过程系统PLC入门

过程系统过程系统是通过对流量、温度、压力、液位等的测量和控制来进行生产的一种系统。广泛应用于各种领域：钢铁厂化工厂环保设备上下水处理设备空调设备半导体工厂食品工厂药品工厂发电厂等反馈控制这里以保持容器内液体温度的装置为例，说明反馈控制过程。温度检测部分测量容器内液体温度。将测量的温度值与目标值进行比较，根据两者之差（偏差）来确定调节阀的开闭（操作量）。对调节阀进行操作，调节蒸汽量，使容器内的液体的温度上升或下降。重复1~3，直至液体温度与目标值之差为零。ON/OFF控制反馈控制中较为简单的ON/OFF控制。所谓ON/OFF控制，就是根据偏差值（目标值-测量值）的正负对操作部进行ON/OFF操作的控制。右图所示为ON/OFF控制方式下调节阀的状态和液体温度的变化。右图①所示，当液体温度低于目标值时，调节阀全开（ON），供应蒸气。开始供应蒸汽后，液体温度仍然继续下降，一段时间后开始转为上升，然后如②所示超过目标值。液体温度超过目标值后，调节阀全闭（OFF），停止供应蒸气。蒸气供应停止后，液体温度仍然继续上升，需要经过一段时间后才转为下降。ON/OFF控制方式下，液体温度并不能保持为一定值，而是如图所示在不断地变化。要解决这一问题，可以使用下面介绍的P控制（比例控制）。P动作（比例动作）按照偏差值（目标值-测量值）的大小，输出与其成正比的操作量的动作叫做P动作（比例动作）。操作量=比例增益（Kp）×操作量=比例增益（Kp）×偏差P动作的操作量用公式因此偏差值相同时，比例增益越大，操作量就越大，蒸气供应量也大；比例增益越小，操作量就越小，蒸气供应量也随之减少。P动作对阶跃偏差的操作量如下所示下图所示为不同比例增益下，P动作控制效果（对容器内液体温度进行P控制的结果）之间的差异。通过调节阀的细微调整，液体温度的变动得以减小。P动作下，液体温度的变动有所减小，但无法实现测量值与目标值的一致，两者之间会有一定的偏差。这一偏差叫做偏移（静差或剩余偏差）。I动作（积分动作）与PI控制P动作下，无法实现测量值与目标值的一致，两者之间会有一定的偏移。I动作（积分动作）可以消除这一偏移。I动作通过对过去到现在的偏差进行时间积分后输出，来消除偏移。（图）I动作一般与P动作组合，作为PI控制来使用。积分时间越小，消除偏移的时间就越短。积分时间越大，消除偏移的时间越长。积分时间不同时，PI控制下积分效果的差异如下图所示。D动作（微分动作）D动作（微分动作）是为了减轻外部干扰对控制对象的影响，而在P动作输出的基础上加上与偏差变化率（偏差的微分）成正比的输出。一般与PI控制组合，作为PID控制来使用。下图所示为同一干扰（外部干扰A）导致偏差出现变化时，有D动作和无D动作情况下控制对象响应的差异。如图所示，加上D动作后，可以减轻外部干扰带来的影响。微分时间越大，D动作带来的操作量越大，微分效果也越大。D动作（微分动作）与PD控制[比较实用的D控制：不完全微分]直接使用D控制时，会使得高频干扰成分增大，导致控制系统不稳定，操作量的时间幅度变小（偏差变为阶跃时会出现瞬间的脉冲波形输出），因此存在无法提供足够的能量来驱动操作部分等问题。因此一般情况下，大多使用在微分项输入中加入一次延时滤波的不完全微分。偏差为一定的阶跃响应时，PD控制的输出如下所示。PID控制PID控制是在输出操作量与偏差值成正比的P动作基础上，加上I动作（增加对偏差积分的操作量，以消除偏移）和D动作（根据偏差的变化率增加操作量，以改善控制对象对外部干扰的响应性）的控制方式。下图所示为P控制、PI控制、PID控制下响应性的比较。[比较实用的PID控制]在注重实用的PID控制方式下，为了消除目标值变化时操作量的大幅变动（D动作的影响除外），会如下图所示对测量值进行微分运算。PID控制的选择流量•压力的控制因其过程的响应较快，而PI控制也能获得足够的响应性能，且D动作会使得计测干扰增幅、导致过程不稳定，因此通常使用PI控制。温度控制一般过程响应较慢，因此经常使用PID控制。控制对象控制方式选择要点流量、压力PI流量、压力的控制，其过程响应较快，PI控制也能获得足够的响应性能。（加上D动作后，计测干扰会被放大，使得过程不稳定）温度PID温度控制一般过程的响应较慢PID控制的正动作与反动作PID控制下，相对于测量值的变化，操作量可以向两个方向变化，分别叫做正动作和反动作。以空调器为例，正动作和反动作分别如下所示。正动作：比如制冷时若室温上升，则加大操作量（制冷输出）反动作：比如制热时若室温下降，则加大操作量（制热输出）定值控制与追踪控制PID控制等反馈控制，按照目标值的设定方法，可以分为定值控制和追踪控制两种。定值控制目标值为一定值时的控制，例如将压力、温度保持为一定值的控制即为定值控制。追踪控制目标值随时间变化时的控制。也称为跟踪控制。追踪控制的种类包括按照预定模式使得目标温度随时间而变化的程序控制，以及将燃烧时空气与燃料的空燃比、以及多种液体混合时比例保持为一定值的比例控制等。控制环检测部分与操作部分控制环方块图中检测部分和操作部分检测部分以下所示为用于检测流量以及温度的、具有代表性的传感器一览。检测对象检测方式流量差压式…节流机构（节流孔、文丘里流量计等）电磁式…电磁流量计容积式…根式、椭圆式其它（科里奥利式、超声波式、涡旋式等）温度热电偶、测温电阻、放射温度计压力差压电气式…电阻线式、压电式弹性式…布尔顿管、隔膜式、风箱式液柱式…U形管、单管式液位差压式、浮动式、静电容量式、超