MCGS与PLC在锅炉夹套温度串级PID控制系统的应用

北方民族大学电气与信息学院　孙　浩　尚　燕　牛小燕

MCGS与PLC在锅炉夹套温度串级PID控制系统的应用

北方民族大学电气与信息学院孙浩尚燕牛小燕

通过对传统锅炉温度串级PID控制系统的分析，得出其自动化程度不高并存在纯滞后特性，因此很难满足现在复杂的工业控制。本文基于PC机为上位机，S7-200PLC为控制器，电磁阀SCR为被控对象的控制系统研究。通过Smith补偿消除了时滞对系统的影响，同时MCGS的画面更加方便操作人员的监控。

MCGS；PID；S7-200PLC；串级控制；Smith补偿

随着生产的发展和生产工艺的增加，传统的工业控制系统已不能满足现在控制系统要求。由于串级控制系统能迅速克服进入副回路扰动的影响，增强系统的动态性能，因此采用串级控制。PC机和MCGS组合为上位机，S7-200PLC为控制器，同时对主副回路控制均采用Smith-PID控制器的策略。

1　锅炉夹套串级控制的设计原理

夹套温度作为主控制对象，在控制系统中起到主要的控制，而炉胆内的温度作为副控制对象起辅助的控制作用。当扰动加入副回路中，此时副控制器是一个定值控制。副回路对检测到的扰动首先进行粗调，减少进入主控制回路的扰动。

2　锅炉夹套串级控制的硬件设计

2.1锅炉夹套串级控制系统

控制系统的结构如图1所示：

图1　控制系统的结构

2.2硬件的功能介绍

（1）S7-200PLC 通过EM235实现传感器与PLC的数据通信，对采集的数据进行处理并传送给个执行机构如SCR。同时S7-200PLC还和上位机实现通讯，如程序的下载，MCGS和PLC各参数的数据交换，实现了在线监控的目的。

（2）EM235模拟量模块4路输入和1路模输出。主要是完成模拟量和数字量的转换。设置EM235模拟量输入为0-5 V电压输入，模拟量输出为4-20 mA。

（3）SCR 系统的执行器，PID整定的参数传送给SCR，来实现控制器温度的升降。

（4）上位机 PC机和MCGS组态软件。

（5）温度传感器，这里选择Pt100 铂电阻。

（6）变送器 将电阻信号转换成4-20mA。

3　Smith预估器的PID实现

3.1Smith预估器

由于锅炉存在较大的滞后特性，破坏系统的动态性能，出现超调和振荡现象。Smith预估器是一个对时滞进行补偿的控制器，使被延迟的被调量，超前反映到调节器，使调节器提前动作，来抵消时滞所造成的影响PID参数整定。设被控对象的传递函数，为Smith预估器的传递函数，理想的闭环控制是将纯滞后环节放到闭环控制系统外，由于系统的滞后现象无法消除，故两者闭环传递函数是相同的，即：

求得从而求得Smith预估器的传递函数：

闭环系统的传递函数为：

由式可知闭环控制回路中不存在纯滞后环节与未加Smith预估器的控制特性是完全一样的。通过加入Smith预估器，可以消除纯滞后部分对系统的影响，从而达到更精确的控制效果。

3.2PID参数整定理论

PID控制器是按照比例、积分、微分规律进行控制的，是现在最为广泛应用的控制器。PID算法的实现是将系统传递函数，化成和有关的公式即：

3.3PLC中PID的实现

每个控制回路的PID都有两个输入给定值，反馈值。由于数据类型的不同，因此在进行PID运算及输出要进行数据的标准化处理， PID回路控制程序如图2所示。

图2　PID回路控制程序

3.4串级PID参数整定

参数的整定，就是通过控制器参数的整定，找到最佳的控制参数，以达到最好的控制品质。本课题采用逐步逼近法。逐步逼近法就是断开主回路，把求得副控制回路的参数加入控制系统中，同时主回路闭合，并求得主控制器的参数。在保持该主控制参数时进行第二次的副控制器参数整定，直到能够满足控制系统的品质要求为止。

3.5PLC程序流程图

PLC程序流程图如图3所示，主程序主要是程序的初始化、中断允许。中断完成参数的整定，控制外设工作。

4　MCGS监控组态

由于MCGS具有简单易学、操作简单、可视化窗口显示的特点，

因此根据系统的控制要求，通过MCGS的组建得到锅炉夹套串级PID控制的监控画面如图，MCGS和PLC通过PC/PPI通信协议进行数据的交换，在MCGS设备窗口添加串口父设备，从而实现对各控制参数的监控。MCGS设计的系统主画面如图4所示，输出曲线。

图3　PLC程序流程图

图4　MCGS系统整体设计图

5　结论

本文通过对串级控制系统、Smith预估器、PID算法原理介绍及PLC内置PID算法的程序的实现。通过实验表明具有Smith-PID控制器的控制系统比传统的PID控制能更好的解决时滞问题，其动态性能好，超调量不大。通过MCGS组态软件的实时在线监控，方便操作人员的监控，提高工作效率。

［1］赖寿宏.微型计算机控制技术［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］胡寿松.自动控制原理［M］.北京：科学出版社2007.

［3］魏万迎，罗爱民.基于PLC内置PID软件的Smith补偿方法［J］.控制工程，2009，9（16）：11-16.

［4］从闯.基于Smith预估补偿的模糊-PID混合控制在时滞系统中的应用研究［D］.东北大学：2008（1）：33-37.