【摘 要】本文主要介绍了西门子编程软件STEP7功能块FB41(连续PID调节控制)在汽化冷却系统中的水位控制上的实现,并且对该模块的控制功能和实现进行了详细描述。
【关键词】PLC;PID;汽包水位;自动控制
【Abstract】This paper mainly introduced the implementation of Siemens programming software STEP7 functional module FB41 (PID control of continuous processes) in the evaporative cooling system to control the water level, and detailedly described the control function and implementation.
【Key words】PLC;PID;Drum water level;Automatic control
0.前言
汽化冷却系统是负责向烟罩提供冷却水和向烟道提供冷却水循环，进行热交换并回收转炉余热蒸汽的，还能向蒸汽用户管网提供气源。 该系统是转炉炼钢关键的控制部分，将 PID 调节应用到实际生产中，使其能够根据水位的变化实时控制阀开度，从而对汽包水位进行自动化控制。
1.系统组成
1.1 工艺流程图如图 1 所示
1.2 监控系统硬件组成
本控制系统采用的硬件及其组成如图 2 所示：上位机包括一台编程站、一台操作员站。 编程站主要是完成监控软件组态、大量数据存取、数据处理、等功能。标准化的编程实现了汽化冷却系统中设备控制的手动/自动的无扰动切换，避免了操作模式切换时产生的冲击。 操作员站主要功能是实现实时参数监视、报警处理、远手操、打印等功能。编程站和操作员站之间通过 TCP/IP 网络相连。 现场编程站采用西门子公司 S—300 系列仪器仪表，主要有：一个电源模块(PS 307 10A)、一个 CPU 模块(CPU315-2 DP)、一个通信模块(CP 342—5)、三个模拟量输入模块(AI 8*12bit)、两个模拟量输出模块(AO 4*16bit)、一个数字 量 输 入 模 块(DI16*DC24V/0.5A)、 一个数量输出模块 (DO16*DC24V/0.5A)。
2.系统设计
汽化冷却系统是炼钢工业生产的重要动力设备，有着举足轻重的作用。 在汽化冷却系统的正常运行中，汽包水位是其主要工艺参数指标。对现代汽化冷却系统而言，允许的汽包蓄水量波动也越来越小，将水位控制在一定范围内是保证汽化冷却系统安全运行及蒸汽质量的首要条件，同时也是转炉炼钢工业正常生产的必要条件。 在此系统采用单冲量与三冲量交叉控制的方式来对汽包水位进行调节，实现转炉汽化冷却系统的全自动控制，保证在转炉冶炼过程中水位的稳定。
2.1 程序设计
转炉汽化冷却系统的控制程序通过使用西门子公司的编程软件step7 开发 ，在 STEP7 中使用 FB41(连续 PID 调节控制 )，实现现场设备的自动控制。 整套控制程序采用模块化/结构化编程方法，控制程序分为若干控制部分， 每一部分的控制程序及数据分别编制在不同的FC、FB 以及 DB 程序块中，并由主程序 OB1 在每次扫描周期中依次调用来实现各自的控制功能。 在每一个程序块中，加以详细的注释以进行说明。PLC 中的 PID 调节配置内容丰富、控制调节精度高，充分体现了系统的高灵活性和稳定性。 实现了设备控制的手动/自动的无扰动切换，避免了操作模式切换时产生的冲击。
2.2 监控软件设计
操作员站采用研华工控机， 监控软件是基于 Windows XP 操作系统的 SIMATIC WinCC V6.0 画面监控组态软件。 通过 PROFIBUS 现场总线与 PLC 之间进行数据通信。 具有数据处理、工艺显示、故障自诊断/报警、历史趋势记录等功能，为生产、管理人员提供了完善、自如的操作和全线监视功能。 在 Wincc V6.0 中使用画图功能作一个 PID 调节器的操作面板，完成 PID 调节控制中的手/自动切换、给定值输入、手动输出值输入、PID 参数(比例系数、积分时间)输入等功能。
2.3 操作员站中调节阀的操作
调节阀的具体操作：点击画面中调节阀的图标，弹出调节阀的操作画面。阀分手动和自动操作。手动时，在手动输入框中直接输入调节阀的开度(0—100)。 使用自动时，先在 SP 框中输入设定的调节参数。然后再点击自动。 调节阀的手动/自动为同一按扭，画面启动时默认状态是手动，颜色为灰色，点击一下，变为自动，显示颜色为绿色。
3.采用PLC实现的控制策略
3.1 PID 过程控制框图如图 3 所示
PID 调节控制是经典的闭环控制 ，PID 调节是自动控制中最常用的控制策略，是应用最广泛的调节方式。 在汽化冷却系统中运用西门子公司 S-300 系列 PLC S- 315 DP 对汽包水位进行定值控制。 西门子编程软件 STEP7 功能块 FB41 PID 控制模块，它主要是通过从设备输入的 PV 值和从软件中设定的 SV 值， 根据特定的算法自动算出用于控制输出的 OP 值并根据设定条件输出 0-100 的百分比控制信号。
3.2 汽包水位的单冲量控制
当转炉未吹炼或停止吹炼时，采用单冲量调节的控制方式对汽包水位进行调节，给汽包补水。单冲量调节是只采集汽包的水位一个量作为 PLC 中 PID 调节器的输入值 PV，再将通过 PID 运算后得到的值作为 PLC 的输出值 CV，作用于给水调节阀，以保持过程变量 PV 在希望的设定点 SP。 使给水调节阀作出相应的动作。
3.3 汽包水位的三冲量过程控制
汽包的液位调节在 PID 调节中难度很大， 因为汽包的容积越大，它的容水量就越小。 当液位过低时由于缺水就会造成爆炸事故，当液位过高时由于水多就会造成满水事故。由于汽包进口给水量和汽包出口蒸汽量的突然变化都会导致虚假液位， 因此必须根据汽包液位、给水流量和蒸汽流量对汽包进行三冲量调节。具体的方法是先对汽包水位的变化进行 PID 调节运算，然后再加上给水流量的变化，最后再减去蒸汽流量的变化， 把最后的计算结果送给最终的液位调节阀输出;给水流量和蒸汽流量则采用单独的 PID 调节，以保持给水流量和蒸汽流量的稳定。在这三个量中，其中汽包出口蒸汽流量为负信号，汽包水位和汽包给水流量均为正信号，PLC 起正作用.(如图 4)
3.4 FB41 PID 控制模块在水位控制中的使用
FB41 称为连续控制的 PID 用于控制连续变化的模拟量 ，PID 模块是进行模拟量控制的模块， 可以在 中， 打开 LibrariesstandardlibraryPID Control blockFB41,将其调入 OB1 中，首先分配背景数据块DB41，再给各个管脚输入地址。
3.5 PID 在水位控制中用到的几个主要管脚的说明及重要的几个变量的转换
在汽化冷却系统中由于 D 是消除静态误差的， 一般 D 设置都比较小，而且对系统影响比较小。 我们只使用了 PI。 比例系数 P 加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小;P 偏大，振荡次数加多，调节时间加长;P 太大时，系统会趋于不稳定;P 太小，又会使系统的动作缓慢。 积分控制 I 的作用使系统的稳定性下降，I 小(积分作用强)会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。
(1)主要参数选择的说明
参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小;在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值。 为了保证执行频率一致， 块应当在循环中断 OB 中调用。“CYCLE”参数对应的是扫描时间，必须将程序块调用的间隔时间赋值在这里。
(2)PID 参数中重要的几个变量的转换
PID 参数中重要的几个变量 ： 给定值 ， 反馈值和输出值都是用0.0~1.0 之间的实数表示， 而这几个变量在实际中都是来自与模拟输入，或者输出控制模拟量的，因此，需要将模拟输出转换为 0.0~1.0 的数据，或将 0.0~1.0 的数据转换为模拟输出，即变量相对所占整个值域范围内的百分比 对应与 27648 数字量范围内的量。 对于输入和反馈，执行：变量 *100/27648，然后将结果传送到 PV-IN 和 SP-INT，对于输出变量，执行：LMN*27648/100，然后将结果取整传送给 PQW。
3.6 PID 控制器的优点
不需要被控对象的数学模型,结构简单，容易实现,有较强的灵活性和适应性使用方便。
4.结束语
该项目投产运行后，故障率极低，所有信号处理及联锁控制均在PLC 完成，并可通过 MMI 进行在线监控、操作，历史记录等功能，运行稳定可靠，故障率低，报警及时准确，可及时指导维护人员处理故障，大大缩短故障处理问题时间，确保了生产的顺行。 有效地提高了劳动生产率，改善了工作人员的工作环境，减轻了工作人员的劳动强度，取得了十分显著的经济效益。
【参考文献】
[1]胡学林.可编程序控制器教程(提高篇).北京.电子工业出版社.2005.7.
[2]廖常初. 可编程序控制器的编程方法与工程应用. 重庆. 重庆大学出版社.2001.2.
作者简介：王素荣，女，工程师，主要从事自动化技术的研究与应用。
