工业自动化控制技术及其在锅炉机组中的应用

郭士杰

摘要：用西门子PLC、触摸屏、变频器组建控制系统，以交流电机为控制对象，使用触摸屏设定电机转速和调试参数，对电机转速进行定值调节。在传统教学过程中，变频调速理论和PID调参规则，学生不易理解。通过搭建实验平台，让学生能够通过具体的数据和直观的画面，理解电机闭环调速及PID调节参数相关理论，能够改善学习效果，弥补学生工程实践经验的缺乏。

关键词：变频器;PID;PLC;触摸屏

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）03-0007-03

0 引言

凭借良好的节电效果和优异的调速性能，变频调速在化工、煤炭、电力等领域有着越来越广泛的应用。变频器是交流电机实现调速的主要设备，采用PID调节进行转速控制，能够获得优良的控制效果。在系统数学模型未知的情况下，PID调节也能够获得较为满意的控制效果，在工程实践中应用非常普遍。而变频调速理论和PID参数调试规则，是教学过程中的两个难点。通过电机PID调速控制系统设计与调试的实践教学，以直观、形象、生动的实验现象，来提高学生学习积极性，改善学习效果。在现有实验设备基础上，选择西门子S7-300 PLC、变频器G120和触摸屏TP700组建电机PID调速控制系统。

1 设计思路

电机调速控制系统由变频器、触摸屏、可编程逻辑控制器等组建而成。转速设定值、比例系数、积分时间、微分时间及电机启停控制信号均可以通过上位机触摸屏进行设置。这些数据通过以太网从触摸屏传送至PLC。在PLC中，对转速采样值、转速设定值，两者的差值进行PID运算，将输出值传送给变频器，变频器带动电机运行。电机的实时转速和波形，可以在触摸屏中显示出来，以此判断电机运行状态是否达到要求。电机转速快速准确的达到设定目标，需要通过完整的系统设计得以实现，总体设计框架如图1所示。

2 变频调速原理

性能稳定可靠、性价比高、体积小巧等直流电动机所不具备的优点，正是交流电动机调速系统成为电力拖动控制系统重要组成的主要原因。对于交流调速系统，交流异步电动机转速计算公式如下：

（1）

式中：为三相交流异步电机的运行速度，为三相交流电源的工作频率，为三相交流异步电机的磁极对数，为转差率。

通过式（1）可以知道，改变电源工作频率f、电机的磁极对数p、转差率s，这3种方法均可以实现对电机转速的调整。与变极、变转差率相比，变频调速在工业领域应用更加普遍，因为变频调速调速范围更加广泛、性能更加稳定可靠、更适合现场操作。

3 PID控制

PID调节可以为系统提供反馈控制、用积分消除余差、用微分预测将来，是工业控制系统中最常见的一种控制策略，具有性能稳定、应用范围广、结构简单等优点。该调速系统PID控制是通过PLC内置的PID调节器实现的。控制原理为：参照系统误差，借助PID参数完成控制量的计算，最终实现控制功能[1]。西门子的S7-300的CPU314C-2PN/DP，包含24个DI、16个DO、5个AI通道、2个AO通道，能够满足电机调速使用要求。

在SIMATIC S7自动化控制系统中，控制具有连续输入和连续输出变量的工艺过程，可以使用CONT_C指令实现。通过分配参数可以实现启用PID控制器的子功能、禁止PID控制器的子功能、使其适应该过程等功能。除了具有设定值和过程值分支功能之外，该指令还能够实现一个完整的PID控制器，具有连续的输出值输出，且允许手动影响输出值。该控制器不仅可以应用于单回路定值控制系统，也可以作为混合、比值、级联控制器应用于多回路控制系统。

设置输入参数COM_RST=TRUE，将会运行CONT_C指令的初始化例程。初始化过程中，积分作用被设置为初始化值I_ITVAL。所有信号输出都被设置为零。完成初始化例程后，必须设置COM_ RST=FALSE。在应用时，必须以固定的时间间隔调用块，所以在循环中断OB（OB 30到OB 38）中调用控制块，以确保控制块中计算的值正确。在CYCLE参数中输入采样时间。当指令CONT_C作为多重背景数据塊被调用时，不会创建任何工艺对象。没有参数分配接口或调试接口可用，必须在多重背景数据块中分配参数，并通过监视表格进行调试。减小给定值与过程变量的偏差值，直至为零，是定值控制系统的控制目标，可以通过比例系数、积分时间、微分时间来实现。

系统设定值与实际测量值之间出现的偏差大小，能够通过比例作用快速反映出来。比例作用使系统控制量的输出含有与系统偏差成线性变化的分量。比例系数越大或者比例度越小，偏差越大，但是系统反映越迅速。积分作用表明控制器的输出与偏差对时间的积分成线性关系，是由系统偏差大小与偏差持续时间决定的。消除余差、提高控制精度，是积分作用的主要任务。积分时间越大，积分作用越弱，反之，则越强。微分作用的输出与输入的大小无关，与输入量的导数成线性变换，能够对输入的变化趋势作出反应，可以减小超调、控制振荡次数、使系统趋于稳定，从动态性能方面来优化控制指标。从系统数学模型的角度分析，微分环节的出现，相当于在系统传递函数中引入了一个零点。如果微分时间选择不合适，会导致系统稳定性发生改变。这三种作用是各自独立的，互不影响。如果其中任一个调节参数发生改变，只会影响该参数对应的一种调节作用，而不会影响其他两种调节作用。为了使控制系统快速、准确、稳定的运行，一般可使用试凑法、临界比例度法、衰减振荡等方法进行P、I、D参数整定，实现控制系统的优化控制。

4 系统程序设计

4.1 程序设计

使用西门子公司的博途软件，实现PLC、变频器及触摸屏的硬件组态及程序设计。在组态过程中，要选择和实际设备订货号匹配的硬件进行组建，并注意建立正确的以太网通讯。编写程序时，从工艺对象中调用连续工艺函数CONT_C。先对CONT_C函数进行初始化复位，利用触摸屏的启动信号对变频器进行控制字赋值，将16#047F赋值给QW256，电机进行运行准备状态。在循环中断块OB33调用PID控制块，启动PID控制，根据工作要求，选择控制器的控制方式。选择手动控制时，MAN_ON为TRUE，在MAN值中输入电机转速，CONT_C函数的输出值LMN进行数值转换后赋值给变频器状态字QW258，则电机按照该数值运行;选择自动控制时，输入给定转速值，合理选择P、I、D参数，电机运行。在电机运行中，采集实际转速，转换后，传送至触摸屏转速显示部分。按下停止按钮时，将控制字16#047E赋值给变频器控制字QW256，电机停止运行。此外，PID控制器的部分数据格式要求的是浮点型，所以在程序中要对相关数据进行格式转换，可利用CONV、ROUND函数等实现。程序设计思路如图2所示。