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基于嵌入版MCGS與西門子PLC的串級溫度控制系統(tǒng)
劉鵬 郭頌 劉冰琪 劉煥偉 2022/11/27 8:43:09
（接上頁）供解決實際工程問題的方案，在自動化領域有著廣泛的應用。
嵌入版MCGS包含主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略[1]。本次采用的組態(tài)屏是觸摸屏，考慮到工業(yè)中，參數修改頻繁，為保護觸摸屏，延長使用壽命，在這里設置了外置鍵盤，可以通過外置鍵盤在MCGS組態(tài)屏上設置相關參數。因為是外置鍵盤，這里需要在組態(tài)界面添加鍵盤移動光標，當光標移動到需改參量時，還需要啟用設置選中鍵才可以進行參數輸入或修改。因此每個可改參量不僅要有自己的“輸入框”，在其下方還需設置光標鍵和設置選中鍵。
在運用嵌入版MCGS時，首先建立實時數據庫，點擊實時數據庫，新增對象，雙擊新增的對象進行屬性設置。光標鍵和設置選中鍵在實時數據庫中進行新增對象設置時，它們的基本屬性設置為開關型，數據對象名稱為了方便與MCGS自身的設備編輯窗口的通道名稱以及PLC中的變量對應，在命名時盡量保持相近，方便后續(xù)自己檢查和修改。例如，副控制器的“比例參數”設置選中鍵在PLC變量窗口中的地址是%M19.0，那么在設備編輯窗口的通道名稱列起名為M019.0，實時數據庫中起名為“讀寫M019_0”。
在實時數據庫中建立的對象，涉及到比例、積分、微分系數、爐內溫度的設定和測量以及出料溫度的設定和測量值等對象時，設置為數值型對象。為了保障設備安全和產品的高利用率，這里部分數值型的參量設置了上下限報警，一旦溫度觸碰到報警值，就會自動報警，并記錄發(fā)生報警的時間和具體數值，如果長時間出現故障報警，系統(tǒng)便會自動斷電保護，允許故障存在的時間長短可以在PLC程序中用定時指令來設置。
在用戶窗口組建畫面，點開工具箱，選用輸入框，以“進料電動調節(jié)閥開度”為例進行說明，設置數據對象的名稱，打開與實時數據庫對應的“變量選擇”窗口，選擇相應的變量“進料電動調節(jié)閥開度”，這里為了方便明確，在用戶界面窗口和實時數據庫中采用了同樣的名字。因為是電動調節(jié)閥開度，所以單位為“%”，0~100%可調，四舍五入僅顯示整數位。
組態(tài)屏上的“進料閥屏設/現場切換”按鈕，直接用“標簽”工具來寫，為了表明是屏幕調節(jié)狀態(tài)還是現場調節(jié)狀態(tài)，可以填充顏色，通過切換顏色辨別。
在用戶窗口建立系統(tǒng)模型時，打開工具箱，找到插入元件，選中要插入的元件，點擊確定，元件便會出現在用戶窗口的左上角，可以自己調整大小和角度[2]。最終的用戶界面如下圖圖1所示。
圖1 溫度串級控制MCGS的用戶窗口界面
因為是串級控制，所以副被控對象熱交換爐的溫度設定值，是由主控制器輸出的，因此這里只能顯示，不能調整。出料溫度的測量值和爐內溫度的測量值是由溫度傳感器傳回的，所以這里也是只能顯示，不能修改。進料閥開度可以在屏幕中設置，也可以現場調節(jié)。燃料閥開度可以在屏幕中強制設置，此時稱為人工調整；也可以打在自動位置，由PID調節(jié)器自動調整。當燃料閥開度設置為人工調整時，相關的主副控制器的PID參數此時是不起作用的。
2.PLC程序的建立
本設計的主要目的是加熱并控制好出料口的物料溫度，首先在MCGS界面輸入物料加熱后的期望溫度值R，圖2中R1表示與設定值R相對應的電信號。設定溫度轉換后的電信號R1與出料的實際溫度Y1采集變換后的值Z1比較后，得到偏差E1,并將其傳送給主控制器-出口物料溫度控制器，主控制器的輸出作為副回路爐溫控制的設定值R2[3]，在自動狀態(tài)下，副環(huán)可以快速調整進入副環(huán)的擾動，比如說鍋爐外界溫度的擾動，氧氣含量的擾動，燃氣純度的擾動等，這里針對副被控對象的擾動用F2來表示，針對主被控對象物料的擾動用F1來表示，例如物料的進料溫度，進料流量等。該溫度串級控制系統(tǒng)的結構圖如圖2所示。
圖2 溫度串級控制系統(tǒng)結構圖
本項目選用S7-1200系列PLC，利用博圖V16版本軟件進行編程，主要用到PID控制算法，S7-1200的PID指令采用了不完全微分PID和抗積分飽和等改進的控制算法。
模擬量與數字量之間的相互轉換和PID程序的執(zhí)行都是周期性的操作，其間隔時間稱為采樣周期Ts。博圖指令列表的“工藝”窗格的PID控制“ Compact PID”文件夾中，有3條指令，這里采用PID Compact，該指令具有抗積分飽和功能，并且能夠對比例作用和微分作用進行加權運算。其計算公式為：
y=K_p [(bw-x)+1/(T_I s) (w-x)+(T_D （未完，下一頁）
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