基于PLC的啤酒发酵罐温度控制系统设计(8)

东北石油大学本科生毕业设计（论文）

5.3 PID控制

5.3.1 S7-200的PID指令

在工业生产过程控制中，模拟量的PID（比例、积分、微分）调节是常见的一种控制方式，这是由于PID调节不需要求出控制系统的数学模型，至今为止，很难求出许多控制对象准确的数学模型，对于这一类系统，使用PID控制可以取得比较令人满意的效果，同时PID调节器又具有典型的结构，可以根据被控对象的具体情况，采用各种PID的变种，有较强的灵活性和适用性。选择PLC主机，扩展模拟量处理模块，利用PLC提供的PID编程功能模块，即可实现模拟量闭环控制。

PID算法的实现---在模拟量闭环过程控制领域内，扩展模拟量处理模块，如EM231、EM232、EM235，根据PLC提供的PID编程功能模块，只需设定好PID参数，运行PID控制指令，就能求得输出控制值，实现模拟量闭环控制。PID算法---在模拟量的控制中，经常用到PID运算来执行PID回路的功能，PID回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易。如果一个PID回路的输出M(t)是时间的函数，则可以看作是比例项、积分项和微分项三部分之和。即：

deM(t)?Kce?KcQedt?M0?Kcdt （5-1）

以上各量都是连续量，第一项为比例项，中间两项为积分项，最后一项为微分项。其中e是给定值与被控制变量之差，即回路偏差。Kc为回路的增益。用数字计算机处理这样的控制算式，连续的算式必须周期采样进行离散化，同时各信号也要离散化，公式如（5-2）：

MPn?Kc(SPn?PVn)?KcTsT(SPn?PV)?Mx?KTiT(PV?PVn) （5-2）

公式（5-2）中包含9个用来控制和监视PID运算的参数，在PID指令使用时构成回路表，回路表的格式见表5-2。

表5-2 回路表的格式

参数 过程变量当前值PVn 给定值SPn 输出值Mn 增益Kc 采样时间Ts 积分时间TI 微分时间TD 积分时间MX 过程变量当前值PVn-1 地址 偏移量0 4 8 12 16 20 24 28 32 数据格式 双字，实数 双字，实数 双字，实数 双字，实数 双字，实数 双字，实数 双字，实数 双字，实数 双字，实数 I/O类型 I I I/O I I I I I/O I/O 描述 过程变量0.0～1.0 给定值0.0～1.0 输出值0.0～1.0 比例常数，正.负 单位为秒，正数 单位为分钟，正数 单位为分钟，正数 积分项前值， 0.0～1.0 最后一次PID变量值 32

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PID指令---指令格式：PID TBL， LOOP

图5-4 PID 回路

使能输入有效时，该指令利用回路表中的输入信息和组态信息，进行PID运算：梯形图的指令盒中有2个数据输入端：TBL，回路表的起始地址，是由VB指定的字节型数据；指令LOOP，回路号，是0～7的常数。

PID回路---用户程序中最多可有8条PID回路，不同的PID回路指令不能使用相同的回路号，否则会产生意外的后果。

5.3.2 数值转换及标准化

用可编程序控制器控制PID回路时，要把实际测量输入量、设定值和回路表中的其他输入参数进行标准化处理，即用程序转化为PLC能够识别和处理的数据的标准，例如把从AIW采集来的16位整数转化为0.0～1.0之间的标准化实数。标准化实数又分为双极性（围绕0.5上下变化）和单极性（以0.0为起点在0.0和1.0之间的范围内变化）两种。

程序执行时把各个标准化实数量用离散化PID算式进行处理，产生一个标准化的实数运算结果，这一结果同样也要用程序将其转化为相应AQW，用以驱动模拟量的输出负载，实现控制。

5.3.3 选择PID回路类型

在大部分模拟量的控制中，使用的回路控制类型并不是比例、积分和微分三者俱全。例如只需要比例回路或只需要比例积分回路，通过对常量参数的设置，可以关闭不需要的控制类型。

关闭积分回路:把积分时间TI设置为无穷大，此时虽然由于有初值MX使积分项不为零，但积分作用可以忽略。

关闭微分回路:把微分时间TD设置为0，微分作用即可关闭。 关闭比例回路:把比例增益Kc设置为0，则可以只保留积分和微分项。

PID参数---S7-200CPU提供PID回路指令，进行PID计算。PID回路的操作取决于存储在36字节回路表内的9个参数PID回路表见表5-2。

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5.4 系统程序设计

5.4.1 符号表

啤酒发酵温度控制程序的用户符号表如图5-5所示和POU符号表如图5-6所示。

图5-5 符号表

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图5-6 POU符号表

5.4.2 主程序

主程序控制系统的启动与停止，整个发酵温度控制过程根据不同发酵时期的不同转换条件，调用相关子程序，完成主酵→双乙酰还原→冷却→酵母回收→后贮的阶段的温度根据设定好的曲线实现控制。主程序部分截图见附录。

5.4.3 主酵自然升温段程序

当麦汁和酵母进入发酵罐后，就开始进入主酵阶段。由于发酵是入热反应，温度升高，产生大量的CO2，使发酵液产生强大的对流。在控制上应T上

5.4.4 温度控制程序

啤酒发酵温度自动控制的双乙酰还原阶段、降温保温阶段、后酵保温阶段、第二降温阶段、贮酒保温阶段等控温阶段，控制原理和程序流程相同，根据分别设定曲线进行PID控制，使系统控制精度符合啤酒发酵工艺要求。下面以由双乙酰还原阶段至后酵保温阶段间的降温保温阶段为例说明其相关的主要程序。

5.4.4.1 模拟量信号采集处理程序

读入发酵罐上部温度、中部温度、下部温度、压力、液位模拟信号，然后分别转换为双字变量，再分别转换为浮点数。

5.4.4.2 温度设定控制程序

对发酵罐温度使用PID控制必须具备的条件是设定的温度和实际温度。降温保温阶段温度设定值随发酵时间而变化，温度的设定值的计算可按比例计算求值。如图5-7所示设曲线a是温度设定曲线的一部分t1和t2是曲线的两个端点的横坐标，T1和T2是曲线两个端点的纵坐标，t是当前的时间，T就是当前的设定温度。用简单的比例关系式就可以求出当前的设定温度值T。

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T?T2?T1t2?t1?(t?t1)?T1

T(温度)aT2TT10t1tt2t（时间）图5-7 温度设定值的计算

5.4.4.3 PID回路计算

在计算出温度的设定值之后，就可以根据以下的PID计算式计算出对应的输出值：

Mn?Mn?1?Kc?[(En?En?1)?TsT1?En?TDTS?(PV?2PVn?1?PVn)]

5.4.5 电磁阀控制

在啤酒发酵温度自动控制的各阶段，特别是贮酒保温阶段的温控以上、中、下三段均衡控温为主，缩小罐内发酵液温差。在贮酒过程中罐内下段二氧化碳的密度梯度高于中上段，而下段发酵液的密度高于中、上段，同时存在自下而上和自上而下的对流，状态紊乱，缓慢而不规则，使用调节阀控制冷媒可采用长时间小流量的操作方法，对于开关阀则可采用高频短时间开启控制，避免长时间深度冷却，电磁阀是二位式的，所以其阀的开关动作为占空比连续变化的PWM输出。电磁阀PWM输出波形图如图5-8所示。程序通过温度计算及PID算法确定电磁阀的开度 …… 此处隐藏：1591字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……