基于SMPT-1000平臺換熱器熱流出口溫度控制

1、換熱器熱流出口溫度控制換熱器熱流出口溫度控制 學(xué)學(xué) 院：電氣工程學(xué)院院：電氣工程學(xué)院華北理工大學(xué)信息學(xué)院-摘 要換熱器作為一種標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于動力工程領(lǐng)域和其他過程工業(yè)部門。以工業(yè)上常用的列管式換熱器為例,熱流體和冷流體通過對流熱傳導(dǎo)達(dá)到換熱的目的,從而使換熱器物料出口溫度滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。但由于目前制造工藝的限制,控制方式的單一性,換熱器普遍存在控制效果差,換熱效率低的現(xiàn)象,造成能源的浪費。如何提高換熱器的控制效果,提高換熱效率,對于緩解我國能源緊張的狀況,具有長遠(yuǎn)的意義。本課題來源于對 SMPT1000 實驗平臺換熱器的研究，對于換熱器熱流出口溫度的控制，使用 PID 控制來

2、進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過不斷的調(diào)整其參數(shù)，確定一個比較準(zhǔn)確的參數(shù)值，通過調(diào)整冷水閥的開度調(diào)整其流量來控制熱流的出口溫度。本設(shè)計利用 PCS7 來完成整個系統(tǒng)自動控制，通過 PCS7 軟件對系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件組態(tài)，完成控制出口溫度的編程，最后通過人機界面監(jiān)控維護(hù)控制系統(tǒng)正常運行。關(guān)鍵詞 換熱器;溫度;PID 控制;串級控制;PCS7目 錄-I-AbstractHeat exchanger as a standard process equipment has been widely used in the field of power engineering and other process indus

3、tries. In the industry commonly used shell and tube heat exchanger, for example, the hot fluid and cold fluid heat transfer by convection heat transfer to achieve the purpose, so that the heat exchanger outlet temperature of the material to meet the needs of industrial production. However, as the ma

4、nufacturing process constraints, control unity, common heat exchanger control is poor, the phenomenon of low heat transfer efficiency, resulting in waste of energy. How to improve the control performance of the heat exchanger to improve heat transfer efficiency, to ease Chinas energy shortage situat

5、ion, have long-term significance.The design comes from the SMPT-1000 test platform research exchanger for heat exchanger outlet temperature control, the use of PID control to adjust, through continuous adjusting its parameters to determine a more accurate parameter values by adjusting opening of the

6、 cold water valve to control the flow of adjustment of the outlet temperature of the heat flow.This design uses PCS7 to complete the system of automatic control by PCS7 software on the system hardware and software configuration, complete control of the outlet temperature of the programming, the last

7、 operating normally by HMI monitoring and control system.Keywords Heat;temperature; PID control;cascade control; PCS7目錄-II-目目 錄錄摘 要.IAbstract.II目 錄.III第 1 章 緒論.11.1 換熱器設(shè)備 .11.2 選題背景及意義.11.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展史 .21.4 本設(shè)計主要內(nèi)容 .41.5 本章小結(jié).4第 2 章 系統(tǒng)工藝流程及算法控制.52.1 SMPT-1000 實驗平臺及換熱器.52.2 換熱器.62.2.1 高階換熱器.62.2.2 換

8、熱器工作原理.62.3 PID 控制.72.3.1 PID 基本介紹 .72.3.2 參數(shù)整定.102.3.3 主要功能和應(yīng)用.122.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計 .132.4.1 溫度控制特點.132.4.2 換熱器溫度串級控制系統(tǒng).132.5 本章小結(jié) .15第 3 章基于 PCS7 實現(xiàn)系統(tǒng)控制.163.1 PCS7 簡介 .163.2 PCS7 作用 .163.3 PCS7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu).173.4 工程項目的建立 .183.5 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計與組態(tài).193.5.1 硬件系統(tǒng)組成.193.5.2 硬件選型選型以及通訊.203.5.3 操作員站組態(tài).223.5.4 網(wǎng)絡(luò)連接組態(tài).233.6 軟

9、件組態(tài) .233.6.1 系統(tǒng)軟件程序.233.6.2 與硬件地址的連接.243.6.3 系統(tǒng)報警軟件程序.253.7 人機界面創(chuàng)建 .253.8 過程趨勢畫面的創(chuàng)建.26第 4 章控制系統(tǒng)的投運.28目 錄-III-4.1 運前的準(zhǔn)備工作 .284.2 副環(huán)參數(shù)整定 .284.3 主環(huán)參數(shù)整定 .284.4 控制系統(tǒng)的仿真運行 .294.4.1 熱流出口溫度.294.4.2 系統(tǒng)擾動測試.30第 5 章 總結(jié).31參考文獻(xiàn).32謝 辭.34 華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院-0-第 1 章 緒論1.1 換熱器概述換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是使熱量由較

10、高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足過程工藝條件的需要，同時也提高能源利用率的主要設(shè)備之一。換熱器按傳熱面的結(jié)構(gòu)分類為以下幾種：(1)表面式換熱器又稱為間壁式換熱器。在此類換熱器中，溫度不同的兩種流體，在被一固體壁面分開的不同空間里流動。熱流體放出的熱量通過固體壁面?zhèn)鹘o冷流體。如列管式換熱器，一種流體在管內(nèi)（管程）流動，另一種流體在管外殼程）流動。這類換熱器類型多，應(yīng)用廣.化工生產(chǎn)中所用換熱器絕大多數(shù)屬于此類，如列管式換熱器、夾套式換熱器、蛇管式換熱器、套管式換熱器、板式換熱器等等。(2)直接接觸式換熱器在這類換熱器中，冷熱兩種流體直接接觸進(jìn)行換熱。這對工藝上允許

11、兩種流體混合的情況而言，既方便又有效，所用設(shè)備也較簡單。如涼水塔是用來冷卻循環(huán)水的，在涼水塔內(nèi)，空氣與水直接接觸進(jìn)行換熱。又如在氣壓冷凝器中，蒸汽與水直接接觸使蒸汽冷凝等等。(3) 蓄熱式換熱器該換熱器是借助熱容量較大的固體蓄熱體（如耐火磚等） ，將熱量從高溫流體傳遞給低溫流體的熱交換器。當(dāng)蓄熱體與高溫流體接觸時，從高溫流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高，然后與低溫流體接觸，將熱量傳遞給低溫流體，蓄熱體溫度下降，從而達(dá)到換熱的目的。這類換熱器結(jié)構(gòu)較簡單，可耐高溫，故常用于高溫氣體熱量的利用或冷卻。其缺點是設(shè)備體積較大，同時也難免兩種流體在一定程度上相混合。換熱器行業(yè)涉及暖通、壓力容器、中水處理設(shè)備

12、等近 30 多種產(chǎn)業(yè)，相互形成產(chǎn)業(yè)鏈條。1.2 選題背景及意義近年來，在我國以信息化帶動的工業(yè)化正在蓬勃發(fā)展，溫度已成為工業(yè)對象控制中一種重要的參數(shù)1熱換器是化工和一些工業(yè)部門生產(chǎn)過程中主要的換熱設(shè)備，生產(chǎn)中通常對流體加熱或冷卻都要有熱量交換，因而都需要換熱器，隨著科研人員的不斷發(fā)展和創(chuàng)新對能源的利用和開發(fā)。熱換器在生活中的應(yīng)用也日益增第 1 章 緒論-1-進(jìn)，在現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)換熱器占有較大的份額。換熱器行業(yè)涉及暖通、壓力容器、中水處理設(shè)備等近 30 多種產(chǎn)業(yè)2，相互形成產(chǎn)業(yè)鏈條。數(shù)據(jù)顯示 2010 年中國換熱器產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模在 500 億元左右，主要集中于石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供暖

13、、制冷空調(diào)、機械、食品、制藥等領(lǐng)域。其中，石油化工領(lǐng)域仍然是換熱器產(chǎn)業(yè)最大的市場，其市場規(guī)模為 150 億元，;電力冶金領(lǐng)域換熱器市場規(guī)模在 80 億元左右;船舶工業(yè)換熱器市場規(guī)模在 40 億元以上;機械工業(yè)換熱器市場規(guī)模約為 40 億元;集中供暖行業(yè)換熱器市場規(guī)模超過 30 億元，食品工業(yè)也有近 30 億元的市場。另外，航天飛行器、半導(dǎo)體器件、核電常規(guī)島核島、風(fēng)力發(fā)電機組、太陽能光伏發(fā)電多晶硅生產(chǎn)等領(lǐng)域都需要大量的專業(yè)換熱器，這些市場約有 130 億元的規(guī)模。近年來，跟著我國石化、鋼鐵等行業(yè)的快速發(fā)展，熱交換器的需求水平大幅上漲，但海內(nèi)企業(yè)的供應(yīng)能力有限，導(dǎo)致熱交換器行業(yè)呈現(xiàn)供不應(yīng)求的市場狀

14、態(tài)，巨大的供應(yīng)缺口需要入口來彌補3。我國能源利用率大約只有 33%,其利用率還很低,比發(fā)達(dá)國家低約 10 個百分點。國內(nèi)換熱器行業(yè)在節(jié)能增效、提高傳熱效率、減少傳熱面積、降低壓降、提高裝置熱強度等方面的研究取得了顯著成績?；谑?、化工、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業(yè)對換熱器穩(wěn)定的需求增長，我國換熱器行業(yè)在未來一段時期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長，2011 年至 2020 年期間，我國換熱器產(chǎn)業(yè)將保持年均 10-15%左右的速度增長，到 2020 年我國換熱器行業(yè)規(guī)模有望達(dá)到 1500 億元。由此可見,在節(jié)能方面,我國還存在著非常大的潛力。本課題主要研究列管式換熱器，列管式換熱器的換熱面積大，結(jié)

15、構(gòu)堅固，操作彈性大，材料廣泛，便于清潔，適合大型裝置特點，列管換熱器在制藥行業(yè)帶來的效益非常的明顯。從衛(wèi)生要求較高的液體，一個工業(yè)用水量較大和衛(wèi)生要求較高的制藥廠都可以用列管式換熱器來處理。本課題研究的換熱器是個冷卻器，可以通過換熱回收熱物料的熱量。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二十世紀(jì) 20 年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30 年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發(fā)動機的散熱。 30 年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強

16、腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院-2-60 年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 自 60 年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。 70 年代中期，為了強化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。中國換熱器產(chǎn)業(yè)起步較晚。1963 年撫順機械設(shè)備制造有限公司按照美國TEMA 標(biāo)準(zhǔn)制造出中國第一臺管殼式換熱器，1965 年蘭州

17、石油機械研究所研制出我國第一臺板式換熱器，蘇州新蘇化工機械有限公司（原蘇州化工機械廠）在 20 世紀(jì) 60 年代研制出我國第一臺螺旋板式換熱器。之后，蘭州石油機械研究所首次引進(jìn)德國斯密特（Schmidt）換熱器技術(shù)，原四平換熱器總廠引進(jìn)法國維卡勃（Vicarb）換熱器技術(shù)，國內(nèi)換熱器行業(yè)在消化吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，開始獲得較快發(fā)展。20 世紀(jì) 80 年代后，中國出現(xiàn)了自主開發(fā)傳熱技術(shù)的新趨勢，大量的強化傳熱元件被推向市場，國內(nèi)傳熱技術(shù)高潮時期的代表作有折流桿換熱器、新結(jié)構(gòu)高效換熱器、高效重沸器、高效冷凝器、雙殼程換熱器、板殼式換熱器、表面蒸發(fā)式空冷器等一批優(yōu)良的高效換熱器。入二十一世紀(jì)以來，我

18、國的板式換熱器研究取得了長足的進(jìn)步，在借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗的同時，也逐漸形成了自己的一套設(shè)計開發(fā)模式，與世界領(lǐng)先技術(shù)的差距進(jìn)一步縮小。我國板式換熱器的制造廠家有四五十家、年產(chǎn)各種板式換熱器數(shù)千臺計，但是我國的板式換熱器的應(yīng)用遠(yuǎn)不及國外，這與人們對板式換熱器的了解程度、使用習(xí)慣以及國內(nèi)產(chǎn)品的水平有關(guān)。七十年代，板式換熱器主要應(yīng)用于食品、輕工、機械等部門；八十年代也僅僅是應(yīng)用到民用建筑的集中供熱；八十年代中期開始，在化工工藝流程中較苛刻的場合也出現(xiàn)了板式換熱器的身影。由于人們對板式換熱器工作原理、熱力計算、校驗等不熟悉的原因，使得板式換熱器在開發(fā)到應(yīng)用的時間跨度上，花費了較多的時間。最近幾年，我國還在

19、大型管殼式換熱器、大直徑螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器、高效節(jié)能板殼式換熱器、大型板式空氣預(yù)熱器方面獲得了重大突破。飛速發(fā)展的柏恩品牌（BHE）誕生于 2004 年。2008 年 8 月，由中國石化集團(tuán)上海工程公司與中國第一重型機械公司、蘭州石油機械研究所、鎮(zhèn)海煉化公司共同承擔(dān)研制的鎮(zhèn)海煉化百萬噸/年乙烯項目-EO/EG 裝置大型管殼式換熱器國產(chǎn)化研制通過技術(shù)鑒定，標(biāo)志著我國在大型管殼式換熱器領(lǐng)域獲得了重大突破。該換熱器是國內(nèi)正在制造的首臺換熱面積超過 10000m2的超大型管殼式換熱器。第 1 章 緒論-3-1.4 本設(shè)計主要內(nèi)容本課題主要設(shè)計并實現(xiàn)換熱器熱流的出口溫度的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的主要目的是

20、實現(xiàn)換熱器熱流出口溫度的自動控制，換熱器出口溫度的測量、指示、記錄和控制對于生產(chǎn)過程十分重要，溫度動態(tài)特性的特點是慣性大、容量滯后大、多容，控制起來不靈敏，因此溫度控制系用需要增加微分和積分作用，所以本課題用 PID 控制系統(tǒng)來分析，PID 控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整方便，使換熱器控制精度更高、動態(tài)偏差小，被控對象的時間滯后較大問題得到了解決，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整 PID 參數(shù),可以獲得比較滿意的控制效果。主要設(shè)計手段是利用 PCS7 軟件完成 PLC 和本機以及 SMPT-10000 設(shè)備的連接通訊，然后對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計編程并且利用 WinCC 完成設(shè)計界面，通過操作源站來控制監(jiān)視整個系統(tǒng)的自動運行情況。1.

21、5 本章小結(jié)本章主要介紹了換熱器的種類和換熱器的歷史發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀。分析了換熱器的 PID 控制方式和利用 PCS7 軟件完成整個系統(tǒng)控制和監(jiān)視。并總結(jié)了換熱器研究的意義和發(fā)展前景。華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院-4-第 2 章 系統(tǒng)工藝流程及算法控制2.1 SMPT-1000 實驗平臺及換熱器SMPT-1000 是一款將全數(shù)字仿真技術(shù)與實物外觀模擬裝置相結(jié)合，集多種實驗功能于一體的仿真實驗裝置。SMPT-1000 被控對象取材于過程工業(yè)常見的鍋爐與蒸發(fā)器構(gòu)成的水汽熱能系統(tǒng)，廣泛見于石油、化工、冶金、制藥、食品、生物、電力等工業(yè)生產(chǎn)裝置中，可拆分成非線性儲罐與離心泵單元、動力除氧單元、高階換熱單元、

22、加熱爐單元、鍋爐單元、蒸發(fā)器單元，提供由簡到難的各個層次的過程控制被控對象。根據(jù)工業(yè)裝置實際數(shù)據(jù)矯正的動態(tài)仿真引擎保證了被控對象的工業(yè)級動態(tài)響應(yīng)精度，對象特性靈活多變，裝置尺寸、儀表、控制系統(tǒng)、執(zhí)行器等均可靈活定義，下圖是 SMPT-1000 實驗平臺正視圖和實物圖：蒸發(fā)器換熱器汽包省煤器爐膛除氧器圖 2-1 SMPT-1000 實訓(xùn)平臺SMPT-1000 運用真實的立體管路和空間分布的設(shè)備外觀設(shè)計，在鋼結(jié)構(gòu)的盤臺上安裝著由不銹鋼制的比例縮小的流程設(shè)備模型，主設(shè)備包括 1 臺臥式除氧器、1 臺盤管式省煤器、1 臺加熱爐爐體、1 臺汽包、1 臺列管式換熱器、1臺蒸發(fā)器、2 臺離心泵、1 臺鼓風(fēng)機

23、、11 個手操/自控雙效閥（其中有 2 個旋鈕第 2 章 系統(tǒng)工藝流程及算法控制-5-位于輔助操作臺上） 、5 個開關(guān)閥、1 個爐膛著火指示燈以及若干管路系統(tǒng)。 空間分布有 9 個流量（F） 、3 個液位（L） 、5 個壓力（P） 、4 個溫度（T） 、1 個組分的仿傳感器（變送器）數(shù)字式軟儀表。 2.2 換熱器2.2.1 高階換熱器換熱器在整套設(shè)備中起降低過熱流體溫度的作用，流體溫度的控制在整個系統(tǒng)中有著非常重要的作用，下面是換熱器的結(jié)構(gòu)圖：圖 2-2 換熱器結(jié)構(gòu)圖高階列管式換熱器主要由殼體、管束、管板和封頭等部分組成。在其中進(jìn)行換熱的液體有兩種，一種在管內(nèi)流動，其行程稱為管程；一種在管外流

24、動，其行程稱為殼程。 2.2.2 換熱器工作原理該換熱器為液-液兩相非接觸換熱器。通過換熱，將熱流體的溫度降低到工藝要求范圍內(nèi)。熱流走殼程，出口溫度為 TI1104，出口流量為 FI1105.冷水走管程，冷卻水上水流量為 FT1102，冷卻水上水管線上設(shè)有調(diào)節(jié)閥 FV1103，冷卻水出口溫度為 TT1103。本設(shè)計實際上是一個冷卻器，通過換熱回收熱物料的熱量，下游設(shè)備對熱物料的溫度有嚴(yán)格要求，所以要使用換熱器對熱流出口溫度進(jìn)行調(diào)整。工業(yè)上一般使用來自公用工程的冷卻水為熱物料降溫，如果有深度冷卻的需要可以使用液氨作為冷卻劑。如下圖 2-2 所示華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院-6-P-2P-3FV110

25、3V-2FV1105V-3熱流入口熱流出口冷卻水上水冷卻水回水FT1102FI1105TI1104換熱器E1101圖 2-3 換熱器工作原理圖調(diào)節(jié)過程:根據(jù)檢測到的冷流量的變化，先調(diào)節(jié)閥門開關(guān)，控制冷流量的大小，即為副回路，然后再根據(jù)熱流體出口溫度與設(shè)定值之間的偏差，根據(jù)合適的控制算法，進(jìn)一步調(diào)節(jié)冷流體的流量，以保持出口溫度的穩(wěn)定， ，這樣組成流體出口溫度調(diào)節(jié)器和流體流量調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來的串級控制系統(tǒng)。2.3 PID 控制2.3.1 PID 基本介紹在模擬控制系統(tǒng)中，PID (Proportion Integration Differentiation，比例-積分-微分) 控制是控制器最常用的控

26、制規(guī)律4，PID 控制器作為最早實用化的控制器已有 70 多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。比例積分微分，PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一56。簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。這個理論和應(yīng)用自動控制的關(guān)鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。第 2 章 系統(tǒng)工藝流程及算法控制-7-PID 控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入 e (t）與輸出 u (t）的關(guān)系為：u(t)=kpe(t)+1/TIe(t)dt+TDde(t)/dt (2.1)式中積分的上下限分別是 0 和 t 因此它的傳遞函

27、數(shù)為：G (s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(TIs)+TDs (2.2)其中 kp 為比例系數(shù)； TI 為積分時間常數(shù)； TD 為微分時間常數(shù)（1）比例作用 P比例（P）控制：比例控制是一種最簡單的控制方式7。所謂的 P，就是比例作用，就是把調(diào)節(jié)器的輸入偏差乘以一個系數(shù)，作為調(diào)節(jié)器的輸出。滯后性不是很大的控制對象使用比例控制方式就可以滿足控制要求，但很多被控對象中因為有滯后性。一般來說，設(shè)定值不會經(jīng)常改變，那就是說：當(dāng)設(shè)定值不變的時候，調(diào)節(jié)器的輸出只與被調(diào)量的波動有關(guān)。調(diào)節(jié)器的輸出信號 u 與輸入的偏差信號 e 成比例 u=Kce（2.3）Kc稱為比例增益，Kc接近于 0 時，控制器的

28、輸出 u 不受輸入偏差 e 的影響，相當(dāng)于控制系統(tǒng)不工作，Kc很大時，只要有一個很小的輸入偏差 e 出現(xiàn)，就會使控制器輸出 u 發(fā)生很大的變化，Kc由小到大變化，系統(tǒng)將由穩(wěn)定向振蕩發(fā)展。 比例作用的特點 ，比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)，比例調(diào)節(jié)的余差隨著比例增益的增大而減小；比例增益越大，意味著執(zhí)行機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、擋板等）的動作幅度較大，被調(diào)節(jié)變量的變化較為劇烈 ；比例調(diào)節(jié)可以單獨使用，也可以和其它調(diào)節(jié)動作結(jié)合成 PI、PD 或 PID 調(diào)節(jié)動作。（2）積分作用 I在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡

29、稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error） 。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院-8-調(diào)節(jié)器的輸出信號的變化速度 du/dt 與輸入的偏差信號 e 成正比 du/dt=Kie （2.4）Ki稱為積分速度，積分調(diào)節(jié)將輸入偏差 e 按時間進(jìn)行累積，偏差存在輸出就增大，直到消除偏差為止，Ki趨向于 0

30、 時，積分作用消除，Ki很大時，積分作用強烈，消除余差的能力強，但容易引起振蕩。積分特點：積分調(diào)節(jié)是無差調(diào)節(jié)。只有當(dāng)偏差 e 為 0 時，積分調(diào)節(jié)器的輸出才會保持不變 ；積分速度越大，執(zhí)行機構(gòu)的動作越快，越容易引起和加劇振蕩 ；積分調(diào)節(jié)可以單獨使用，但調(diào)節(jié)的過程很慢。通常，積分調(diào)節(jié)和其它調(diào)節(jié)動作結(jié)合成 PI 或 PID 調(diào)節(jié)動作。PI 兩個結(jié)合使用的情況下，我們的調(diào)整方式如下：先將 I 值設(shè)為 0，將 P 值放至比較大，當(dāng)出現(xiàn)穩(wěn)定振蕩時，我們再減小P 值直到 P 值不振蕩或者振蕩很小為止（術(shù)語叫臨界振蕩狀態(tài)） ，在有些情況下，我們還可以在些 P 值的基礎(chǔ)上再加大一點。加大 I 值，直到輸出達(dá)到

31、設(shè)定值為止。等系統(tǒng)冷卻后，再重上電，看看系統(tǒng)的超調(diào)是否過大，加熱速度是否太慢。通過上面的這個調(diào)試過程，我們可以看到 P 值主要可以用來調(diào)整系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但太大會增大超調(diào)量和穩(wěn)定時間；而 I 值主要用來減小靜態(tài)誤差。（3）微分作用 D在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系8。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入

32、“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性調(diào)節(jié)器的輸出與輸入的偏差信號的變化速度 de/dt 成正比 u=Kd(de/dt)（2.5）Kd是微分速度微分調(diào)節(jié)的輸出與輸入偏差 e 的變化速度成正比，e 變化越大，微分調(diào)節(jié)的輸出越大，Kd為 0 時，微分作用消除 微分作用的特點 ：微分調(diào)節(jié)總是力圖抑制被調(diào)量的振蕩；微分調(diào)節(jié)只能起第 2

33、章 系統(tǒng)工藝流程及算法控制-9-到輔助的調(diào)節(jié)作用，可以與其它調(diào)節(jié)動作結(jié)合成 PD 或 PID 調(diào)節(jié)動作其完整的公式如下： u(t) = Kpe(t) + Kie(t) + Kde(t) e(t-1)+u0 （2.6）在 PID 的調(diào)試過程中，應(yīng)注意以下步驟： 關(guān)閉 I 和 D，也就是設(shè)為 0.加大 P，使其產(chǎn)生振蕩；減小 P，找到臨界振蕩點； 加大 I，使其達(dá)到目標(biāo)值；重新上電看超調(diào)、振蕩和穩(wěn)定時間是否吻合要求； 針對超調(diào)和振蕩的情況適當(dāng)?shù)脑黾右恍┪⒎猪棧?注意所有調(diào)試均應(yīng)在最大爭載的情況下調(diào)試，這樣才能保證調(diào)試完的結(jié)果可以在全工作范圍內(nèi)均有效；（4）采樣周期 由于計算機控制是一種采樣控制，它

34、只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量9，PID 控制程序是周期性執(zhí)行的，執(zhí)行的周期稱為采樣周期。采樣周期越小，采樣值越能反映模擬量的變化情況。但是太小會增加 CPU的運算工作量，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒有什么變化，將使 PID 控制器輸出的微分部分接近為零，所以也不宜將采樣周期取得過小。應(yīng)保證在被控量迅速變化時（例如啟動過程中的上升階段），能有足夠多的采樣點數(shù)，不致因為采樣點數(shù)過少而丟失被采集的模擬量中的重要信息。PID 由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（Kp， Ti 和 Td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是

35、必不可少的。2.3.2 參數(shù)整定PID參數(shù)整定方法很多，工程上最常用的有臨界比例度法、衰減曲線法和經(jīng)驗湊試法。(1) 臨界比例法這是目前使用較多的一種方法。它是先通過試驗得到臨界比例度PB和臨界周期Tk，然后根據(jù)經(jīng)驗公式求出控制器各參數(shù)值。具體做法如下：被控系統(tǒng)穩(wěn)定后，把控制器的積分時問放到最大，微分時間放到零(相當(dāng)于切除了積分和微分作用，只使用比例作用)。通過外界干擾或使控制器設(shè)定值作一階躍變化，觀察由此而引起的測量值震蕩從大到小逐步把控制器的比例度減小，看測量值振蕩的變化是發(fā)散的還是衰減的，如是衰減的則應(yīng)把比例度繼續(xù)減?。蝗缡前l(fā)散的則應(yīng)把比例度放大。華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院-10-連續(xù)重復(fù)

36、、步驟，直至測量值按恒定幅度和周期發(fā)生振蕩，即持續(xù)45次等幅振蕩為止。此時的比例度示值就是臨界比例度PB。從振蕩波形圖來看，來回振蕩1次的時間就是臨界周期Tk，即從振蕩波的第一個波的頂點到第二個波的頂點的時間。如果有條件用記錄儀，就比較好觀察了，即可看振蕩波幅值，還可看測量值輸出曲線的峰峰距離，把該測量值除以記錄紙的走紙速度，就可計算出臨界周期Tk得到了臨界比例度PB和臨界周期Tk后就可根據(jù)表1中的經(jīng)驗公式求出控制器的P、Ti、剛參數(shù)值了。表2-1 臨界比例度法參數(shù)計算公式表控制作用比例度p積分時間微分時間比例2PB比例+積分2.2PB0.85Tk比例+微分1.8PB0.1Tk比例+積分+微分

37、1.7PB0.5Tk0.125Tk臨界比例度整定法又稱為“閉環(huán)振蕩法”，它的特點是：不需要求得控制對象的特性，而直接在閉合但對于臨界比例度很小的系統(tǒng)不適用，在某些生產(chǎn)過程中不允許振蕩的場合，此整定法也不適用。（2）衰減曲線法衰減曲線法是通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來整定控制器的參數(shù)值的，有4：1和10：1兩種衰減曲線法，具體做法如下(以4：1為例)：在閉合的控制系統(tǒng)中，將控制器變?yōu)榧儽壤饔?，比例度放在較大的數(shù)值上。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，通過外界干擾或使控制器設(shè)定值作一階躍變化，觀察記錄曲線的衰減比。從大到小改變比例度，直至出現(xiàn)4：1衰減比為止，記下此時的比例度Ps(叫4：1衰減比例度)并從曲線上得出衰減

38、周期Ts(在4：1曲線中為峰峰時間。對有些控制對象，控制過程進(jìn)行較快，難以從記錄曲線上找出衰減比。這時，只要被控量波動2次就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可近似認(rèn)為是4：1的衰減過程，其波動1次時間為Ts。得到了衰減比例度Ps和衰減周期Ts后，就可根據(jù)表2中的經(jīng)驗公式求出控制器的P、Ti、Td參數(shù)值了。表2-2 4:1衰減曲線法控制器參數(shù)計算表控制作用比例度P積分時間微分時間比例Ps比例+積分0.83 Ps0.5Ts比例+積分+微分1.25Ps0.3Ts0.1Ts第 2 章 系統(tǒng)工藝流程及算法控制-11-（3）經(jīng)驗湊試法經(jīng)驗湊試法是長期的生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的一種整定方法。它是根據(jù)經(jīng)驗公式先將控制器參數(shù)放在一

39、個數(shù)值上，直接在閉合的控制系統(tǒng)中，通過改變給定值施加干擾，觀察過渡過程曲線，運用P、Ti、Td對過渡過程的影響為指導(dǎo)，按照規(guī)定順序，對比例度P、積分時間Ti和微分時間Td逐個整定，直到獲得滿意的過渡過程為止。具體做法如下：在閉合的控制系統(tǒng)中，根據(jù)經(jīng)驗并參考表4的數(shù)據(jù)，選出一個合適的P、n值作為起始值，將系統(tǒng)投人自動。通過改變設(shè)定值對控制系統(tǒng)施加一個干擾，現(xiàn)場觀察判斷控制曲線形狀。若曲線不夠理想，可改變P或Ti，再觀察控制過程曲線，經(jīng)反復(fù)湊試直到控制系統(tǒng)符合動態(tài)過程品質(zhì)要求為止，這時的P和Ti就是最佳值。如果調(diào)節(jié)器是PID三作用方式，那么要在整定好的P和丁i的基礎(chǔ)上加進(jìn)微分作用。由于微分作用有抵

40、制偏差變化的能力，所以確定一個Td值后，可把整定好的P和n值減小一點再進(jìn)行現(xiàn)場湊試，直到P、n和Td取得最佳值為止。經(jīng)驗湊試法的特點是方法簡單，適用于各種控制系統(tǒng)，因此應(yīng)用非常廣泛。特別是外界干擾作用頻繁，記錄曲線不規(guī)則的控制系統(tǒng)，采用此法最為合適。但是此法主要是靠經(jīng)驗，在缺乏實際經(jīng)驗或過渡過程本身較慢時，往往費時較多。為了縮短整定時間，可以運用優(yōu)選法，使每次參數(shù)改變的大小和方向都有一定的目的性。值得注意的是，對于同一個系統(tǒng)，不同的人采用經(jīng)驗湊試法整定，可能得出不同的參數(shù)，這是由于對每一條曲線的看法，有時會因人而異，沒有一個很明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)，而且不同的參數(shù)匹配有時會使所得過渡過程衰減情況一樣。

41、2.3.3 主要功能和應(yīng)用要實現(xiàn) PID 參數(shù)的整定，首先要對被控制的對象有一個了解，然后選擇相應(yīng)的參數(shù)計算方法完成控制器參數(shù)的設(shè)計10工業(yè)生產(chǎn)過程中，對于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。PID 控制器是根據(jù) PID 控制原理對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，從而使被控變量的實際值與工藝要求的預(yù)定值一致。不同的控制規(guī)律適用于不同的生產(chǎn)過程，必須合理選擇相應(yīng)的控制規(guī)律，否則PID 控制器將達(dá)不到預(yù)期的控制效果。最為理想的控制當(dāng)屬比例-積分-微分控制規(guī)律。它集三者之長:既有比例作用的及時迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有

42、微分作用的超前控制功能。 當(dāng)偏差階躍出現(xiàn)時，微分立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院-12-起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定；而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點，得到較為理想的控制效果。2.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計2.4.1 溫度控制特點溫度控制時間常數(shù)比較大，被控對象的時間滯后較大，控制起來不靈敏，相反的，溫度控制較重要、控制精度要求較高、希望動態(tài)偏差小，所以換熱器的熱流出口溫度控制采用 PID 控制方式。比例調(diào)節(jié)溫度作用是按比例反應(yīng)系統(tǒng)溫度的偏

43、差，一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少溫度偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。對于溫度控制的比例調(diào)節(jié)參數(shù)范圍是 1.6-5。積分調(diào)節(jié)溫度作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為溫度有誤差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù) Ti，Ti 越小，積分作用就越強。反之 Ti 大則積分作用弱，對于溫度控制的積分調(diào)節(jié)參數(shù)范圍是 50-200。微分調(diào)節(jié)溫度能夠反映溫度偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見溫度偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，

44、已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少溫度輸出超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。溫度控制的微分調(diào)節(jié)參數(shù)范圍是 2-100。2.4.2 換熱器溫度串級控制系統(tǒng)（1）換熱器溫度串級控制系統(tǒng)方框圖換熱器熱流口溫度控制系統(tǒng)受到冷熱流體流量、溫度等諸多因素的干擾導(dǎo)致控制系統(tǒng)作用不及時、最大偏差大、過渡時間長、抗干擾能力差、控制精度低。而工藝上對換熱器出口溫度的要求一般很高,采用單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)難以達(dá)到理想的控制效果。一般采用串級控制方法。下面是換熱器熱流出口溫度控制的串級控制系統(tǒng)方框圖第 2 章 系統(tǒng)工藝流程及算法控制-13-圖 2-4 串級控制方框圖（2）換

45、熱器溫度串級控制系統(tǒng)組成如圖 2-3 所示，換熱器熱流出口溫度串級控制系統(tǒng)有兩個環(huán)路：一個內(nèi)環(huán)和一個外環(huán)。習(xí)慣上稱內(nèi)環(huán)為副環(huán)，外環(huán)為主環(huán)。處于副環(huán)上的控制器、對象和變送器分別稱為副控制器、副對象和副變送器。副對象的輸出稱為副被控變量，簡稱副變量。處于主環(huán)上的控制器、對象和變送器分別稱為主控制器、主對象和主變送器。主對象的輸出稱為主被控變量，簡稱主變量。串級控制系統(tǒng)有兩個控制器（主控制器和副控制器） ，而只有一個調(diào)節(jié)閥。主環(huán)是一個定值控制系統(tǒng)，而副環(huán)是一個隨動系統(tǒng)。主控制器的給定值是由工藝決定的，它是一個定值；副控制器的給定值是由主控制的輸出提供的，它隨著主控制輸出的變化而變化，所以副環(huán)是一個隨

46、動系統(tǒng)。在串級控制系統(tǒng)中，對主對象熱流出口溫度的控制質(zhì)量要求比較高，本設(shè)計提出在換熱器出口溫度串級控制系統(tǒng)中,其主回路采 PID 控制算法,以消除純滯后環(huán)節(jié)對于系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響, 而對副變量的要求一般不嚴(yán)格，主要要求它能快速主控制器輸出的變化，允許它有波動和余差設(shè)置副變量的目的就在于保證和提高主變量的控制質(zhì)量，所以對于副環(huán)為了快速跟蹤主控制器的輸出，一般只采用比例控制規(guī)律。（3）主副調(diào)節(jié)器正反作用的確定對于串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器的正反作用方式的選擇原則是使整個系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，其主要通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的正負(fù)是這樣確定的：對于調(diào)節(jié)器的Kc，當(dāng)測量

47、值增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則 Kc為負(fù)（即正作用調(diào)節(jié)器） ；反之，為正（即反作用調(diào)節(jié)器） 。串級控制系統(tǒng)控制器正、反作用的判定順序一般為先副后正，對于換熱器熱流出口溫度串級控制系統(tǒng)副回路，閥門開大符號為正，相應(yīng)的冷水流量也增大，由于整個回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，所以副回路控制器應(yīng)為反作用。對于回路華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院-14-的主環(huán)控制器的判定，副環(huán)是一個隨動系統(tǒng)，輸出隨著輸入的增加而增大，隨著輸入的減小而減小，所以符號為正，而主控量熱流出口溫度隨著冷水流量的增加而減小，所謂符號為負(fù)，整個回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，所以主控環(huán)控制器為正作用。根據(jù)以上介紹的控制系統(tǒng)方案，利用串級控制系統(tǒng)控制換熱器熱流出口

48、溫度，其中主環(huán)用 PID 控制，副環(huán)用單純比例控制，使系統(tǒng)反應(yīng)速度和控制準(zhǔn)確度均達(dá)到較好的效果。2.5 本章小結(jié)本章主要介紹了 SMPT-1000 實訓(xùn)平臺和高階換熱器基本介紹，PID 控制算法和 PCS7 的簡介和控制的優(yōu)點.第 3 章 基于 PCS7 的控制系統(tǒng)實現(xiàn)-15-第 3 章 基于 PCS7 的控制系統(tǒng)實現(xiàn)3.1 PCS7 簡介 PCS7 是西門子公司在 1997 年德國法蘭克福 ACHMA 展會上推出的一種新一代基于現(xiàn)場總線的模塊化的過程控制系統(tǒng),它結(jié)合了傳統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng)和DCS 兩者的優(yōu)點,將兩者的功能有機地結(jié)合在一起。PCS7 系統(tǒng)的所有硬件都基于統(tǒng)一的硬件平臺,所有軟

49、件也都全部集成在 SIMATIC 程序管理器下,有同樣統(tǒng)一的軟件平臺。PCS7 采用符合工 EC61131 一 3 國際標(biāo)準(zhǔn)的編程軟件和現(xiàn)場設(shè)備庫,提供連續(xù)控制、順序控制及高級編程語言?，F(xiàn)場設(shè)備庫提供大量的常用的現(xiàn)場設(shè)備信息及功能塊,可大大簡化組態(tài)工作,縮短工程周期11。西門子SIMATICPCS7,作為全新一代 DCS 過程控制系統(tǒng),采用了全集成自動化理念。PCS7 系統(tǒng)由控制站、多用戶 HMI 系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、客戶機/服務(wù)器系統(tǒng)等部件組成,系統(tǒng)大量采用了新技術(shù),在網(wǎng)絡(luò)配置上,使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)和PRoFIBUS 網(wǎng)絡(luò)。由于 PCS7 消除了 DCS 和 PLC 系統(tǒng)間的界限,真正意義上

50、實現(xiàn)了儀控和電控的一體化,充分體現(xiàn)了全集成自動化的特點,使得系統(tǒng)應(yīng)用范圍變廣,是一種適用于現(xiàn)在、面向未來的開放型過程控制系統(tǒng)12 。PCS7 具有常規(guī)過程控制系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點。它具有靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),可以隨時根據(jù)要求通過無縫集成附加功能的方式擴展控制技術(shù)功能,PCS7 具有卓越系統(tǒng)特性和獨特可升級結(jié)構(gòu)的通用過程控制系統(tǒng),它將靈活的模塊化冗余技術(shù)以及統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、通訊和組態(tài)等強大的性能組合在一起,是以經(jīng)濟、高效的方式組建和運行控制技術(shù)工廠的理想基礎(chǔ)。PCs7 系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于過程工業(yè)、制造業(yè)以及混合型工業(yè),這包括:連續(xù)、批量、分散生產(chǎn)的混合,例如冶金、水泥、電力、玻璃、制藥工業(yè)等13-16 。

51、3.2 PCS7 作用對控制方案的整體設(shè)計的實施所使用的軟件為 PCS7V7.1，其主要包含的軟件及其功能分類概述如下17:（1）創(chuàng)建:主要涉及的軟件為 SIMATIC 管理器以及 PH ( Plant Hierarchy ,工廠層級)。SIMATIC 管理器就是 PCS7 的中心應(yīng)用程序,也是用于搭建 PCS7 項目的其它所有應(yīng)用程序的門戶。SIMATIC 管理器是創(chuàng)建整個項目的起始點,其基本的操作是能完成所創(chuàng)項目的創(chuàng)建以及系統(tǒng)庫創(chuàng)建、項目工程管理與診斷等功能。而工廠層級就是將工廠分為多級單元結(jié)構(gòu),其主要目的是便于直接分辨各圖華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院-16-表和實際工況過程畫面與各單元級彼此

52、間的從屬關(guān)系。（2）配置:主要涉及的軟件是 HWConfig(硬件配置環(huán)境)以及 StationConfigurator (站配置器),前者囊括了硬件系統(tǒng)的全部組態(tài),后者能顯示控制系統(tǒng)實現(xiàn)所用的 PC 配置。（3）編程:主要涉及的軟件有 CFC ( Continuous Function Chart,連續(xù)功能圖),SFC (Sequential Function Chart,順序功能圖)以及 SCL。（4）監(jiān)控:主要涉及的軟件有 WinCC(控制中心)和圖形編程器(Graphics Designer editor )。（5）調(diào)試:主要涉及的軟件是 SIMATICNET(調(diào)試向?qū)?。它就是SIM

53、ATIC 所建工程中配置網(wǎng)絡(luò)和總線系統(tǒng)的平臺。在工程師站中實現(xiàn)對 PCS7工程項目的全部組態(tài)就是完成兩步走:AS engineering (AS 組態(tài))和 OS engineering (OS 組態(tài))。AS 組態(tài)完成的是上段中所提及的 13 點中的軟件,而 OS 組態(tài)則是完成第 4 點所涉及的軟件。3.3 PCS7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 4-3 所示為 PCS7 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖,其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可劃分為三層,具體信息見圖 4-3。頂層是三站合一的 SIMATIC PCS7 BOX。其中,三站包括OS (操作員站)、ES (工程師站)和 AS (自動化站)。通常,這三站與其他站(如操作站)等連通

54、的方式有兩種:第一種是通過 PROFIBUS DP 的端口引入系統(tǒng)總線,第二種是借助于工業(yè)以太網(wǎng),同時與其他的 SIMATICPCS7B0X 相連.實現(xiàn)搭建主從站的目的。分布式 I/O 站屬于中間層。SIMATIC PCS7 BOX 借助于 PROFIBUS DP 端口接到 PROFIBUS 總線,進(jìn)而實現(xiàn)與遠(yuǎn)程通訊板卡、輸入輸出板卡進(jìn)行通訊,然后將系統(tǒng)輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)?420mA 的系統(tǒng)可接收的信號,從而能傳入下游裝置(選擇 SMPT-1000 實驗平臺)。最后一層就是現(xiàn)場對象層,即為 SMPT-1000。允許存在基于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)來建立與上位機的聯(lián)機。第 3 章 基于 PCS7 的控制系統(tǒng)實現(xiàn)-

55、17-圖 3-1 PCS7 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3.4 工程項目的建立運用 PCS7 軟件控制整個系統(tǒng)的運行，首先建立一個新的工程項目如圖所示：圖 3-2 新建工程項目在創(chuàng)建過程中需要選擇根據(jù)需要選擇一個 CPU 件套，一個 CPU 件套包括CPU、電源、機架和 CP4443.通信模塊，另外可根據(jù)實際情況選擇有幾個華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院-18-CP443-5 通信模塊。換熱器熱流出口溫度控制項目需要建立 3 各工廠層級，并且需要建立 OS操作員站，如圖所示建立一個項目圖 3-3 工廠層級3.5 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計與組態(tài)3.5.1 硬件系統(tǒng)組成（1）底板底板用于安裝各種模塊（如：PS，CPU，CP

56、，I/O 模塊等）提供背板總線：I/O 總線；通訊總線通過背板總線實現(xiàn)各模塊之間的數(shù)據(jù)和信號交換電源模塊所提供 5VDC 和 24VDC 通過背板總線供給各模塊（2）電源：插入式的 AC/DC 供電連接。保護(hù)級別：IP20。兩種輸出電壓：5VDC 和 24VDC，并公用一個地。監(jiān)視兩個輸出電壓，如其中一個發(fā)生故障，該模塊輸出一個報錯信號給 CPU。具有輸出短路保護(hù)功能。具有電池后備功能。當(dāng)?shù)綦姇r，所有的參數(shù)設(shè)置和內(nèi)存里的內(nèi)容由電池保持。在前面板上有運行和故障指示燈。（3）CPU（主控器）：PCS7 中使用高性能的 SIMATIC S7-400 系統(tǒng) CPU，有 ProfibusDP 接口，第

57、3 章 基于 PCS7 的控制系統(tǒng)實現(xiàn)-19-可直接接入 Profibus 總線網(wǎng)絡(luò)。裝載存儲器：用于儲存用戶程序，可擴展。工作存儲器：用于運行用戶程序，內(nèi)置。系統(tǒng)存儲器：用于輸入/輸出變量，中間變量，數(shù)據(jù)塊，計時器，計數(shù)器，塊堆棧，中斷堆棧及暫存變量區(qū)，可擴展。 （4）通訊模塊： 通訊模塊用于連接工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet 現(xiàn)場總線信息規(guī)范）的通訊接口模塊。將 CPU 所有的過程數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送給所有連在網(wǎng)上的操作站和工程師站。將所有的操作站和工程師站寫下數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送給 CPU 。在首次下裝后，通過通訊模塊工程師站或編程器可以對 CPU 進(jìn)行組態(tài)。在工

58、程師站或編程器上通過通訊模塊對 CPU 進(jìn)行在線監(jiān)視。在工程師站或編程器上通過通訊模塊對 CPU 進(jìn)行在線診斷。（5）接口模塊：將 ET200M 作為從站連接到 ProfibusDP 總線上。（6）ET200M：ET200 分布式 I/O 的一個產(chǎn)品。分布式 I/O 由接口模塊與I/O 卡件組成。3.5.2 硬件選型選型以及通訊SIMATIC PCS7 可作為過程基礎(chǔ)控制系統(tǒng)(BPCS)。在 PCS7V7.OSPI 軟件平臺下,根據(jù)現(xiàn)場的硬件配置,在組件視圖下的“HWconfig界面中進(jìn)行硬件組態(tài),對于換熱器熱流出口溫度控制系統(tǒng),需要在 ES 站上完成工程師站、現(xiàn)場的 AS 站以及數(shù)據(jù)服務(wù)器的

59、硬件組態(tài)。在硬件組態(tài)之前,我們需要將現(xiàn)場所有設(shè)備的 GSD文件(GSD 文件是 PROFIBUS 一 DP 產(chǎn)品的驅(qū)動文件,是不同生產(chǎn)商之間為了互相集成使用所建立的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口)導(dǎo)入到 PCS7 的“HWConfig中,連接到Profibus-DP 總線上,并分配相應(yīng)的 DP 地址。硬件組態(tài)的正確與否可以在線測試。PCS7 軟件中嚴(yán)格要求組態(tài)的硬件與所連接的設(shè)備型號一致，以下是系統(tǒng)所用硬件的型號：華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院-20-表 3-1 硬件型號硬件名稱型號訂貨號數(shù)量電源模塊PS407 10A6ES7 407-0KA02-0AA01CPU412-5H6ES7 412-5HK06-0AB01以

60、太網(wǎng)模塊CP443-16ES7 443-1EX30-0XE01ET200MIM153-26ES7 153-2BA02-0XB01AIAI 812Bit6ES7 331-7KF02-0AA01AOAO 412Bit6ES7 332-5HF00-0AA01DIDI 16AC120/230V6ES7 321-1BH02-0AA01DODO16AC120/230V/1A6ES7 322-1BH01-0AA01在 PCS7 中軟硬件是否完整匹配很重要,為了確保其對接成功則必須在其的通信的整個過程中逐步將硬件的具體信息“傳輸”給系統(tǒng)軟件,方法為在 SIMATIC管理器中打開 HW Config 視圖進(jìn)行相