過(guò)程系統(tǒng)PLC入門

過(guò)程系統(tǒng)過(guò)程系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)流量、溫度、壓力、液位等的測(cè)量和控制來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)的一種系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域：鋼鐵廠化工廠環(huán)保設(shè)備上下水處理設(shè)備空調(diào)設(shè)備半導(dǎo)體工廠食品工廠藥品工廠發(fā)電廠等反饋控制這里以保持容器內(nèi)液體溫度的裝置為例，說(shuō)明反饋控制過(guò)程。溫度檢測(cè)部分測(cè)量容器內(nèi)液體溫度。將測(cè)量的溫度值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，根據(jù)兩者之差（偏差）來(lái)確定調(diào)節(jié)閥的開閉（操作量）。對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行操作，調(diào)節(jié)蒸汽量，使容器內(nèi)的液體的溫度上升或下降。重復(fù)1~3，直至液體溫度與目標(biāo)值之差為零。ON/OFF控制反饋控制中較為簡(jiǎn)單的ON/OFF控制。所謂ON/OFF控制，就是根據(jù)偏差值（目標(biāo)值-測(cè)量值）的正負(fù)對(duì)操作部進(jìn)行ON/OFF操作的控制。右圖所示為ON/OFF控制方式下調(diào)節(jié)閥的狀態(tài)和液體溫度的變化。右圖①所示，當(dāng)液體溫度低于目標(biāo)值時(shí)，調(diào)節(jié)閥全開（ON），供應(yīng)蒸氣。開始供應(yīng)蒸汽后，液體溫度仍然繼續(xù)下降，一段時(shí)間后開始轉(zhuǎn)為上升，然后如②所示超過(guò)目標(biāo)值。液體溫度超過(guò)目標(biāo)值后，調(diào)節(jié)閥全閉（OFF），停止供應(yīng)蒸氣。蒸氣供應(yīng)停止后，液體溫度仍然繼續(xù)上升，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才轉(zhuǎn)為下降。ON/OFF控制方式下，液體溫度并不能保持為一定值，而是如圖所示在不斷地變化。要解決這一問(wèn)題，可以使用下面介紹的P控制（比例控制）。P動(dòng)作（比例動(dòng)作）按照偏差值（目標(biāo)值-測(cè)量值）的大小，輸出與其成正比的操作量的動(dòng)作叫做P動(dòng)作（比例動(dòng)作）。操作量=比例增益（Kp）×操作量=比例增益（Kp）×偏差P動(dòng)作的操作量用公式因此偏差值相同時(shí)，比例增益越大，操作量就越大，蒸氣供應(yīng)量也大；比例增益越小，操作量就越小，蒸氣供應(yīng)量也隨之減少。P動(dòng)作對(duì)階躍偏差的操作量如下所示下圖所示為不同比例增益下，P動(dòng)作控制效果（對(duì)容器內(nèi)液體溫度進(jìn)行P控制的結(jié)果）之間的差異。通過(guò)調(diào)節(jié)閥的細(xì)微調(diào)整，液體溫度的變動(dòng)得以減小。P動(dòng)作下，液體溫度的變動(dòng)有所減小，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量值與目標(biāo)值的一致，兩者之間會(huì)有一定的偏差。這一偏差叫做偏移（靜差或剩余偏差）。I動(dòng)作（積分動(dòng)作）與PI控制P動(dòng)作下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量值與目標(biāo)值的一致，兩者之間會(huì)有一定的偏移。I動(dòng)作（積分動(dòng)作）可以消除這一偏移。I動(dòng)作通過(guò)對(duì)過(guò)去到現(xiàn)在的偏差進(jìn)行時(shí)間積分后輸出，來(lái)消除偏移。（圖）I動(dòng)作一般與P動(dòng)作組合，作為PI控制來(lái)使用。積分時(shí)間越小，消除偏移的時(shí)間就越短。積分時(shí)間越大，消除偏移的時(shí)間越長(zhǎng)。積分時(shí)間不同時(shí)，PI控制下積分效果的差異如下圖所示。D動(dòng)作（微分動(dòng)作）D動(dòng)作（微分動(dòng)作）是為了減輕外部干擾對(duì)控制對(duì)象的影響，而在P動(dòng)作輸出的基礎(chǔ)上加上與偏差變化率（偏差的微分）成正比的輸出。一般與PI控制組合，作為PID控制來(lái)使用。下圖所示為同一干擾（外部干擾A）導(dǎo)致偏差出現(xiàn)變化時(shí)，有D動(dòng)作和無(wú)D動(dòng)作情況下控制對(duì)象響應(yīng)的差異。如圖所示，加上D動(dòng)作后，可以減輕外部干擾帶來(lái)的影響。微分時(shí)間越大，D動(dòng)作帶來(lái)的操作量越大，微分效果也越大。D動(dòng)作（微分動(dòng)作）與PD控制[比較實(shí)用的D控制：不完全微分]直接使用D控制時(shí)，會(huì)使得高頻干擾成分增大，導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，操作量的時(shí)間幅度變?。ㄆ钭?yōu)殡A躍時(shí)會(huì)出現(xiàn)瞬間的脈沖波形輸出），因此存在無(wú)法提供足夠的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)操作部分等問(wèn)題。因此一般情況下，大多使用在微分項(xiàng)輸入中加入一次延時(shí)濾波的不完全微分。偏差為一定的階躍響應(yīng)時(shí)，PD控制的輸出如下所示。PID控制PID控制是在輸出操作量與偏差值成正比的P動(dòng)作基礎(chǔ)上，加上I動(dòng)作（增加對(duì)偏差積分的操作量，以消除偏移）和D動(dòng)作（根據(jù)偏差的變化率增加操作量，以改善控制對(duì)象對(duì)外部干擾的響應(yīng)性）的控制方式。下圖所示為P控制、PI控制、PID控制下響應(yīng)性的比較。[比較實(shí)用的PID控制]在注重實(shí)用的PID控制方式下，為了消除目標(biāo)值變化時(shí)操作量的大幅變動(dòng)（D動(dòng)作的影響除外），會(huì)如下圖所示對(duì)測(cè)量值進(jìn)行微分運(yùn)算。PID控制的選擇流量?壓力的控制因其過(guò)程的響應(yīng)較快，而PI控制也能獲得足夠的響應(yīng)性能，且D動(dòng)作會(huì)使得計(jì)測(cè)干擾增幅、導(dǎo)致過(guò)程不穩(wěn)定，因此通常使用PI控制。溫度控制一般過(guò)程響應(yīng)較慢，因此經(jīng)常使用PID控制?？刂茖?duì)象控制方式選擇要點(diǎn)流量、壓力PI流量、壓力的控制，其過(guò)程響應(yīng)較快，PI控制也能獲得足夠的響應(yīng)性能。（加上D動(dòng)作后，計(jì)測(cè)干擾會(huì)被放大，使得過(guò)程不穩(wěn)定）溫度PID溫度控制一般過(guò)程的響應(yīng)較慢PID控制的正動(dòng)作與反動(dòng)作PID控制下，相對(duì)于測(cè)量值的變化，操作量可以向兩個(gè)方向變化，分別叫做正動(dòng)作和反動(dòng)作。以空調(diào)器為例，正動(dòng)作和反動(dòng)作分別如下所示。正動(dòng)作：比如制冷時(shí)若室溫上升，則加大操作量（制冷輸出）反動(dòng)作：比如制熱時(shí)若室溫下降，則加大操作量（制熱輸出）定值控制與追蹤控制PID控制等反饋控制，按照目標(biāo)值的設(shè)定方法，可以分為定值控制和追蹤控制兩種。定值控制目標(biāo)值為一定值時(shí)的控制，例如將壓力、溫度保持為一定值的控制即為定值控制。追蹤控制目標(biāo)值隨時(shí)間變化時(shí)的控制。也稱為跟蹤控制。追蹤控制的種類包括按照預(yù)定模式使得目標(biāo)溫度隨時(shí)間而變化的程序控制，以及將燃燒時(shí)空氣與燃料的空燃比、以及多種液體混合時(shí)比例保持為一定值的比例控制等?？刂骗h(huán)檢測(cè)部分與操作部分控制環(huán)方塊圖中檢測(cè)部分和操作部分檢測(cè)部分以下所示為用于檢測(cè)流量以及溫度的、具有代表性的傳感器一覽。檢測(cè)對(duì)象檢測(cè)方式流量差壓式…節(jié)流機(jī)構(gòu)（節(jié)流孔、文丘里流量計(jì)等）電磁式…電磁流量計(jì)容積式…根式、橢圓式其它（科里奧利式、超聲波式、渦旋式等）溫度熱電偶、測(cè)溫電阻、放射溫度計(jì)壓力差壓電氣式…電阻線式、壓電式彈性式…布爾頓管、隔膜式、風(fēng)箱式液柱式…U形管、單管式液位差壓式、浮動(dòng)式、靜電容量式、超