基于SMPT-1000平台换热器热流出口温度控制

1、换热器热流出口温度控制换热器热流出口温度控制 学学 院：电气工程学院院：电气工程学院华北理工大学信息学院-摘 要换热器作为一种标准工艺设备已经被广泛应用于动力工程领域和其他过程工业部门。以工业上常用的列管式换热器为例,热流体和冷流体通过对流热传导达到换热的目的,从而使换热器物料出口温度满足工业生产的需求。但由于目前制造工艺的限制,控制方式的单一性,换热器普遍存在控制效果差,换热效率低的现象,造成能源的浪费。如何提高换热器的控制效果,提高换热效率,对于缓解我国能源紧张的状况,具有长远的意义。本课题来源于对 SMPT1000 实验平台换热器的研究，对于换热器热流出口温度的控制，使用 PID 控制来

2、进行调节，通过不断的调整其参数，确定一个比较准确的参数值，通过调整冷水阀的开度调整其流量来控制热流的出口温度。本设计利用 PCS7 来完成整个系统自动控制，通过 PCS7 软件对系统进行硬件和软件组态，完成控制出口温度的编程，最后通过人机界面监控维护控制系统正常运行。关键词 换热器;温度;PID 控制;串级控制;PCS7目 录-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目录-II-目目 录录摘 要.IAbstract.II目 录.III第 1 章 绪论.11.1 换热器设备 .11.2 选题背景及意义.11.3 国内外研究现状及发展史 .21.4 本设计主要内容 .41.5 本章小结.4第 2 章 系统工艺流程及算法控制.52.1 SMPT-1000 实验平台及换热器.52.2 换热器.62.2.1 高阶换热器.62.2.2 换

8、热器工作原理.62.3 PID 控制.72.3.1 PID 基本介绍 .72.3.2 参数整定.102.3.3 主要功能和应用.122.4 控制系统的设计 .132.4.1 温度控制特点.132.4.2 换热器温度串级控制系统.132.5 本章小结 .15第 3 章基于 PCS7 实现系统控制.163.1 PCS7 简介 .163.2 PCS7 作用 .163.3 PCS7 控制系统结构.173.4 工程项目的建立 .183.5 控制系统硬件设计与组态.193.5.1 硬件系统组成.193.5.2 硬件选型选型以及通讯.203.5.3 操作员站组态.223.5.4 网络连接组态.233.6 软

9、件组态 .233.6.1 系统软件程序.233.6.2 与硬件地址的连接.243.6.3 系统报警软件程序.253.7 人机界面创建 .253.8 过程趋势画面的创建.26第 4 章控制系统的投运.28目 录-III-4.1 运前的准备工作 .284.2 副环参数整定 .284.3 主环参数整定 .284.4 控制系统的仿真运行 .294.4.1 热流出口温度.294.4.2 系统扰动测试.30第 5 章 总结.31参考文献.32谢 辞.34 华北理工大学电气工程学院-0-第 1 章 绪论1.1 换热器概述换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由较

10、高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要，同时也提高能源利用率的主要设备之一。换热器按传热面的结构分类为以下几种：(1)表面式换热器又称为间壁式换热器。在此类换热器中，温度不同的两种流体，在被一固体壁面分开的不同空间里流动。热流体放出的热量通过固体壁面传给冷流体。如列管式换热器，一种流体在管内（管程）流动，另一种流体在管外壳程）流动。这类换热器类型多，应用广.化工生产中所用换热器绝大多数属于此类，如列管式换热器、夹套式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、板式换热器等等。(2)直接接触式换热器在这类换热器中，冷热两种流体直接接触进行换热。这对工艺上允许

11、两种流体混合的情况而言，既方便又有效，所用设备也较简单。如凉水塔是用来冷却循环水的，在凉水塔内，空气与水直接接触进行换热。又如在气压冷凝器中，蒸汽与水直接接触使蒸汽冷凝等等。(3) 蓄热式换热器该换热器是借助热容量较大的固体蓄热体（如耐火砖等） ，将热量从高温流体传递给低温流体的热交换器。当蓄热体与高温流体接触时，从高温流体处接受热量，蓄热体温度升高，然后与低温流体接触，将热量传递给低温流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。这类换热器结构较简单，可耐高温，故常用于高温气体热量的利用或冷却。其缺点是设备体积较大，同时也难免两种流体在一定程度上相混合。换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备

12、等近 30 多种产业，相互形成产业链条。1.2 选题背景及意义近年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数1热换器是化工和一些工业部门生产过程中主要的换热设备，生产中通常对流体加热或冷却都要有热量交换，因而都需要换热器，随着科研人员的不断发展和创新对能源的利用和开发。热换器在生活中的应用也日益增第 1 章 绪论-1-进，在现在的工业生产换热器占有较大的份额。换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备等近 30 多种产业2，相互形成产业链条。数据显示 2010 年中国换热器产业市场规模在 500 亿元左右，主要集中于石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供暖

13、、制冷空调、机械、食品、制药等领域。其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模为 150 亿元，;电力冶金领域换热器市场规模在 80 亿元左右;船舶工业换热器市场规模在 40 亿元以上;机械工业换热器市场规模约为 40 亿元;集中供暖行业换热器市场规模超过 30 亿元，食品工业也有近 30 亿元的市场。另外，航天飞行器、半导体器件、核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电多晶硅生产等领域都需要大量的专业换热器，这些市场约有 130 亿元的规模。近年来，跟着我国石化、钢铁等行业的快速发展，热交换器的需求水平大幅上涨，但海内企业的供应能力有限，导致热交换器行业呈现供不应求的市场状

14、态，巨大的供应缺口需要入口来弥补3。我国能源利用率大约只有 33%,其利用率还很低,比发达国家低约 10 个百分点。国内换热器行业在节能增效、提高传热效率、减少传热面积、降低压降、提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器行业在未来一段时期内将保持稳定增长，2011 年至 2020 年期间，我国换热器产业将保持年均 10-15%左右的速度增长，到 2020 年我国换热器行业规模有望达到 1500 亿元。由此可见,在节能方面,我国还存在着非常大的潜力。本课题主要研究列管式换热器，列管式换热器的换热面积大，结

15、构坚固，操作弹性大，材料广泛，便于清洁，适合大型装置特点，列管换热器在制药行业带来的效益非常的明显。从卫生要求较高的液体，一个工业用水量较大和卫生要求较高的制药厂都可以用列管式换热器来处理。本课题研究的换热器是个冷却器，可以通过换热回收热物料的热量。1.3 国内外研究现状二十世纪 20 年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30 年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。 30 年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强

16、腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。华北理工大学电气工程学院-2-60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。 自 60 年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。 70 年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。中国换热器产业起步较晚。1963 年抚顺机械设备制造有限公司按照美国TEMA 标准制造出中国第一台管壳式换热器，1965 年兰州

17、石油机械研究所研制出我国第一台板式换热器，苏州新苏化工机械有限公司（原苏州化工机械厂）在 20 世纪 60 年代研制出我国第一台螺旋板式换热器。之后，兰州石油机械研究所首次引进德国斯密特（Schmidt）换热器技术，原四平换热器总厂引进法国维卡勃（Vicarb）换热器技术，国内换热器行业在消化吸收国外技术的基础上，开始获得较快发展。20 世纪 80 年代后，中国出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场，国内传热技术高潮时期的代表作有折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一批优良的高效换热器。入二十一世纪以来，我

18、国的板式换热器研究取得了长足的进步，在借鉴国外先进经验的同时，也逐渐形成了自己的一套设计开发模式，与世界领先技术的差距进一步缩小。我国板式换热器的制造厂家有四五十家、年产各种板式换热器数千台计，但是我国的板式换热器的应用远不及国外，这与人们对板式换热器的了解程度、使用习惯以及国内产品的水平有关。七十年代，板式换热器主要应用于食品、轻工、机械等部门；八十年代也仅仅是应用到民用建筑的集中供热；八十年代中期开始，在化工工艺流程中较苛刻的场合也出现了板式换热器的身影。由于人们对板式换热器工作原理、热力计算、校验等不熟悉的原因，使得板式换热器在开发到应用的时间跨度上，花费了较多的时间。最近几年，我国还在

19、大型管壳式换热器、大直径螺纹锁紧环高压换热器、高效节能板壳式换热器、大型板式空气预热器方面获得了重大突破。飞速发展的柏恩品牌（BHE）诞生于 2004 年。2008 年 8 月，由中国石化集团上海工程公司与中国第一重型机械公司、兰州石油机械研究所、镇海炼化公司共同承担研制的镇海炼化百万吨/年乙烯项目-EO/EG 装置大型管壳式换热器国产化研制通过技术鉴定，标志着我国在大型管壳式换热器领域获得了重大突破。该换热器是国内正在制造的首台换热面积超过 10000m2的超大型管壳式换热器。第 1 章 绪论-3-1.4 本设计主要内容本课题主要设计并实现换热器热流的出口温度的控制系统，控制系统的主要目的是

20、实现换热器热流出口温度的自动控制，换热器出口温度的测量、指示、记录和控制对于生产过程十分重要，温度动态特性的特点是惯性大、容量滞后大、多容，控制起来不灵敏，因此温度控制系用需要增加微分和积分作用，所以本课题用 PID 控制系统来分析，PID 控制系统参数调整方便，使换热器控制精度更高、动态偏差小，被控对象的时间滞后较大问题得到了解决，通过适当的调整 PID 参数,可以获得比较满意的控制效果。主要设计手段是利用 PCS7 软件完成 PLC 和本机以及 SMPT-10000 设备的连接通讯，然后对系统进行设计编程并且利用 WinCC 完成设计界面，通过操作源站来控制监视整个系统的自动运行情况。1.

21、5 本章小结本章主要介绍了换热器的种类和换热器的历史发展及应用现状。分析了换热器的 PID 控制方式和利用 PCS7 软件完成整个系统控制和监视。并总结了换热器研究的意义和发展前景。华北理工大学电气工程学院-4-第 2 章 系统工艺流程及算法控制2.1 SMPT-1000 实验平台及换热器SMPT-1000 是一款将全数字仿真技术与实物外观模拟装置相结合，集多种实验功能于一体的仿真实验装置。SMPT-1000 被控对象取材于过程工业常见的锅炉与蒸发器构成的水汽热能系统，广泛见于石油、化工、冶金、制药、食品、生物、电力等工业生产装置中，可拆分成非线性储罐与离心泵单元、动力除氧单元、高阶换热单元、

22、加热炉单元、锅炉单元、蒸发器单元，提供由简到难的各个层次的过程控制被控对象。根据工业装置实际数据矫正的动态仿真引擎保证了被控对象的工业级动态响应精度，对象特性灵活多变，装置尺寸、仪表、控制系统、执行器等均可灵活定义，下图是 SMPT-1000 实验平台正视图和实物图：蒸发器换热器汽包省煤器炉膛除氧器图 2-1 SMPT-1000 实训平台SMPT-1000 运用真实的立体管路和空间分布的设备外观设计，在钢结构的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小的流程设备模型，主设备包括 1 台卧式除氧器、1 台盘管式省煤器、1 台加热炉炉体、1 台汽包、1 台列管式换热器、1台蒸发器、2 台离心泵、1 台鼓风机

23、、11 个手操/自控双效阀（其中有 2 个旋钮第 2 章 系统工艺流程及算法控制-5-位于辅助操作台上） 、5 个开关阀、1 个炉膛着火指示灯以及若干管路系统。 空间分布有 9 个流量（F） 、3 个液位（L） 、5 个压力（P） 、4 个温度（T） 、1 个组分的仿传感器（变送器）数字式软仪表。 2.2 换热器2.2.1 高阶换热器换热器在整套设备中起降低过热流体温度的作用，流体温度的控制在整个系统中有着非常重要的作用，下面是换热器的结构图：图 2-2 换热器结构图高阶列管式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成。在其中进行换热的液体有两种，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流

24、动，其行程称为壳程。 2.2.2 换热器工作原理该换热器为液-液两相非接触换热器。通过换热，将热流体的温度降低到工艺要求范围内。热流走壳程，出口温度为 TI1104，出口流量为 FI1105.冷水走管程，冷却水上水流量为 FT1102，冷却水上水管线上设有调节阀 FV1103，冷却水出口温度为 TT1103。本设计实际上是一个冷却器，通过换热回收热物料的热量，下游设备对热物料的温度有严格要求，所以要使用换热器对热流出口温度进行调整。工业上一般使用来自公用工程的冷却水为热物料降温，如果有深度冷却的需要可以使用液氨作为冷却剂。如下图 2-2 所示华北理工大学电气工程学院-6-P-2P-3FV110

25、3V-2FV1105V-3热流入口热流出口冷却水上水冷却水回水FT1102FI1105TI1104换热器E1101图 2-3 换热器工作原理图调节过程:根据检测到的冷流量的变化，先调节阀门开关，控制冷流量的大小，即为副回路，然后再根据热流体出口温度与设定值之间的偏差，根据合适的控制算法，进一步调节冷流体的流量，以保持出口温度的稳定， ，这样组成流体出口温度调节器和流体流量调节器串联起来的串级控制系统。2.3 PID 控制2.3.1 PID 基本介绍在模拟控制系统中，PID (Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分) 控制是控制器最常用的控

26、制规律4，PID 控制器作为最早实用化的控制器已有 70 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。比例积分微分，PID 控制是最早发展起来的控制策略之一56。简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。第 2 章 系统工艺流程及算法控制-7-PID 控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入 e (t）与输出 u (t）的关系为：u(t)=kpe(t)+1/TIe(t)dt+TDde(t)/dt (2.1)式中积分的上下限分别是 0 和 t 因此它的传递函

27、数为：G (s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(TIs)+TDs (2.2)其中 kp 为比例系数； TI 为积分时间常数； TD 为微分时间常数（1）比例作用 P比例（P）控制：比例控制是一种最简单的控制方式7。所谓的 P，就是比例作用，就是把调节器的输入偏差乘以一个系数，作为调节器的输出。滞后性不是很大的控制对象使用比例控制方式就可以满足控制要求，但很多被控对象中因为有滞后性。一般来说，设定值不会经常改变，那就是说：当设定值不变的时候，调节器的输出只与被调量的波动有关。调节器的输出信号 u 与输入的偏差信号 e 成比例 u=Kce（2.3）Kc称为比例增益，Kc接近于 0 时，控制器的

28、输出 u 不受输入偏差 e 的影响，相当于控制系统不工作，Kc很大时，只要有一个很小的输入偏差 e 出现，就会使控制器输出 u 发生很大的变化，Kc由小到大变化，系统将由稳定向振荡发展。 比例作用的特点 ，比例调节是有差调节，比例调节的余差随着比例增益的增大而减小；比例增益越大，意味着执行机构（调节阀、挡板等）的动作幅度较大，被调节变量的变化较为剧烈 ；比例调节可以单独使用，也可以和其它调节动作结合成 PI、PD 或 PID 调节动作。（2）积分作用 I在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简

29、称有差系统（System with Steady-state Error） 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。华北理工大学电气工程学院-8-调节器的输出信号的变化速度 du/dt 与输入的偏差信号 e 成正比 du/dt=Kie （2.4）Ki称为积分速度，积分调节将输入偏差 e 按时间进行累积，偏差存在输出就增大，直到消除偏差为止，Ki趋向于 0

30、 时，积分作用消除，Ki很大时，积分作用强烈，消除余差的能力强，但容易引起振荡。积分特点：积分调节是无差调节。只有当偏差 e 为 0 时，积分调节器的输出才会保持不变 ；积分速度越大，执行机构的动作越快，越容易引起和加剧振荡 ；积分调节可以单独使用，但调节的过程很慢。通常，积分调节和其它调节动作结合成 PI 或 PID 调节动作。PI 两个结合使用的情况下，我们的调整方式如下：先将 I 值设为 0，将 P 值放至比较大，当出现稳定振荡时，我们再减小P 值直到 P 值不振荡或者振荡很小为止（术语叫临界振荡状态） ，在有些情况下，我们还可以在些 P 值的基础上再加大一点。加大 I 值，直到输出达到

31、设定值为止。等系统冷却后，再重上电，看看系统的超调是否过大，加热速度是否太慢。通过上面的这个调试过程，我们可以看到 P 值主要可以用来调整系统的响应速度，但太大会增大超调量和稳定时间；而 I 值主要用来减小静态误差。（3）微分作用 D在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系8。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入

32、“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性调节器的输出与输入的偏差信号的变化速度 de/dt 成正比 u=Kd(de/dt)（2.5）Kd是微分速度微分调节的输出与输入偏差 e 的变化速度成正比，e 变化越大，微分调节的输出越大，Kd为 0 时，微分作用消除 微分作用的特点 ：微分调节总是力图抑制被调量的振荡；微分调节只能起第 2

33、章 系统工艺流程及算法控制-9-到辅助的调节作用，可以与其它调节动作结合成 PD 或 PID 调节动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 的调试过程中，应注意以下步骤： 关闭 I 和 D，也就是设为 0.加大 P，使其产生振荡；减小 P，找到临界振荡点； 加大 I，使其达到目标值；重新上电看超调、振荡和稳定时间是否吻合要求； 针对超调和振荡的情况适当的增加一些微分项； 注意所有调试均应在最大争载的情况下调试，这样才能保证调试完的结果可以在全工作范围内均有效；（4）采样周期 由于计算机控制是一种采样控制，它

34、只能根据采样时刻的偏差值计算控制量9，PID 控制程序是周期性执行的，执行的周期称为采样周期。采样周期越小，采样值越能反映模拟量的变化情况。但是太小会增加 CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，将使 PID 控制器输出的微分部分接近为零，所以也不宜将采样周期取得过小。应保证在被控量迅速变化时（例如启动过程中的上升阶段），能有足够多的采样点数，不致因为采样点数过少而丢失被采集的模拟量中的重要信息。PID 由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti 和 Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是

35、必不可少的。2.3.2 参数整定PID参数整定方法很多，工程上最常用的有临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法。(1) 临界比例法这是目前使用较多的一种方法。它是先通过试验得到临界比例度PB和临界周期Tk，然后根据经验公式求出控制器各参数值。具体做法如下：被控系统稳定后，把控制器的积分时问放到最大，微分时间放到零(相当于切除了积分和微分作用，只使用比例作用)。通过外界干扰或使控制器设定值作一阶跃变化，观察由此而引起的测量值震荡从大到小逐步把控制器的比例度减小，看测量值振荡的变化是发散的还是衰减的，如是衰减的则应把比例度继续减小；如是发散的则应把比例度放大。华北理工大学电气工程学院-10-连续重复

36、、步骤，直至测量值按恒定幅度和周期发生振荡，即持续45次等幅振荡为止。此时的比例度示值就是临界比例度PB。从振荡波形图来看，来回振荡1次的时间就是临界周期Tk，即从振荡波的第一个波的顶点到第二个波的顶点的时间。如果有条件用记录仪，就比较好观察了，即可看振荡波幅值，还可看测量值输出曲线的峰峰距离，把该测量值除以记录纸的走纸速度，就可计算出临界周期Tk得到了临界比例度PB和临界周期Tk后就可根据表1中的经验公式求出控制器的P、Ti、刚参数值了。表2-1 临界比例度法参数计算公式表控制作用比例度p积分时间微分时间比例2PB比例+积分2.2PB0.85Tk比例+微分1.8PB0.1Tk比例+积分+微分

37、1.7PB0.5Tk0.125Tk临界比例度整定法又称为“闭环振荡法”，它的特点是：不需要求得控制对象的特性，而直接在闭合但对于临界比例度很小的系统不适用，在某些生产过程中不允许振荡的场合，此整定法也不适用。（2）衰减曲线法衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值的，有4：1和10：1两种衰减曲线法，具体做法如下(以4：1为例)：在闭合的控制系统中，将控制器变为纯比例作用，比例度放在较大的数值上。系统达到稳定后，通过外界干扰或使控制器设定值作一阶跃变化，观察记录曲线的衰减比。从大到小改变比例度，直至出现4：1衰减比为止，记下此时的比例度Ps(叫4：1衰减比例度)并从曲线上得出衰减

38、周期Ts(在4：1曲线中为峰峰时间。对有些控制对象，控制过程进行较快，难以从记录曲线上找出衰减比。这时，只要被控量波动2次就能达到稳定状态，可近似认为是4：1的衰减过程，其波动1次时间为Ts。得到了衰减比例度Ps和衰减周期Ts后，就可根据表2中的经验公式求出控制器的P、Ti、Td参数值了。表2-2 4:1衰减曲线法控制器参数计算表控制作用比例度P积分时间微分时间比例Ps比例+积分0.83 Ps0.5Ts比例+积分+微分1.25Ps0.3Ts0.1Ts第 2 章 系统工艺流程及算法控制-11-（3）经验凑试法经验凑试法是长期的生产实践中总结出来的一种整定方法。它是根据经验公式先将控制器参数放在一

39、个数值上，直接在闭合的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，观察过渡过程曲线，运用P、Ti、Td对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度P、积分时间Ti和微分时间Td逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。具体做法如下：在闭合的控制系统中，根据经验并参考表4的数据，选出一个合适的P、n值作为起始值，将系统投人自动。通过改变设定值对控制系统施加一个干扰，现场观察判断控制曲线形状。若曲线不够理想，可改变P或Ti，再观察控制过程曲线，经反复凑试直到控制系统符合动态过程品质要求为止，这时的P和Ti就是最佳值。如果调节器是PID三作用方式，那么要在整定好的P和丁i的基础上加进微分作用。由于微分作用有抵

40、制偏差变化的能力，所以确定一个Td值后，可把整定好的P和n值减小一点再进行现场凑试，直到P、n和Td取得最佳值为止。经验凑试法的特点是方法简单，适用于各种控制系统，因此应用非常广泛。特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。但是此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往费时较多。为了缩短整定时间，可以运用优选法，使每次参数改变的大小和方向都有一定的目的性。值得注意的是，对于同一个系统，不同的人采用经验凑试法整定，可能得出不同的参数，这是由于对每一条曲线的看法，有时会因人而异，没有一个很明确的判断标准，而且不同的参数匹配有时会使所得过渡过程衰减情况一样。

41、2.3.3 主要功能和应用要实现 PID 参数的整定，首先要对被控制的对象有一个了解，然后选择相应的参数计算方法完成控制器参数的设计10工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID 控制器是根据 PID 控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID 控制器将达不到预期的控制效果。最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之长:既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有

42、微分作用的超前控制功能。 当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时华北理工大学电气工程学院-12-起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。2.4 控制系统的设计2.4.1 温度控制特点温度控制时间常数比较大，被控对象的时间滞后较大，控制起来不灵敏，相反的，温度控制较重要、控制精度要求较高、希望动态偏差小，所以换热器的热流出口温度控制采用 PID 控制方式。比例调节温度作用是按比例反应系统温度的偏

43、差，一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少温度偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。对于温度控制的比例调节参数范围是 1.6-5。积分调节温度作用是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为温度有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数 Ti，Ti 越小，积分作用就越强。反之 Ti 大则积分作用弱，对于温度控制的积分调节参数范围是 50-200。微分调节温度能够反映温度偏差信号的变化率，具有预见性，能预见温度偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，

44、已被微分调节作用消除。因此，可以改善温度控制系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少温度输出超调，减少调节时间。温度控制的微分调节参数范围是 2-100。2.4.2 换热器温度串级控制系统（1）换热器温度串级控制系统方框图换热器热流口温度控制系统受到冷热流体流量、温度等诸多因素的干扰导致控制系统作用不及时、最大偏差大、过渡时间长、抗干扰能力差、控制精度低。而工艺上对换热器出口温度的要求一般很高,采用单回路闭环控制系统难以达到理想的控制效果。一般采用串级控制方法。下面是换热器热流出口温度控制的串级控制系统方框图第 2 章 系统工艺流程及算法控制-13-图 2-4 串级控制方框图（2）换

45、热器温度串级控制系统组成如图 2-3 所示，换热器热流出口温度串级控制系统有两个环路：一个内环和一个外环。习惯上称内环为副环，外环为主环。处于副环上的控制器、对象和变送器分别称为副控制器、副对象和副变送器。副对象的输出称为副被控变量，简称副变量。处于主环上的控制器、对象和变送器分别称为主控制器、主对象和主变送器。主对象的输出称为主被控变量，简称主变量。串级控制系统有两个控制器（主控制器和副控制器） ，而只有一个调节阀。主环是一个定值控制系统，而副环是一个随动系统。主控制器的给定值是由工艺决定的，它是一个定值；副控制器的给定值是由主控制的输出提供的，它随着主控制输出的变化而变化，所以副环是一个随

46、动系统。在串级控制系统中，对主对象热流出口温度的控制质量要求比较高，本设计提出在换热器出口温度串级控制系统中,其主回路采 PID 控制算法,以消除纯滞后环节对于系统控制质量的影响, 而对副变量的要求一般不严格，主要要求它能快速主控制器输出的变化，允许它有波动和余差设置副变量的目的就在于保证和提高主变量的控制质量，所以对于副环为了快速跟踪主控制器的输出，一般只采用比例控制规律。（3）主副调节器正反作用的确定对于串级控制系统来说，主、副调节器的正反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，其主要通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。各环节放大系数极性的正负是这样确定的：对于调节器的Kc，当测量

47、值增加，调节器的输出也增加，则 Kc为负（即正作用调节器） ；反之，为正（即反作用调节器） 。串级控制系统控制器正、反作用的判定顺序一般为先副后正，对于换热器热流出口温度串级控制系统副回路，阀门开大符号为正，相应的冷水流量也增大，由于整个回路构成负反馈系统，所以副回路控制器应为反作用。对于回路华北理工大学电气工程学院-14-的主环控制器的判定，副环是一个随动系统，输出随着输入的增加而增大，随着输入的减小而减小，所以符号为正，而主控量热流出口温度随着冷水流量的增加而减小，所谓符号为负，整个回路构成负反馈系统，所以主控环控制器为正作用。根据以上介绍的控制系统方案，利用串级控制系统控制换热器热流出口

48、温度，其中主环用 PID 控制，副环用单纯比例控制，使系统反应速度和控制准确度均达到较好的效果。2.5 本章小结本章主要介绍了 SMPT-1000 实训平台和高阶换热器基本介绍，PID 控制算法和 PCS7 的简介和控制的优点.第 3 章 基于 PCS7 的控制系统实现-15-第 3 章 基于 PCS7 的控制系统实现3.1 PCS7 简介 PCS7 是西门子公司在 1997 年德国法兰克福 ACHMA 展会上推出的一种新一代基于现场总线的模块化的过程控制系统,它结合了传统 PLC 控制系统和DCS 两者的优点,将两者的功能有机地结合在一起。PCS7 系统的所有硬件都基于统一的硬件平台,所有软

49、件也都全部集成在 SIMATIC 程序管理器下,有同样统一的软件平台。PCS7 采用符合工 EC61131 一 3 国际标准的编程软件和现场设备库,提供连续控制、顺序控制及高级编程语言。现场设备库提供大量的常用的现场设备信息及功能块,可大大简化组态工作,缩短工程周期11。西门子SIMATICPCS7,作为全新一代 DCS 过程控制系统,采用了全集成自动化理念。PCS7 系统由控制站、多用户 HMI 系统、网络通讯系统、客户机/服务器系统等部件组成,系统大量采用了新技术,在网络配置上,使用标准工业以太网和PRoFIBUS 网络。由于 PCS7 消除了 DCS 和 PLC 系统间的界限,真正意义上

50、实现了仪控和电控的一体化,充分体现了全集成自动化的特点,使得系统应用范围变广,是一种适用于现在、面向未来的开放型过程控制系统12 。PCS7 具有常规过程控制系统所不具备的优点。它具有灵活的系统结构,可以随时根据要求通过无缝集成附加功能的方式扩展控制技术功能,PCS7 具有卓越系统特性和独特可升级结构的通用过程控制系统,它将灵活的模块化冗余技术以及统一的数据管理、通讯和组态等强大的性能组合在一起,是以经济、高效的方式组建和运行控制技术工厂的理想基础。PCs7 系统广泛地应用于过程工业、制造业以及混合型工业,这包括:连续、批量、分散生产的混合,例如冶金、水泥、电力、玻璃、制药工业等13-16 。

51、3.2 PCS7 作用对控制方案的整体设计的实施所使用的软件为 PCS7V7.1，其主要包含的软件及其功能分类概述如下17:（1）创建:主要涉及的软件为 SIMATIC 管理器以及 PH ( Plant Hierarchy ,工厂层级)。SIMATIC 管理器就是 PCS7 的中心应用程序,也是用于搭建 PCS7 项目的其它所有应用程序的门户。SIMATIC 管理器是创建整个项目的起始点,其基本的操作是能完成所创项目的创建以及系统库创建、项目工程管理与诊断等功能。而工厂层级就是将工厂分为多级单元结构,其主要目的是便于直接分辨各图华北理工大学电气工程学院-16-表和实际工况过程画面与各单元级彼此

52、间的从属关系。（2）配置:主要涉及的软件是 HWConfig(硬件配置环境)以及 StationConfigurator (站配置器),前者囊括了硬件系统的全部组态,后者能显示控制系统实现所用的 PC 配置。（3）编程:主要涉及的软件有 CFC ( Continuous Function Chart,连续功能图),SFC (Sequential Function Chart,顺序功能图)以及 SCL。（4）监控:主要涉及的软件有 WinCC(控制中心)和图形编程器(Graphics Designer editor )。（5）调试:主要涉及的软件是 SIMATICNET(调试向导)。它就是SIM

53、ATIC 所建工程中配置网络和总线系统的平台。在工程师站中实现对 PCS7工程项目的全部组态就是完成两步走:AS engineering (AS 组态)和 OS engineering (OS 组态)。AS 组态完成的是上段中所提及的 13 点中的软件,而 OS 组态则是完成第 4 点所涉及的软件。3.3 PCS7 控制系统结构如图 4-3 所示为 PCS7 控制系统的网络结构示意图,其网络结构可划分为三层,具体信息见图 4-3。顶层是三站合一的 SIMATIC PCS7 BOX。其中,三站包括OS (操作员站)、ES (工程师站)和 AS (自动化站)。通常,这三站与其他站(如操作站)等连通

54、的方式有两种:第一种是通过 PROFIBUS DP 的端口引入系统总线,第二种是借助于工业以太网,同时与其他的 SIMATICPCS7B0X 相连.实现搭建主从站的目的。分布式 I/O 站属于中间层。SIMATIC PCS7 BOX 借助于 PROFIBUS DP 端口接到 PROFIBUS 总线,进而实现与远程通讯板卡、输入输出板卡进行通讯,然后将系统输入信号转变为 420mA 的系统可接收的信号,从而能传入下游装置(选择 SMPT-1000 实验平台)。最后一层就是现场对象层,即为 SMPT-1000。允许存在基于以太网网络来建立与上位机的联机。第 3 章 基于 PCS7 的控制系统实现-

55、17-图 3-1 PCS7 控制系统的网络结构3.4 工程项目的建立运用 PCS7 软件控制整个系统的运行，首先建立一个新的工程项目如图所示：图 3-2 新建工程项目在创建过程中需要选择根据需要选择一个 CPU 件套，一个 CPU 件套包括CPU、电源、机架和 CP4443.通信模块，另外可根据实际情况选择有几个华北理工大学电气工程学院-18-CP443-5 通信模块。换热器热流出口温度控制项目需要建立 3 各工厂层级，并且需要建立 OS操作员站，如图所示建立一个项目图 3-3 工厂层级3.5 控制系统硬件设计与组态3.5.1 硬件系统组成（1）底板底板用于安装各种模块（如：PS，CPU，CP

56、，I/O 模块等）提供背板总线：I/O 总线；通讯总线通过背板总线实现各模块之间的数据和信号交换电源模块所提供 5VDC 和 24VDC 通过背板总线供给各模块（2）电源：插入式的 AC/DC 供电连接。保护级别：IP20。两种输出电压：5VDC 和 24VDC，并公用一个地。监视两个输出电压，如其中一个发生故障，该模块输出一个报错信号给 CPU。具有输出短路保护功能。具有电池后备功能。当掉电时，所有的参数设置和内存里的内容由电池保持。在前面板上有运行和故障指示灯。（3）CPU（主控器）：PCS7 中使用高性能的 SIMATIC S7-400 系统 CPU，有 ProfibusDP 接口，第

57、3 章 基于 PCS7 的控制系统实现-19-可直接接入 Profibus 总线网络。装载存储器：用于储存用户程序，可扩展。工作存储器：用于运行用户程序，内置。系统存储器：用于输入/输出变量，中间变量，数据块，计时器，计数器，块堆栈，中断堆栈及暂存变量区，可扩展。 （4）通讯模块： 通讯模块用于连接工业以太网（Industrial Ethernet 现场总线信息规范）的通讯接口模块。将 CPU 所有的过程数据通过工业以太网传送给所有连在网上的操作站和工程师站。将所有的操作站和工程师站写下数据通过工业以太网传送给 CPU 。在首次下装后，通过通讯模块工程师站或编程器可以对 CPU 进行组态。在工

58、程师站或编程器上通过通讯模块对 CPU 进行在线监视。在工程师站或编程器上通过通讯模块对 CPU 进行在线诊断。（5）接口模块：将 ET200M 作为从站连接到 ProfibusDP 总线上。（6）ET200M：ET200 分布式 I/O 的一个产品。分布式 I/O 由接口模块与I/O 卡件组成。3.5.2 硬件选型选型以及通讯SIMATIC PCS7 可作为过程基础控制系统(BPCS)。在 PCS7V7.OSPI 软件平台下,根据现场的硬件配置,在组件视图下的“HWconfig界面中进行硬件组态,对于换热器热流出口温度控制系统,需要在 ES 站上完成工程师站、现场的 AS 站以及数据服务器的

59、硬件组态。在硬件组态之前,我们需要将现场所有设备的 GSD文件(GSD 文件是 PROFIBUS 一 DP 产品的驱动文件,是不同生产商之间为了互相集成使用所建立的标准通讯接口)导入到 PCS7 的“HWConfig中,连接到Profibus-DP 总线上,并分配相应的 DP 地址。硬件组态的正确与否可以在线测试。PCS7 软件中严格要求组态的硬件与所连接的设备型号一致，以下是系统所用硬件的型号：华北理工大学电气工程学院-20-表 3-1 硬件型号硬件名称型号订货号数量电源模块PS407 10A6ES7 407-0KA02-0AA01CPU412-5H6ES7 412-5HK06-0AB01以

60、太网模块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 中软硬件是否完整匹配很重要,为了确保其对接成功则必须在其的通信的整个过程中逐步将硬件的具体信息“传输”给系统软件,方法为在 SIMATIC管理器中打开 HW Config 视图进行相