第2章過程控制第一節

過程控制概述第二節

反饋控制第三節

自動化儀表第四節

復雜控制系統第五節

PLC1.方法采集數據、比較分析、發出指令

比較順序控制(無數據采集)、運動控制(速度快)2.目標抑制擾動、確保穩定、經濟優化(輸入、設定值)(非穩定點控制)(高效低耗)第一節

過程控制概述3.工作點的穩定QTT1T2T3Q1Q2Q3吸熱放熱p1p2p3

一個測量器一個變送器一個控制器一個調節閥對一個參數進行調節最基本、應用最廣泛4.單回路控制系統第二節

反饋控制

受控過程檢測器變送器控制器執行器控制變量受控變量檢測信號標準信號控制輸出設定值執行器動作擾動輸入

曝氣池

溶解氧濃度DO探頭0~10mg/L0~50mV

4~20mA

或

1~5V

4~20mA

或

1~5V

0~

16mA

或

0~

4V

直流毫伏變送器4~20mA20~100kPa氣動薄膜調節閥電氣閥門定位器全行程

DDZ－III

電動調節器DO濃度設定值供氣閥門開啟度一、電動單元組合儀表反饋控制二、PLC反饋控制

曝氣池

溶解氧濃度DO探頭氣動薄膜調節閥電氣閥門定位器

現場PLC數字量設定值變送＋A/D設定＋比較計算＋D/A

遠程PLC系統監控網絡通訊數據管理三、比例控制

p=p-p0=KC

式中：

p—

控制器的實際輸出值；

p0

－偏差為0時刻的輸出值；

KC－比例增益常數；

－偏差值；

p－

比例控制作用的輸出變化。

1.比例度

(1)計算方法

＝{[

/(Zmax–Zmin)]/[

p/(pmax–pmin)]}100%式中：

－

比例度，表示比例控制的強弱程度；

（可理解為使控制器輸出信號作表頭全范圍變化時，輸入信號改變值相對表頭全量程的百分數）

Zmax－控制器所允許的輸入信號的最大值；

Zmin－控制器所允許的輸入信號的最小值；

pmax－控制器所能給出的輸出信號的最大值；

pmin－控制器所能給出的輸出信號的最小值。

（2）比例度圖示

p/(pmax–pmin)

/(Zmax–Zmin)

＝50％

＝100％

＝200％0.6-0.80.8-0.80.8-0.60.6-0.62.比例控制特點(1)控制作用

p無滯后輸入

輸出

Ptt相位差180o同相位(2)比例控制有余差

max,0tt

max,t無比例控制有比例控制(3)余差分析406080100201.21.62.02.4BCAK/%DO/(mg/L)0

3.比例控制適用范圍(1)負荷變化小;(2)過程純滯后小（啟動控制到受控變量開始變化之間的時間）;(3)時間常數大（受控變量開始變化到新穩態實現所需時間的0.632倍）;(4)允許余差存在。

式中：

p—

控制器的實際輸出值；

p0—偏差為0時刻的輸出值；

KI

—積分增益常數；

—偏差值；

p—

積分控制作用的輸出變化。

四、積分控制1.概念式中：P—

控制器的實際輸出值；

P0—偏差為0時刻的輸出值；

KC

—比例增益常數；

—偏差值；

P—

積分控制作用的輸出變化；

TI—積分時間常數，

TI=KC/KI

。

2.比例積分（PI）控制pp0比例控制輸出t3.控制方式輸出比較tpp0積分控制輸出閥門抵上限t

=A受控變量（輸入）受控變量無變化，純滯后段比例積分控制輸出pp0t0

t0+TIt閥門抵上限p10t0t*0t1t2t3tp2p3p0閥門抵上限4.積分飽和

00t

受控變量無變化受控變量有變化5.響應時間受控變量

純滯后時間常數過渡時間A0.632A控制變量P控制變量無變化6.PI控制器適用范圍(1)過程純滯后較小（啟動控制到受控變量開始變化之間的時間）；(2)時間常數較小（受控變量開始變化到新穩態實現所需時間的0.632倍）；(3)不允許余差存在。

反應器內DO濃度與傳質系數KLa

成正比，也與水中DO濃度與其飽和值的差成正比，因此對傳質系數KLa

進行控制（相應于改變曝氣時間、改變曝氣強度等），即可對反應器內的DO濃度進行控制。式中：So2——DO濃度；

So2,S——DO飽和濃度。DO

PI

控制例2.1五、微分控制概念

p=p-p0=KD(d

/dt

)式中：p——控制器的實際輸出值；

p0——偏差為0時刻的輸出值；

KD——微分增益常數；

——偏差值；

p——微分控制作用的輸出變化。

2.微分控制理論響應

tptp=p0+KD(d

/dt

)3.比例微分控制

p=p0+KC

+KD(d

/dt

)=KC[

+TD(d

/dt

)]式中:TD=KD/

KC4.比例微分控制對階躍輸入的響應

pKD(d

/dt

)KC

p05.比例微分控制對斜坡輸入的響應

pKD(d

/dt

)KC

p06.比例積分微分控制p0比例控制輸出p0微分控制輸出p0積分控制輸出閥門抵上限pp0受控變量無變化，純滯后段p0比例積分微分控制輸出閥門抵上限7.比例積分微分控制對階躍輸入的響應六、PI控制器設計

1.流程圖PI控制器設定值T0熱電偶Tt蒸汽,FST,TSTT，FTi，FQ控制變量：Q受控變量：T動態方程穩態方程偏差變量方程2.偏差變量PI控制方程注：KC、KI應為負值PI控制方程參數整定方程3.參數整定注：KC、KI應為負值(編制程序，試驗不同的KC

與KI

，看T

是否趨于TS）4.控制方程

輸入已知數據：Ti,S,TS,QS,V,

,Cp

輸入監測數據：

Ti，T

計算所需熱量：Q

輸入計算結果：Q

計算蒸汽流速：FST

發出蒸汽流速指令：FST5.PI

控制器執行第三節

自動化儀表一、氣動薄膜調節閥二、氣動閥門定位器三、電動閥門定位器第四節

復雜控制系統一、多回路控制系統1.名稱

串級控制系統前饋控制系統比值控制系統均勻控制系統分程控制系統選擇性控制系統非線性控制系統采樣控制系統解耦控制系統在能使用單回路控制系統的場合應避免使用多回路控制系統二、串級控制系統T1：主受控溫度T1T：主受控溫度變送器T1C：主受控溫度控制器T2：

副受控溫度T2T：副受控溫度變送器T2C：副受控溫度控制器特點：（1）主受控溫度控制器輸出為副受控溫度控制器的設定值。（2）副控制回路先調、快調、微調；主控制回路后調、慢調、細調。調節過程：（1）副受控溫度：爐膛溫度變化－T2T變化－T2C發指令－燃料閥開啟度變化－爐膛溫度變化。（2）主受控溫度：爐口溫度變化－T1T變化－T2C設定值變化－

T2C發指令－燃料閥開啟度變化－爐膛溫度變化。三、比值控制系統

1.單閉環功能：使一種物料量隨另一種料量按比例變化類型：單閉環、雙閉環、變比值、帶邏輯量F1TF1CF2CF2T爐膛qv2qv1單閉環F1T：主受控流量變送器F1C：主受控流量控制器F2T：副受控流量變送器F2C：副受控流量控制器調節過程：（1）煤氣流量：F1T變化－F1C發指令－F2C設定值變化－空氣閥開啟度變化－煤氣、空氣比值不變。（2）空氣流量：F2T變化－F1C設定值不變－

F2C發指令－煤氣、空氣比值不變。2.雙閉環調節過程：(1)煤氣流量：F1T變化F1C發指令

F2C設定變化氣閥開啟變化

煤氣、空氣比值不變(2)空氣流量：F2T變化

F2C設定無變化

F2C發指令氣閥開啟無變化

煤氣、空氣比值不變F1T：主受控流量變送器F1C：主受控流量控制器F2T：副受控流量變送器F2C：副受控流量控制器K’：副受控流量控制器雙閉環F1TF1CF2CF2T爐膛qv2qv1K’四、分程控制系統(利用閥門定位器)調節過程：（1）同向動作：（2）異向動作：分程TTTC反應器蒸汽（B）冷凝水（A）功能：一個控制器帶動2個或

2個以上調節閥類型：同向動作、異向動作A、B氣開型A、B氣關型A氣開、B氣關A氣關、B氣開五、前饋控制系統FCFTqVST2T1特點：(1)檢測信號是干擾變量而不是受控變量;(2)

控制作用發生在受控變量偏差出現之前而不是之后。類型：單純前饋、前饋反饋六、活性污泥過程多回路控制系統進水出水回流污泥鼓風溶解氧：前饋反饋串級控制回流污泥密度：前饋反饋串級控制MLSS密度：單閉環比值控制空氣控制器測量變送器廢水流測量點控制信號流廢棄污泥初沉池與污泥泵的過程控制污泥層液位開關光電液位計定時開關控制啟動激活手動速度調節補償低密度補償啟動激活LJLSFEDTFTFIDCSEQSCDIDE例2.2第五節

PLC

一、概述

1.結構指示燈編程器CPU系統程序儲存器用戶程序儲存器受控系統輸入接口輸入部分控制部分按鈕繼電器觸點輸出部分線圈輸出接口

輸入刷新程序執行輸出刷新一個周期周而復始2.工作方式(1)循環掃描(2)輸入刷新X0X1X2...輸入接口操作數存儲器輸入設備PLC內部電路(3)程序執行X0R0Y1...程序操作數存儲器X1R1Y2...............Y0R0readwritereadwritePLCX0R0(4)輸出刷新輸出接口Y0Y1Y2...操作數存儲器輸出設備PLC內部電路技術指標(1)術語I/O點：PLC外部輸入、輸出端子數掃描速度：1步計（

s），1000步計（ms）

內存容量：1地址單元/步，2字節/地址單元

（2000步程序占2k字節）

指令條數：基本指令、應用指令（2）三菱FX2

技術指標

掃描速度：

12

s/步

I/O點數：

min6/6,max36/24

內存容量：

2000步指令條數：

109條EDX1X0X2Y0編程語言

(1)梯形圖(1)邏輯行開始,輸入X0

常開接點；(2)串聯X1常閉接點；(3)并聯X2常開接點；(4)輸出Y0，邏輯行結束；(5)程序結束。EDX1X0X2Y0（2）助記符(1)邏輯行開始,.輸入X0

常開接點；(2)串聯X1常閉接點；(3)并聯X2常開接點；(4)輸出Y0，邏輯行結束；(5)程序結束。

初始

ST（

START）

非

NOT（not）

與

AD（and）

輸出

OT（out）

或

OR（or）

結束

ED（end）

地址指令

0STX01AN/X1

2ORX23OTYO

4ED基本指令5.控制小結(1)控制方法順序控制

控制開關量過程控制

控制慢連續量（溫度、壓力、濃度、流量）運動控制

控制快連續量

單回路控制——反饋（PID）

多回路控制——串級、分程、前饋、比值DCS控制——控制回路分散，數據處理集中

智能控制——神經網絡、專家系統、模糊邏輯

遠程控制——無線、有線、互聯網(2)過程控制分類鍋爐運行PLC順序控制1.過程描述START:

鍋爐進水

水滿加熱

達溫斷電

閑置時間

熱水放空例2.10

按動Start按鈕，第1行并聯“Start”常開觸點閉合，線圈Step2得電產生吸力，使出水閥門關閉，該行與Start并聯常開觸點Step2閉合，第1行成導通狀態，同時與線圈Step2并聯的Pumpon線圈得電導通，鍋爐開始進水。過程：鍋爐進水

水滿加熱

達溫斷電

閑置時間

熱水放空2.控制(1)掃描第1行例2.10

若鍋爐液位傳感器給出鍋爐水滿的信號，則第2行常開觸點TankFull閉合，因串聯常開觸點Step2在第1行掃描時已經閉合，因此第2行導通，線圈Step3得電，關閉進水泵，并開始對水加熱。(2)掃描第2行例2.10過程：鍋爐進水

水滿加熱

達溫斷電

閑置時間

熱水放空

若鍋爐溫度傳感器給出水溫超過設定值信號，則常開觸點Temp閉合，因串聯常開觸點Step3在第2行掃描時已經閉合，因此第3行導通，線圈Step4得電，關閉加熱裝置，并開始進行計時。(3)掃描第3行例2.10過程：鍋爐進水

水滿加熱

達溫斷電

閑置時間

熱水放空

若鍋爐計時器給出時間超過設定值信號，則常開觸點Timer閉合，因串聯常開觸點Step4在第3行掃描時已經閉合，因此第4行導通，線圈Step5得電，打開出水閥門。過程：鍋爐進水

水滿加熱

達溫斷電

閑置時間

熱水放空(4)掃描第4行例2.10（下一循環）掃描第1行：若鍋爐水位傳感器給出鍋爐放空信號，則常開觸點Empty閉合，因串聯常開觸點Step5在上一循環第4行掃描時已經閉合，Step3依舊閉合，因此第1行導通，線圈Step1得電，關閉出水閥門，并開始啟動進水泵使鍋爐進水。3.循環-掃描第1行例2.10過程：鍋爐進水

水滿加熱

達溫斷電

閑置時間

熱水放空

室內設4個測溫點，T0、T1、T2、T3；

平均值TC

要輸出

；室溫要求控制在Tr

；

采用比例控制;

加熱量計算：溫度PLC模擬量控制1.控制要求例2.11(1)求室內4個檢測點溫度的平均值；(2)求得與設定值的偏差；(3)并利用比例控制方法求出加熱量；(4)輸出室溫平均值與加熱量數值。2.控制程序設計思路例2.11

擴展單元F2-6A-E

接在基本單元F1－40MR

的400號擴展端口上；

4個檢測點溫度分別接到F2-6A-E

的輸入通道CH410、

CH411、CH412、CH413上；用F2-6A-E的輸出通道CH400

輸出供顯示用的平均值；用輸出通道CH401

輸出控制量m。3.硬件設計例2.11(1)外部信號使M70導通，系統各等效線圈得電；(2)將T0

輸入PLC的擴展單元F2-6A-E（F671得電后確定模擬量輸入通道為K410，F672得電后確定模擬量存放數據寄存器地址為K700，670得電后執行K85指令將模擬量轉換成數字量）；(3)同理將T1～T3

模擬量分別存放于K701、K702、K703數據寄存器內，經K85指令將模擬量轉換成數字量；(4)執行加法T0+T1（F671得電后確定被加數（T0）地址為K700，F672得電后確定加數（T1）地址為K701，F673得電后確定相加結果（T0+T1）存放地址為K704，F670得電后執行K57指令（T0+T1）。4.軟件設計(1)part1例2.11(1)

執行加法T0+T1+T2

（F671得電后確定被加數（T0+T1）地址為K704，F672得電后確定加數（T2）地址為K702，F673得電后確定相加結果（T0+T1+T2）存放地址為K705，F670得電后執行K57指令執行(T0+T1+T2）；(2)

執行加法

T0+T1+T2+T3（方法同上）

，相加結果存放地址K706。(2)part2例2.11(1)求平均值(F671得電后確定被除數地址為K706，F672得電后確定除數為4，F673得電后確定相除結果[(T0+T1

+T2+T3)/4]存放地址為K707，F670得電后執行K8指令進行除法獲得平均值)；(2)將平均值數字量轉換成模擬量（F671得電后確定須輸出數值地址為K706，F672得電后確定輸出通道為K400，F670得電后執行K86指令將數字量轉換成模擬量）；(3)確定室溫設定值（F671得電后確定設定溫度為100oC，F672得電后確定該設定溫度的存放寄存器地址K710，F670得電后執行K33將該十進制常數傳送到K710）

。(3)part3例2.11(1)

計算室溫的檢測平均值與設定值的偏差的絕對值（F670得電執行K87確定減法結果用絕對值方式表達，F671得電確定減數的寄存器地址K710，F672得電確定被減數寄存器地址K707，F673得電確定減法結果寄存器地址K711，F670得電執行K68指令實現減法運算。M200得電確定是否需要借位）；(2)

計算加熱量(M200導通后，F671得電后偏差的寄存器地址K711，F672得電后確定比例控制常數為2，F673得電后確定乘法結果寄存器地址為K712，F670得電后執行K77實現乘法運算。若M200沒有導通，則F671得電后設定常數0，，F672得電后確定寄存器地址為K712，F670得電后執行K33將0傳送到K712。最后在M70導通時，F671得電后確定寄存器地址為K712，

F672得電后確定通過CH401通道輸出K712的數據，F670得電后執行K86將K712數值轉換成模擬量輸出)。(4)part4例2.11SBR各工序的時間順序設置如下：進水電磁閥KA2開啟10min；攪拌電磁閥KA3開啟10min；曝氣電磁閥KA4開啟180min；沉淀電磁閥KA5開啟30min；出水電磁閥KA6開啟10min；閑置電磁閥KA7開啟30min。SBR程序PLC控制1.控制目標例2.12利用軟件SPOPC-FXGP/WIN-C對三菱FX1S-20MR型PLC編程

2.程序執行(1)part1

啟動程序后，常開觸點M1導通，線圈Y001得電，KA2開啟，SBR開始進水。同時，計時器T1得電開始計時，設定時間為600ms，即1min。此時，與M0并聯的常開觸點Y001導通，使M0按鈕松開后，系