基于S7-300PLC单闭环比值控制系统设计与实现 - 副本

摘要在石油、化工生产过程中过程中，要求两种或多种物料成一定比例关系，一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，所以严格控制其比例。

尤其在生产中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行化学反应，如果比例失调，轻则造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生人身伤害，给企业带来较大的损失。

例如氨分解工艺中的氨分解炉，入炉煤气和空气应保持一定的比例，否则将使燃烧反应不能正常进行，而煤气和空气比例超过一定的极限将会引起爆炸。

比值控制的目的就是为了实现几种物料符合一定比例关系，以使安全生产正常进行。

在实际的生产过程控制中,比值控制系统除了实现一定比例的混合外,还能起到在扰动影响到被控过程质量指标之前及时控制的作用.而且当最终质量指标难于测量,变送时,可以采用比值控制系统,使生产过程在最终质量达到预期指标下安全正常地进行,因为比值控制具有前馈控制的实质。

关键词：比值控制；流量；可编程控制器；PID控制目录1设计背景 (1)1.1课题研究的背景和意义 (1)2比值控制系统概述 (2)2.1比值控制系统定义 (2)2.2比值控制原理 (2)2.3比值控制系统特点 (2)2.4比值控制系统的类型 (3)2.4.1开环比值控制系统 (3)2.4.2单闭环比值控制系统 (4)3流量比值控制系统方案设计 (7)3.1系统方案设计 (7)3.2系统硬件设计 (7)4上位机组态与程序设计 (10)4.1WinCC的发展及应用 (10)5PID参数整定及系统调试 (12)5.1PID控制器 (12)5.1.1PID控制器的优点 (13)5.1.2控制规律的选择 (13)5.2PID控制器参数的调节及其对控制性能的影响 (14)5.2.1比例控制对控制性能的影响 (14)5.2.2积分控制对控制性能的影响 (15)5.2.3微分控制对控制性能的影响 (17)5.3控制系统的整定 (18)5.3.1控制系统整定的基本要求 (18)5.3.2调节器参数的整定方法 (18)5.4调节器参数的整定及调试 (20)总结 (23)参考文献 (24)1设计背景1.1课题研究的背景和意义石油炼制生产过程中，把两种或两种以上基础组分油与各种添加剂按一定比例均匀混合，从而成为一种新产品的过程称为调和。

油品调合主要是指汽油、柴油、润滑以及原油等的调和。

汽油调和是炼厂利用生产的各种汽油组分，按某种比例配方和添剂均匀混合，得到符合质量标准的汽油产品的过程。

它是汽油成品出厂的最后一道工和炼厂生产成品油的最后一个环节，也是保证汽油质量指标满足环保和质量规格要求重要手段，调和效益在生产企业的经济效益中占有举足轻重的地位。

在各种生产过程中，经常遇到生产工艺要求两个或两个以上参数成一定的比例关系，一旦比例失调，就会影响生产的正常运行。

例如在锅炉的燃烧系统中，要保持送进炉膛的风量和燃料成一定的比例，以保证燃烧的经济性。

通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量，另一个是从动量或辅助量。

由于物料通常是液体，因此称主动量为主流量Q1从动量为副流量Q2。

Q1与Q2之间的关系为Q2＝KQ1式中，K为比值系数。

因此，只要主副流量的给定值保持比值关系，或者副流量给定值随主流量按一定比例关系而变化即可实现比值控制。

通过以上分析可见，在配料过程中对生产产品的各种原料的比值进行控制显得尤为重要，常用比值控制来解决此类问题。

比值控制的目的就是为了实现使几种物料混合符合一定比例关系，使生产能安全正常进行。

配料精度的高低制约着整个生产的产品质量和产量，所以应对配料过程的控制给予足够重视。

2比值控制系统概述2.1比值控制系统定义在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。

实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。

通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之流量比值控制系统。

比值控制系统可分为：开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统，变比值控制系统，串级和比值控制组合的系统等。

2.2比值控制原理通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量，另一个是从动量或辅助量。

由于物料通常是液体，因此称主动量为主流量Q1从动量为副流量Q2。

Q1与Q2之间的关系为Q2＝KQ1（2-1）式中，K为比值系数。

因此，只要主副流量的给定值保持比值关系，或者副流量给定值随主流量按一定比例关系而变化即可实现比值控制。

2.3比值控制系统特点比值控制系统的特征: 是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。

1.主物料，也称为主动量:在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料，称为主物料（主动量），因为在过程控制中经常保持比例的参数是流量，故常用Q1表示。

2.从物料，也称为从动量:另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料称为从物料（从动量），常用Q2表示。

3.比值系数：若两物料的比值系数设定为K ，则有：（2-2）2.4 比值控制系统的类型比值控制系统按比值的特点可分为定比值和变比值控制系统。

两个或两个以上参数之间的比值是通过改变比值器的比值系数来实现的，一旦比值系数确定，系统投入运行后，此比值系数将保持不变（为常数），具有这种特点的系统称为定比值控制系统。

如果生产上因某种需要对参数间的比值进行修正时，需要人工重新设置新的比值系数，这种系统的结构一般比较简单。

两个或两个以上参数之间的比值不是一个常数，而是根据另一个参数的变化而不断的修正，具有这种特点的系统称为变比值控制系统，这种系统的结构一般比较复杂。

比值控制系统按结构特点可分为简单比值和复杂比值控制系统。

比值控制系统可笼统分为：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、串级比值及变比值控制系统等。

下面简单介绍这五种控制系统[4]。

2.4.1 开环比值控制系统开环比值控制系统是结构最简单的比值控制系统，其工艺流程图和原理方块图如图2.1所示。

其中FT 为检测变送器，FC 为比值控制器。

（1）工艺流程图 （2）原理方框图图2.1 开环比值控制系统21Q K Q由原理方块图我们可以总结开环比值控制系统的特点如下：1）当系统处于稳定工作状态时，两物料的流量满足比值关系。

2）当主动量受到干扰而发生变化时，系统通过比值器及设定值按比例去改变控制阀的开度，调节从动量使之与主动量仍保持原有的比例关系。

3）当从动量受到外界干扰（如温度、压力扰动）波动时，由于是开环控制，没有调节从动量自身波动的环节，也没有调整主动量的环节，故两种物料的比值关系很难保持不变，系统对此无能为力。

开环比值控制是理解比例控制工作机理的基础，在实际工程上很少应用[5]。

2.4.2 单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变。

工艺流程图及原理框图如图2.2所示。

（1）工艺流程图 （2）原理方框图图2.2 单闭环比值控制系统1. 单闭环比值控制系统原理单闭环比值控制系统是由两个信号即主流量1Q 、副流量2Q ，两个变送器、调节器、执行机构和一个以2Q 作为反馈信号的闭环回路组成。

在稳定时，能实现主、副流量的工艺比值的要求，即2/1Q Q K (K 为常数)。

系统原理框图如图6-3所示。

当主流量1Q 不变、而副流量2Q 受到扰动时，则可通过副流量的闭合回路进行定值控制。

主流量调节器1()T W s 的输出作为副流量的给定值。

当主流量1Q 受到扰动时，1()T W s 则按预先设置好的比值使其输出成比例变化，即改变2Q 的给定值。

1()T W s 根据给定值的变化，发出控制命令以改变调节阀的开度，使副流量2Q 跟随主流量1Q 而变化，从而保证原设定的比值不变。

当主副流量同时受到扰动时，调节器1()T W s 在克服副流量扰动的同时，又根据新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副流量在新的流量数值的基础上，保持其原设定值的比值关系。

它不但可以实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。

可见，该系统能确保主、副两个流量的比值不变，同时，系统的结构又较简单，方案实现起来方便,仅用一台比值器或比例调节器即可，因而在工业过程自动化中广泛应用[5]。

2.单闭环比值控制系统的四种工作情况：（1）当系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。

如图2.3单闭环比值控制系统的原理框图，由图可知：稳态时：11122()m T m W W Q W Q = （2-3）（2-4）图2.3 单闭环比值控制系统的原理框图当1Q 不变，2Q 受到扰动时，闭合回路进行定值控制。

当1Q 受到扰动时，1()T W s 输出变化，跟随1Q 变化，保证原设定的比值不变。

单闭环比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料间的比值要求较精确的生产过程。

（2）当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路调整副物料流量使之恢复到原设定值，保证主、副物料流量比值一定。

（3）当主物料流量受到扰动变化，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成比例变化，即改变给定值，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量而变化，从而保证原设定的比值不变。

（4）当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持原设K W W W Q Q m T m =⋅=∴21112定值的同时，系统又根据主物料流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副物料流量在新的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。

总之, 单闭环比值控制系统虽然能保持主、副物料流量比值不变，但是无法控制主物料的流量不变，因此，对生产过程的生产能力没有进行控制。

该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。

3流量比值控制系统方案设计3.1系统方案设计系统结构图如图3.1（a），方框图如图3.1（b）所示(a)结构图(b)方框图图3.1 单闭环流量比值控制系统该系统中有两条支路，一路是来自于变频器—磁力泵支路的流量Q1，它是一个主流量；另一路是来自于气动调节阀支路的流量Q2，它是系统的副流量。

要求副流量Q2能跟随主流量Q1的变化而变化，而且两者之间保持一个定值的比例关系，即Q2/Q1=K。

3.2系统硬件设计1、水箱包括下水箱和储水箱。

下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高。

下水箱尺寸为：d=35cm，h=20 cm。

水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。

储水箱尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝。