测控技术与仪器毕设_论文_焊接冷却水的温度控制

1、天津职业技术师范大学天津职业技术师范大学 Tianjin University of Technology and Education 毕毕 业业 设设 计计 专 业： 测控技术与仪器 班级学号： 测控 0702 班 - 20 学生姓名： 卢富志 指导教师： 张思祥 教授 二一一年六月 天津职业技术师范大学本科生毕业设计天津职业技术师范大学本科生毕业设计 焊接冷却水的温度控制焊接冷却水的温度控制 Welding of cooling water temperature control 专业班级：测控 0702 班 学生姓名：卢富志 指导教师：张思祥 教授 学 院：自动化与电气工程学院 2011

2、 年 6 月 摘摘 要要 不锈钢复合板是一种以碳钢为基材，不锈钢等钢材为副材，两种金属经滚 焊成型的高效节能材料。它的主要特点是碳钢和不锈钢形成牢固的冶金结合，可 以进行热压、冷弯、切割、焊接等各种加工，有良好的工艺性能，材质和厚度可 以自由组合，满足不同用户的需要。它充分发挥两种材料特性优势，即具有不锈 钢的耐腐蚀，耐磨性，抗磁性，豪华性和装饰性；又具有碳钢良好的可焊性，成 型性，拉延性和导热性，因而它是一种多功能材料。同时由于它可节约镍铬合金， 可降低成本，价格低廉，作为一种资源节约型的产品，减少贵重金属的消耗，大 幅度降低工程造价，实现低成本和高性能的完美结合。因而已经被广泛应用于石 油

3、、化工、盐业、水利电力等行业，用于取代全不锈钢，具有巨大的社会经济效 益。 本论文主要研究两种金属经滚焊过程中冷却水温度的控制。当冷却水的实 际温度产生变化时，装置通过温度检测单元将测出的温度信号转换成电信号，经 A/D 转换，送至 PLC,经过 PID 控制算法计算后由 D/A 单元输出给变频器。变频器 再通过输出不同的电压及频率来控制给水泵的转速，从而改变给水泵的供水量。 关键词关键词：Pt100 温度传感器；PLC；MM440 变频器；水泵 ABSTRACT Stainless steel composite board is a kind of carbon steel as base

4、 material, stainless steel as vice material, welding the two metals by roll forming energy-efficient materials.Its main feature is the Metallurgical bond of solid carbon steel and stainless steel, metallurgical bonding can be hot, cold, cutting, welding and other processing, a good process performan

5、ce, material and thickness can be freely combined, to meet the needs of different users. It features full advantage of the two materials, which have stainless steel corrosion resistance, wear resistance, anti- magnetic, luxury and decoration; but also has good weld ability of carbon steel, molding,

6、drawing ductility and thermal conductivity, so it is a multifunctional material. And because it can save nickel-chromium alloy, can reduce costs, low prices, as a resource-saving products, to reduce the consumption of precious metals, a significant reduction in project cost, to achieve the perfect c

7、ombination of low cost and high performance. Which has been widely used in petroleum, chemical, salt, water conservancy and electric power industries, to replace stainless steel, with great social and economic benefits. In this thesis, two types of metal by roll welding process of the cooling water

8、temperature control. When the actual temperature of cooling water generation changes, the device will transform the temperature signals into electrical signals by the temperature detection unit ,by the A / D conversion, sent to the PLC, through the PID control algorithm then through the D / A output

9、 to the inverter unit Device. Inverter to control the feed pump speed through the output of different voltage and frequency , thus changing the water supply to the pump. Key Words：Pt100 temperature sensor ；PLC；MM440 transducer； the pump 目 录 1 绪论.1 1.1 焊接温度控制的发展、现状及趋势.1 1.2 本设计研究的目的和意义.1 1.3 本文研究的主要内

10、容.1 2 温度控制系统的工作原理及总体设计方案.4 2.1 焊接冷却水温度控制系统的工作原理.4 2.2 冷却水温度控制系统的总体设计方案.4 3 冷却水温度控制系统的硬件电路的设计.6 3.1 检测单元的设计.6 3.1.1 温度传感器的选择.6 3.2 主控单元的设计.13 3.2.1 PLC 的特点.13 3.2.2 PLC 的硬件系统组成.16 3.2.3 PLC 工作的全过程分为三部分.17 3.2.4 PLC 的外部结构及各部件的作用.18 3.3 执行原件的设计.23 3.3.1 变频调速技术的特点及应用.23 3.3.2 变频器的原理与控制及选型.24 3.3.3 变频器的外

11、部配置及应注意的问题.27 3.3.4 风机、水泵采用变频控制的优势.28 3.3.5 离心式水泵的组成及工作原理.30 3.3.6 离心泵的相关参数的分析及计算.30 3.3.7 水泵台数的确定原则.36 3.4 PLC 与变频器的通信.37 3.4.1PLC 与计算机、上位 PLC 的通信.37 3.4.4 用 S7200 实现 PID 控制.44 4 冷却水温度控制系统的软件设计.47 4.1 WINCC 的性能特点.47 4.1.1 WinCC 简介.47 4.1.2 WinCC 的性能特点.47 4.1.3 WinCC V6.0 的新增功能.48 4.2S7-200 系列 PLC 与

12、 WINCC 组态软件的通信.50 4.2.1 通过 Profibus 协议进行通信的实现.50 4.2.2 通过 PPI 协议进行通信的实现.51 4.2.3 通信实例研究和实现.52 结 论.56 参考文献.58 致 谢.60 1 绪论 1.1 焊接温度控制的发展、现状及趋势 焊接温度的检测 无论何种控温系统，焊接温度的实时检测是一个重要而又困难的问题。由于焊管以 每分几十米的速度运动，用热电偶等接触测温手段已不可能，但可根据焊管的辐射 能量测定其温度。辐射测温应用在焊管上也有许多技术困难，首先是被测目标太小 (焊缝宽度只有几毫米)，难以覆盖测温仪探头视场;其二是环境恶劣，高温焊接过程 产

13、生的水蒸气、CO 及 CO2 都会干扰辐射能量的传输，飞溅的火花则可能造成测温装 置示值的突跳，焊管表面覆盖的水层造成辐射电磁波的散射和吸收，高频强磁场也 会形成对测温仪的干扰；其三是焊管直径的不同使测温探头到被测目标的距离发生 变化，影响测温精度;其四是几乎所有的传感器参数都受环境温度的影响，有的还很 严重(如硅光电池)。 1.2 本设计研究的目的和意义 不锈钢复合板是一种以碳钢为基材，不锈钢等钢材为副材，两种金属经滚焊 成型的高效节能材料。它的主要特点是碳钢和不锈钢形成牢固的冶金结合，可以进 行热压、冷弯、切割、焊接等各种加工，有良好的工艺性能，材质和厚度可以自由 组合，满足不同用户的需要

14、。它充分发挥两种材料特性优势，即具有不锈钢的耐腐 蚀，耐磨性，抗磁性，豪华性和装饰性；又具有碳钢良好的可焊性，成型性，拉延 性和导热性，因而它是一种多功能材料。同时由于它可节约镍铬合金，可降低成本， 价格低廉，作为一种资源节约型的产品，减少贵重金属的小号，大幅度降低工程造 价，实现低成本和高性能的完美结合。因而已经被广泛应用于石油、化工、盐业、 水利电力等行业，用于取代全不锈钢，具有巨大的社会经济效益。 1.3 本文研究的主要内容 本文主要从焊接温度检测出发，论述了如何将检测到的冷却水的温度转换为给 水泵的实时调节的设计思路、基本原理、各个功能模块的选择和应用以及各个功能 模块之间的联系方式。

15、同时给出了设计过程中使用到的硬件电路图和流程图等。 主要完成的工作有： 对目前市场上各类焊接温度控制系统的发展状况进行了解，制定出合理的设计 方案。根据所制定的方案，明确设计思路，给出温控系统的主要结构框架图并对每 个模块进行仔细的研究，完成各部分的硬件电路设计与流程图的编写。 图 1-1金属复合板生产方法 图图 1-2 爆炸复合工艺 不锈钢复合板的生产方法： 在不锈钢复合板的生产和制备方法中,爆炸焊接热轧法和钎焊连接热轧法比较成熟, 已得到普遍应用,但具有很大的局限性。反向凝固法和电磁连铸法具有很强优势,但 工艺还不成熟,有待进一步深入研究。金属复合板材生产技术综述。 图图 1-3 反向凝固

16、法制备不锈钢复合板工艺 图图 1-4 多层喷射沉积复合工艺 图图 1-5 电磁连铸复合工艺 2 温度控制系统的工作原理及总体设计方案 2.1 焊接冷却水温度控制系统的工作原理 在焊接冷却水温度控制系统中，变频系统的主控单元采用了可编程控制器，执 行原件为变频驱动的给水泵，控制参数为冷却水温度。控制回路则是根据冷却水实 际温度进行调节的，其目的是使冷却水在给水泵供水过程中保持稳定。当实际温度 产生变化时，装置通过温度检测单元将测出的温度信号转换成电信号，经 A/D 转换， 送至 PLC,经过 PID 控制算法计算后由 D/A 单元输出给变频器。变频器再通过输出不 同的电压及频率来控制给水泵的转速

17、，从而改变给水泵的供水量。 焊接温度控制系统的工作原理及总体设计方案： 温度变送器A/D转换 PLC 电信号 电信号 D/A 单元变频器水泵 温度信号 调节 给水量 控制 水温 图 2-1 总体设计方案框图 2.2 冷却水温度控制系统的总体设计方案 焊接冷却水温度控制系统的工作步骤： （1）稳态运行：水泵装置的供水量与焊接材料的温度处于平衡状态，如果反馈 信号(温度传感器所测得的冷却水实际温度)与目标信号（设定的温度值）近乎相等， PID 的调节量为 0。此时变频器控制的电机匀速运行。 （2）温度太高（用水流量增大）：当轴和转盘（铜锆合金熔点低）温度太高时， 为了防止融化，用户的用水流量增大，

18、反馈信号减小，合成信号（目标值反馈值） 增大，PID 产生正的调节量，变频器的输出频率和电机的转速上升，使供水能力增 大。 （3）温度太低（用水流量减小）：当轴和转盘温度太低时，不足以融化焊材， 不能起到焊接的目的，用户的用水流量减小，供水能力小于用水需求，反馈信号增 大，合成信号则减小，PID 产生负的调节量，结果是变频器的输出频率和电机的转 速下降，使供水能力下降。供水能力与用水需求又达到新的平衡，系统又恢复到稳 态运行。 准备工作 自动？ 冷却水温度=设定值 变频器故障？ 变频器启动、运行 冷却水温度设定值 冷却水温度 ,后弯叶片 90，0，故； 理论压头随理论流量 2 2 cot ll

19、 BQAH 增加而增大，即随着的增加而增加，是一条上升的直线。 l H l Q (2) 径向叶片,90，=0，=0故； 理论压头为定值不变， 2 2 cot B AHl 即不随着的增加而变化，是一条与横坐标平行的直线。 l H l Q (3) 后弯叶片0，0 故；理论压头与理论流 2 2 cotB ll BQAH 量成反比，是一条下降的直线。 三种不同叶型叶片工作特性分析比较结果见下表 不同叶型叶片工作特性的比较 表 3-1 不同叶型叶片工作特性 叶片型式 比较项目前弯径向后弯 理论总压头大中小 静力压头/总压头小中大 叶道阻力损失大中小 理论总压头随理论 流量变化情况 升高不变降低 理论功率

20、随理论流 量变化情况 急剧增大逐渐增大 开始增大 逐渐趋缓 综上分析，在实践中通常使用后弯叶片叶轮，一般在 2025 之间，叶片 2 数一般为 57 片。 离心式水泵的实际压头及特性曲线 有限多叶片的影响 (3-20) ll KHH 式中 K环流系数， 一般 K=0.60.9。 能量损失的影响 水流经水泵过流部件时的能量损失(水力损失)主要有下列两种： 1)摩擦损失和扩散器损失 摩擦损失为 (3-21) 2 Qkh mm 扩散器损失为 (3-22) 2 Qkh qq 所以摩擦损失和扩散器损失为 (3-23) qmmq hhh 22 QkQk qm 2 Qkmq 摩擦和扩散损失系数。 2)冲击损

21、失和涡流损失 冲击损失和涡流损失的大小与水泵运转时流量和设计流量之差的平 q hQ e Q 方成正比，即 (3-24) 2 )( egg QQkh 离心式水泵实际特性曲线 离心式水泵的效率 根据能量损失的形式不同，可将离心式水泵的损失分为机械损失、容积损失和水力 损失三种。 1)机械损失和机械效率 水泵在运转时存在着机械损失。它包括轴与轴承和填料间的摩擦阻力损失；叶 轮在泵腔内的水中转动时产生的圆盘摩擦损失；以及因级间泄漏而增加的功率损耗。 机械损失的大小用机械效率来衡量。 水泵的机械效率为 (3-25) Z ll Z mZ m P HQ p pp 1000 式中 水泵轴功率，kw Z P 机

22、械损失功率，kw m P 叶轮叶片有限多时水泵的理论压头， m； l H 叶轮叶片有限多时水泵的理论流量，即 l Q (3-26) rll cbDQQ 222 叶轮叶片厚度使叶轮出口断面缩小的系数，称为收缩系数。 2)容积损失和容积效率 当水流过叶轮时，由于叶轮对水做功，使水的能量(压力能和速度能)增大。但 得到能量后的水，不是全部流到排水管中，而有少量的高压水通过动静部件的间隙( 如在叶轮入口处、平衡孔或平衡盘处以及级间隙等处)重新流回到低压区，使水泵的 实际流量小于理论流量。这种因间隙泄漏而造成的能量损失叫做容积损失。 容积损失的大小用容积效率来衡量。 水泵的容积效率为 (3-27) l

23、r Q Q QQ Q 式中 、实际流量与泄漏流量，。 QQ sm / 3 3)水力损失和水力效率 水流过水泵的进口、叶轮、导向器、机壳等过流部件时，因摩擦、扩散、冲击 而消耗的能量叫做水力损失。水力损失使水泵的实际压头小于理论压头。水力损失 的大小用水力效率来衡量。 水泵的水力效率为 (3-28) l sl H H 水泵的总效率 水泵的总效率为水泵的有效功率 (输出功率)与轴功率 (输入功率)的 X P Z P 比值，即 (3-29) Z X P P Z P QH 1000 Z lsllr P HQ 1000 slr Z ll P HQ 1000 slrm 由此可见，水泵的总效率等于它的机械效

24、率、容积效率和水力效率三者之乘积。 只有尽可能减少泵内各种损失，才能获得较高的水泵效率。 3.3.7 水泵台数的确定原则 在确定水泵台数时，应考虑以下几个问题： 1、从建站投资看，在泵站流量相同的情况下，台数少，机电设备少，泵房面积小。 因而泵站土建投资和机电投资都会减少。但需要指出的是，在单泵容量增大到一定 程度后，水泵的汽蚀性能将会降低。这就有可能增加泵站的开挖深度，以致加大工 程投资和施工难度。 2、从运行管理费用看，水泵机组台数少，单机容量大，机电设备的效率较高，维修 管理较方便，所需的运行管理人员较少，费用较低。 3、从泵站工作任务的保证性和适应性看，水泵机组台数越多，对运行期间生产

25、要求 流量的适应性则越大。一旦水泵机组出现故障，对生产的影响较小，故具有较高的 保证性。 4、从泵站性质看，一般排水泵站的设计流量及其排水过程中的流量变化均大于给水 或灌溉泵站。所以，排水泵站的水泵台数一般较多。在一般情况下，当排水流量小 于 4 m3 (立方米)s 时，可选用 2 台，大于 4 m3s 时，可选 3 台以上；对给水或 灌溉泵站，当流量小于 1 m3s 时，可选 2 台，当流量大于 1 m3s 时，可选 3 台 以上。对梯级泵站，还应根据需要选配 13 台小型调节机组，以适应流量变化的需 要。 5、从备用容量看，在需要备用机组的情况下，当机组台数较少时，备用机组的容量 也较大。

26、一般备用容量的增加又会加大工程投资。一般控制备用容量不超过总容量 的 15。 ，由此，可以推求出需要有备用机组的泵站，水泵台数6 台。由此可见， 水泵台数与很多因素有关，应该根据投资省、运行费用低、供水或排水可靠性高的 原则，针对不同情况加以确定。应该指出，在我国以往的泵站工程中，有的泵站只 有 1 台泵，一旦水泵发生故障需要停机，将使取水输水受到严重影响。另外，还有 泵站的水泵台数多达 20 多台，不仅增加了工程投资，还给管理带来很大麻烦。造成 上述情况的原因很多，但主要原因是当时的泵型较少，研制新泵型的能力较差，生 产周期较长，给合理确定水泵台数带来一定困难，致使水泵台数很不合理。另外，

27、也有的工程因为设计和施工的工期要求短，照搬照抄现有工程的图纸，在合理台数 不能满足流量要求的情况下，只好增加台数。综上所述，水泵选型应严格遵守水泵 的选型原则，根据泵站工程的性质，结合投资、能耗、效率和运行费等，对水泵的 类型、结构形式、台数等进行综合考虑，选出最佳方案。 3.4 PLC 与变频器的通信 3.4.1PLC 与计算机、上位 PLC 的通信 通信方式：PLC 主要有三种通信方式：PLC 与计算机之间的通信； PLC 与外围 设备之间的通信； PLC 与上位 PLC（大中型）之间的通信。 1、PLC 与计算机之间的通信 PLC 与计算机之间的通信一般是通过计算机的串口实现的。目前工控

28、中常用的 串行通信方式主要有三种：RS232、RS422 和 RS485；他们的传输速度和传输距离各 不相同，适用于不同场合。 通信工作方式（一台 PLC 与一台 PC 机）： 直接通过RS232口无需适配器的通信方式，这只适用于具有两个串口的PLC机型， 它除了有一个RS422口可用于编程外，还带有一个RS232口。故用户可以利用RS232口 直接与PC机的串口相连 。 通过RS422口和适配器与PC机通信的连接图。这种方式可以用于各种机型，但其 缺点是必须配备一个RS422/RS232转换器（即适配器） 。而且RS422口与适配器之间的 连接电缆必须用其专用电缆，即编程电缆。 N 通信工作

29、方式的连接图（多台 PLC 与一台 PC 机通信 ）： 一台 PC 机最多可连接 32 台 PLC，可构成现场控制网络。这种通信方式要求配备专 用的通信模块 FX232ADP 通讯适配器。与 PC 机相连的 FX232ADP 模块使用 RS232 电缆与 PC 的串口相连，与 PLC 相连的 FX232ADP 模块一般使用 RS422 电缆与 PC机 PC机 PLC PLC RS232C RS232C (a) (b) RS422/232C 适配器 图 3-21 一台 PLC 与一台 PC 机 PLC 相连，而各个 FX232ADP 间常采用 RS485 方式，只需用一根双绞线连接即可。 最远传

30、输距离可达 1km，传输速率可达 500kbps。每一个 FX232ADP 模块上有一个 终端切换开关，应正确放置其位置。当 FX232ADP 处在通信链路的两端时，开关应 放在“ON”处，除此之外均放在“OFF”处。 PC机 RS232C FX-232ADP FX-232ADP RS232C RS232C FX-232ADP PLC PLC 图 3-22 多台 PLC 与一台 PC 机通信 PLC 与上位机 PLC 的通信 在很多控制系统中，需要用一台中型或大型 PLC 作主机，又称上位机，该主机 可控制多台小型 PLC，这些小型 PLC 用来直接控制现场设备，称为下位机，从而构 成主从式控

31、制网络。这种通信是 PLC 和 PLC 之间的通信，称为远程 I/O 通信。 2、PLC 与外围设备的通信 PLC 可以通过 RS232 口或 RS422 口与各种外围设备进行通信。常见的 PLC 外围 设备有 IOP（智能操作面板） 、EPROM 写入器、打印机以及条码判读器等。 3.4.3 PID 算法的设计 1、PID 控制的基本原理 PID 控制是最早发展起来的控制策略之一， 由于其算法简单及可靠性高， 被广泛 应用于过程控制和运动控制中， 尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。 基本原理： 将偏差的比例（P） 、积分（I） 和微分（D） 通过线性组合构成 控制量， 对被控对象进行

32、控制， 这就是PID 控制器。在模拟控制系统中， 控制器 最常用的控制规律是PID 控制。模拟PID 控制系统 原理如图 1 所示。 比例 微分 积分 被控对象 rin(k)+ Yout(k) - + + 图3-23 模拟PID控制系统原理框图 参数整定： PID 控制器参数整定， 是指在控制器规律已经确定为PID 形式 的情况下，通过调整PID控制器的参数，使得由控制对象、控制器等组成的控制回路 的动态特性满足期望的指标要求， 达到理想的控制目标。常用的参数整定方法有： 凑试法和扩充响应曲线法。 2、PID算法的设计 PID控制的基本概念 PID控制器是一种比例、积分、微分并联控制器。它是最

33、广泛应用的一种控制器。 PID控制器的数学模型可以用23式表示 (3-30)其 )( )( 1 )()( dt tde Tdtte T teKtu d i p 中：u(t)为控制器的输出 e(t)为控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号Kp为控制 器的比例系数为控制器的积分时间为控制器的微分时间在P1D控制器中，他的数 i T d T 学模型由比例、积分、微分三部分组成。这三部分分别是： 1)比例部分：比例部分数学式表示如下： )(teKp 偏差一旦产生，控制器立即有控制作用，使控制量朝着减小偏差的方向变化， 控制作用强弱取决于比例系数，越大，则过渡过程越短，控制结果的稳态误

34、p K p K 差也越小：但越大，超调量也越大，越容易产生振荡，导致动态性能变坏，甚至 p K 会使闭环系统不稳定。故而，比例系数，选择必须适当，才能取得过渡时间少、 p K 稳态误差小而又稳定的效果。 2)积分部分：积分部分数学表达式表示如下： (3-31) dtte T K i p )( 从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断地积 累，输出控制量以消除偏差。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。可是积 分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能变差， 甚至会使闭环系统不稳定。 积分时间，对积分部分的作用影响极大。当，较大时，则积分作

35、用较弱， i T i T 这时，有利于系统减小超调，过渡过程不易产生振荡。但是消除静差所需的时间较 长。当较小时，则积分作用较强。这时系统过渡过程中有可能产生振荡，但消除 i T 静差所需的时间较短。 3)微分部分：微分部分数学表达式表示如下： (3-32) dt tde TK dp )( 微分控制敏感出偏差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，减小超 调量，克服振荡，提高系统的稳定性，但使系统抑制干扰的能力降低。 微分部分的作用强弱由微分时间Td决定。Td越大，则它抑制e(t)变化的作用越 强， Td越小，它反抗e(t)变化的作用越弱。它对系统的稳定性有很大的影响。 在计算机直接数字控

36、制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现 的。计算机直接数字控制系统大多数是采样数据控制系统。进入计算机的连续时间 信号，必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器， 而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。 在数字计算机中，PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期 相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续时间 算法的微分方程，变为描述离散一时间PID算法的差分方程，即为数字PID位置型控 制算式， 如下式： (3-33) ) 1()( )()()( 0 s d k i i

37、s p T keke Tie T T keKku 式中： 为k采样周期时的输出 )(ku 为k采样周期时的偏差 )(ke 为采样周期 s T 令 , 即有 i s pI T T KK S d PD T T KK (3-34) )1()()()()( 0 kekeKieKkeKku D k i Ip 其中、分别为比例、积分、微分系数。 p K I K D K PID控制是迄今为止最通用的控制方法。大多数反馈控制用该方法或其较小的变 形来控制。PID调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世 界过程控制中用的84仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90)。我们今 天所熟知的

38、PID控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来，许多先 进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，及易于操作等优点，仍被广泛应 用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。 3、PID的发展 PID的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。 自ziegler和Nichol：提出PID参数整定方法起，有许多技术已经被用于PID控制器的 手动和自动整定。根据发展阶段的划分，可分为常规PID参数整定方法及智能PID参 数整定方法：按照被控对象个数来划分，可分为单变量PID参数整定方法及多变量 PID参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法

39、，后者是最近研究的热点及难点： 按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方 法，前者用于经典P工D调节器，后者用于由非线性跟踪一微分器和非线性组合方式 生成的非线性PID控制器。 从目前PID参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时 间内研究和实践的重点。 对于单入单出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰 情况下的PID参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使 用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。 对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显著藕合的多变量过程的多变量 PID参数整定方法

40、，尽可能减少所需先验信息量，使其易于在线整定。 智能PID控制技术有待进一步研究，将自适应和自整定有机结合，使其具有自 动诊断功能：结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有PID控 制器设计思想及整定方法进行改进：将预测控制、模糊控制等智能控制和PID控制相 结合，进一步提高控制系统性能。这些都是智能PID控制发展的极有前途的方向。 4、PLC 在模拟量闭环控制中的设计： 闭环控制与 PID 控制器-模拟量闭环控制系统: 模拟量闭环控制系统的组成 PLC 模拟量闭环控制系统如图示，点划线部分在 PLC 内。在模拟量闭环控制系 统中，被控量 c(t)(温度)是连续变化的模拟量，执

41、行机构（变频器）要求 PLC 输出 模拟信号 M(t)，而 PLC 的 CPU 只能处理数字量。c(t)首先被测量元件（温度传感器） 和变送器转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号 pv(t),PLC 的模拟量输入 模块用 A/D 转换器将它们转换为数字量 pv(n)。 PID 调 节器 D/A 执行 机构 被控 对象 测量 元件 变送器A/D Sp(n) e(n) M(n) M(t) pv(t) pv(n) - PLC 图 3-24 PLC 模拟量闭环控制图系统框 PLC 按照一定的时间间隔采集反馈量，并进行 PID 控制的计算。这个时间间隔 称为采样周期（或称采样时间） 。图中的 sp

42、(n) 、pv(n)、e(n)、M(n)均为地 n 次采 样的时的数字量，pv(t)、M(t)、c(t)为连续变化的模拟量。 在冷却水温度闭环控制系统中，用热电阻检测冷却水温度，温度变送器将热电 阻输出的微弱的电压信号转换为标准量程的电流或电压，然后送给模拟量输入模块， 经过 A/D 转换后得到与温度成比例的数字量，CPU 将它与温度设定值进行比较，并 按照某种控制规律（例如 PID 控制算法）对误差值进行运算，将运算结果（数字量） 送给模拟量输出模块，经 D/A 转换后变为电流信号或者电压信号，用来控制变频器 的频率， ，通过它控制水泵的转速，实现对冷却水温度的闭环控制。c(t)为系统的输

43、出量，即被控量，即冷却水的实际温度。 模拟量控制系统分为恒值控制系统和随动控制系统。恒值控制系统的给定值由 操作人员提供，一般很少变化，例如温度控制系统，转速控制系统等。随动控制系 统的输入量是不断变化的随机变量，例如高射炮的瞄准控制系统和电动调节阀的开 度控制系统就是典型的随动系统。闭环负反馈控制可以使控制系统的反馈量 pv(n) 等于或跟随给定值 sp(n)。在冷却水温度控制系统中，假设输出的温度值 c(t)低于 给定的温度值，反馈量 pv(n)小于给定值 sp(n)，误差 e(n)为正，控制器的输出量 M(t)将增大，使执行机构变频器的频率变低，水泵的转速降低，提高的冷却水量减 少，焊接

44、温度升高，最终使实际的温度接近或等于给定值。 闭环控制系统的结构简单，容易实现自动控制，因此在各个领域得到了广泛的 应用。 变送器的选择 变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换成标准量程的直流电流或直流电 压信号，例如 DC 010V 和 DC 420mA。变送器分为电流输出型和电压输出型，电 压输出型变送器具有恒压源的性质，PLC 模拟量输入模块的电压输入端的输入阻抗 很高。如果变送器距离 PLC 较远，通过线路间的分布电容和分布电感产生的干扰信 号电流，在模块的输入阻抗上将产生较高的干扰电压，所以远程传送模拟量电压信 号时抗干扰能力很差。 电流输出具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。PL

45、C 的模拟量输入模块输入 电流时，输入阻抗较小。线路上的干扰信号在模块的输入阻抗上产生的干扰电压很 低，所以，模拟量电流信号适于远程传送。 电流传送比电压传送的传送距离远得多，S7-300/400 的模拟量输入模块使用屏 蔽电缆信号线时允许的最大距离为 200m。 闭环控制反馈极性的确定 闭环控制必须保证系统是负反馈（误差=给定值-反馈值） ，而不是正反馈（误差 =给定值+反馈值） 。如果系统接成了正反馈，将会失控，被控量会往单一方向增大或 减小，给系统的安全带来极大的威胁。 闭环控制系统的反馈极性与很多因素有关，例如因为接线改变了变送器输出电 流或输出电压的极性，在 PID 控制程序中改变了

46、误差的计算公式，改变了某些位移 传感器的安装方向，都会改变反馈的极性。 可以用下述的方法来判断反馈的极性：在调试时断开 D/A 转换器与执行机构之 间的连线，在开环状态运行 PID 控制程序。如果控制器中有积分环节，因为反馈被 断开了，不能消除误差，D/A 转换器的输出电压会向一个方向变化。这时如果假设 接上执行机构，能减小误差，则为负反馈，反之为正反馈。 以温度控制系统为例，假设开环运行时给定值大于反馈值，若 D/A 转换器的输 出值不断增大，如果形成闭环，将使变频器的频率增大，闭环后温度反馈值将会增 大，使误差减小，由此可以判定系统是负反馈。 闭环控制系统主要的性能指标 3.4.4 用 S

47、7200 实现 PID 控制 1、概述：这个程序是一个带过程仿真的独立执行的 PID 过程。它和容易修改后与模 拟模块 EM235 一起使用。 PID控制器 过程仿真 过程变量 输入VW100 输入VW106 设定值（SP） VW108 图 3-25 S7200 实现 PID 控制流程图 2、程序及注解 初始化部分将 PID 的所有值复位，并定义了计算 PID 控制器的控制周期 TC。 计算 PID 过程中，出现了某些数字方面的问题，以及控制周期 TC 的计算。由 X 轴 Y 轴 E(n-1) E(n) Tc T 旧差值E（n-1）+新差值（n） 控制周期Tc 图 3-26 微分运算 于扫描时

48、间的限制，除去运算通过移位来实现（1024 近似为 1000） ，而未调用专门 的除法子程序。微分和积分式另外 2 个比较灵敏的数学运算，采用如下公式: 微分运算：见图 3-26 积分运算：见图 3-27 Y 轴 E(n-1) E(n) Tc T 旧差值E（n-1）+新差值（n） 2 控制周期Tc t 图 3-27 积分运算 3、处理过程中的反馈输入变量来自仿真，程序全长 370 个字 程序结构图： 主程序开始 首次扫描 调用子程序0进行启动计算和初始化 调用子程序0初始化定时中断 主程序结束 启动子程序0 设定PID参数 比例增益=1 积分增益=0.6 微分增益=0.4 输出范围 设定定时中

49、断为 255ms 子程序0结束 启动中断子程序0 定时中断计数器值增加1 计数器值到达了吗 计算PID公式： 对输出值限幅 反馈仿真 中断子程序0结束 是 否 图 3-28 流程图 计算 PID 公式 (3-35) ) )( )( 1 1 ()( dt tde Tddtte T KctM i 4 冷却水温度控制系统的软件设计 4.1 WINCC 的性能特点 4.1.1 WinCC 简介 西门子视窗控制中心 SIMATIC WinCC(Windows Control Center)是 HMI/SCADA 软件中的后起之秀，从 1996 年进入工控组态软件市场后以最短时间发展成为第三个 世界范围内

50、成功的 SCADA 系统；在欧洲，它毫无争议的成为第一。 WinCC 是按世界范围内使用的系统进行设计的，因此从一开始就适合于世界上 各主要制造商生产的控制系统，如：A-B，Modicon，GE 等，并且通讯类程序的种类 还在不断增加。通过 OPC 的方式，WinCC 还可以与更多的第三方控制器进行通讯。 WinCC 工业控制应用软件平台功能全面、易于使用，它由人机界面软件、系统 配置软件等组件及其所含的软件模块组成，实现工程管理组态、实时数据库组态、 控制算法组态、系统硬件组态、图形组态、历史记录组态、报表组态、报警组态、 在线组态在线下装、安全性组态等功能。 WinCC 工业控制应用软件平

51、台基于 WindowsNT/2000/XP 和多任务实时操作系统， 基于组件结构设计，采用 32 位多任务、多线程等最新技术，集现场数据采集、算法 执行、实时数据和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲 线和报表输出以及监控网络等功能于一体，已广泛应用于石油化工、电力冶金、交 通、楼宇自动化、医药食品等行业。 4.1.2 WinCC 的性能特点 WinCC 具有以下性能特点： 1、创新软件技术的使用。WinCC 是基于最新发展的软件技术。西门子公司于 Microsoft 公司的紧密合作保证了用户获得不断创新的技术。 2、包括所有的 SCADA 功能在内的客户机/服务器系统，即

52、使最基本的 WinCC 系统仍 能提供生成复杂可视化任务的组件和函数，生成画面、脚本、报警、趋势和报表的 编辑器由最基本的 WinCC 系统组件建立。 3、可灵活剪裁，由简单任务扩展到复杂任务。WinCC 是一个模块化的自动化组件， 既可以灵活的进行扩展，从简单的工程到复杂的多用户应用，又可以应用到工业和 机械制造工艺的多服务器分布式系统中。 4、众多的附件和附加件扩展了基本功能。已开发的、应用范围广泛的、不同的 WinCC 选件和附加件，均基于开放式编程接口，覆盖了不同的工业分支的要求。 5、使用 Microsoft SQL Server 2000 作为其组态数据和归档数据的存储数据库，可

53、以使用 ODBC，DAO，OLE-DB，WinCC OLE-DB 和 ADO 方便的方位归档数据。 6、强大的标准接口（如 OLE，ActiveX 和 OPC） 。WinCC 提供了 OLE，DDE，ActiveX，OPC 服务器和客户机等接口或控件，可以很方便的与其他应用 程序交换数据。 7、使用方便的脚本语言。WinCC 可以编写 ANSI-C 和 Visual Basic 脚本程序。 8、开放 API 编程接口可以访问 WinCC 的模块。所有的 WinCC 模块都有一个开放的 C 编程接口（C-API） 。这意味着可以在用户程序中集成 WinCC 的部分功能。 9、具有向导的简易（在线

54、）组态。WinCC 提供了大量的向导来简化组态工作。在调 试阶段还可以在线修改。 10、可选择语言的组态软件和在线怨言切换。WinCC 软件是基于多语言设计的。这 意味着可以在英语、德语、法语以及其他众多的亚洲语言之间进行选择，也可以在 系统运行是选择所需要的语言。 11、提供所有主要 PLC 系统的通讯通道。作为标准，WinCC 支持所有连接 SIMATIC S5/S7/505 控制器的通讯通道，包括 PROFIBUS-DP，DDE 和 OPC 等非特定控制器的通 讯通道。此外，更广泛的通讯通道可以由选件和附加件提供。 12、基于 PC 的控制器 SIMATIC WinAC 紧密接口，软/插

55、槽式 PLC 和造作、监控系统 在一台 PC 机上结合无疑是一个面向未来的概念。在此前提下，WinCC 和 WinAC 实现 了西门子公司基于 PC 的、强大的自动化解决方案。 13、全集成自动化 TIA（Totally Integrated Automation）的部件。TIA 集成了西 门子公司的各种产品包括 WinCC。WinCC 是工程控制的窗口，是 TIA 的中心部件。 TIA 意味着在组态、编程、数据存储和通讯方面的一致性。 14、SIMATIC PCS7 过程控制系统中的 SCADA 部件，如 SIMATIC PCS7 是 TIA 中的过 程控制系统；PCS7 是结合了基于控制器

56、的制造业自动化有点和基于 PC 的过程工业 自动化优点的过程处理系统（PCS） 。基于控制器的 PCS7 对过程可视化使用标准的 SIMATIC 部件。WinCC 作为 PCS7 的操作员站。 15、符合 FDA 21 CFR Part 11 的要求。 16、集成到 MES 和 ERP 中。标准接口使 SIMATIC WinCC 成为在全公司范围 IT 环境下 的一个完整部件。这超越了自动控制过程，将范围扩展到工厂监控级，为公司管理 MES（制造执行系统）和 ERP（企业资源管理）提供管理数据。 4.1.3 WinCC V6.0 的新增功能 WinCC 为所有领域，从简单的单用户系统到具有余服

57、务器的分布式多工作站系统， 以及具有 Web 客户端的跨区域的解决方案，提供了基于 Windows 2000 和 XP 的完整 操作和监控功能。 WinCC V6.0 新增的功能如下： 1、基本系统中的历史数据归档 历史数据归档，以 Microsoft SQL Server 2000 为基础，将支持多达 4 个 CPU 数据库的大小只受硬件配置的限制。下列情况均可适用于使用历史数据归档：过程 数据归档、中央归档服务器、具有数据压缩和备份归档的长期归档。所设计的 WinCC 历史数据归档主要用于生产量和数量结构有关的简单工业用途。 新的历史记录将管理过程值归档、消息归档和用户归档中的过程数据与事

58、件归 档，归档可按班次、日、周或月划分结构，并组织为循环缓冲区。来自历史记录的 数据将通过 WinCC 趋势控件或 WinCC 报警控件进行显示。 2、连续扩展能力 WinCC V6.0 提供了一种可不断的扩展能力，例如从具有 128 个连接变量的单用 户解决方案到具有历史记录功能的多客户机服务器解决方案以及通过 web 集成在 WinCC 中的操作工作站。为了使用更方便，可将数据包的自动处理添加到客户机朋 艮务器系统的工程中。根据将要实现的项目的大小，可使用运行系统(RT)和整个系 统(RC)的下列数据包：128，256，1024，8K 和 64 K 的连接变量。 3、VBA VBS 和 O

59、PC 的新的开放式标准 已经不断改进的 WinCC 集成的开放性和容量，WinCC V60 中的新内容体现在： 数据库系统 Microsoft SQL Server 2000，通过 OLE DB 访问 IP，使用 VBA，使用 Visual Basic 脚本(VBScript)，新的 OPC 标准。 4、更多创新 除了上述的创新之外，WinCC V6.0 还提供了其它用于运行系统中操作和组态的 更多功能，这些功能包括对 Windows XP 平台的支持，操作系统：Microsoft Windows XP(单用户系统和客户机)；Microsoft Windows 2000(单用户系统、客户机、

60、服务器等)运行系统中的组态：活动 WinCC 运行系统环境下的离线工程和装载项目的 变化；在“全集成自动化”理念的范围内，WinCC 提供了对运行系统中已集成的项 目进行更新的特别支持。对运行系统中的显示和操作：缩放，通过使用鼠标滚轮或 向外拖动区域可扩大过程画面；扫视，通过使用鼠标可移动所显示的部分过程画面； 自动隐藏，根据层或对象的大小可切换画面对象的隐藏和不隐藏；连接器，由换行 单元所链接的对象可在过程画面内移动，且仍然保持连接；别名，可为归档变量分 配一个别名，以简化运行系统中的使用；屏幕键盘，按照所选择的对象自动调用屏 幕键盘。报警记录：对 WinCC 报警控件中的功能进行排序，将根