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摘 要：本文主要介绍了使用西门子PLC 软硬件实现在垃圾焚烧厂中的PID控制，并举例说明它们在温度控制中的应用。
关键词：PID控制，垃圾焚烧厂，温度控制，PLC
1引言
PID控制器问世至今已有近70年历史，控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段，但在工业控制系统中，绝大多数还是使用PID控制器，因为它结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。现今，PID控制及其控制器或智能PID控制器的产品已经很多，他们在工程实际中得到了广泛的应用。西门子公司S7-200、S7-300/400系列PLC都具有PID控制功能。本文主要介绍我在工程实践中应用西门子S7-300系统和Step 7-5x中的FB41、FB43功能块实现PID控制，并举例说明它们在温度控制中的应用。
2 PID控制的原理和特点
PID控制即比例、积分、微分控制，当被控对象的结构和参数不能被完全掌握，或得不到精确的数学模型时，应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统的被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制器就是根据设定值与实际值的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的，同时，根据实际情况还可以有PI和PD控制器。
(1) 比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。系统一旦出现偏差，比例调节立即作用以减少偏差，但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
(2) 积分（I）控制
积分控制的作用是使系统消除稳态误差，提高无差度。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
(3) 微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，可以产生超前的控制作用。由于自动控制系统存在有较大的惯性环节或有滞后环节，系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。所以在控制器中引入“微分”项，可以改善系统的动态性能。
3 功能块的介绍
FB41“CONT-C”(Continuous Control)功能块用于控制具有连续输入输出变量的技术过程，可以根据不同的控制要求设置参数以使控制器满足控制要求。它可以作为一个给定值的PID控制器，同时，在多环路控制中它可以作为一个串级、混合或比例控制器。FB41控制器的算法是基于具有模拟信号的采样PID控制器，它可以和FB43构成两级或三级的步进控制器。
FB43“PULSEGEN”(Pulse Generation)功能块用于构成PID控制器的两级或三级脉冲输出，通常它和FB41功能块相连。如图：
FB43根据输入变量（INV）的值调节在恒定的周期内脉冲持续时间的长短，恒定的周期即指输入变量的更新时间大小，它必须在参数PER_TM设定。在每一周期内脉冲持续时间的大小正比于输入变量。如图：
参数PER_TM的值与FB43功能块的执行时间是不同的，PER_TM是由许多个FB43执行时间组成。在一个PER_TM周期中FB43被调用的次数是判断脉冲调制精度的标准。可以在一个一个PER_TM周期中增加调用FB43的次数，以提高精确度。
根据FB43的参数设置的不同，可以形成三级输出、双极或单极的两级输出。下表的参数设置显示了怎样组合形成需要的模式。
在三级控制模式时，控制信号采用三种状态，功能块输出量QPOS_P和QNEG_P控制执行器的工作状态。例如，在温度控制中，当QPOS_P为TRUE时加热，QNEG_P为TRUE时冷却，QPOS_P、QNEG_P都为FALSE时处于关断状态。
利用比例因子（RATIOFAC），可以改变正负脉冲持续时间的比例的大小。当比例因子小于1时，正脉冲持续时间=（INV/100）*PER_TM，负脉冲持续时间=（INV/100）*PER_TM* RATIOFAC；比例因子大于1时，正脉冲持续时间=（INV/100）*（PER_TM/ RATIOFAC），负脉冲持续时间=（INV/100）*PER_TM。
在两级控制模式时，只有正脉冲输出（QPOS_P）与执行器的开关相连。在手动模式下，QPOS_P、QNEG_P的输出值与INV输入值无关，只于POS_P_ON、NEG_P_ON有关。
4 垃圾焚烧厂中使用到的主要PID控制环节
(1) 炉膛压力调节系统
此系统为单冲量调节回路。按系统工艺，炉膛应保持一定的负压值，故需对引风机进行PI 调节。为防止引风机变频器运行过大或过小，造成锅炉熄火，调节系统中引入高、低限幅模块。
(2) 二燃室炉膛温度调节系统
此系统为二冲量调节回路。按系统工艺，二燃室炉膛温度是受一燃室可燃烟气含量和二燃室二次风机给氧量共同影响结果，通过调节二次风机变频器频率来改变二次风给氧量和调节一燃室一次风机变频器频率来改变一燃室产生的可燃烟气含量，从而达到系统对二燃室炉膛温度的要求。此调节过程将直接影响炉膛压力，为防止炉膛压力的增大对系统的影响，当炉膛压力突破一定值时(如大于-75Pa)，对一次风机变频器限幅。
(3) 锅炉汽包水位调节系统
此系统为三冲量调节回路。通过采用给水流量、蒸汽流量和汽包水位主信号一起对给水调节阀进行PI调节，使汽包水位保持在设定范围内，以适应锅炉的蒸发量。
(4) 蒸汽压力调节系统
此系统为单冲量调节回路。通过对锅炉蒸汽压力调节阀的调节，使锅炉蒸汽压力稳定在工艺要求的氛围内，稳定输出蒸汽。
(5) 急冷塔出口温度调节系统
此系统为单冲量调节回路。按照系统工艺通过对急冷塔喷淋调节阀的的调节，改变急冷塔喷水量，使出口温度稳定在工艺要求的范围内。
(6) 除酸塔出口温度调节系统
此系统为单冲量调节回路。按照系统工艺通过对除酸塔喷淋调节阀的的调节，改变除酸塔喷碱液量，使出口温度稳定在工艺要求的范围内。
5 应用实例
下面我就其中一个环节的应用实例进行具体说明：除酸塔出口温度控制一般来说是根据除酸塔后部除尘器正常工作所能允许的温度范围来设定，超过温度会烧坏除尘器中布袋材料，低于一定温度烟气会在布袋表面凝结成液态，长时间低温运行会对布袋造成腐蚀，这就要求除酸塔出口烟气温度必须稳定在一个范围内。除酸塔喷淋系统由碱液喷淋泵，碱液电动调节阀组成，温度测定则由除酸塔出口热电阻来完成。在STEP7中FB41大部分参数不要填，默认就行，下面是常用参数，用变量连接：
MAN_ON：用一个bool量，如m0.0，为true则手动，为false则自动；
cycle：T#100MS，这个值与ob35默认的100ms一致；
SP_INT：MD2,是hmi发下来的设定值，0－100.0的范围，real型；
PV_IN：MD6，实际测量值，为热电阻测量温度，要从piw×××转换为实际的工程量（使用FC105)；
MAN：MD10 （该地址也可以是从上位机设定的地址）,是手动状态下的输入值，real型。手动设多少输出将为多少。
GAIN:：MD100（该地址也可以是从上位机设定的地址如DB 块的地址,这样可以从上位机设P 参数了），默认写1－2（系统默认是2），调试的时候根据实际情况更改。
TI：MW120, 默认可以写T#30S，调试的时候根据实际情况更改；
DEAD_W：MD122，死区，就是sp和pv的偏差死区，0－100.0的范围，默认0，调试的时候根据实际情况更改；
LMN：MD126，把MD126再用fc106转换到pqw××，如果pid运算结果不再有工艺条件其他限制可以用LMN_PER更简单就不用fc106了。
利用FB41功能块形成的PID控制器可以很好的控制温度，此PID控制器已在急冷塔出口温度、除酸塔出口温度控制中使用，使温度控制达到了生产的要求。对于控制器中的比例系数，积分系数，微分系数采取在线调整。
6 结束语
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整P\I\D的大小。利用功能块FB41和FB43可以实现很好的PID控制，从而省去自己动手编写PID控制器的麻烦，缩短了控制系统的开发周期，此PID控制器还可以在其他的控制系统中使用。在不需要微分的控制系统中，可以使用FB42（“CONT_S”）功能块作为PI控制器。
总之，控制系统设计和调试是一门大学问，越是深入工程实践越是觉得自己知识经验的匮乏，经过这些年的实践也算是刚刚入门，今后还要在工作中不断学习，提高自身水平。
参考文献
{1}西门子S7-300/400PLC技术与应用 ISBN:9787115164483
论文作者:徐博
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/9/10
标签：控制器论文; 系统论文; 比例论文; 参数论文; 误差论文; 炉膛论文; 温度论文; 《城镇建设》2019年第14期论文;