pid算法c程序模板(pid算法c程序stm32)

引 言

GMP车间浓缩结晶釜和干燥机的温度、湿度、压力、pH、电机运转频率、电机电流等数据,通过PLC数采系统,传到组态王监控平台。

传统的GMP以人工现场操作参照就地仪表面板显示为主,操作环境复杂、劳动强度大、能效率低,已不适应自动化生产和管理的需要。作为GMP自动化生产的重要组成环节,以GMP浓缩结晶,干燥为试点的的自动化和数据采集信息化水平亟待提高。

自动控制、计算机和物联网技术的迅速发展,为受控对象数量多、环境复杂、布置分散、人工操作工作量大的场合提供了最优控制的设计方案。

GMP现有浓缩结晶釜7台,干燥机5台。分布在GMP的浓缩结晶室和干燥室,采集温度、湿度、压力、pH、电机运转频率、电机电流等数据。由于采集数量众多,安装范围广,依靠传统控制手段无法满足操作、计量、维护和管理的需要,迫切需要一套集中监控平台实现对GMP统一管理和监控显得十分必要。GMP采用基于PLC和手机APP的集中控制系统进行。

GMP以室内温度为主要控制对象,控制系统实时监视室内温度并与设定温度相比较,通过偏差的比例、微分和积分(PID)运算调节空调水阀门开度,达到自动跟踪室内温度变化的目的。

与基于DDC、分布式控制(DCS)的自动化控制系统相比,PLC具有运行可靠、编程简单、硬件配置灵活、网络功能完善、易于系统扩展等特点,在自动化控制系统中得到广泛应用。采用PLC的智能化GMP控制原理如图1所示。

图1 单台机组的PLC控制原理框图

实际应用中,GMP车间内同时运行的多台反应釜、干燥机等设备有相互独立的工作参数、运行操控和状态反馈;智能末端PLC的使用,使构建数字化监控平台实现多台机组的远程集中控制成为可能;本系统以设备分类,多台设备的PLC与监控中心连接时,通过GMP内局域网与工业控制计算机(IPC)实现以太网连接,其网络拓扑如图2所示。

图2 监控平台网络结构示意图

监控平台的主要设计目标是以PLC为基础,构建一个基于以太网的数字化集中监控系统,通过对各机组实时数据采集和状态监控,达到远程操作、自动计量、事故干预、科学分析和专家决策的目的。

首先完成各设备和就地PLC的通讯和数据采集;在与GMP智能监控中心同步实施的过程中,完成了网络通讯和GMP集中监控平台建设;依托集中监控平台,对基于手机APP的远程监控系统,选择物联网工业4G智能模块访问监控平台的工业计算机,通过云服务器,在手机客户端实时监视各机组运行参数和工作状态。

2 硬件设计

实现系统功能的硬件设计任务主要包括PLC组态和电气原理图设计、监控平台工控机配置和远程通信框架设计。其结构如图3所示。

图3 系统硬件结构

2.1 PLC控制系统

GMP智能终端选择西门子S7-200SMART系列PLC,主要硬件配置包括CPU SR40,模拟量输入输出模块EM AM06;并配置TD400CHMI人机界面实现设备调试和就地手动操作。SR40自带24点DC输入和16点继电器输出,集成PROFINET接口;通过AM06可扩展4路模拟量输入和2路模拟量输出;硬件配置满足系统需求,是性价比较高的集成方案。

PLC的DI信号主要包括操作方式选择、本机启动和停止、风机过载保护、压差和防冻检测、阀位状态等;而PLC则以风机、阀门、声光报警器为主要控制对象;

PLC采用热电阻PT100测量送风温度,变送输出4~20mA电流信号至AM06输入端,模拟量输入还包括4~20mA的湿度信号以及0~10V的电动水阀开度反馈信号;PLC的AO输出实现水阀的开度调节,给定信号DC 0~10V(4~20mA)对应于0~100%的阀门开度。

2.2 上位机监控平台

监控主机选择研华IPC-610H型工业控制计算机,配置以太网口和RS232串口,内置开发版和运行版工业组态软件;由于各设备分散安装于GMP车间的不同房间,监控计算机安装PLC编程工具,便于末端PLC程序调试和设备检修,降低工程人员劳动强度,提高作业效率。

2.3 手机APP远程监控系统

远程通讯模块选择物联网工业4G智能网关,该模块集4G、WIFI、以太网以及RS485串口于一体,支持多种PLC和标准MODBUS协议,通过用于过程控制的工业标准(OLE for Process Con-trol,OPC)方式,可方便地与多款组态软件交换数据。本系统在集中监控平台建设完成的基础上扩展远程通讯模块,增加手机APP远程监控功能,选择以监控计算机为从站的MODBUS通讯方式,监控主机无需连接外网,亦不改变PLC和监控平台的硬件配置、网络结构和运行环境。

3 软件设计

3.1 PLC程序设计

S7-200SMART PLC在STEP7-Micro/WINSMART编程环境下完成硬件配置、通讯端口和数据保持设置、规定保护权限等工作;编程软件支持LAD、FBD、STL 3种模式,提供PLC程序的在线编辑、监控和调试。

实现GMP数采监控功能的PLC程序模块包括数据采集、PID运算、手动操作、自动控制、通讯模块以及故障报警等。

PLC以送风温度为控制对象,目标温度通过TD400C或监控平台输入并可在线修改,给定比例增益、采样周期、积分和微分时间,PLC执行图4所示的PID指令完成PID运算功能。

图4 PID指令

 PID运算所需要的参数通过变量存储器V给定,其对应关系如表1所示。表1 PID参数

存储器地址

参数

数据格式

变量类型

取值范围

功能说明

VD1000

PVn

REAL

IN

0.0~1.0

过程变量

VD1004

SPn

REAL

IN

0.0~1.0

给定

VD1008

Mn

REAL

IO

0.0~1.0

输出

VD1012

Kc

REAL

IN

比例增益

VD1016

Ts

REAL

IN

采样周期

VD1020

Ti

REAL

IN

积分时间

VD1024

Td

REAL

IN

微分时间

VD1028

Mx

REAL

IO

0.0~1.0

上一次积分

VD1032

PVn-1

REAL

0.0~1.0

上次反馈

36-

自整定变量

PID调节器输出VD1008,程序将其线性化为DC 0~10V的电压,调节电动阀开度。

4.2 上位机组态

监控平台选择“组态王”(KINgview)通用工业组态软件为开发和运行工具,赋予系统“操作”“管理”“监控”“记忆”“通信”和“故障报警”功能。通过“组态王”监控平台构建GMP集中监控系统的设计过程涉及规划项目、构建数据库、设计图形画面、建立动画连接、编写命令语言、分配用户以及运行测试。多站点PLC分配不同的IP地址通过交换机与监控主机建立以太网通讯,通过“组态王”变量实现数据交换,这些变量主要包括实时运行参数(整数或浮点数)、运行及故障状态反馈(位或字节)、远程操作指令(离散量);PLC在“通讯”子程序中,按协议格式“规范化”通讯数据,并完成数据交互任务。组态王支持OPC服务器的设备通讯方式,选择S7200.OPC Server为其通讯链路。组态王“数据词典(数据库变量)”选择OPC作为连接设备,通过西门子PC Access与组态王实时交换数据。监控平台主要运行界面包括:“机组选择和参数设定”“生产报表”“历史数据查询”“用户登录和管理”“故障报警和处理”等。同时,系统运行时还会按规定的文件名以EXCEL格式自动保存生产报表,以方便调用和查询。下面的命令语言以当前日期时间命名温度报表并自动保存在监控主机D盘的“温度”目录:

{long a=\\本站点\$年*10000+\\本站点\$月*100+\\本站点\$日;

 strINg file1="d:\温度\"+"报表"+Str-FromINt(a,10)+".xls";

 ReportSaveAs("温度",file1);}

监控计算机与多站点PLC(“IPC-PLCS”)实时数据交换,构建一个界面友好、全中文操作的“可视化”远程监控平台。以实用、便捷、可靠为主要设计目标,也为设备维护、能源管理、系统功能升级、机组容量扩展提供技术支撑。

3.3 云组态和手机APP监控

物联网4G智能模块通过RS485(COM1)与监控计算机的串口(RS232-485)连接,访问“组态王”监控平台;定义“组态王”作为智能模块的MODBUS从站设备并添加设备变量,对变量的数据格式、采样周期、线性化指标以及安全类别等属性分别进行定义,变量添加完成后下载至智能模块;通过模块配置软件可对通讯状态和变量进行检验和监视。而“组态王”的设备配置则选择为“ModRTUServer(COM)”,并按MODBUS协议格式构建数据词典。

实际应用中,MODBUS协议格式的浮点数运算往往存在存储空间占用大、换算困难,特别在与第三方设备通讯时,软件工作量增加的缺陷。考虑本设计温度测量精确到0.1℃,“组态王”将实时温度值(浮点数)放大10倍后发送至远程智能模块,再由模块线性换算后(除以10)用于显示和存储。以1#机组“当前温度”为例,“组态王”定义变量为R1寄存器,SHORT型,后台程序将当前浮点数温度实际值(1位小数位)乘以10,转换为整数传送给R1寄存器;在智能网关中对应变量地址为40001,数据类型为INt16,规定该变量的线性变换属性,输出缩小图5 1#新风机组手机监控画面为输入值的1/10,数据格式为浮点数(float32)。

工程配置完成后,保存项目并上传至云服务器。云组态设计在浏览器端完成,包括组态画面,监控实时数据以及报警配置等工程任务;经过授权的智能手机用户登录云平台,可通过数据、报表、曲线等方式监控“组态王”的实时运行,并支持报警信息的短信和微信推送。1#GMP的手机监控画面如图5所示。

4 结束语

西门子专为中国用户量身定做的S7 200SMART小型PLC是S7 200系列的升级产品,做到了结构紧凑、完美整合和无缝集成;智能末端SMART PLC的选择,使本设计达到了最高的性价比和技术先进性;与S7 200系统相比,100台SMART PLC控制的新风机组,节约硬件成本约25万元。PLC程序的PID算法经过复杂应用环境的工程整定和优化设计,并启动CPU的PID自整定功能,温度控制精度达到了±0.1℃。“组态王”作为业内广受欢迎的工业组态软件之一,集成了数百款设备驱动,组态灵活、功能完善;而依托建设完成的集中监控平台,将“组态王”作为4G远程智能模块的MODBUS从站,改变每个智能终端扩展通讯模块的传统设计思路,减少了硬件数量和软件设计工作量,监控中心的计算机亦无需连接外网实现基于云平台的远程监控任务,是本设计的创新之处。以MODBUS协议组织“组态王”和4G网关的数据交换,克服了类似项目中浮点数运算占用存储空间大、运算复杂的缺陷,减少了移动数据流量消耗,保证了系统稳定和经济运行。研究成果可在智能楼宇的空调机组、二次供水、公共照明、消防喷淋等自控系统或产品的升级改造中得到推广应用。

与传统控制模式相比,采用PLC和手机APP的GMP集中控制系统提高了装置的自动化和信息化水平,达到了改善操作环境、降低劳动强度、快速响应运行缺陷以及降低用工成本、节能增效的设计目标;运行结果表明,该系统运行可靠、操作维护方便,实现了真正意义上的无人值守;满足智能建筑暖通自动化的发展需求;为生产管理、运行跟踪和设备维护提供了先进的技术手段。

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