（信号与信息处理专业论文）基于opc的洗煤密度控制系统的设计与实现.pdf

太原理f 人学硕十研究生学何论文 基于o p c 的洗煤密度控制系统的设计与实现 摘要 在重介洗煤生产中，悬浮液的密度控制过程十分关键，不但要求 其在发生外界扰动时能快速稳定，而且要求能在原煤的成分发生变化 时能进行自动调节。由此对现场设备的自动控制与数据的实时传输都 提出了更多的要求。本文以重介洗煤的自动化发展为背景，以本人参 与的技改项目实践为基础，采用比较新型的o p c ( o l ef o rp r o c e s s c o n t r o l 过程控制中的对象链接嵌入) 传输规范替代传统的 d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 传输规范来进行数据传输。而在终端采 用西门子的w i n c c 组态软件作为监测平台，对洗煤密度控制系统中的 所有关键设备进行人机化界面监测。 本文依据从实际开发过程中总结出来的洗煤密度控制系统自动化 经验，从三个方面讨论了在实现管理与过程的数据控制必须要面对的 问题，并提出了解决方案加以实施。 1 、系统硬件构成的多元化导致了过程数据获取中的链接问题，而 o p c 是解决这一问题的最佳方案。本文在对o p c 机制进行深入分 析的基础上，实现了基本的o p c 数据采集系统。 太原理r 大学硕+ 研究生学何论文 2 ， 信息化的发展要求管理数据与过程数据相互综合到一个统一的 平台上，以便使生产管理能更加高效。为此管理数据与过程数据 人机界面表达形式的形象化与易操作性成为高效管理生产的基 础，本论文从人机界面的设计与开发两个方面讨论了洗煤密度控 制系统人机界面的实现。 3 、控制系统高度智能化是每个控制系统的最终目标，为此本文对控 制过程中的p i d 算法的实现进行了深入分析，并探讨算法中的参 数调试过程。 整个系统设计采用了目前控制行业较先进的设计思想，利用计算 机的网络技术、通信技术、实时数据库技术和关系型数据库技术，综 合考虑了洗煤生产中的生产高效、数据稳定和信息安全，最终实现了 完整和实用的洗煤密度控制系统。 关键词：过程控制，密度控制系统，o p c ，组态软件，p i d i i 太原理i 。人学硕十研究生学行论文 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f c o a l w a s i l l n gd e n s i t yc o n t r o l s y s t e mb a s e do no p c a b s t r a c t i ti sv i t a lt oc o n t r o lt h et u r b i dl i q u i dd e n s i t yi nc o a l w a s h i n g p r o d u c t i o ns ot h a tt h et u r b i dl i q u i di sa b l et os e t t l eq u i c k l yw h e nd i s t u r b e d a n dt oa d j u s ti t s e l fs e n s i t i v e l yw h e nt h ei n g r e d i e n t so fr a wc o a lc h a n g e t h u s ，m o r ed e m a n d ss h o u l db em a d ea b o u tt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo ft h e o n - t h es p o te q u i p m e n ta n dt h er e a l t i m et r a n s m i s s i o no ft h ed a t a t h i s a r t i c l ei sm a d ei nt h eb a c k g r o u n do ft h ea u t o m a t i cd e v e l o p m e n to fc o a l w a s h i n g ，b a s e do nm yp r a c t i c ei n t e c h n i c a lr e f o r mp r o g r a m s ，a n da d o p t s o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，w h i c h i san e w - m o d e lt r a n s m i s s i o n c r i t e r i o n ，t or e p l a c et h et r a d i t i o n a ld d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) t o t r a n s m i tt h ed a t a t h et e r m i n a la d o p t ss i m e n s sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ( w i n c c ) a st h ep l a t f o r mt om o n i t o ra l l t h ek e ye q u i p m e n ti nt h ec o n t r o l s y s t e mo fc o a l - w a s h i n gd e n s i t y ，a n dc a r r yo u t t h ef r i e n d l yh u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls y s t e ma u t o m a t i o no fc o a l - w a s h i n gd e n s i t y ，；q 太原理。i 大学硕十研究生学付论文 g e n e r a l i z e df r o mt h ep r a c t i c e ，t h ea r t i c l ef a l l si n t ot h r e ep a r t st od i s c u s st h e p r o b l e m sw eh a v et of a c ei nt h ed a t ac o n t r o lo fm a n a g e m e n ta n dp r o c e s s a n dr a i s es o m es o l u t i o n s 1 、t h ei s o m e r i s mo fs y s t e mh a r d w a r ef o r m a t i o nr e s u l t si nt h el i n k i n g p r o b l e mi no b t a i n i n gp r o c e s sd a t a o p ci st h eb e s ts o l u t i o n t h ea r t i c l e m a k e sad e e pa n a l y s i so no p c m e c h a n i s m ，a n dr e a l i z e st h eb a s i co p c d i g i t a lc o l l e c t i o ns y s t e m 2 、t h ei n f o r m a t i o n i z e dd e v e l o p m e n tr e q u i r e st h a tt h e m a n a g e m e n t d a t aa n dp r o c e s sd a t as h o u l di n t e g r a t ei n t oau n i f i e dp l a t f o r ms oa st o m a k ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n tm o r e e f f i c i e n t t h e r e f o r e ，v i v i d n e s sa n d f e a s i b i l i t yo fh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ee x p r e s s i o nf o r mo fm a n a g e m e n t d a t aa n dp r o c e s sd a t ab e c o m et h eb a s i so fe f f i c i e n tm a n a g e m e n t t h i s a r t i c l ed i s c u s s e st h er e a l i z a t i o no ft h eh u m a n m a c h i n e i n t e r f a c ei n c o n t r o ls y s t e mo f c o a l w a s h i n gd e n s i t yf r o mt w oa s p e c t s m ed e s i g n a n dt h ed e v e l o p m e n to fh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e 3 、t h eu l t i m a t eg o a lo fe a c hc o n t r o ls y s t e mi st ob eh i g h l yi n t e l l i g e n t ， t h e r e f o r e ，t h ea r t i c l em a k e sad e e pa n a l y s i so nt h er e a l i z a t i o no fp i d a l g o r i t h m i nt h ec o n t r o lp r o c e s sa n da l s od i s c u s s e s t h e p a r a m e t e r d e b u g g i n gp r o c e s si nt h ea l g o r i t h m t h ew h o l es y s t e md e s i g na d o p t st h e r e l a t i v e l ya d v a n c e dd e s i g n l v ， i 暗 t h o u g h to ft h ep r e s e n tc o n t r o li n d u s t r y ，m a k e su s eo ft h ec o m p u t e r t e c h n o l o g yc o n c e r n i n gn e t w o r k ，c o m m u n i c a t i o n ，r e a l t i m e d a t a b a s e a n dr e l a t i o n o r i e n t e dd a t a b a s e ，c o m p r e h e n s i v e l yt a k e ss t o c ko ft h e h i g hp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , d a t as t a b i l i t ya n di n f o r m a t i o ns a f e t y , a n d f i n a l l y r e a l i z e st h e i n t e g r a l a n d p r a c t i c a l c o n t r o l s y s t e m o f c o a l w a s h i n gd e n s i t y k e yw o r d s ：p r o c e s s c o n t r o l ，d e n s i t y c o n t r o l s y s t e m ，o p c ， c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，p i d v 声明 本人郑重声明：所星交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成栗。除文审已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贯献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：耷坠碑日期： 坦! 垒：丝 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并淘有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复翩赠送和交换学位论文；学校霄以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： 袒华 姐鱼 日期：丝i ：! ；丝 日期：之! d 冲 太原理r 大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 1 1 选煤技术发展的国内外现状 选屏舀：工业应用七 要有跳汰、荦介厅和污选选艨庄。其中，跳汰选煤泣是 目前国内生产应用最广泛的选煤方法。重介质选煤具有对入选原煤煤质适应性强、 分选精度高、分选粒级范围宽、工艺系统简化、便于实现自动化等优点，在国内 外都有迅速发展的趋势i n 。 在选煤自动化技术方面，美、澳、德等煤炭洗选加工大国，以计算机、p l c 为基础平台构筑了选煤厂综合自动化技术，以重介、跳汰、浮选为代表的选煤工 艺过程自动化，极大地提升了选煤技术水平，提高了生产能力。如美国的s e d g m a n 公司从2 0 0 0 年开始先后在澳大利亚r i ot i n t o 公司、哥伦比亚g l e n c o r e 公司建成 投产了具有世界先进水平的重介洗煤厂，尤其采用的产品在线“实时”分析技术 更是具有相当的技术难度。该技术每2 r a i n 就可以取得一次最终产品( 精煤) 的各 项综合指标( 灰分、水分、硫分等) ，而目前我国平均得到一次综合指标的时间为 2 h 。该项技术给洗煤厂的自动化控制带来了革命性的转变，它可使重介选煤中密 度的调整时间大大缩短，使生产的灰分与销售灰分的误差控制在o 8 以下，精煤 的批合格率达到9 9 9 9 。而对于我国来说，选煤技术通过引进、消化吸收与自行 研发相结合，也已取得长足进步。在个别领域，如重介选煤工艺方面已达到国际 先进水平。选煤设备今后的发展方向是大型化、自动化和智能化。我国在选煤设 备处理量、可靠性及自动化程度上与国外技术尚有较大差距1 2 。特别是对于重介浮 选选煤工艺，原煤准备系统、主洗系统、浓缩及压滤系统三大部分的设备比较分 散，对于自动化控制的要求更高，这种情况只有在具备精确可靠的控制系统条件 下才能产生理想的生产效率和产品质量。重介选煤的工艺过程是将合格的原煤经 过一系列的工艺流程分选成三部分：精煤、中煤、矸石。其中最关键的因素就是 悬浮液的密度。悬浮液由水、介质( 磁铁粉) 、煤泥三部分混合而成。选煤时将介 太原理【人学硕士研究生学竹论文 质和原煤加入煤介混合桶进行搅拌，同时将混合物打入旋流器，利用煤、介质的 比重差异和旋流器旋转产生的离心力将煤选出，上层为精煤，下层为矸石。选煤 过程中不但要对磁铁粉( 介质) 进行回收，而且还要控制悬浮液的密度1 3 1 1 4 l 【5 l 。在 这方面的工作，我国唐山煤炭设计院丌展的较早一点，其应用电力电子驱动，传 感检测、计算机与自动控制，机电一体化设计等技术研究开发出洗煤密度控制系 统。该系统实现电气、控制、操纵一体化设计，具备了工况自动监测监控功能， 而且近几年开始在市场上推广。但其系统存在着稳定性差、技术指标进行保密， 而且无法进行企业的信息化集成的缺点。 在企业的信息化集成方面，美国、澳大利亚的国外的大型煤炭加工企业更是 走在前列。如a n g l oc o a l 、b h p b i l l i t o n 等公司在2 0 0 1 年前已实现了企业资源计划 ( e r p ) ，供应链管理( s c m ) 、客户关系管理( c r m ) 、制造执行系统( m e s ) 的 有机结合。而对于我国大部分企业来说，各个系统之间相互独立，造成了“信息 孤岛”大量存在于企业内部1 6 j 。这样的后果是下层的设备状态信息没有充分利用， 一方面造成设备管理维护缺少现场的实时数据。另一方面对于决策层没有提供决 策的数据，可能延误决策甚至造成决策失误。企业实现全面的信息集成就成了一 句空话。所以将制造执行系统( m e s ) 融入生产信息系统也成为关键因素。而o p c 的出现就为m e s 系统集成到企业信息平台提供了一个很好的解决方法。o p c 技术 从1 9 9 6 年产生时起就发展十分迅速，在控制领域的应用更是广泛。目前遍布全球 的o p c 基金会已超过3 5 0 家，国际上和国内许多公司都纷纷在自己的产品中加入 o p c 特性，例如国外有i f i x ( 美国i n t e l l u t i o n ) 、i n t u c h ( 美国w o n d e r w a r e ) 等，国 内以k i n g v i e w ( 北京亚控) 、f o r c e c o n t r o l ( 大庆三维) 等为代表。 1 1 工程背景 本课题实际应用于一个年产2 0 0 万吨的重介工艺选煤厂。该洗煤厂位于山西 古交屯兰矿，是陵矿的坑口洗煤厂。在2 0 0 0 年建厂之初对悬浮液密度采用人工控 制，这一方式的工作方法是：有经验的人员利用常规检测仪表进行检测，并根据 自己的经验对调节设备进行手动调节。但是这种方式存在着两大弊病，首先反应 2 太原理r 大学硕十研究生学倚论文 高度滞后。工作人员需要取样、检测、调节一系列过程，即使最快速度也需要半 个多小f j ，从咖号致悬厅掖的崧度波动软人，不但影向最终精煤的质号而h 琏 使恳厅液中的磁铁粉消耗也比较大。其次无法实现信息化管理。对沈煤厂的消耗 产出缺乏实时信息，在市场瞬息万变的今天缺乏竞争力。为了解决以上问题，矿 上决定对原有的老系统进行技改升级：第一将整个密度系统实现自动调节；第二 将洗煤过程数据实时传送到矿上调度中心，艾现统一管理。 重介沈煤中的密度控制过程是一个多参量、多任务、多设备具有随机性、时 变性和耦合性的复杂系统。因此，密度过程控制应由一个智能测控与综合管理系 统来进行现代化的管理。经过实地考察论证，屯兰坑口洗煤厂的密度控制系统考 虑采用集散式测控管理系统，控制系统采用p l c + p c 的监控方式，设置一个中央 控制室和1 个p d c 现场控制站，分为管理层( 中控室操作员站) 、控制层( p l c 控制站) 和执行层( 现场测量仪表) 。 1 2 主要的研究内容 本论文的内容主要有： ( 1 ) 实现现场智能控制器( p l c ) 中的控制算法与编程。 ( 2 ) 探讨0 p c 数据的架构和传输原理，利用v i s u a lc + + 实际作出一个兼容 m o d b u s 的0 p c 服务器。 ( 3 ) 用西门子组态软件w i n c e 来构造监测端的系统架构，实际开发出一套个 人电脑上的洗煤密度删i 系统。 1 3 论文结构 域。 整个论文的结构安排如下： 第1 章：阐述了本课题的提出背景，综述了其发展历史、研究现状及应用领 第2 章：提出洗煤厂密度控制系统的总体设计方案，包括现场硬件与操作站 3 太原理。 大学硕十研究生学位论文 的软件配置方案。 第3 章：详细提出了现场控制站的设计根据，论述了其具体的实现方法，包 括其使用的算法和现场的调试方法。 第4 章：提出h m i ( 人机界面系统) 的设计思路及其实现的关键步骤。 第5 章：阐述o p c 的架构与运作原理，剖析o p c 与c o m 和d c o m 的内在 联系，分析了m o d b u s 协议的构成，并最终具体实现了m o d b u s o p c 数据服务器。 第6 章：对全文进行了总结，并提出了进一步的研究方向。 4 太原理一r 人学硕十研究生学侍论文 第二章洗煤密度控制系统的总体设计方案 2 1密度控制系统原理 洗煤过稃中悬浮液密度的稳定a 接笑系精垛的质帚和产帚，而且控制精度又 直接关系到磁饮l ! ； 的损耗，所以悬厚液密度控制系统足整个沈煤效益好坏的核心。 其控制原理如图2 - 1 所示川。 控制关系： a 、根据传回的压力值和旋流器的工作压力作比较，发出指令给( 变频调节) ， 控制其转速，如果压力低于旋流器工作压力，提高转速，反之也是如此。 b 、由可以测得系统现在的介质的实际密度，不过该密度是煤泥与磁铁粉的混合 密度，该值是需要精确控制的。因为其密度值的波动与密度值的高低直接影响 分选质量。根据现在的介质密度控制加水调节阀门开度，从而控制添加清水 的流量，使其密度符合系统需求。 c 、由可以测得当前系统中的磁铁粉的含量，通过该含量与所测得值通过计算 可以得出煤泥的含量值。系统中的煤泥含量应在一定范围内，通过调节分流机 构，使得通过磁选机( 将煤泥与磁铁粉分离) 与直接回到介质桶的流量的不 同，来调节煤泥含量。 d 、根据所测得液位值，来确定电动阀的打开与关闭。在液位处于下限时，添 加清水，并提示工作人员添加磁铁粉。在液位到达指定位置，关闭电动阀， 停止添加磁铁粉。 e 、煤泥量计算公式： g - - a ( p - 1 0 0 0 ) 一b f ( 2 1 ) 式中：g 煤泥含量单位：k g m 3 f 磁性物含量 单位：k g m 3 p 悬浮液密度单位：k g m 3 5 太原理1 人学硕+ 研究生学付论文 a 与煤泥有关的系数 b 与煤泥和磁性物有关的系数 其中：a = 64 髭，6 # 坭_ 1 0 0 0 b = 6 # e ( 6 1 0 0 0 ) 6 “自( 6 # 2 - - - 1 0 0 0 ) 5 # z 煤泥密度 6t n 橱一磁铁粉密度 # e 自n - 2 g ! + 兰f 一1 0 0 ( 2 2 ) 加工后原煤压力变送器 图2 - 1 密度控制原理图 f i g u r e 2 - 1p r i n c p l ep i c t u r eo fd e n s i t yc o n t r o l 2 2 系统硬件实现方案 在充分考虑了设备的成套性和系统的整体可靠性的基础上，系统的硬件配置如 表2 - i 所示。 系统操作站部分选择台湾研华工控机。在恶劣的现场条件下，工控机的稳定 运行是系统运行的前提。研华工控机在中国市场一贯的品质和良好的售后服务， 是本方案选择的依据。p l c 控制器选用旄耐德公司的q u a n t u m 系列，该系列组成 6 太原理工大学硕十研究生学 山论文 的系统是具有数字量处 ，能力的专用计算机系统。具有模板化、可扩展的体系结 ，j ，用丁丁沙和制造过程实时拧制。咳发备能用j 许多专用上j 能，诸如逻辑、过 程顺序控制、时序、耦合、算术运算等，町以通过数字量和模拟邕输出对不问类 型的设备装置和过程进行控制。包括同位素密度计、压力变送器、磁性物含量计、 超声波液位计在内的二次仪表都选用带有标准4 2 0 m a 接口。可以方便地输入到 p l c 系统，经p l c 系统模拟量输入模板转换成数字信号，再通过c p u 进行处理。 清水调节阈门、粗调给水阀门、分流机构等执行机构也都选用带有标准接口的， 它们的动作可以通过p l c 的模拟量输出模板输出标准信号进行调节1 8 j 。 表2 - 1 ：系统硬件配置方案 c h a r t 2 - 1c o n f i g u r a t i o np r o g r a mo fs y s t e mh a r d w a r e 序 设备名称设备型号 单位 数量 号 1工控机i p c 6 l ol 2 p l c 控制器q u a n t u m 系列套l 3同位素密度计( 配现场仪表)l h l 0 1 型量程1 4 压力变送器( 配现场仪表) s ，1 1 ( 3 1 l1 5 磁性物含量计( 配现场显示仪表) m n 2 1 0 0 ，1 0 0 0 m1 6 超声波液位计( 配现场显示仪表) u s 5 0 2 p4 7 清水调节阀门( 执行器及位置反馈)g x f 二1 0 0l 8粗调给水阀门1 9 分流机构 d j k - 3 1 0 02 2 3 系统网络实现方案 系统网络如图2 2 所示。二次仪表与执行机构都通过标准信号( 4 2 0 m a ) 与 p l c 进行连接。p l c 与现场操作站通过串口连结，通讯协议为m o d b u s 协议。在 工控机内部加装普通以太网卡，通过以太网与调度中心监控计算机连接，取得用 户提出的参数监测的“实时”、“多用户”的要求。 7 太原理工夫学硕十研究生学位论文 密 磁性物含量计分流机构1 分流机构2 介质泵 图2 - 2 密度系统网络图 f i g u r e 2 2n e t w o r kp i c t u r eo fd e n s i t ys y s t e m 2 4 系统软件实现方案 中文w i n d o w s 2 0 0 0p r o f e s s i o n a l ( s p 4 ) c o n c e p t2 5 o p c 服务器 w i n c c 组念软件 2 5 本章小结 操作系统 现场站编程软件 工作站数据通讯软件 人机界面开发软件 本章首先阐述了洗煤密度控制的原理，并在此基础上设计出密度控制系统的 总体解决方案。分别设计出密度控制系统的现场硬件实现方案、系统的网络实现 方案、操作站的软件实现方案。 8 太原理r 大学硕十研究生学位论文 第三章现场控制站设计与实现 现场站是整个控制系统的核心，控制系统中的所有策略和算法都在现场站实 现。在整个密度控制中，最重要的控制量是悬浮液在到达旋流器的压力和密度， 这直接影响最终产品的质量和产星。所以关键的算在、就是让这曲个垦在7 l 产r 过羊丌 中能快速消除扰动稳定于设定值。 3 1 压力的闭环控制 进入旋流器的悬浮液的压力，靠的是介质泵的转速来控制。而介质泵的转速 是依靠变频器来实现。变频器具有体积小、重量轻、安装操作简便、调速范围平 滑、节电效果好、稳定可靠等优点，正逐步取代原有的机械调速、电气调速，在 我国交流变频调速正取得广泛的应用。 3 1 1 变频调速原理 为了适应负荷的变化，过去一直用节流阀或挡板调节，电机转速不变，这样 不但调节效果较差，而且浪费了大量的能源。变频技术的成熟，使得水泵等的调 速变得简单可靠。下面是对变频调节理论依据的简单说明【9 1 。 对一台水泵来说，根据流体力学的相似理论，其流量、扬程、轴功率与转速的 关系为： 旦。旦 ( 3 1 ) 一 j g 以 导( 昙) c 3 - 2 ， 导斜 式中：g 设计工况水量单位：m 9 ( 3 3 ) 太原理丁大学硕十研究生学位论文 g 实际工况水量单位：m 3 h h 设计工况扬程单位：p a 日实际工况扬程单位：p a n 设计工况轴功率单位：k w 实际工况轴功率单位：k w 1 1 设计工况转速单位：r m i n ，l 实际工况转速单位：r r a i n 根据上述式( 3 2 ) ，我们可以知道扬程与转速的平方成正比。而对于本系统中 管道中的压力与转速成正比。根据电工学的知识，电机转速与输入频率的关系为： n = 6 0 f ( 1 一s ) p( 3 。4 ) 式中：n 电机转速 单位：r m i n f 频率单位：h z s 滑差率 p 极对数 一般来说，s 的变化范围不大，如果将s 的变化忽略不计，就可以认为n 与f 成正比关系，改变f 就可以改变电机转速n 的目的。由此可知道管道内悬浮液的压 力p n 2 f 2 。 3 1 2 压力闭环系统的实现 在本压力系统的控制中，由于工业现场的扰动比较大，而且建立精确的数学 模型比较困难，因而针对被控对象的特性，本系统采用p i d 控制算法实现控制【1 0 l 。 系统中的p l c 压力闭环系统如图3 - 1 所示，虚线部分是用p l c 实现的。 在模拟量闭环控制系统中，被控量“t ) ( 压力) 是连续变化的模拟量，而执行机 构( 变频器) 要求p l c 输出模拟信号m y ( t ) ，而p l c 的c p u 只能处理数字量。c ( t ) 首先被测量元件( 压力变送器) 转换为标准量程的直流电流信号( 4 - - 2 0 m a ) ，p l c 使用其输入模板的a d 转换器将它们转换为数字量p v f n ) 。 模拟量与数字量之间的相互转换和p i d 程序的执行都是周期性的操作，其问 1 0 ，p 一 太原理：f 入学硕十研究生学侍论文 隔时间称为采样周期t ；。各数字母括号中的n 表示该，变量足第n 次采样计算时的 数字星。刚3 - 1 中的s p ( n ) 是给定值，p v ( n ) 为a d 转换后的反馈争，误芳 e v ( n ) = s p ( n ) 一p v ( n ) 。 d a 转换器将p i d 控制器输出的数字量m v ( n ) 转换为模拟量( 直流电流 4 - 2 0 m a ) m v ( t ) ，再去控制执行机构( 变频器) 。 图3 - 1p l c 闲环控制系统 f i g u r e 3 1c l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mi np l c 在本系统中，使用压力变送器检测旋流器的压力，并且将压力信号转换成标准 的4 2 0 m a 信号，然后送给模拟量输入模块，经a d 转换后得到与压力成比例的 数字量，c p u 将它与压力设定值比较，并按控制规律( p i d 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4 - - 2 0 m a 电流，用柬控制变频器的频率，通过它控制水泵的转速，从而达到对压力的闭环 控制。c ( 0 为系统的输出量，即被控量，在本系统中为旋流器中的压力。 模拟量控制系统分为恒值控制系统和随动系统。恒值控制系统的给定值由操作 人员提供，一般很少变化，比如本系统就是恒值控制系统。而闭环负反馈控制可 以使控制系统的反馈量p v ( n ) 等于或跟随给定值s p ( n ) 。对于本系统来说，旋流器中 的压力小于给定的工作压力值，反馈量p v ( n ) 小于给定值s p ( n ) ，误差e v ( n ) 为正， 控制的输出量m v ( t ) 将增大，使执行机构( 变频器) 的输出频率增大，则介质泵的 转速增大，从而增大旋流器中的压力，最终使得实际的压力接近或等于给定值。 而在本系统的实际使用中，控制方式采用的是级联控制，又称为串级控制。两 个控制器串行连接，第一个控制器( 主控制器) 的输出s p 2 是伺服控制器的设定 值，如图3 2 所示。 太原理1 大学硕十研究t 学倚论文 干扰量 控制器 ：被控过程 图3 - 2 级联控制器 f i g u r e 3 - 2c a s c a d i n gc o n t r o l e r 级联控制系统的控制性能可以用附加的过程变量来改进。为此在系统中适当的 地方引出辅助过程变量p v 2 ，将它与主控制器的输出s p 2 比较，得到的误差值作 为伺服控制器的输入量。 主控制器的给定值为s p l ，反馈值为p v l ，它调整s p 2 ，以便尽可能快地使过 程变量p v l 在没有超调的情况下达到设定值。 在串级控制系统中，主控制器和伺服控制器的任务不同，对于它们控制器的 选择需要不同的考虑。伺服控制器是要快动作以消除辅助回路内的扰动，而且副 参数并不要求无差，所以一般都选择p ( 比例) 调节器，主调节器的任务是准确保 持被调量符合生产要求，不允许被调量有偏差，因此主调节器必须具有积分作用， 一般都采用p l 调节器。 在本系统设计中，s p 2 不但是主控制器的输出值而且是伺服控制器的给定值， 对于伺服控制器来说，就是一个随变控制系统。p v 2 是电机转速的过程变量作为 伺服控制器的过程值。p v l 是系统需要调节的旋流器工作压力值。该值作为主控 制器的过程值。s p l 作为主控制器的设定值，根据旋流器的工作压力设定。伺服控 制器使用p ( l l 例) 调节器，主控制器使用p l ( 比例积分) 调节器。 3 1 ，3p l 及p 算法的离散实现过程 ( 1 ) p i 算法的离散实现 p i 控制器调节输出，保证偏差( e ) 为零，使系统达到稳定状态，偏差( e ) 是给定值( s p ) 与过程值( p v ) 的差值。p i 控制原理基于算式( 4 6 ) ，输出m ( t ) 是比 1 2 太原理i ：人学硕十研究生学何论文 例项、积分项的函数。 m ( t ) = k r p + krr e d t + mw ( 3 5 ) 乇 式中： m ( t 1 p 1 回路的输出，是时l 日j 的函数。 p j 回路的增益 ep i 凹路的偏差( 给定值与过程变晕之差) m ，m n a l p l 回路输出的初始值 为了能让计算机处理( 3 5 ) 这个算式，连续算式必须离散成为周期采样偏差算式， 才能用来计算输出值。计算机处理的算式如( 3 6 ) 。 m k c + k i 巳+ m 。 ( 3 6 ) 式中：m 。在第n 采样时刻，p l 回路输出得计算值 kp i 回路的增益 c n 第n 采样时刻偏差值 k i积分项的比例常数 m i m l l a lp l 回路输出的初始值 从( 3 6 ) 这个算式可以看出，积分项是从第一个采样周期到当前采样周期的 所有误差项的函数，微分项是当前采样和前一次采样的函数，比例项仅是当前采 样的函数。在计算机中，不保存所有误差项。 由于计算机从第一次采样开始，每有一个偏差采样值必须计算一次输出值， 所以只需保存偏差前值和积分项前值。利用计算机处理的重复性，可以化简( 3 6 ) 算式为( 3 7 ) 。 m 。k cx e ? l + k j 厶+ m x ( 3 7 ) 式中：m 。 在第n 采样时刻，p 1 d 回路输出得计算值 k 。p l 回路的增益 c n第n 采样时刻偏差值 硒积分项的比例常数 1 3 太原理1 ：人学硕十研究生学仿论文 m x 积分项前值 实际在程序的使用中改进的形式计算p l 输出。这个改进型算式如( 3 8 ) m 。一圯+ m i ( 3 8 ) 式中：m 。 第n 次采样时刻的计算值 m p n第n 次采样时刻的比例项值 m i 。第1 1 次采样时刻的积分项值 比例项： 比例项m p 是增益( i ( c ) 和偏差( e ) 的乘积。其中磁决定输出对偏差的灵敏度， 偏差( e ) 是给定值( s p ) 与过程变量值( p v ) 的差值。程序中执行的求比例算式 是： 膨只；k 。( 啤- p 圪) ( 3 9 ) 式中： m p 。第i l 次采样时刻的比例项值 k增益 s p 。第n 次采样时刻的给定值 p v 。第n 次采样时刻的过程变量值 积分项： 积分项值m i 与偏差和成正比。程序中执行的算法是： 帆；峰r a s p = 一- 一p v a + m x ( 3 1 0 ) 1 1 式中： m i 。第i l 次采样时刻的积分值 k增益 t s采样时间间隔 t i 积分时间 s p n 第n 采样时刻的给定值 p v 。第n 采样时刻的过程变量值 m x 第n 1 采样时刻的积分值( 积分项前值) 积分和( m x ) 是所有积分项前值之和。在每次计算出m l n 后，都要用m i 。去 1 4 太原理1 人学硕十研究生学位论文 更新m x 。其中m l 。町以破限定。m x 的初值通常在第一次计算输出以韵被哥为 m 。i ( 仞值) 。移：分项琏包括其它几个常数：增益( i ( c ) 、采十川t 南( t s ) 和积 分时问( t i ) 。其中采样时间是重新计算输出的时间问隔，而积分时蚓控制积分项 在整个输出结果中的影响大小。 ( 2 1p 算法的离散实现 在有p l 算f 上实i 见的基锚b 上柬说，p 算法的支现相对简午。具体的做法只需在 p l 离散算法实现过程中式( 3 1 0 ) 的增益参数l ( c 取值为零，这样的话在式( 3 8 ) 中的整个积分项m i 就成为零项，从而将积分项屏蔽实现算法。p 3 1 4 程序实现 密控系统的具体压力控制的程序实现框图如图3 - 3 所示。 s p lh t l 压力设定值 l _ 、一f c 系数 l m 、一o f f 偏移量u = l _ 、一l in * l l t n f c + l m o f f 图3 - 3 压力控制结构图 f i g u r e 3 3s t r u c t u r a ld r a w i n go fp r e s s u r ec o n t r o l 画 太原理t ：人学硕十研究生学仲论文 对于图3 3 中各部分的功能如下所述： a 、百分化 旋流器的压力经压力变送器转换成为4 - - 2 0 m a 标准信号传送到p l c 的模拟 量模块( 1 4 0 a c l 0 3 0 0 0 ) ，该模板的a d 转换器为1 2 位精度，也就是说4 - 2 0 m a 标准信号对应十进制数0 - 4 0 9 6 。由此所有的标准信号百分化后都转变成0 - - 1 0 0 之间的实数。而在本例中，厂方提供的旋流器的工作压力在肌1 6 k p a 之间，由 此我们设计的方案中选用的压力变送器的量程范围为肌2 0 k p a ，其信号转换输 出对应的4 - 2 0 m a 。所以在现场控制站( p l c ) q = 的对应数值可由表3 1 得知。 表3 - 1 部分现场信号与p l c 中的对应值 现场压力值变送器转换输出值p l c 中a d 转换值 百分化结果 0 k p a4 m a oo 0 0 0 0 0 2 k p a5 6 1 n a 4 1 0 1 0 0 0 9 8 0 4 k p a7 - 2 m a 8 1 91 9 9 9 5 1 0 6 k p a8 8 m a 1 2 2 93 0 0 0 4 9 0 8k p a1 0 4 m a 1 6 3 83 9 9 9 0 2 1 0 k p a 1 2 m a 2 0 4 85 0 0 0 0 0 1 2 k p a 1 3 6 m a 2 4 5 86 0 0 0 9 8 1 4 k p a1 5 2i t i a 2 8 6 76 9 9 9 5 1 1 6 k p a 1 6 8 m a 3 2 7 78 0 ，0 0 4 9 1 8k p a1 8 4 m a 3 6 8 68 9 9 9 0 2 2 0 k p a2 0 m a 4 0 9 61 0 0 0 0 0 0 因为p l c 中的模拟量输入模板上的d 转换器的精度为1 2 位，在其对输 入模拟量的转换中，必定要损失部分精度。如表3 1 中所示，对于现场的1 6k p a 的实际压力值在百分化后本应该为8 0 ，但是因为模数转换的损失，最终结果为 8 0 0 0 4 9 。但是在实际运行过程中，把这个转换过程看成线性，即百分化结果按 实际结果处理。 1 6 太原理f 人学硕士研究生学侍论文 b 、输入数值格式化 通过改变输入数据的斜聿和偏移量，将敛值转换成艾际物理f ；( l j ) 的 对应值。也就是把a ，d 转换后的转换值换算成现场传回来的压力值，如表3 2 所示。 表3 - 2 现场站p l c 中实际获得部分压力值 c h a r t 3 2s o i t l ep r e s s u r ed a t ag a i n e df r o mp l cs i t e 现场压力值变送器转换输出值p l c 中a d 转换值p l c 中转换后的j 力值 0 k p a4 m a o0 0 0 0 0k p a 0 2 k p a5 6 m a 4 1 0 0 2 0 0 2k p a 0 4 k p a7 2 m a 8 1 9 0 3 9 9 9k p a 0 6 k p a8 8 m a 1 2 2 9 0 6 0 0 1k p a 0 8 l 【p a1 0 4 m a 1 6 3 8 0 7 9 9 8k p a 1 0 l 【p a1 2 m a 2 0 4 81 0 0 0 0k p a 1 2 l 【p a1 3 6 m a 2 4 5 81 2 0 0 2 ”a 1 4 k p a1 5 2 m a 2 8 6 71 3 9 9 9k p a 1 6k p a1 6 8i l i a 3 2 7 71 6 0 0 1k p a 1 8 l 【p a 1 8 4 m a 3 6 8 6 1 7 9 9 8l ( p a 2 0 k p a2 0 m a 4 0 9 6 2 o 咖k p a 由表3 - 2 我们可以知道，在对现场的信号近似取线性后，现场站p l c 中算 得的理论压力值与现场的实际压力值2 1 0 0 0 0 的误差，这在实际情况中是满足 生产要求的。 c 、输出数值格式化 将设定值( 旋流器的指定工作压力) 与过程值( 输入的数值格式化之后的 值，见表4 2 ) 的差值经过p i ( 比例积分) 运算后获得的实际物理量( 压力) 根据实际中设定的输出值的低限和高限转换到0 1 0 0 之间的实数。这样做的目 的是将输出量经过统一的运算后通过模拟量输出模板控制执行机构(