷阀门34%,就能够维持在零度。假如某人打开制冷器器走进去往返走,找东西然后再出来关上制冷器门---PID控制器会很活跃,因为温度可能将上升20度。
这 | 么 | 制 | 冷 | 阀 | 门 | 就 | 可 | 能 | 打 | 开 | 50%, | 75%甚 | 至 | 100%—— |
目标是赶快降低制冷器温度然后慢慢关闭制冷阀门到它34%。
我们关键集中在过程变量（PV）和基准点（SP）之间偏差上。
怎样设计一个PID控制器。
她说明是PV和SP之间偏差有多大。假如PV和SP之间偏差小——那我们就在输出使=时做一个小改变。假如PV和SP之间偏差大——那我们及在输出时做一个大改变。绝对偏差就是PID控制器百分比步骤。
累计误差
给我们点时间,我们将会明白为何仅仅简单观察绝对偏差是一个问题,累计误差时很关键,我们把它称为PID控制器积分步骤。每次我们运行PID算法时。我们总会把最近误差添加到误差总和当中。换句话说,累计误差=误差1+误差2+误差3等等。
滞后时间
滞后时间指是PV引发改变由发觉到改变之间延时。斯安兴例子就是调整烤炉在适宜温度。当你刚加热时候,
烤炉热起来需要一定时间。这就是滞后时间。假如你设置一个初始温度,等候烤炉达成这个初始值,然后你认为你设定了错误温度,烤炉达成这个新温度基准点还需要时间。这也就是PID调整器微分步骤。这就抑制了一些未来改变,因为输出值已经发生了改变,但并不是收过程变量影响。
绝对偏差/百分比步骤
相关设计自动过程控制器,大家最初想法之一是设计百分比步骤。意思就是,假如PV和SP之间偏差很小-那么我们就在输出处作一个小修改;假如PV和SP之间偏差很大-那么我们就在输出处作一个大修改。当然这个想法是有意义。
百分比、积分控制器
我 们 有 另 展表 格, PID控制器中积分步骤是用来负责百分比控制器中赔偿问题。
百分比常数=0.4）。
众所周知,百分比积分控制器要比仅有百分比功效百分比控制器好很多,不过等于0滞后时间并不常见。
微分控制
微 | 分 | 控 | 制 | 器 | 考 | 虑 | 是 | : | 假 | 如 | 你 | 改 | 变 | 输 | 出 | , |
那么要在输入（PV）处反应这个改变就需要些时间。比如,让我们拿烤炉加热为例。
假如我们增大气体流量,那么从产生热量,热量分步烤炉四面,
到 | 温 | 度 | 传 | 感 | 器 | 控 | 制 | 升 | 高 | 温 | 度 | 全 | 部 | 需 | 要 | 时 | 间 | , | |
PID控 | 制 | 器 | 中 | 微 | 分 | 步 | 骤 | 含 | 有效 | , | |||||||||
因为有些温度增加会在以后不需要情况下产生了。
正确地设置微分系数有利于你随百分比系数和积分字数确实定。