《畢業(yè)設(shè)計(jì)－基于SIEMENS_S7-300PLC的鍋爐流量-溫度前饋-反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》

1、南 陽 理 工 學(xué) 院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 學(xué)院系：電子系與電氣工程系專 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期 2021年 5 月南陽理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于SIEMENS S7-300PLC的鍋爐流量-溫度 前饋-反響控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) Control system Design of Feedforward and Feedback for Boiler Water Flow-Temperature Controlling Based on SIEMENS S7-300 PLC 總 計(jì)： 23 頁表 格： 1 個(gè)插 圖 ： 22 幅南 陽 理 工 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論文

2、基于SIEMENS S7-300PLC的鍋爐流量-溫度 前饋-反響控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Control system Design of Feedforward and Feedback for Boiler Water Flow-Temperature Controlling Based on SIEMENS S7-300 PLC 學(xué) 院 系： 電子與電氣工程系 專 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 評(píng) 閱 教 師： 完 成 日 期： 2021年05月 南陽理工學(xué)院Nanyang Institute of Technology基于SIEMENS S7-300PLC的鍋爐流量-

3、溫度前饋-反響 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化專業(yè) 摘 要:在鍋爐內(nèi)膽水溫度控制中，水的溫度為控制對(duì)象，其本身具有較大的滯后。由于外膽冷卻水是循環(huán)的，因此一點(diǎn)少量的流量擾動(dòng)即會(huì)對(duì)內(nèi)膽溫度產(chǎn)生影響。流量擾動(dòng)在設(shè)計(jì)中被默認(rèn)為可測(cè)不可控的。正因?yàn)榱髁繑_動(dòng)的這個(gè)特性我們可以用前饋補(bǔ)償來消除它的影響。溫度控制我們用一個(gè)PID控制器來控制。在程序設(shè)計(jì)中PID控制器和前饋補(bǔ)償用SIEMENS S7-300 PLC中的FB41模塊來實(shí)現(xiàn)。再通過FB43將FB41的輸出轉(zhuǎn)換成時(shí)間比例脈沖從而控制加熱絲，實(shí)現(xiàn)溫度前饋反響控制。關(guān)鍵詞:過程控制；前饋反響控制；西門子可編程控制器Control system Design of

4、Feedforward and Feedback for Boiler Water Flow-Temperature Controlling Based on SIEMENS S7-300 PLCAbstract: In the boiler water temperature control, water temperature is the object of control that have a largar lag. Due to the cooling water is circulated,so that a small amount of flow disturbances t

5、hat have an impact on the temperature. The flow disturbance in the design is observability and no controllability. Because of the characteristics of flow disturbance, we can use the feed-forward equalization to eliminate its impact. We use a PID controller to control the temperature.In the programme

6、r design,the PID controller and feedforward equalization achieve with the module FB41 of SIEMENS S7-300 PLC. Through the output of the FB41,the FB43 will convert it into pulses to control the heating wire,in order to achieve the feedforward and feedback control of temperature.Key words: process cont

7、rol;feedforward and feedback control;SIEMENS S7-300 PLC目 錄1引言12任務(wù)分析及控制方案的選擇1前饋控制系統(tǒng)1前饋反響控制系統(tǒng)3鍋爐流量-水溫前饋反響控制系統(tǒng)分析及控制方案選擇43控制算法實(shí)現(xiàn)根底S7-300PLC系統(tǒng)說明及組態(tài)4PLC介紹4S7-300PLC說明5S7-300PLC根本介紹5S7-300 模塊說明5S7-300組織塊說明7S7-300功能塊說明7S7-300系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)分類9I/O模塊的地址分配9STEP7簡(jiǎn)介10力控組態(tài)軟件簡(jiǎn)介104鍋爐流量-水溫前饋反響控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)10模擬量信號(hào)采集10S7-300PLC程序的實(shí)現(xiàn)1

8、1S7-300PLC硬件組態(tài)11S7-300PLC主程序的實(shí)現(xiàn)11P、I、D參數(shù)整定18結(jié)束語22參考文獻(xiàn)23致謝.231 引言 在過程控制中溫度控制應(yīng)用相當(dāng)廣泛。往往在控制中還存在著多種擾動(dòng)，例如流量、液位等。溫度控制作為過程控制中的一個(gè)很重要的方面，由于其特殊性一直以來都是一個(gè)控制難點(diǎn)。溫度控制具有很大的滯后性，在控制中難以得到理想的效果。再加上各種擾動(dòng)，溫度控制已經(jīng)不能光靠簡(jiǎn)單的PID控制到達(dá)目標(biāo)。在這種情況下我們往往就需要借助別的控制方式。前饋控制做為一種特殊的控制規(guī)律就是在這種情況下開展起來的。前饋控制是在擾動(dòng)影響到被控對(duì)象之前就將其通過補(bǔ)償消除掉。因此在這次設(shè)計(jì)中我們用前饋控制方式

9、來克服流量的擾動(dòng)使得溫度控制精度更加精確。前饋控制控制算法我們往往用PLC來實(shí)現(xiàn)。但是單純的前饋往往不能很好的補(bǔ)償干擾，主要是單純前饋不存在被控變量的反響，即對(duì)于補(bǔ)償?shù)男Ч麤]有檢驗(yàn)的手段。因此，為使我們的控制系統(tǒng)能到達(dá)控制要求，可以將前饋與反響結(jié)合起來使用，構(gòu)成所謂前饋反響控制系統(tǒng)。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。本次設(shè)計(jì)綜合和運(yùn)用計(jì)算機(jī)、PLC、溫度傳感器、流量傳感器等對(duì)工業(yè)對(duì)象的夾套鍋爐、管

10、道進(jìn)行控制，運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程、PLC編程、控制算法設(shè)計(jì)、過程控制、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、電氣線路設(shè)計(jì)等知識(shí)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)前饋反響控制。首先由變頻器、泵、壓力傳感器組成恒壓供水系統(tǒng)，再由兩個(gè)調(diào)節(jié)閥控制兩個(gè)支路分別給鍋爐的夾套和內(nèi)膽供水，由PLC、加熱絲、溫度傳感器組成鍋爐內(nèi)膽水溫反響加熱系統(tǒng)，流量傳感器、PLC、加熱絲組成前饋補(bǔ)償系統(tǒng)，從而組成前饋反響控制系統(tǒng)。2 任務(wù)分析及控制方案的選擇2.1 前饋控制系統(tǒng)我們把按照干擾量的變化來補(bǔ)償其對(duì)被控變量的影響，從而到達(dá)被控量完全不受干擾影響的控制方式稱為前饋控制，簡(jiǎn)稱FFCFeed Forward Control。很顯然，這種控制是一種開環(huán)控制。其系統(tǒng)框圖如圖

11、1所示。圖1 前饋控制系統(tǒng)框圖系統(tǒng)傳遞函數(shù)如公式1 1式中Gpd(s)、Gpc(s)分別為對(duì)象干擾通道與控制通道的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)對(duì)干擾F實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是：當(dāng)F(s)0,而0由上兩式可求得前饋控制器的傳遞函數(shù)為公式2 2 由上式可以看出前饋控制器的控制規(guī)律為對(duì)象的干擾通道與控制通道的特性比，式中的負(fù)號(hào)表示控制作用與干擾作用的方向相反。單純的前饋控制系統(tǒng)根據(jù)對(duì)干擾補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，可分為動(dòng)態(tài)前饋控制及靜態(tài)前饋控制。 1動(dòng)態(tài)前饋控制當(dāng)前饋控制作用力求在任何時(shí)刻均實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的補(bǔ)償，通過適宜的前饋控制規(guī)律的選擇，使得干擾經(jīng)過前饋控制器至被控量這一通道的動(dòng)態(tài)特性與對(duì)象干擾通道的動(dòng)態(tài)特性完全一致，并使它們的符

12、號(hào)相反，便可到達(dá)控制作用完全補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響。此時(shí)前饋控制器的Gff(s)=GPD(s)GPC(s)。 2靜態(tài)前饋控制在有些實(shí)際生產(chǎn)過程中，并沒有動(dòng)態(tài)前饋控制那樣高的補(bǔ)償要求，而只需要在穩(wěn)定工況下實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾量的補(bǔ)償。此時(shí)，前饋控制器的輸出量與輸入兩呈一定比例關(guān)系，而與時(shí)間因子t無關(guān)，前饋控制就成為靜態(tài)前饋控制。那么此時(shí)的Gff為一靜態(tài)系數(shù)Kf。以以下出前饋控制與反響控制的一些不同： 1前饋控制克服干擾比反響控制及時(shí)。前饋控制時(shí)按照干擾作用的大小進(jìn)行控制的，如控制作用恰到好處，一般比反響控制要及時(shí)。 2前饋控制屬于“開環(huán)控制系統(tǒng)。前饋控制系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，這一點(diǎn)從某種意義上來說是前

13、饋的缺乏之處。反響控制由于是閉環(huán)系統(tǒng)，控制結(jié)果能夠通過反響獲得檢驗(yàn)，而前饋控制的效果并不通過反響加以檢驗(yàn)，因此前饋控制對(duì)被控對(duì)象的特性掌握必須比反響控制清楚，才能得到一個(gè)較適宜的前饋控制作用。 3前饋控制使用的是對(duì)象特性而定的“專用控制器。一般的反響控制系統(tǒng)均采用通用類型的PID控制器，而前饋控制器是專用的控制器，對(duì)于不同的對(duì)象特性，前饋控制器的形式將是不同的。 4一種前饋控制作用只能克服一種干擾。由于前饋控制作用是按干擾進(jìn)行工作的，而且整個(gè)系統(tǒng)是開環(huán)的，因此根據(jù)一種干擾設(shè)置的前饋控制只能克服這一干擾，而對(duì)于其他干擾，由于這個(gè)前饋控制器無法感受到，也就無能為力了。而反響控制只能用一個(gè)控制回路就

14、可克服多個(gè)干擾，所以說這一點(diǎn)也是前饋控制系統(tǒng)的一個(gè)弱點(diǎn)。2.2 前饋反響控制系統(tǒng)單純的前饋往往不能很好的補(bǔ)償干擾，存在著不少局限性，主要是單純前饋不存在被控變量的反響，即對(duì)于補(bǔ)償?shù)男Ч麤]有檢驗(yàn)的手段。這樣在前饋?zhàn)饔玫目刂平Y(jié)果并沒有最后消除被控變量偏差時(shí)，系統(tǒng)無法得到這一信息而做進(jìn)一步的校正。其次，由于實(shí)際工業(yè)對(duì)象存在著多個(gè)干擾，為了補(bǔ)償他們對(duì)被控變量的影響，勢(shì)必要設(shè)計(jì)多個(gè)前饋通道，這就增加了投資費(fèi)用和維護(hù)工作量。因此，一個(gè)固定的前饋模型難以獲得良好的控制品質(zhì)。為了解決這一局限性，使得我們的控制系統(tǒng)能到達(dá)控制要求，可以將前饋與反響結(jié)合起來使用，構(gòu)成所謂前饋反響控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中可綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)

15、，將反響控制不易克服的主要干擾進(jìn)行反響控制，這樣，既發(fā)揮了前饋校正及時(shí)的特點(diǎn)，又保持了反響控制能克服多種干擾并對(duì)被控變量始終給與檢驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，因而這種控制方式是過程控制中較有開展前途的控制方式。綜上所述，前饋反響控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于： 1由于增加了反響控制回路，大大簡(jiǎn)化了原有前饋控制系統(tǒng)。只需對(duì)主要的干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償，其他干擾可由反響控制予以校正。 2反響回路的存在，降低了前饋控制模型的精度要求，為工程上實(shí)現(xiàn)比擬簡(jiǎn)單的通用型模型創(chuàng)造了條件。 3負(fù)荷或工況變化時(shí)，模型特性也要變化，可由反響控制加以補(bǔ)償，因此具有一定的自適應(yīng)能力。2.3 鍋爐流量-水溫前饋反響控制系統(tǒng)分析及控制方案選擇本次設(shè)計(jì)針對(duì)的是

16、鍋爐內(nèi)膽水溫的控制。在設(shè)計(jì)中我們需要在內(nèi)膽內(nèi)注滿水，水的溫度做為我們的控制對(duì)象。鍋爐外膽的循環(huán)水做為冷卻水，并且使冷卻水流量做為一個(gè)主要擾動(dòng)信號(hào)，用前饋控制器來補(bǔ)償流量擾動(dòng)對(duì)對(duì)象的影響。在以往的實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)象的控制滯后比擬大。并且由于實(shí)驗(yàn)條件有限外膽冷卻水也不能保證溫度恒定不變，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)也可以使內(nèi)膽水流動(dòng)保持一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。這樣使得對(duì)象的熱慣性減小并使控制的滯后更小。很明顯，在這個(gè)系統(tǒng)中外膽流量的變化將做為系統(tǒng)的主要擾動(dòng)。我們默認(rèn)為它是可測(cè)而不可控的，因此為了在流量擾動(dòng)影響到內(nèi)膽溫度之前就將其消除就可以采取前饋補(bǔ)償。而整個(gè)溫度控制我們直接可以做成一個(gè)溫度單回路系統(tǒng)。前饋反響控

17、制環(huán)節(jié)可由電磁流量傳感器、計(jì)算機(jī)、接觸器、加熱器、組成前饋補(bǔ)償系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)、接觸器、加熱器、溫度傳感器組成反響加熱系統(tǒng)，即主要由計(jì)算機(jī)、接觸器、加熱器、電磁流量傳感器、溫度傳感器組成前饋反響控制系統(tǒng)。圖2為前饋反響控制系統(tǒng)方框圖。圖2 前饋反響控制框圖其中前饋補(bǔ)償和PID控制都由S7-300PLC編程實(shí)現(xiàn)。由于對(duì)系統(tǒng)控制補(bǔ)償要求不高，同時(shí)溫度對(duì)象的傳遞函數(shù)難以求得，所以在實(shí)現(xiàn)前饋補(bǔ)償時(shí)我們用的是靜態(tài)前饋補(bǔ)償。3 控制算法實(shí)現(xiàn)根底S7-300PLC系統(tǒng)說明及組態(tài)3.1 PLC介紹PLC即可編程控制器，英文全稱是Programmable logic Controller。是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系

18、統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程.PLC是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結(jié)合很緊密的語言。模塊式PLC由：CPU模塊、信號(hào)模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊、編程設(shè)備等幾個(gè)局部組成。3.2 S7-300PLC說明3.2.1 S7-300PLC根本介紹本次設(shè)計(jì)我們用的是德國(guó)西門子公司的S7-300 PLC。西門子的PLC以極高的性能價(jià)格比，在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有很大的份額，在我國(guó)的各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。S7-300/40

19、0屬于模塊式PLC，主要由機(jī)架、CPU模塊、信號(hào)模塊SM、功能模塊FM、接口模塊IM、通信處理器CP、電源模塊PS和編程設(shè)備組成。3.2.2 S7-300 模塊說明本次設(shè)計(jì)主要是涉及到溫度、流量等模擬信號(hào)的采集，因此主要用到的是西門子的SM331和SM332模塊。西門子的SM331和SM332模塊有很多的型號(hào)，在選擇時(shí)要考慮到需要用到的模擬量通道的數(shù)量，模擬量采集需要的精度等一系列因素。但是因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)所用到的設(shè)備是往年已經(jīng)準(zhǔn)備好的所以這些我們不需要考慮。這次設(shè)計(jì)用到的SM331模塊訂貨號(hào)為：6ES7 331-7RD00-0AB0。這個(gè)模塊有4路模擬量輸入通道?？梢越邮?20mA和420mA的

20、電流信號(hào)，精度為15位。所用到的SM332模塊訂貨號(hào)為：6ES7 332-5HD01-0AB0。這個(gè)模塊有4路模擬量輸出通道。可以輸出020mA和420mA的電流信號(hào)，精度為12位。 1 SM331介紹模擬量輸入模塊用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)，其主要組成局部是A/D轉(zhuǎn)換器。模擬量輸入模塊的輸入信號(hào)一般是模擬量變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電壓、直流電流信號(hào)。為了防止電磁干擾，模擬量模塊可以分為帶隔離和不帶隔離的。在設(shè)置模擬量輸入模塊時(shí)先要從硬件上設(shè)置各個(gè)通道對(duì)應(yīng)的量程卡。然后在組態(tài)時(shí)在屬性對(duì)話框內(nèi)設(shè)置測(cè)量范圍和型號(hào)。圖3為SM331屬性設(shè)置。模擬量輸入/輸出模塊中模擬量對(duì)應(yīng)的數(shù)

21、字稱為模擬值，模擬值用16位二進(jìn)制補(bǔ)碼整數(shù)來表示。模擬量輸入模塊的模擬值與以百分?jǐn)?shù)表示的模擬量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為雙極性模擬量量程100%到-100%分別對(duì)應(yīng)于模擬值27648到-27648。單極性對(duì)應(yīng)于0到27648。2SM332介紹模擬量輸出模塊SM332用于將CPU傳送給它的數(shù)字轉(zhuǎn)換為成比例的電流信號(hào)或電壓信號(hào)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)或控制，其主要組成局部是D/A轉(zhuǎn)換器。在模擬量輸出組態(tài)時(shí)也需要選擇輸出類型和范圍，如果不選擇正確會(huì)使得執(zhí)行器出現(xiàn)一些與控制信號(hào)不符的錯(cuò)誤。如圖4所示在輸出類型和輸出范圍兩個(gè)選項(xiàng)上應(yīng)該對(duì)應(yīng)執(zhí)行器選擇。例如我們?cè)O(shè)計(jì)中用到的調(diào)節(jié)閥應(yīng)該用電流型420mA電流信號(hào)在選擇時(shí)應(yīng)該

22、按圖4所示來選擇，否那么會(huì)出現(xiàn)執(zhí)行器輸入信號(hào)錯(cuò)誤從而影響控制系統(tǒng)運(yùn)行。圖4為SM332屬性設(shè)置。圖3 SM331屬性設(shè)置 圖4 SM332屬性設(shè)置3.2.3 S7-300組織塊說明在設(shè)計(jì)中我們主要用到三個(gè)組織塊:OB1 OB100和OB35。OB1用于循環(huán)處理，是用戶程序中的主程序。操作系統(tǒng)在每一次循環(huán)中運(yùn)行一次OB1。OB100程序在CPU執(zhí)行暖啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行，且只執(zhí)行一次，可用于變量的初始化。OB35是定時(shí)循環(huán)中斷組織塊，在CPU屬性設(shè)置中可以設(shè)置它的中斷周期如圖5所示。 圖5 CPU屬性設(shè)置3.2.4 S7-300功能塊說明 這次設(shè)計(jì)中需要用到PID調(diào)節(jié)功能以及控制加熱絲，即PID的輸出要控

23、制開關(guān)量。因此我們需要用到FB41和FB43模塊。S7-300的模擬量閉環(huán)控制功能主要涉及到FB41、FB42、FB43三個(gè)功能塊。其中FB41用于連續(xù)控制，F(xiàn)B42用于步進(jìn)控制，F(xiàn)B43用于脈沖寬度調(diào)制。 1FB41模塊說明。FB41模塊的輸出為連續(xù)變量?？梢宰鳛閱为?dú)的PID恒值控制器，或者在多閉環(huán)控制中實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)控制、混合控制器和比例控制器?？刂破鞯墓δ芑谀M信號(hào)采樣控制器的PID控制算法，如果需要的話，F(xiàn)B41可以用脈沖發(fā)生器FB43進(jìn)行擴(kuò)展本次設(shè)計(jì)就用到FB43做為擴(kuò)展，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的輸出信號(hào)，來控制比例執(zhí)行機(jī)構(gòu)的二級(jí)或三級(jí)控制器。下面簡(jiǎn)單介紹一下FB41的幾個(gè)常用參數(shù)。MAN_O

24、N:為1時(shí)控制循環(huán)將被中斷，手動(dòng)值被設(shè)置為操作值。PV_IN:輸入浮點(diǎn)格式的過程變量，此時(shí)數(shù)字量輸入PVPER_ON應(yīng)為0。SP_INT:內(nèi)部設(shè)定值輸入，取值范圍100.0%或物理值。P_SEL:為1時(shí)激活比例作用，反之禁止比例作用，默認(rèn)值為1。I_SEL:為1時(shí)激活積分作用，反之禁止積分作用，默認(rèn)值為1。D_SEL:為1時(shí)激活微分作用，反之禁止微分作用，默認(rèn)值為1。DISV:擾動(dòng)輸入變量。LMN:浮點(diǎn)格式的控制器輸出值。LMN_HLM:控制器輸出上限值。LMN_LLM:控制器輸出下限值。 2FB43模塊說明。FB43模塊為一個(gè)脈沖發(fā)生器通常與PID控制器配合使用，用脈沖輸出來控制比例執(zhí)行機(jī)構(gòu)

25、。該功能一般與連續(xù)控制器FB41一起使用，F(xiàn)B43可以構(gòu)建脈沖寬度調(diào)制的二級(jí)或三級(jí)PID控制。FB43通過調(diào)制脈沖寬度，將輸入變量INV即PID控制器的輸出量LMN轉(zhuǎn)換為具有恒定周期的脈沖序列，該恒定周期時(shí)間PER_TM來設(shè)置，PER_TM應(yīng)與CONT_C的采樣周期CYCLE相同。在這個(gè)模塊中涉及到一個(gè)“采樣比率的問題，這個(gè)通過修改P_B_TM來設(shè)置采樣比。在PER_TM周期內(nèi)的P_B_TM越小那么采樣頻率越高，即控制精度越高。下面介紹FB43幾個(gè)常用的參數(shù)：MAN_ON:手動(dòng)模式翻開，可以手動(dòng)設(shè)置輸出信號(hào)。INV:輸入變量，即FB41輸出的模擬量控制值LMN。PER_TM:周期時(shí)間，脈沖寬度

26、調(diào)制的恒定周期，對(duì)應(yīng)于PID控制器的采樣時(shí)間。P_B_TM:最小脈沖時(shí)間或最小斷開時(shí)間，應(yīng)不小于參數(shù)CYCLE。CYCLE:采樣時(shí)間，規(guī)定了相鄰兩次塊調(diào)用之間間隔的時(shí)間。 3FC105，F(xiàn)C106功能的介紹。在處理模擬量時(shí)，從變送器送過來的模擬信號(hào)經(jīng)過SM331轉(zhuǎn)換成027648之間的數(shù)值。但是FB41處理這些數(shù)值之前需要經(jīng)過一個(gè)量程轉(zhuǎn)換將027648的數(shù)值轉(zhuǎn)換成一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)方能輸入FB41進(jìn)行處理。在處理后的數(shù)值輸出給SM332之前也要經(jīng)過一個(gè)變換。在STEP7中我們可以用FC105和FC106來實(shí)現(xiàn)上述功能。下面介紹一下這兩個(gè)塊的幾個(gè)重要參數(shù)：IN:輸入?yún)?shù)，F(xiàn)C105可以是PIW，也可以是

27、整數(shù)格式的存儲(chǔ)單元。FC106的可以是PID運(yùn)算的輸出，也可以是浮點(diǎn)數(shù)格式的存儲(chǔ)單元。HI_LIM:輸入?yún)?shù)，實(shí)數(shù)，工程單位量程上限。LO_LIM:輸入?yún)?shù)，實(shí)數(shù)，工程單位量程下限。BIPOLAR:BOOL量，輸入值為0表示單極性，為1表示雙極性。RET_VAL:輸出參數(shù)，返回值。如果框中功能執(zhí)行正常，輸出值為0，反之為1.OUT:輸出參數(shù)，F(xiàn)C105的為浮點(diǎn)數(shù)，輸出工程單位實(shí)數(shù)值。FC106的為整數(shù)，可直 接傳送至PQW中。當(dāng)然，除去用以上兩個(gè)模塊外，我們也可以通過編程來實(shí)現(xiàn)量程之間的變換。但為了方便起見我們?cè)谶@次設(shè)計(jì)中直接用FC105和FC106直接運(yùn)算。3.2.5 S7-300系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)

28、分類S7-300系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)可分為一下幾類。1過程映像輸入/輸出I/Q。過程映像輸入在用戶程序中的標(biāo)識(shí)符為I，過程映像輸出在用戶程序中的標(biāo)識(shí)符為Q。在每次執(zhí)行OB1掃描循環(huán)程序之前，CPU將輸入模塊的輸入輸入數(shù)值復(fù)制到過程映像輸入表中。在程序循環(huán)掃描過程中，將程序運(yùn)算得到的輸出值寫入過程映像輸出表。在下一OB1循環(huán)掃描開始時(shí)，CPU將這些數(shù)值傳送到輸出模塊。2內(nèi)部存儲(chǔ)器標(biāo)志位M存儲(chǔ)器。內(nèi)部存儲(chǔ)器標(biāo)志位用來保存控制邏輯的中間操作狀態(tài)或其他控制信息。3定時(shí)器T存儲(chǔ)器區(qū)。 定時(shí)器相當(dāng)于繼電器系統(tǒng)的時(shí)間繼電器。給定時(shí)器分配的字用于存儲(chǔ)時(shí)間基準(zhǔn)和時(shí)間值0999。時(shí)間值可以用二進(jìn)制或BCD碼方式讀取。4計(jì)數(shù)

29、器C存儲(chǔ)器區(qū)。計(jì)數(shù)器用來累計(jì)其計(jì)數(shù)脈沖上升沿的次數(shù)，有加計(jì)數(shù)器、減計(jì)數(shù)器和加減計(jì)數(shù)器。給計(jì)數(shù)器分配的字用于存儲(chǔ)計(jì)數(shù)當(dāng)前值0999。計(jì)數(shù)值可以用二進(jìn)制或BCD碼方式讀取。5數(shù)據(jù)塊DB與背景數(shù)據(jù)塊DI。 DB為數(shù)據(jù)塊，DBX是數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)位，DBB、DBW和DBD分別是數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)字節(jié)、數(shù)據(jù)字和數(shù)據(jù)雙字。6外設(shè)I/O區(qū)PI/PQ。外設(shè)輸入PI和外設(shè)輸出PQ區(qū)允許直接訪問本地的和分布式的輸入輸出模塊?？梢园醋止?jié)PIB或PQB、字PIW或PQW或雙字PID或PQD訪問，不能以位為單位訪問PI和PQ。低端的S7-300CPU的過程映像輸入、輸出區(qū)分別只有128B，如果組態(tài)的模塊地址超出這一范圍，可以

30、通過外設(shè)輸入?yún)^(qū)來訪問。3.2.6 I/O模塊的地址分配S7-300的數(shù)字量或稱開關(guān)量地址標(biāo)識(shí)符、地址的字節(jié)局部和位局部組成，一個(gè)字節(jié)由07這8個(gè)位組成。地址標(biāo)識(shí)符I表示輸入，Q表示輸出，M表示位存儲(chǔ)器。例如I3.2是一個(gè)數(shù)字量輸入的地址，小數(shù)點(diǎn)前面的3是地址的字節(jié)局部，小數(shù)點(diǎn)后面的2表示這個(gè)輸入點(diǎn)是3號(hào)字節(jié)中的第2位。數(shù)字量出來按位尋址外，還可以按字節(jié)、字和雙字尋址。表1為I/O模塊的起始地址字節(jié)地址。表1 I/O分配表機(jī)架號(hào)模塊類型槽號(hào)45678910110數(shù)字量034781112151619202324272831模擬量25627127228728830330431932033533635

31、13523673683831數(shù)字量32353639404344474851525556596063模擬量3843994004154164314324474484634644794804954965112數(shù)字量64676871727576798083848788919295模擬量5125275285435445595605755765915926076086236246393數(shù)字量9699100103104107108111112115116119120123124127模擬量6406556566716726876887037047197207357367517527673.2.7 STEP7簡(jiǎn)

32、介西門子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)立可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語句表進(jìn)行編程操作。在使用STEP7給PLC下程序時(shí)要先設(shè)置好PC/PG接口。3.2.8力控ForceControlV6.1監(jiān)控組態(tài)軟件是北京三維力控科技根據(jù)當(dāng)前的自動(dòng)化技術(shù)的開展趨勢(shì)，總結(jié)多年的開發(fā)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和大量的用戶需求而設(shè)計(jì)開發(fā)的高端產(chǎn)品。 力控監(jiān)控組態(tài)軟件是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與過程控制的專用軟件，最大的特點(diǎn)是能以靈活多樣的“組態(tài)方式而不是編程方式來進(jìn)行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡(jiǎn)捷的工程實(shí)現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的“組態(tài)以便可

33、以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能。力控監(jiān)控組態(tài)軟件能同時(shí)和國(guó)內(nèi)外各種工業(yè)控制廠家的設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，它可以與高可靠的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，便可以到達(dá)集中管理和監(jiān)控的目的，同時(shí)還可以方便的向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，來實(shí)現(xiàn)與“第三方的軟、硬件系統(tǒng)來進(jìn)行整體的集成。我們?cè)谶@次設(shè)計(jì)中將用它來監(jiān)控控制系統(tǒng)，修改參數(shù)并得到實(shí)時(shí)曲線。4 鍋爐流量-水溫前饋反響控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)4.1 模擬量信號(hào)采集在設(shè)計(jì)中我們需要采集的模擬量信號(hào)有內(nèi)膽水溫度和外膽冷去水的流量信號(hào)。溫度傳感采集的溫度模擬信號(hào)經(jīng)過變送器變送成420mA的電流信號(hào)送入S7-300PLC的SM331模塊。同樣流量信號(hào)也轉(zhuǎn)換成4

34、20mA的電流信號(hào)送入S7-300PLC的SM331模塊。4.2 S7-300PLC程序的實(shí)現(xiàn)4.2.1 S7-300PLC硬件組態(tài)本次設(shè)計(jì)使用S7-300PLC來實(shí)現(xiàn)前饋反響控制。因此這次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就在與用對(duì)S7-300PLC的編程來實(shí)現(xiàn)前饋反響控制算法。在設(shè)計(jì)程序之前我們首先插入SIMATIC300站點(diǎn)，并對(duì)S7-300PLC進(jìn)行硬件組態(tài)。將電源模塊，CPU，數(shù)字量輸入(輸出)模塊，模擬量輸入(輸出)模塊添加到導(dǎo)軌上。需要注意的是在選擇各個(gè)模塊時(shí)要注意訂貨號(hào)與實(shí)物保持一致，否那么在下載時(shí)會(huì)提示出錯(cuò)。組態(tài)如圖6所示。 圖6 S7-300PLC硬件組態(tài)示意圖由于實(shí)驗(yàn)室沒有用到IM模塊，因此第三

35、個(gè)槽位 在組態(tài)時(shí)要將其空出。4.2.2 S7-300PLC主程序的實(shí)現(xiàn)在編寫程序之前我們先設(shè)計(jì)一個(gè)程序流程圖使得我們的思路更加清晰 圖7 程序流程圖由于本次設(shè)計(jì)沒有涉及到復(fù)雜的數(shù)字量處理，而主要的PID算法實(shí)現(xiàn)在OB35定時(shí)中斷組織塊里實(shí)現(xiàn)，所以在OB1中需要實(shí)現(xiàn)PID控制及手動(dòng)控制是否運(yùn)行的程序就可以了。同時(shí)為了防止積分飽和所以在OB1中設(shè)置了“積分別離控制帶及時(shí)切除和啟動(dòng)積分作用程序見后附圖 我們?cè)贠B35中編寫PID控制程序。在模擬信號(hào)進(jìn)入SM331后，經(jīng)過其轉(zhuǎn)換將420mA的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為027648的整數(shù)。需要注意的是，027648是整數(shù)不是浮點(diǎn)數(shù)，在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中是用一個(gè)字來存儲(chǔ)。因

36、此經(jīng)過SM331轉(zhuǎn)換后是存儲(chǔ)在PIW里。如圖8和圖9所示。圖8 引入溫度信號(hào)圖9 引入流量信號(hào)我們將溫度信號(hào)由第3個(gè)點(diǎn)引入，流量信號(hào)經(jīng)SM331的第4個(gè)點(diǎn)引入。由表1可知兩個(gè)信號(hào)的地址分別為PIW292和PIW294。而經(jīng)過FC105轉(zhuǎn)換后的數(shù)值為浮點(diǎn)數(shù)，需要用一個(gè)雙字來存放。因此轉(zhuǎn)換后的值分別存放在DB41.DBD10和MD20中。接下來我們要做的是實(shí)現(xiàn)對(duì)流量擾動(dòng)的前饋補(bǔ)償。首先在加熱過程中進(jìn)行手動(dòng)的流量干擾如圖10所示。 圖10 進(jìn)行流量干擾接著我們?cè)O(shè)前饋補(bǔ)償系數(shù)Kf為1.而在引入前饋補(bǔ)償時(shí)要加上一個(gè)負(fù)號(hào)，所以在程序中為-1，如圖11所示。圖11 靜態(tài)前饋補(bǔ)償系數(shù)最后把采集的流量擾動(dòng)乘以前

37、饋補(bǔ)償系數(shù)并存儲(chǔ)在MD12中，并通過運(yùn)算轉(zhuǎn)換為DISV端能夠識(shí)別的浮點(diǎn)數(shù)。如圖12所示。圖12 流量補(bǔ)償運(yùn)算然后我們要編寫PID控制器，并引入前饋擾動(dòng)。在這里我們需要用到PID運(yùn)算控制塊FB41，如圖13所示 圖13 PID控制和實(shí)現(xiàn)前饋補(bǔ)償在FB41中采用數(shù)據(jù)塊尋址的方式，具體參數(shù)地址見DB41數(shù)據(jù)塊，MD12為前饋補(bǔ)償?shù)囊耄琇MN端DB41.DBD72)為PID運(yùn)算的輸出這個(gè)輸出為0100的浮點(diǎn)數(shù)。接下來要將FB41的輸出接入脈沖發(fā)生器FB43轉(zhuǎn)換成脈沖序列控制繼電器的通斷。繼電器通斷控制接觸器，從而通過接觸器控制加熱絲的通斷。圖14為FB43功能塊。 圖14 脈沖發(fā)生器DB41.DBD

38、72為FB43的輸入，Q0.0為FB43的輸出。在程序中FB41和FB43的各個(gè)參數(shù)在DB41和DB43中設(shè)置。DB41和DB43作為兩個(gè)數(shù)據(jù)塊伴隨著FB41和FB43生成。在DB41和DB43中每個(gè)變量都有各自在數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)區(qū)的地址，如DBB、DBW、DBD等。根據(jù)這些個(gè)地址我們?cè)诮M態(tài)軟件中也可以通過這些地址檢測(cè)到控制過程中各個(gè)值得變化情況。圖15為DB43中的主要設(shè)置。首先將MAN_ON設(shè)置為FALSE防止手動(dòng)輸出。由于只是控制加熱絲的通斷，所以我們只需要用到單極性兩級(jí)控制，將MAN_ON，STEP3_ON，ST2BI_ON設(shè)置為FALSE即可。為防止接觸器通斷頻繁，通過設(shè)置最小脈沖最小通段

39、時(shí)間P_B_TM為200MS以增加開關(guān)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用壽命。因?yàn)镺B35的循環(huán)中斷時(shí)間為100MS即PULSEGEN 100MS調(diào)用一次，由于控制器FB43的輸出周期為4S，所以每調(diào)用一次FB41就調(diào)用40次FB43。即控制精度為1:40。圖15 DB43塊圖16為DB41的設(shè)置。同樣首先將MAN_ON設(shè)置為FALSE。再將P_SEL，I_SEL設(shè)置為TRUE,D_SEL設(shè)置為FALSE使FB41成為一個(gè)PI控制器必要時(shí)可加上微分。因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)定的溫度控制值為40。這樣S7-300 PLC的主要程序就已根本完成了。接下來的工作就是調(diào)試P、I、D三個(gè)參數(shù)使得系統(tǒng)打到達(dá)制要求。 圖16 DB41

40、塊4.2.3 P、I、D參數(shù)整定在說到P、I器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反響曲線法和衰減法。二種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。在實(shí)際調(diào)試中，只能先大

41、致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。對(duì)于溫度系統(tǒng)：P 20-60， I分3-10，D分0.5-3對(duì)于流量系統(tǒng)：P 40-100，I分0.1-1對(duì)于壓力系統(tǒng)：P 30-70， I分0.4-3對(duì)于液位系統(tǒng)：P 20-80， I分15PID參數(shù)的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)為：1對(duì)于比例控制來說，將比例度調(diào)到比擬大的位置，逐步減小以得到滿意的曲線。2對(duì)于比例積分來說，先將積分時(shí)間無限大，按純比例作用正定比例度。得到滿意曲線后，將比例度放大1020%，將積分時(shí)間由大到小參加，直到獲得滿意曲線。3對(duì)于PID控制，先將微分時(shí)間置零，按照調(diào)比例積分控制方法得到滿意取先后將比例度將到比原值小1020%位置，適當(dāng)減小積分時(shí)間后

42、，將微分時(shí)間逐漸加大，直到獲得滿意的曲線。PID參數(shù)整定的根本判斷： 1響應(yīng)曲線震蕩頻繁，系統(tǒng)穩(wěn)定度不夠，需加大比例度。 2系統(tǒng)偏差大，并且趨于非周期過程，需減小比例度。 3曲線波動(dòng)大，增加積分時(shí)間以消除余差。 4曲線震蕩頻繁，穩(wěn)定度低且曲線偏離給定值后長(zhǎng)時(shí)間不回來，需減少積分時(shí)間。 5曲線最大偏差大且衰減慢，需增加微分時(shí)間。 6曲線震蕩頻繁，可以適當(dāng)減少微分時(shí)間。在整定PID參數(shù)過程中由于加熱絲功率相對(duì)鍋爐較大4.5KW。因此在加熱時(shí)熱慣性很大，一般當(dāng)加熱絲停止加熱時(shí)溫度能超調(diào)兩度左右。因此我們?cè)谶x擇控制器時(shí)一定要使用PID控制，使控制器能夠提前調(diào)節(jié)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，我們首先將GAIN設(shè)為13，

43、I設(shè)為2min，關(guān)閉微分作用。圖17是無微分作用下的溫度曲線圖。 圖17 PI作用下的溫度曲線我們通過觀察穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)大約30分鐘，溫度控制達(dá)不到預(yù)想的效果。因此我們參加微分作用，把D設(shè)為10S。在更改參數(shù)之后，控制效果較好。圖18為PID作用下的溫度曲線。 圖18 PID作用下的溫度曲線在整定P、I、D參數(shù)時(shí)我們參加微分作用，一是起到一個(gè)提前調(diào)節(jié)作用；二是使得PID輸出有一定震蕩，使得當(dāng)溫度接近設(shè)定值時(shí)通斷頻繁一點(diǎn)。這樣能減小熱慣性對(duì)溫度值的影響。通過觀察穩(wěn)定時(shí)間明顯縮短，大約10分鐘作用。通過多組數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)比擬，我們得出了一組比擬理想的參數(shù) GAIN=18 TI=2min TD=10S 圖19是整定后的溫度曲線圖。圖19 溫度曲線圖19中紅色直線表示溫度設(shè)定值。初始值是40，而后將設(shè)定值改為45?？梢钥闯龀{(diào)在1左右，穩(wěn)態(tài)誤差在1%左右。為了表現(xiàn)出前饋設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的補(bǔ)償作用，我們?cè)龠M(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)比擬：參加少許的流量擾動(dòng))情況一：無前饋