Điều khiển nhiệt độ PID - Hướng dẫn chi tiết

Tựa đề:Điều khiển nhiệt độ PIDBước 7, cấu hình, điều chỉnh và thực hành tốt nhất Mô tả Meta: Điều khiển nhiệt độ PID với Siemens Bước 7. Hướng dẫn toàn diện bao gồm thiết lập, cấu hình và điều chỉnh cho việc điều chỉnh nhiệt độ công nghiệp.

1. Giới thiệu

Sơ lược tổng quan: Tổng quan về kiểm soát nhiệt độ và vai trò của nó trong PID.

Nội dung:

Trong nhiều ứng dụng công nghiệp và môi trường phòng thí nghiệm, việc kiểm soát nhiệt độ chính xác rất cần thiết.

Siemens Step 7 là một công cụ lập trình phổ biến cho bộ điều khiển Logic lập trình Siemens. Phần mềm cung cấp các công cụ mạnh mẽ để thực hiện và cấu hình các chiến lược điều khiển khác nhau bao gồm điều khiển PID nhiệt độ. Do đó, các kỹ sư và kỹ thuật viên tự động phải điều chỉnh và cấu hình của các bộ điều khiển PID trong môi trường bước 7. Hướng dẫn này sẽ cung cấp cho bạn một lời giải thích toàn diện về cách sử dụng Siemens Bước 7 để thực hiện điều khiển nhiệt độ PID. Nó bao gồm tất cả mọi thứ từ thiết lập ban đầu cho đến khi điều chỉnh và xử lý các sự cố. Các khái niệm cơ bản sẽ được giải thích bằng một ngôn ngữ rõ ràng và dễ hiểu để đảm bảo rằng những người muốn cải thiện khả năng lập trình PLC của họ có thể dễ dàng hiểu chúng.

1. Hiểu được sự điều khiển PID

Nhìn chung: Giải thích các thành phần P, I và D, cũng như các tham số và ứng dụng chính.

Nội dung:

Điều khiển PID dựa trên tính toán sai số như là hiệu số của một điểm đặt mong muốn (mục tiêu) và một biến quá trình thực tế (nhiệt độ). Tín hiệu lỗi sau đó sẽ được xử lý bằng ba thành phần toán học khác nhau, cụ thể là tích phân và đạo hàm tỷ lệ. Điều quan trọng là phải hiểu các thành phần toán học này ảnh hưởng đến các hành động kiểm soát như thế nào.

Tỷ lệ (P). Tạo ra kết quả tỷ lệ thuận với sai số. Đầu ra sẽ thay đổi nhiều hơn khi sai số lớn hơn. Mặc dù điều khiển P làm giảm lỗi, hệ thống thường sẽ nằm ngoài mục tiêu và không đạt được điểm đặt chính xác của nó. Kp lợi tỷ lệ là yếu tố xác định trong độ nhạy của các phản hồi P. Kp càng cao, thì Kp càng đáp ứng với sai số. Điều này có thể dẫn đến một điều chỉnh nhanh hơn nhưng cũng có thể làm tăng nguy cơ dao động.

Khâu tích phân (I) đề cập đến trạng thái ổn định bù trừ cố hữu đối với kiểm soát P thuần túy. Số hạng này tích hợp giá trị của lỗi tích lũy. Lỗi tích lũy này được sử dụng để điều chỉnh đầu ra. Hằng số thời gian tích phân Ti xác định tốc độ của hành động tích phân. Hằng số thời gian tích phân (Ti) là một giá trị xác định thời gian tích phân đáp ứng với sai số nhanh như thế nào.

Đạo hàm (D) dự đoán các sai lầm trong tương lai bằng cách xem xét tỷ lệ mà sai số đang thay đổi. Thuật ngữ đo lường tỷ lệ mà một lỗi thay đổi và có hành động sửa chữa tỷ lệ thuận với sự thay đổi đó. Khả năng dự đoán này bị ảnh hưởng bởi hằng số thời gian đạo hàm. Hiệu ứng dẫn xuất được tăng cường bởi Td cao hơn, giúp giảm dao động, cải thiện sự ổn định và các quy trình làm giảm quán tính cao. Hành động phái sinh nhạy cảm với tiếng ồn đo lường, có thể gây ra hành vi thất thường nếu IT' s không được chỉnh cẩn thận.

Phương trình PID kết hợp 3 yếu tố sau:

Đầu ra = Kp * (lỗi + (1 / Ti) * Lỗi DT + Kd * d (lỗi)/dt)

Ở đâu:

Đầu ra đại diện cho tín hiệu được gửi đến một thiết bị chấp hành, chẳng hạn như một yếu tố làm nóng.

Sai số được định nghĩa là sự khác biệt giữa điểm đặt (nhiệt độ) và biến quá trình.

Kp đại diện cho độ lợi theo tỷ lệ.

Hằng số thời gian tích phân là.

Kd đại diện cho lợi nhuận phái sinh.

Lỗi Dt là sai số tích phân theo thời gian.

D (lỗi)/DT là tỷ lệ thay đổi trong lỗi.

Điều khiển PID được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm lò sưởi và lò. Chúng cũng có thể được áp dụng cho máy sưởi nước, phản ứng hóa học hoặc hệ thống làm lạnh. Khả năng của PID để cung cấp điều khiển mạnh mẽ, chính xác và ổn định là rất cần thiết trong tự động hóa công nghiệp.

3. Cài đặt hệ thống

Nhìn chung: Mô tả và cài đặt phần cứng yêu cầu (cảm biến và thiết bị truyền động) cũng như cấu hình phần mềm ban đầu (cài đặt bước 7) và kết nối vật lý.

Nội dung:

Một hệ thống vật lý được yêu cầu trước khi cấu hình PID trong phần mềm Bước 7. Các thành phần phần cứng bao gồm một thiết bị cảm biến nhiệt độ, một thiết bị truyền động có thể ảnh hưởng đến nhiệt độ và một Siemens PLC thực hiện logic. Các lựa chọn của các cảm biến (ví dụ như thermocouple hoặc RTD) cũng như cơ cấu chấp hành (ví dụ như yếu tố làm nóng, quạt làm mát) phụ thuộc vào các ứng dụng.

Bộ cảm biến này chuyển phép đo nhiệt độ vật lý thành tín hiệu điện mà PLC có thể xử lý. Tín hiệu thường được điều hòa (khuếch đại, lọc) để phù hợp với phạm vi mà PLC Analog Input Module chấp nhận. Mô-đun đầu ra tương tự của PLC gửi tín hiệu điều khiển được sử dụng để điều chỉnh hoạt động nhiệt hoặc lạnh. Tín hiệu này có thể dao động từ 0 đến 10 vôn và 4 đến 20 miliamps.

Nó là bộ điều khiển Logic được lập trình điều khiển hệ thống. PLC nhận tín hiệu điều hòa của cảm biến nhiệt độ thông qua mô-đun AI. Sau đó, nó thực thi một thuật toán PID dựa trên giá trị điểm đặt và giá trị đo được và gửi một tín hiệu tương ứng cho bộ truyền động thông qua mô-đun AO. Quyền lực được yêu cầu đối với PLC và các cảm biến cũng như các thiết bị truyền động.

Siemens Step 7 được yêu cầu phải được cài đặt vào một máy tính. Các kỹ sư sau đó có thể tạo, cấu hình và tải về chương trình điều khiển của họ vào phần cứng PLC. Bước 7 chứa các công cụ và khối cần thiết để lập trình PLC Logic. Điều này bao gồm các khối cần thiết cho điều khiển PID. Bước 7 phải được cài đặt trong phiên bản thích hợp cho phần cứng. Phần mềm sau đó được sử dụng để cấu hình các mô đun và tạo ra các ứng dụng điều khiển.

Kết nối vật lý là giai đoạn cuối cùng của thiết lập ban đầu. Các cáp phải chạy từ PLC AI Module đến thiết bị truyền động, cũng như giữa PLC AO Module. Để giảm nhiễu có thể ảnh hưởng đến độ chính xác, các dây cáp phải có chốt an toàn và che chắn, đặc biệt là đối với các cảm biến nhiệt độ. Tất cả các thiết bị cũng phải kết nối điện được thực hiện đúng tiêu chuẩn an toàn. Cấu hình vật lý là rất quan trọng, vì nó sẽ tạo nền tảng cho cấu hình phần mềm.

Ở bước 7, điều chỉnh khung CHẬU

Nhìn chung: Các bước để tạo một dự án bước 7, thêm các khối PID, cấu hình các thông số (Kp Ki Kd đặt điểm đặt đầu vào/đầu ra) và thiết lập các kết nối tín hiệu.

Nội dung:

Siemens Bước 7 cung cấp một số cách khác nhau để cấu hình các điều khiển PID. Phần mềm#39; s Function Blocks là quan trọng nhất.

Ở bước 7, tạo ra một dự án. Bước đầu tiên là tạo ra một dự án mới ở bước 7. Điều này bao gồm thiết lập cấu trúc của dự án, xác định cấu hình phần cứng (xác định các mô hình PLC và các mô hình được kết nối như AI và AO), cũng như tạo ra các biểu tượng và biến cho chương trình. Cách tiếp cận có cấu trúc đảm bảo rằng logic của kiểm soát là rõ ràng và giúp tổ chức.

Bước tiếp theo sẽ là thêm các khối PID vào chương trình của bạn. Siemens Step 7 cung cấp các khối PID trong thư viện của mình. Chúng thường được tìm thấy trên các thực đơn được dán nhãn ' chức năng khối hoặc khối. Thuật toán PID được biểu hiện trong các khối này. Tạo một khối điều khiển PID hoặc một thực thể trong chương trình chính. Khối này phải có đầu vào và kết nối. Những điều này sau đó sẽ được gắn với các biến quá trình thực tế và điểm đặt.

Cấu hình tham số PID là một bước quan trọng. Trong các thông số hoặc thuộc tính cửa sổ cho trường hợp PID, độ lợi tỷ lệ (Kp), hằng số thời gian tích phân (Ti), cũng như hằng số thời gian đạo hàm (Td) thường được đặt. Những giá trị này có tác động lớn đến hiệu suất của bộ điều khiển. Ziegler Nichols là một phương pháp phổ biến để xác định các giá trị ban đầu của Kp, Kd và Ki. Điều này bao gồm việc đo thời gian dao động tới hạn và độ lợi từ bộ điều khiển và tính các giá trị Kp, Kd và Ki. Giá trị ban đầu cũng có thể dựa trên ứng dụng hoặc kinh nghiệm.

Điểm đặt (SP), nhiệt độ đích phải được duy trì bởi bộ điều khiển PID, cũng nên được thiết lập. Điểm đặt là nhiệt độ mục tiêu bộ điều khiển PID đang hướng tới để đạt được. Các điểm đặt có thể được định nghĩa là một hằng số trong lập trình hoặc thay đổi động thông qua đầu vào HMI (giao diện người-máy), hoặc bằng cách liên lạc với một hệ thống khác.

Đầu vào biến quá trình (PV), là nhiệt độ được đo, cũng nên được kết nối với PID. Mô-đun TRÍ tuệ nhân tạo là nơi xuất phát dữ liệu đầu vào này. Nó nhận các tín hiệu cảm biến và chuyển chúng thành các giá trị số trong phạm vi PLC.

Đầu ra (ra) từ mô-đun PID phải được kết nối với mô-đun AO. Tín hiệu đầu ra (thường là giá trị số) sẽ được gửi bởi bộ chấp hành để thay đổi nhiệt độ của quá trình. Phạm vi đầu ra này phải phù hợp với cả thông số và yêu cầu của mô-đun AO. Nếu & ' Tự động tune&Quot; Tính năng có sẵn trong các khối bước 7 của PID, IT' s quan trọng để thiết lập điều này. Điều này sẽ tự động tính toán các giá trị Kp, Kd và Ki dựa trên các động lực của quá trình.

Điều khiển PID

Hãy phác thảo một lời giải thích về phương pháp Ziegler Nichols và kỹ thuật điều chỉnh thủ công. Ngoài ra, làm thế nào để điều chỉnh Kp, Kd và Ki cho hiệu suất tối ưu.

Nội dung:

Cấu hình ban đầu của các tham số PID chỉ phản ánh khởi điểm; Để đạt được hiệu suất tối ưu, cần điều chỉnh cẩn thận. Các giá trị Kp, Kd, và Ki được điều chỉnh để đảm bảo hệ thống đáp ứng với sự thay đổi, rằng nó đạt đến điểm đặt của nó với độ chính xác, vẫn ổn định, không có dao động, và không có lỗi trạng thái ổn định. Phương pháp Ziegler Nichols hoặc điều chỉnh thủ công là hai cách tiếp cận chính.

Phương pháp Ziegler Nichols là một cách tiếp cận thực nghiệm được hệ thống hóa yêu cầu một hệ thống ổn định. Quá trình này có hai bước. Đầu tiên, xác định lợi ích cuối cùng của hệ thống (Ku), và sau đó là giai đoạn cuối cùng. Độ lợi cuối cùng (Ku) là độ lợi tối đa mà hệ thống sẽ hoạt động mà không dao động sau khi thay đổi bước. Để tìm Ku và Pu, một giá trị rất cao của Kp được chọn (độ lợi quan trọng), và hệ thống được điều chỉnh thủ công cho đến khi nó dao động với một chu kỳ nhất quán (Pu). Ku sau đó bằng độ lợi tới hạn này, và Pu là khoảng thời gian của các dao động này. Mục tiêu là để đạt được một phản ứng đủ nhanh để sửa các sai lệch nhưng không nhanh đến mức nó gây ra dao động. Một khi Kp hợp lý được tìm ra, hành động tích phân (Ki) được giới thiệu và điều chỉnh để loại bỏ bất kỳ lỗi trạng thái ổn định nào. Cuối cùng, hành động phái sinh (Kd) được thêm thận trọng, chủ yếu là để giảm dao động, cải thiện sự ổn định mà không cần làm chậm đáng kể phản ứng. Quá trình lặp này đòi hỏi sự kiên nhẫn và quan sát cẩn thận của System' S hành vi, thường sử dụng các xu hướng đồ họa hiển thị bởi HMI hoặc trong bước 7.

Kiểm tra và hiệu chuẩn

Phác thảo: chạy mô phỏng trong Bước 7, thử nghiệm thực tế với phần cứng thực sự, và tầm quan trọng của việc hiệu chuẩn cho độ chính xác.

Nội dung:

Sau khi cấu hình và điều chỉnh bộ điều khiển PID trong phần mềm bước 7, điều quan trọng là phải kiểm tra kỹ lưỡng và hiệu chỉnh hệ thống để đảm bảo các chức năng của nó như dự định và đạt được mức độ chính xác yêu cầu.

Thử nghiệm ban đầu có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các công cụ mô phỏng có sẵn trong môi trường Bước 7. Nhiều khối PID bao gồm các khả năng mô phỏng cho phép bạn kiểm tra logic điều khiển offline. Bạn có thể áp dụng mô phỏng điểm đặt thay đổi hoặc nhiễu tải và quan sát system' S trả lời về xu hướng đồ họa được hiển thị trong phần mềm Comfort Bước 7 hoặc WinCC Comfort. Giai đoạn mô phỏng này giúp xác định lỗi chương trình tiềm năng, xác minh các thông số điều chỉnh và hiểu system' s hoạt động trước khi kết nối phần cứng trực tiếp. Trong khi mô phỏng có giá trị, nó không thể tái tạo hoàn toàn các động lực học và phi tuyến tính tiềm năng của quá trình thực.

Bước quan trọng tiếp theo là thử nghiệm thực tế với thiết lập phần cứng thực tế. Một khi hệ thống được kết nối vật lý và PLC chạy logic điều khiển được lập trình, bạn phải quan sát hiệu suất của nó trong điều kiện hoạt động thực. Áp dụng điểm đặt và quan sát nhiệt độ phản ứng như thế nào. Kiểm tra sự ổn định, phóng đại, thời gian ổn định (thời gian cần để nhiệt độ duy trì trong một khoảng quy định xung quanh điểm đặt) và lỗi trạng thái ổn định. Nếu có thể, hãy giới thiệu các nhiễu có kiểm soát để xem hệ thống phục hồi như thế nào. So sánh phản ứng thực tế với các kết quả mô phỏng và thực hiện các điều chỉnh chỉnh độ tinh chỉnh cao hơn với các thông số PID nếu cần thiết. Quá trình thử nghiệm và điều chỉnh lặp này là rất quan trọng để đạt được việc kiểm soát nhiệt độ đáng tin cậy và hiệu quả.

Hiệu chuẩn là bước quan trọng cuối cùng, đảm bảo độ chính xác của hệ thống đo lường. Hiệu chuẩn chính xác đảm bảo rằng bộ điều khiển PID đáp ứng với các giá trị nhiệt độ chính xác, dẫn đến hiệu suất điều khiển đáng tin cậy.

Khắc phục và duy trì

Phác thảo: các vấn đề phổ biến (bất ổn, dao động, phản ứng chậm, bù đắp) và nguyên nhân của chúng, đầu bảo trì thường xuyên và cân nhắc an toàn.

Ngay cả với cấu hình và điều chỉnh cẩn thận, các hệ thống điều khiển nhiệt độ PID cũng có thể gặp vấn đề. Nhận ra các vấn đề chung và nguyên nhân tiềm năng của chúng là cần thiết để khắc phục rắc rối hiệu quả. Xử lý sự cố thường liên quan đến việc kiểm tra có hệ thống phần cứng, cấu hình phần mềm và các thông số điều chỉnh.