纸机配浆DCS控制系统

I 纸机配浆DCS控制系统设计 摘 要 配浆作为打浆到抄造工段必经的一个重要环节, 对成纸质量以及纸张各项性能指 标的稳定起到关键作用,尤其在连续配浆生产过程中, 人工操作无法做到控制各种浆料、 胶料、辅料的准确配比, 因此精确、稳定的配浆自动控制系统就显得尤为重要。目前 随着计算机技术的迅猛发展，计算机控制系统在造纸生产过程中已经得到了广泛的应 用。实行配浆过程计算机控制系统对保证正确配比、节约造纸原料及降低吨纸成本均 具有重要意义。其中，PLC 控制系统是目前过程控制系统中的主流产品，它的出现使 得造纸的过程控制更具有了先进、可靠、简单易行的特点。本文主要应用S7-300PLC知 识完成纸机配浆过程中各项参数的自动控制 。 关键词关键词: 配浆、可编程逻辑控制器、比值控制 II Pulp Blending DCS Control System Design ABSTRACT The Pulp blending as an important part in Beating to the papermaking, On the paper quality and paper the stability of the performance indicators play a key role, Especially in the production process of pulp blending. Manual operation will not be able to control various sizing, glue and auxiliary materials for accuracy ratio, So precise, stable automatic pulp blending control system has become particularly important. At present, with the rapid development of computer technology，Computer control system in paper production process has been widely. Implementation of pulp blending computer control system to guarantee proper proportioning, saving paper and paper costs decrease importance. Within this total, the PLC system is currently the process control system in the mainstream products, Its appearance makes the paper more with advanced process control, reliable and simple features。This article uses primarily S7-300PLC knowledge to complete the paper machine pulp blending during various parameters of automatic control. KEY WORDS: pulp blending, Programmable logical controller, Ratio control III 目 录 摘 要 .I ABSTRACT .II 1 绪论 .1 1.1 概述.1 1.2 课题背景.1 1.2.1 工业过程自动化控制的发展 .1 1.2.2 造纸行业的自动化过程 .1 1.3 系统设计目标.2 1.3.1 配浆方式 .2 1.3.2 系统概述 .2 1.3 本文主要内容.3 2 配浆控制系统的硬件设计 .4 2.1 S7-300PLC 工作原理 .4 2.2 S7-300PLC 系统结构 .4 2.3 硬件设计.4 2.3.1 电源模块 .4 2.3.2 中央处理器模块 .5 2.3.3 S7-300 模拟量模块选择.6 3 系统控制程序实现 .9 3.1 编程组织块和数据块.9 3.2 编程语言.11 3.3 PID 控制 .12 3.3.1 PID 算法.12 3.3.2 对 PID 进行参数设置： .16 3.4 控制策略设计.17 3.4.1 浓度控制 .17 3.4.2 流量配比控制 .18 3.5 控制程序实现.19 3.5.1 程序流程 .19 3.5.2 控制程序的实现 .19 4 人机界面设计 .48 4.1 MCGS 组态软件 .48 IV 4.2 MCGS 组态软件的系统构成 .48 4.2.1 MCGS 组态软件的整体结构.48 4.2.2 MCGS 组态软件五大组成部分.49 4.2.3 组建新工程的一般过程 .50 4.3 纸机配浆控制系统的组成.51 4.3.1 实时数据设置 .52 结论与展望 .55 致 谢 .56 参 考 文 献 .57 纸机配浆 DCS 控制系统设计1 1 绪论 1.1 概述 配浆(包括调料)是造纸过程中打浆到抄造工段必经的一个重要环节。配浆过程中 由于各种浆料的浓度、流量、打浆度等参数一直在变，所以人工操作很难做到各种浆 料、胶料、填料的精确配比，这样一来，就容易出现配比不稳定，配成浆浓度波动、 各浆池液位渡动等相互关联的不利现象，恶化该工段和后续抄造工段的工艺条件。导 致断纸、水分定量频繁变化等同题，甚至使成品纸质量降级。因此，实现配浆过程的 计算机控制对保证正确配比、节约造纸原料及降低吨纸成本均具有重要意义。目前， 配浆过程计算机控制已成为国外造纸综合自动化系统中一个重要的组成部分，国内这 方面的研究尚未见报道。实行配浆过程计算机控制系统对保证正确配比、节约造纸原 料及降低吨纸成本均具有重要意义。 1.2 课题背景 1.2.1 工业过程自动化控制的发展 当今社会中，自动控制技术已经在工业生产和科学发展中起着关键的作用。现在 自动化装置已是大部分设备不可分割的重要组成部分。一些大型生产过程如果不配置 合适的自动控制系统，是根本无法运行的。可以说，生产过程自动化的程度已成为衡 量工业企业现代化水平的一个重要标志。 我国工业过程自动化的水平在近年来有了较大的提高，但是与国外先进水平相比 还有较大的差距。 自20 世纪50 年代计算机开始用于工业过程控制以来，过程控制的发展经历了以 下几个阶段： a) 直接数字控制(DDC) b) 分散集中控制(DCS) c) 两级优化控制 d) 工业过程计算机集成控制(CIPS) 计算机的应用促进了控制理论的发展。先进控制的理论和计算机技术的发展推动 了工业控制的微机化、智能化和网络化，也推进了先进控制理论的应用。同时，先进 控制理论的成功应用也促进了控制理论的持续和深入的开展。因此，计算机在工业生 产和理论研究中发挥的作用是无法估量的。同时采用计算机控制可以实现工业过程连 续化、大型化和精密化的要求，可以进行在线运算，完成一些比PID更灵活的控制。 1.2.2 造纸行业的自动化过程 陕西科技大学毕业设计说明书2 计算机应用于造纸工业始于1964 年。最初的应用集中于工业控制计算机进行过程 变量或产品质量的自动控制，如浆的蒸煮温度，流浆箱液位、压力，纸抄造过程中的 浆浓度与流量、纸张定量水分控制等。 20世纪70年代后期，DCS(Distributed Control System)与PLC(Programmable Logic Controller)以其优良的性能在工业控制中崭露头角，很快在造纸工业中也得到 了普遍的应用而自动化系统也逐渐由原来单一的过程控制向管理与控制一体化的综合 自动化方向发展。 随着造纸生产工艺不断进步和生产设备的不断更新，造纸生产自动控制的要求也 越来越高。造纸生产的自动控制，过去只集中在电气传动方面。现在的范围已经扩大 到打浆控制系统、配浆控制系统、上浆流送控制系统、纸机干燥部多段通气控制系统 （热泵控制）和水分定量检测等方面，即通常说的DCS过程控制系统和QCS质量检测系 统，正朝着整厂集中控制的方向发展。 1.3 系统设计目标 本次设计的课题为造纸厂生产自动控制系统，主要完成造纸厂纸浆的配比控制。 当前在造纸行业中，随着造纸机车速的提高和设备的更新，纸浆配浆控制方式中原来 的配浆箱方式配浆已经逐步被管道配浆方式替代。 1.3.1 配浆方式 当前纸浆管道配浆有三种方式，可根据生产情况、技术要求和经济情况来选取。 第一种为流量给定控制方式，此种方式用人工给定参与配浆的各浆种流量的大小， 来控制到成浆池各种浆的比率。 第二种为比率自动控制方式，主要利用成浆池液位控制的输出作为主要浆种的流 量给定，并通过比率控制器决定其它浆种的流量给定。其具有的优点为：能按纸机抄 造情况，自动控制瞬时配比的各种浆流量大小，可保证成浆池液位稳定。 第三种为绝干量比率自动控制方式，此种方式按参与配浆浆种的绝干纤维量来计 算和控制各种浆配比的比率。它比流量控制更为准确，能够稳定控制各种浆的配比。 其优点是配浆效果好，浆种的纤维配比稳定，更改、调整更为容易。此方案不需要人 工计算，只需给定各种浆绝干的配比。 1.3.2 系统概述 系统提供了面浆(木浆) 、衬浆(苇浆)和芯浆(草浆)3种浆料，为了达到节省造纸 成本的目的，使三种纸浆按一定的配比注入到成浆池进行充分的混合，为后续环节提 供达到一定生产要求的成浆。其工艺流程如图1-1 纸机配浆 DCS 控制系统设计3 图1-1 工艺流程图 1.3 本文主要内容 本文研究配浆自动控制的控制策略，即完成上述的系统控制部分的设计。本文的主要 内容包括： (a)确定系统的控制目标； (b)系统控制策略的设计与研究； (c)控制算法库的设计与研究； (d)控制程序的实现。 陕西科技大学毕业设计说明书4 2 配浆控制系统的硬件设计 2.1 S7-300PLC 工作原理 SIEMENS SIMATIC 运行时要进行一系列的操作，大致可分为四个阶段，以故障 诊断通信处理为主的公共操作，联系工业现场的数据输入输出操作，执行用户程序的 操作以及服务于外部设备的操作。S7-300PLC 与其它可编程序控制器一样都是采用分时 操作的原理，即循环扫描方式，也就是说首先扫描输入模块的状态，并更新输入过程 映像区寄存器，接着执行用户程序，最后从输出过程映像寄存器将值输出到输出模块， 一次循环下去。 2.2 S7-300PLC 系统结构 S7-300PLC 功能强、速度快，扩展灵活，它具有结构紧凑、无槽位限制的模块化结 构。并且可以通过 MPI 网的接口与可编程器(PG)、操作员模块(OP)、和其它 S7 系列 相连。 S7-300 主要组成部分有：导轨(RACK)、电源模板(PS)、中央处理单元(CPU)、 信号模板(SM)、模板功能(FM)，还可加上接口模板(IM)和通信处理器(CP) 。 2.3 硬件设计 2.3.1 电源模块 选择电源要考虑： PS 307电源模块的特点为：连接单相交流系统（输入电压120/230VAC,50/60HZ）， 输出电流2A/5A/10A，输出电压24V DC，防短路和开路保护，可靠的隔离特性，符合 EN60950，可用做负载电源。 本设计选用的是PS307 5A为配浆控制系统的CPU提供电源。 纸机配浆 DCS 控制系统设计5 PS-307(5A)接线图如图2-1 “24 VDC输出电压工作”显示 24 VDC输出电压接线段 张力消除 主回路和保护性导体接线 24 VDC开关 电源选择器开关 图2-1 PS-307(5A)接线图 对非典型工作条件的响应 表2-1 PS-307(5A)电源模块对非典型工作条件的响应 如果.则 24 VDC LED 输出电路过载： I6.5A(动态) 5 A I 6.5 A（静态） 电压突降，自动恢复电压 电压降低，缩短使用寿命 闪烁 .输出短路输出电压为0 V；消除短路后，自动恢复 电压 灭 初级端过压存在毁坏的危险 - 初级端欠压自动关闭；自动恢复电压灭 2.3.2 中央处理器模块 S7-300 的 CPU 模块种类有 CPU312 IFM、CPU313、CPU314、CPU315、CPU315- 陕西科技大学毕业设计说明书6 2DP 等。CPU 模块除了执行用户程序外，还为 S7-300 背板总线提供 5V DC 电源，并 通过 MPI 接口与其它中央处理器或编程装置通信。S7-300 的编程装置可以是西门子专 用的编程器，如 PG705、PG720、PG740、PG760 等，也可以用通用微机，配以 STEP 7 软件包，与 MPI 卡和 MPI 编程电缆构成。 S7-300 的 CPU 有很多种类型，可以分为一下几种： (a)标准型：CPU312、CPU313、314、315、315-2DP 和 316-2DP。 (b)紧凑型 CPU：CPU312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP 和 314C- 2DP。各 CPU 均有计数、频率测量和脉冲宽度调制功能。有的有定位功能，有的带有 I/O。 (c)户外型：CPU312IFM、314IFM、314 户外型,在恶劣的环境下使用。 (d)高端 CPU：317-2DP 和 CPU318-2DP。 (e)故障型 CPU：CPU315F。 本设计选用标准型 CPU 模块：CPU314。 2.3.3 S7-300 模拟量模块选择 S7-300有多种型号的模拟量模块可供选择。本设计选用了1个SM-331模拟量输入 模块，2个SM332模拟量输出模块。SM-331 模块主要完成浓度、流量以及整个系统中 其他模拟量的采集功能，SM332主要处理浓度、流量的输出信号。 (1)模拟量输入模块SM-331 模拟量输入（简称模入，AI）模块SM331目前有多种规格型号，如8AI 12位模块、 2AI 12位模块和8AI 16位模块，分别为8通道的12位模拟量输入模块、2通道的12位模 拟量输入模块、8通道的16位模拟量输入模块。它们除了通道数和转换精度不一样外， 其工作原理、性能、参数设置等各方面都一样。 SM 331模块中的各通道可以分别使用电流输入或电压输入，并选用不同的量程(量 程可通过量程卡来设置;没有量程卡的模块时也可以通过不同的端子接线方式设置)， 有多种分辨率可供选择(9-15位+符号,与模块有关),分辨率不同，转换时间也不同。模 拟量转换是顺序执行的，每个模拟量通道的输入信号是被依次轮流转换的。 (a)连接电压传感器 对电压传感器进行接线和连接如图2-2 纸机配浆 DCS 控制系统设计7 图2-2 对电压传感器接线，并连接到电隔离 AI (b)连接电流传感器 对2线传感器进行接线，并将它们与模块的电源相连接如图2-3 图2-3 对2线传感器接线，并连接到电隔离AI (c)连接电阻温度计和电阻 电阻温度计的 4 线制连接如图2-4 电阻温度计生成的电压在 M+ 和 M- 端子之间测得。 对设备进行接线和连接时要 遵守极性，（在电阻温度计上将 IC+ 和M+ 连接，IC - 和 M- 连接）。请务必始终将 IC+、M+、IC- 和M- 线路直接连接到电阻温度计上。 图2-4 电阻温度计与电隔离模拟输入的4线连接 (2)模拟量输出模块SM-332 模拟量输出（简称模出，AO）模块SM 332目前有三种规格型号，即4AO12位模块、 2AO12位模块和4AO16为模块，分别为4通道的12位模拟量输出模块、2通道的12位 模拟量输出模块和4通道的16位模拟量输出模块。用于将CPU送给它的数字信号转换为 成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分是D/A转 换器，可以用传送指令“TPQW.”向模拟量输出模块写入要转换的数值。 SM 332可以输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可以采用2线回路和4线 回路两种方式与负载相连。采用4线回路能获得比较高的输出精度。如图2-5 陕西科技大学毕业设计说明书8 2-5 负载到电隔离模拟输出模块电压输出的4线连接 纸机配浆 DCS 控制系统设计9 3 系统控制程序实现 本课题采用的控制器为西门子公司 S7-300 系列 PLC，S7-300 是主要由 CPU、电源 模块、信号模块、功能模块、通信处理器、接口合自动化工程中的各种应用场合，尤 其是在生产制造工程中的应用。 S7 系列 PLC 的 CPU 中运行着两种程序；操作系统程序和用户现与特定的控制任务 无关的功能，包括处理 PLC 的启动、刷新输入用户程序、处理中断和错误、管理存储 区和处理通信等。用户程序由然后将它下载到 CPU。用户程序包含处理用户特定的自动 化任务所包括 CPU 启动时的初始化工作、处理过程数据、对中断的响应和对异常和错 误的处理等。 3.1 编程组织块和数据块 STEP7 是 S7-300 系列 PLC 的编程和组态软件，STEP7 采用结构化编程方法，它将 用户编写的程序和程序所需的数据放置在“块”中，使单个的程序部件标准化。通过 在块内或块之间类似子程序的调用，使用户程序结构化，这样可以简化程序组织，使 程序易于修改、查错和调试。块结构显著地增加了 PLC 程序的组织透明性、可理解性 和易维护性，STEP7 中主要有以下几种类型的块； (a)组织块-0B(Organization Block) (b)功能-FC(Function) (c)功能块-FB(Function Block) (d)系统功能-SFC(System Function) (e)系统功能块-SFB(System Function Block) (f)背景数据块-背景 DB(Instance Data Block) (g)共享数据块-共享 DB(Share Data Block) OB、FC、FB、SFC 和 SFB 中包含由 S7 指令构成的程序代逻辑块。因此称为程序块 或者逻辑块。背景 DB 和共享 DB 中不包含 STEP 7 的指令，它们用于存放用户数据，称 为数据块。上述各类块的主体由两个部分组成；变量声明表部分和程序数据部分(对程 序块而言)或者数据部分(对数据块而言)。 (1)组织块(OB) 在 CPU 中，用户程序由启动程序、主程序和各种中断响应程序等不同的程序模块 组成，这些模块在 STEP7 中的实现形式就是 OB。OB 是直接被操作系统调用的用户程序 块，OB 与不同的 CPU 类型是相关的，某一型号的 CPU 支持哪些 OB 是确定的。例如， OB35 和 OB40 可在 CPU 315-2DP 中使用，而 OB36 和 OB41 则不行。因此，用户只能编写 目标 CPU 支持的 OB。 陕西科技大学毕业设计说明书10 OB1 是对应于循环执行的主程序的程序块，它是 STEP7 程序的主干。其他大多数 OB 则对应于不同的中断处理程序(另外还有启动程序和背景程序等非中断类的 OB)。与 每一个 OB 紧密相连的是它对应的类型和优先级。OB 的类型指出了它的功能，例如延时 中断、循环中断等；OB 的优先级则用于表明一个 OB 是否可以被另外一个 OB 中断，优 先级较低的 OB 总是可以被优先级较高的 OB 中断。 (2)功能(FC)和功能块(FB) FC 和 FB 都是由用户自己编写的程序模块，可以被其他程序块(OB、FC 和 FB)调用。 与其他编程语言中的“函数”相似，FC/FB 也带有参数，以名称的方式给出的参数称作 形式参数(形参)，在调用时给形式参数赋的具体值就是实际参数(实参)，也即形参是 实参在逻辑块中的名称。 FC 与 FB 的根本区别在于；FC 不具备自己的存储区，而 FB 拥有自己的存储区-背 景 DB，在调用任何一个 FB 时，都必须指定一个背景 DB。 (3)系统功能(SFC)和系统功能块(SFB) SFC 和 SFB 是预先编好的可供用户程序调用的 FC 与 FB，它们已经固化在 S7 的 CPU 中，用户不可以修改它们。它们作为操作系统的一部分，不占用程序空间。通常 SFC 和 SFB 提供一些系统级的功能调用，例如通讯功能等。虽然 SFB 己经固化在 CPU 中， 但是 CPU 中并不包含背景 DB，因此，SFB 和 FB 一样，在调用之前需要由用户生成相关 的背景 DB。 (4)背景 DB 和共享 DB DB 分为背景 DB 和共享 DB 两种类型。背景 DB 是和 FB 相关联的，因此在创建背景 DB 时，必须指定它所属的 FB，而且 FB 必须已经存在。在调用一个 FB 的时候，也必须 指明一个与之对应的背景 DB。 背景 DB 与共享 DB 没有本质的区别，它们的数据都可以被任何一个 OB，FC 或 FB 读写。两者之间的主要区别在于使用的目的。背景 DB 的用途或者目的是为某一个 FB 提供数据，因此其数据格式必须与该 FB 的变量声明一致；共享 DB 的主要目的是为用 户程序提供一个可保存的数据区，它的数据结构并不依赖于特定的程序块。 在 S7 用户程序中有几种不同类型的块可以总结如下表 3-1 所示 纸机配浆 DCS 控制系统设计11 表 3-1 S7-300 的程序块 块功能的简要描述还可参考 组织块(OB)OB 决定用户程序的结构组织快和程序结构 系统功能块（SFB）和系统功 能（SFC） SFB 和 SFC 集成在 S7CPU 中 可以让你使用一些重要的系 统功能 系统功能块（SFB）和系统功 能（SFC） 功能块（FB）FB 是带有存储区域的块，你 可以自己编程这个区域 功能块（FB） 功能（FC）FC 中包含经常使用的功能的 例行程序 功能（FC） 背景数据块（背景 DB） 当一个 FB/SFB 被调用时，背 景 DB 与该块相关联，它们可 在编译过程中自动生成。 背景数据 数据块（DB） DB 是用于存储用户数据的数 据区域，除了指定一个功能 块的数据，还可以定义可以 被任何块使用的共享数据块 共享数据块（DB） 3.2 编程语言 STEP 7标准软件包支持三种编程语言：梯形图 LAD（Ladder logic Programming language）、语句表 STL（Statement List Programming Language）和功能块图 FBD（Function Block Diagram Programming Language）.不同的编程语言为具有不同 的知识背景的编程人员提供了选择。 梯形逻辑图（或LAD）是STEP 7编程语言的图形表达方式。它的指令语法与一个继电 器的梯形逻辑图相似：当电信号通过各个触点、复合元件以及输出线圈时，使用梯形 图，可以追踪电信号在电源示意线之间的流动。 语句表（或STL）是STEP 7编程语言的文本表达方式，与机器码相似。如果一个程序 是用语句表编写的，CPU执行程序时则按每一条指令一步一步地执行。为使编程更容易， 语句表已进行扩展，还包括一些高层语言结构（例如，结构数据的访问和块参数）。 功能块图（FBD）是STEP 7编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑 框来表达逻辑。复合功能（如数学功能）可用逻辑框相连直接表达。 其它编程语言作为可选软件包使用。 这三种编程语言中，LAD和FBD都是图形化的编程的语言，特点是易理解、易使用， 陕西科技大学毕业设计说明书12 但是灵活性相对较差;STL是更接近程序员的语言，能够实现指针等非常灵活的控制， STEP 7还支持将符合一定语法规则的STL文本源程序直接导入，但是STL不够直观，需 要记忆大量编程指令，而且要求对CPU内部的寄存器等结构了解比较深刻。 为了充分发挥不同编程语言的优势，STEP 7支持这三种语言的混合编程以及相互 之间的转换。一般来说LAD和FBD程序都可以通过STEP 7自动转换成STL程序，但是并非 所有的STL语句都可以转换成LAD和FBD。 3.3 PID控制 3.3.1 PID算法 PID 控制算法是本控制系统的一个主要算法。PID 控制是自动控制中产生最早的 一种控制方法，至少可追溯到1000年前我国北宋年间发明的闭环调节系统水运仪 象台。PID控制在实际控制工程中应用最广，据不完全统计，在工业过程控制，航空航 天控制等领域中，PID控制的应用占80 %以上。根据不同对象特点与不同控制要求， PID又可分PI ，PD ，PID，增量PID ，分离积分的PID ，以及带各种滤波器的PID 控 制器等。 由于采用计算机控制，使用数字PID算法。数字PID算法有位置式和增量式两种算 法。 1位置式PID算法 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因 此对连续PID控制中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID 控制算法的算式，现以一系列的采样时刻点kT 代表连续时间t，以和式代替积分，以 增量代替微分，则可作如下近似变换： (3-1) ( = 1,2,3) 0 () = 0 ()= = 0 () () () （ 1） = () ( 1) ? 其中：T采样周期 显然，上述离散化过程中，采样周期T 必须满足足够短，才能保证有足够的精度， 为书写方便将e(kT)简化表示成e(k)，省去T ，进而可以得离散的PID表达式为： U(k)= (3-2) ()+ = 0 ()+ ()- ( 1) 式中： k 采样序号（k =0,1,2）； u(k)第k 次采样时刻的计算机输出值； 纸机配浆 DCS 控制系统设计13 e(k)和e(k-1)为第k次和第k-1次采样时刻输入的偏差值； Ti积分系数； Td微分系数 由于计算机输出的u(k)直接去控制执行机构电动阀，u(k)的值和执行机构的位置 （如阀门开度）是一一对应的，通常称表达式(4)为位置式PID控制算法。图 3-1给出 了位置式PID控制系统示意图。 图3-1 位置式PID 控制系统示意图 这种算法的缺点是，由于为全量输出，每次输出均与过去的状态相关，计算时要 对e(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的u(k)对应的是执行 机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构位置的大 幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生 产事故。 2. 增量式PID算法 增量式PID控制算法是指数字控制器的输出只是控制量的增量u(k)。当实际过程 对象中，执行机构需要的是控制量的增量（例如驱动步进电动机）时，可由式(3-2)推 导出增量式PID的控制算法。根据递推原理可得： U(k-1)= (3-3) ( 1)+ = 0 ()+ ( 1)- ( 2) U(k)= (3-4) ()+ = 0 ()+ ()- ( 1) 将式(3)与式(4)两边相减，可得： U(k)=+ (3-5) ()+ () ()- ( 1) 式中： ()= () ( 1) 式(5)称为增量式PID控制算法。 可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T ，一旦确定了 K、Ki、Kd,只要使用前三次测量值的偏差，即可由式(3-5)求出控制增量。 采用增量式算法时，计算机输出的控制增量Du(k)对应的是本次执行机构位置的增 量。对应阀门的实际位置的控制量，即控制量增量的积累需要采用特定的方法来解决， 陕西科技大学毕业设计说明书14 例如采用有积累作用的组件如（步进电动机等）来实现。 增量式控制给我们的实际控制系统带来不少优点： (a)由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。 (b)手自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由 于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，能保持原值。 (c)算式中不需要累加。控制增量Du(k)的确定仅与最近k 次的采样值有关，较容 易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 增量式控制方式的不足之处主要有：积分截断效应大，溢出影响大等。 作为浓度控制算法，在实际中，通常使用位置式PID，这主要是由回路中的执行机 构电动阀门的特性决定的。电动阀门接收脉冲信号，这需要控制器能够将PID 的运算 结果转换成相应的脉冲输出，而增量式PID的结果是一个递增量，这不方便输出类型转 化。 从PID 算法自身来看，并不是所有的回路都得把比例、积分和微分全都用上，尤 其是在实际的工业领域中。微分运算能够极大地加快整个系统的调节速度，这势必容 易导致系统稳定性降低，影响整个控制效果。通过在实际中的应用发现，常规的PI运 算已经能够满足大部分的控制要求。 PI运算的公式如式(3-6)所示。 U(k)= (3-6) ()+ = 0 () 增量式PID 计算出来的是控制增量，但是我们的控制量适宜利用位置式PID 算法， 但其运算量太大，且编程复杂，我们可以采用增量式PID，具体编写程序的时候输出的 控制量是实际的控制量，即前一次的控制量与计算的增量之和。但是理想的数字PID 算法存在理想微分控制所固有的缺点，即对高频干扰微分作用响应过于灵敏，容易引 起振荡，降低控制品质；在实现计算机控制时，由于计算机对每一个回路的输出时间 是很短暂的，而驱动执行器动作又需一定的时间，这样对较大的输出在短暂的时间内 执行器往往达不到应有的开度，造成输出失真。因此我们一般会对理想的PID 算法进 行适当的处理，在理想PID 算法输出中串联一个一阶惯性环节，实用的增量式PID算法 为： U(k)=(1-)u(k-1)+ p(k) (3-7) p(k)= (3-8) ()+ () + ()- ( 1) 纸机配浆 DCS 控制系统设计15 = (3-9) + T和Kd为串联的一阶惯性环节的参数。 在实际过程中，控制变量因受到执行元件机械和物理性能的约束而限制在有限范 围内，即 (3-10) 其变化率也有一定的限制范围，即 | | (3-11) 如果由计算机给出的控制量u在上述范围内，那么控制可以按预期的结果进行。一 旦超出上述范围，例如超出最大阀门开度或进入执行元件的饱和区，那么实际执行的 控制量就不再是计算值，由此将得不到期望的效果，这类效应通常称为饱和效应：这 类现象在给定值发生突变时特别容易发生，所以有时也称为启动效应。 在增量式算法中，特别在给定值发生跃变时，由算法的比例部分和微分部分计算 出的控制增量值可能计较大（一般情况下 T/Ti 的值要小得多；积分部分的值相对比较 小）。比例和微分饱和对系统的影响是减慢动态过程。 纠正比例和微分饱和的办法采用“积累补偿法”，其基本思想是将那些饱和而未 能执行的增量信息积累起来，一旦可能时，再进行补充执行。其算法流程图可见图 3- 2。 图3-2 用积累补偿法纠正比例及微分饱和 在具体编写本系统的增量式PID 算法时，可以根据系统的具体情况加以改进，我 们此处只考虑了简单的控制量的范围限制。同时还考虑了PID 算法的死区问题，当PID 陕西科技大学毕业设计说明书16 算法的输入误差在规定的死区范围内时，PID 的输出为前一次的输出值，即使执行器 的位置不发生改变，避免了执行器的频繁动作。由于增量式PID 利用到系统输入的前 两次的偏差值，我们需要将其保存起来，我们可以利用组态软件提供的参数获得 (GetAlgParameter)和参数设置(SetAlgParameter)两个函数来完成误差的保存，在编 写程序的过程中，经常利用这两个函数来保存一些变量。 在具体的PID算法程序中要用到很多变量，程序中用到的各个变量表示的意义见 表3-2。 表3-2 增量PID算法中各个变量的意义 In系统当前采样时刻iT 的误差 PrvOutPID模块前一次的控制输出 DeadArea系统的死区范围 KpPID调节器的比例增益 TiPID调节器的积分时间常数 TdPID调节器的微分时间常数 PrvIn系统在第(i-1)T 采样时刻的误差 PPrvIn系统在第(i-2)T 采样时刻的误差 ExePeriod系统的采样时间 OutPID模块此次计算的控制输出 Var_Out当前计算的控制增量 3.3.2 对 PID 进行参数设置： 选择 PID 设置界面如图 3-3 纸机配浆 DCS 控制系统设计17 图 3-3 PID 设置界面 新建项目如图 3-4 图 3-4 新建项目 对新建项目进行参数设置如图 3-5 图 3-5 参数设置 3.4 控制策略设计 3.4.1 浓度控制 由于面浆、衬浆、芯浆的浓度是互不影响的，且受其他的影响较小，将两者分开 控制，通过分别控制相应的电动阀的开度来控制加水量的大小，调节浓度。采用最常 用的PID控制。 陕西科技大学毕业设计说明书18 浓度控制的系统框图如图3-6所示 图3-6 浓度控制框图 注意到，在图3-6中有一个反作用变换模块，其功能是改变调节器的正、反作用方 式。为了适应不同被控对象实现负反馈控制的需要，工业调节器都设置正、反作用开 关，以便根据需要将调节器置于正作用或者反作用方式。所谓正作用方式是指调节器 的输出信号u 随着被调量y的增大而增大，此时整个调节器的增益为“”。处于反作 用方式下，u随着被调量y的增大而减小，调节器的增益为“”。只有根据被控对象 的特性正确选择调节器的作用方式才能够有效的控制被控量，否则会使系统的控制性 能更糟，甚至带来生产事故。 由浓度控制的原理可知，当调节加水量的电动阀的开度增大时，会使系统的浓度 变小，此时控制器的输出信号应该减小，使电动阀的开度减小，增大浓度，以保证浓 度稳定在给定值，因此调节器应该选择反作用方式。 3.4.2 流量配比控制 系统中要求检测各浆液的流量，检测流量是为了是各浆液有一个比较精确的配比， 各浆液的精确配比对纸张质量以及对原材料的节约起到很重要的作用。 其流量及配比控