s7-300_plc中鍋爐流量-溫度畢業(yè)論文

1、<p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　學 院：電子與電氣工程學院</p><p>　　專 業(yè)： 自動化 </p><p>　　學 生： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　完成日期 2012年

2、 5 月</p><p>　　S7-300 PLC中鍋爐流量-溫度前饋反饋控制設(shè)計</p><p><b>　　自動化專業(yè) </b></p><p>　　[摘 要]:在夾套鍋爐內(nèi)膽水溫度控制中，內(nèi)膽水溫為主控制對象，其本身具有較大的滯后，夾套冷卻水是系統(tǒng)的主擾動量。因此一點少量的流量擾動即會對內(nèi)膽溫度產(chǎn)生影響。由于流量為小慣性對象，流量擾動容

3、易測量而不易控制。正因為流量擾動的這個特性我們可以用前饋補償來消除它對主控變量的影響。溫度控制我們用S7-300 PLC中的FB41 PID模塊來控制，而前饋補償疊加在PID運算中。再通過FB43將FB41的輸出轉(zhuǎn)換成時間比例脈沖從而控制加熱絲，實現(xiàn)溫度前饋反饋控制。</p><p>　　[關(guān)鍵詞]:溫度控制；流量擾動；前饋反饋控制；S7-300 PLC</p><p>　　Design

4、of Feedforward and Feedback for Boiler Water Flow-Temperature Controlling Based on S7-300 PLC</p><p>　　Abstract:In the boiler jacket tank temperature control of water, tank water temperature control object,

5、which itself has a large lag, jacket cooling water system of the primary disturbance.So a small amount of flow disturbance is on the gallbladder affect temperature.Because the traffic is small inertial objects, easily me

6、asured traffic disturbances and difficult to control.Is precisely because of the characteristics of flow disturbance feedforward compensation we could use to eliminate its effe</p><p>　　Key words:Temperature

7、 control;flow disturbance;feedforward and feedback control;</p><p>　　S7-300 PLC</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　2 任務(wù)分析及控制方案

8、的選擇1</p><p>　　2.1 前饋控制系統(tǒng)1</p><p>　　2.2 前饋反饋控制系統(tǒng)3</p><p>　　2.3 鍋爐流量-水溫前饋反饋控制系統(tǒng)分析及控制方案選擇4</p><p>　　3 控制算法的實現(xiàn)基礎(chǔ)和S7-300PLC系統(tǒng)說明及組態(tài)4</p><p>　　3.1 PLC介紹4<

9、;/p><p>　　3.2 S7-300PLC說明5</p><p>　　3.2.1 S7-300PLC基本介紹5</p><p>　　3.2.2 S7-300 模塊說明5</p><p>　　3.2.3 S7-300組織塊說明7</p><p>　　3.2.4 S7-300功能塊說明7</p>&

10、lt;p>　　3.2.5 S7-300系統(tǒng)存儲區(qū)分類9</p><p>　　3.2.6 I/O模塊的地址分配9</p><p>　　3.2.7 STEP7簡介10</p><p>　　3.2.8 力控組態(tài)軟件簡介10</p><p>　　4 鍋爐流量-水溫前饋反饋控制系統(tǒng)的實現(xiàn)10</p><p>　　

11、4.1 溫度、流量模擬量信號采集10</p><p>　　4.2 S7-300PLC程序的實現(xiàn)11</p><p>　　4.2.1 S7-300PLC主程序的實現(xiàn)11</p><p>　　4.2.2 PID控制程序調(diào)試及監(jiān)控18</p><p>　　4.2.3 前饋控制程序調(diào)試及監(jiān)控20</p><p>&l

12、t;b>　　結(jié)束語22</b></p><p><b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　附錄24</b></p><p><b>　　致謝34</b></p><p><b>　　引言</b></p&g

13、t;<p>　　在過程控制中溫度控制應用相當廣泛。往往在控制中還存在著多種擾動，例如流量、液位等。溫度控制作為過程控制中的一個很重要的方面，由于其特殊性一直以來都是一個控制難點。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，溫度控制已經(jīng)不能光靠簡單的PID控制達到目標。在這種情況下我們往往就需要借助別的控制方式。</p><p>　　前饋控制做為一種特殊的控制規(guī)律就是在這種情

14、況下發(fā)展起來的。前饋控制是在擾動影響到被控對象之前就將其通過補償消除掉。因此在這次設(shè)計中我們用前饋控制方式來克服流量的擾動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來實現(xiàn)。但是單純的前饋往往不能很好的補償干擾，主要是單純前饋不存在被控變量的反饋，即對于補償?shù)男Ч麤]有檢驗的手段。反饋控制是根據(jù)被控量與給定值的偏差工作的,最后達到消除或減小偏差的目的，對各種擾動均有校正作用。但存在時滯問題，即從發(fā)現(xiàn)偏差到采取更正措施之間有時

15、間延遲現(xiàn)象，在進行更正的時候，實際情況可能已經(jīng)有了很大的變化，而且往往是損失已經(jīng)造成了。為了使控制系統(tǒng)能達到控制要求，在該系統(tǒng)中可綜合反饋控制和前饋控制兩者的優(yōu)點，將兩者結(jié)合起來使用，構(gòu)成前饋反饋控制系統(tǒng)。將反饋控制不易克服的主要干擾進行前饋控制，這樣，既發(fā)揮了前饋校正及時的特點，又保持了反饋控制能克服多種干擾并對被控變量始終給與檢驗的優(yōu)點。</p><p>　　PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的數(shù)字運算

16、操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。</p><p>　　本次設(shè)計綜合和運用計算機、PLC、溫度傳感器、流量傳感器等對工業(yè)對象的夾套鍋爐、管道進行控制，運用計算機編程、PLC編程、控制算法設(shè)計、過程控制、工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)、電氣線路設(shè)計等知識和技術(shù)實現(xiàn)前饋反饋控制。首先

17、由變頻器、泵、壓力傳感器組成恒壓供水系統(tǒng)，再由兩個調(diào)節(jié)閥控制兩個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)膽水溫反饋加熱系統(tǒng)，流量傳感器、PLC、加熱絲組成前饋補償系統(tǒng)，從而組成前饋反饋控制系統(tǒng)[1]。</p><p>　　任務(wù)分析及控制方案的選擇</p><p><b>　　前饋控制系統(tǒng)</b></p><p>　

18、　我們把按照干擾量的變化來補償其對被控變量的影響，從而達到被控量完全不受干擾影響的控制方式稱為前饋控制，簡稱FFC（Feed 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1所示。</p><p>　　圖1 前饋控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　系統(tǒng)傳遞函數(shù)如公式（1）</p><p><b>　?。?）</b&

19、gt;</p><p>　　式中Gpd(s)、Gpc(s)分別為對象干擾通道與控制通道的傳遞函數(shù)。</p><p>　　系統(tǒng)對干擾F實現(xiàn)完全補償?shù)臈l件是：</p><p>　　當F(s)≠0,而≡0</p><p>　　由上兩式可求得前饋控制器的傳遞函數(shù)為公式（2）</p><p><b>　?。?）<

20、/b></p><p>　　由上式可以看出前饋控制器的控制規(guī)律為對象的干擾通道與控制通道的特性比，式中的負號表示控制作用與干擾作用的方向相反。</p><p>　　單純的前饋控制系統(tǒng)根據(jù)對干擾補償?shù)奶攸c，可分為動態(tài)前饋控制及靜態(tài)前饋控制。</p><p><b>　?。?）動態(tài)前饋控制</b></p><p>　　

21、當前饋控制作用力求在任何時刻均實現(xiàn)對干擾的補償，通過合適的前饋控制規(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態(tài)特性與對象干擾通道的動態(tài)特性完全一致，并使它們的符號相反，便可達到控制作用完全補償干擾對被控變量的影響。此時前饋控制器的Gff(s)=－GPD(s)／GPC(s)。</p><p><b>　?。?）靜態(tài)前饋控制</b></p><p>　　在有些

22、實際生產(chǎn)過程中，并沒有動態(tài)前饋控制那樣高的補償要求，而只需要在穩(wěn)定工況下實現(xiàn)對干擾量的補償。此時，前饋控制器的輸出量與輸入兩呈一定比例關(guān)系，而與時間因子t無關(guān)，前饋控制就成為靜態(tài)前饋控制。則此時的Gff為一靜態(tài)系數(shù)Kf。</p><p>　　以下列出前饋控制與反饋控制的一些不同：</p><p>　?。?）前饋控制克服干擾比反饋控制及時。</p><p>　　前饋控

23、制時按照干擾作用的大小進行控制的，如控制作用恰到好處，一般比反饋控制要及時。</p><p>　?。?）前饋控制屬于“開環(huán)”控制系統(tǒng)。</p><p>　　前饋控制系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，這一點從某種意義上來說是前饋的不足之處。反饋控制由于是閉環(huán)系統(tǒng)，控制結(jié)果能夠通過反饋獲得檢驗，而前饋控制的效果并不通過反饋加以檢驗，因此前饋控制對被控對象的特性掌握必須比反饋控制清楚，才能得到一個較合適的

24、前饋控制作用[2]。</p><p>　?。?）前饋控制使用的是對象特性而定的“專用”控制器。</p><p>　　一般的反饋控制系統(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，對于不同的對象特性，前饋控制器的形式將是不同的。</p><p>　?。?）一種前饋控制作用只能克服一種干擾。</p><p>　　由于前饋控制作用是按

25、干擾進行工作的，而且整個系統(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，而對于其他干擾，由于這個前饋控制器無法感受到，也就無能為力了。而反饋控制只能用一個控制回路就可克服多個干擾，所以說這一點也是前饋控制系統(tǒng)的一個弱點。</p><p><b>　　前饋反饋控制系統(tǒng)</b></p><p>　　單純的前饋往往不能很好的補償干擾，存在著不少局限性，主要是單

26、純前饋不存在被控變量的反饋，即對于補償?shù)男Ч麤]有檢驗的手段。這樣在前饋作用的控制結(jié)果并沒有最后消除被控變量偏差時，系統(tǒng)無法得到這一信息而做進一步的校正。其次，由于實際工業(yè)對象存在著多個干擾，為了補償他們對被控變量的影響，勢必要設(shè)計多個前饋通道，這就增加了投資費用和維護工作量。因此，一個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)能達到控制要求，可以將前饋與反饋結(jié)合起來使用，構(gòu)成所謂前饋反饋控制系統(tǒng)。在該系

27、統(tǒng)中可綜合兩者的優(yōu)點，將反饋控制不易克服的主要干擾進行反饋控制，這樣，既發(fā)揮了前饋校正及時的特點，又保持了反饋控制能克服多種干擾并對被控變量始終給與檢驗的優(yōu)點，因而這種控制方式是過程控制中較有發(fā)展前途的控制方式。</p><p>　　綜上所述，前饋反饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于：</p><p>　?。?）由于增加了反饋控制回路，大大簡化了原有前饋控制系統(tǒng)。只需對主要的干擾進行前饋補償，其他干擾可

28、由反饋控制予以校正。</p><p>　　（2）反饋回路的存在，降低了前饋控制模型的精度要求，為工程上實現(xiàn)比較簡單的通用型模型創(chuàng)造了條件。</p><p>　?。?）負荷或工況變化時，模型特性也要變化，可由反饋控制加以補償，因此具有一定的自適應能力。</p><p>　　鍋爐流量-水溫前饋反饋控制系統(tǒng)分析及控制方案選擇</p><p>　　本

29、次設(shè)計針對的是鍋爐內(nèi)膽水溫的控制。在設(shè)計中我們需要在內(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主要擾動信號，用前饋控制器來補償流量擾動對對象的影響。在以往的實驗中我們發(fā)現(xiàn)溫度對象的控制滯后比較大。并且由于實驗條件有限外膽冷卻水也不能保證溫度恒定不變，所以我們在設(shè)計系統(tǒng)時也可以使內(nèi)膽水流動保持一個動態(tài)平衡。這樣使得對象的熱慣性減小并使控制的滯后更小。</p><p&g

30、t;　　很明顯，在這個系統(tǒng)中外膽流量的變化將做為系統(tǒng)的主要擾動。我們默認為它是可測而不可控的，因此為了在流量擾動影響到內(nèi)膽溫度之前就將其消除就可以采取前饋補償。而整個溫度控制我們直接可以做成一個溫度單回路系統(tǒng)。</p><p>　　前饋－反饋控制環(huán)節(jié)可由電磁流量傳感器、計算機、接觸器、加熱器、組成前饋補償系統(tǒng)，計算機、接觸器、加熱器、溫度傳感器組成反饋加熱系統(tǒng)，即主要由計算機、接觸器、加熱器、電磁流量傳感器、溫度

31、傳感器組成前饋反饋控制系統(tǒng)。圖2為前饋反饋控制系統(tǒng)方框圖。</p><p>　　圖2 前饋反饋控制框圖</p><p>　　其中前饋補償和PID控制都由S7-300PLC編程實現(xiàn)[3]。</p><p>　　由于對系統(tǒng)控制補償要求不高，同時溫度對象的傳遞函數(shù)難以求得，所以在實現(xiàn)前饋補償時我們用的是靜態(tài)前饋補償。</p><p>　　控制算

32、法的實現(xiàn)基礎(chǔ)和S7-300PLC系統(tǒng)說明及組態(tài)</p><p><b>　　PLC介紹</b></p><p>　　PLC即可編程控制器，英文全稱是Programmable logic Controller。是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指

33、令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(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。</p><p>　　模塊式PLC由：CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊、編程設(shè)備等幾個部分組成。</p><p>　　S7-300PLC說明</p><p>　　S7-300PLC基本介紹</p><

34、p>　　本次設(shè)計我們用的是德國西門子公司的S7-300 PLC。西門子的PLC以極高的性能價格比，在國際、國內(nèi)市場占有很大的份額，在我國的各行各業(yè)得到了廣泛的應用。</p><p>　　S7-300/400屬于模塊式PLC，主要由機架、CPU模塊、信號模塊（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。</p><p>　　S7-30

35、0 模塊說明</p><p>　　本次設(shè)計主要是涉及到溫度、流量等模擬信號的采集，因此主要用到的是西門子的SM331和SM332模塊。</p><p>　　西門子的SM331和SM332模塊有很多的型號，在選擇時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。但是因為本次設(shè)計所用到的設(shè)備是往年已經(jīng)準備好的所以這些我們不需要考慮。</p><p>

36、;　　這次設(shè)計用到的SM331模塊訂貨號為：6ES7 331-7RD00-0AB0。這個模塊有4路模擬量輸入通道。可以接收0~20mA和4~20mA的電流信號，精度為15位。所用到的SM332模塊訂貨號為：6ES7 332-5HD01-0AB0。這個模塊有4路模擬量輸出通道?？梢暂敵?~20mA和4~20mA的電流信號，精度為12位。 </p><p>　?。?） SM331介紹</p><p

37、>　　模擬量輸入模塊用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字信號，其主要組成部分是A/D轉(zhuǎn)換器。模擬量輸入模塊的輸入信號一般是模擬量變送器輸出的標準量程的直流電壓、直流電流信號。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先要從硬件上設(shè)置各個通道對應的量程卡。然后在組態(tài)時在屬性對話框內(nèi)設(shè)置測量范圍和型號。圖3為SM331屬性設(shè)置。</p><p>　　模擬量輸入/輸出模塊

38、中模擬量對應的數(shù)字稱為模擬值，模擬值用16位二進制補碼（整數(shù)）來表示。模擬量輸入模塊的模擬值與以百分數(shù)表示的模擬量之間的對應關(guān)系為雙極性模擬量量程（100%到-100%）分別對應于模擬值27648到-27648。單極性對應于0到27648。</p><p>　　（2）SM332介紹</p><p>　　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或電壓信號，對執(zhí)

39、行機構(gòu)進行調(diào)節(jié)或控制，其主要組成部分是D/A轉(zhuǎn)換器。在模擬量輸出組態(tài)時也需要選擇輸出類型和范圍，如果不選擇正確會使得執(zhí)行器出現(xiàn)一些與控制信號不符的錯誤。如圖4所示在輸出類型和輸出范圍兩個選項上應該對應執(zhí)行器選擇。例如我們設(shè)計中用到的調(diào)節(jié)閥應該用電流型4~20mA電流信號在選擇時應該按圖4所示來選擇，否則會出現(xiàn)執(zhí)行器輸入信號錯誤從而影響控制系統(tǒng)運行[4]。圖4為SM332屬性設(shè)置。</p><p>　　圖3 S

40、M331屬性設(shè)置</p><p>　　圖4 SM332屬性設(shè)置</p><p>　　S7-300組織塊說明</p><p>　　在設(shè)計中我們主要用到三個組織塊:OB1 OB100和OB35。</p><p>　　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)中運行一次OB1。OB100程序在CPU執(zhí)行暖啟動時執(zhí)行，且只執(zhí)行

41、一次，可用于變量的初始化。OB35是定時循環(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。</p><p>　　圖5 CPU屬性設(shè)置</p><p>　　S7-300功能塊說明

42、

43、 </p><p>　　這次設(shè)計中需要用到PID調(diào)節(jié)功能以及控制加熱絲，即PID的輸出要控制開關(guān)量。因此我們需要用到FB41和FB43模塊。</p><p>　　S7-300的模擬量閉環(huán)控制功能主要涉及到FB41、FB42、FB43三個功能塊。其中FB41用于連續(xù)控制，F(xiàn)B42用于步進控制，F(xiàn)B43用于脈沖寬度調(diào)制。</p><p&g

44、t;　　（1）FB41模塊說明。</p><p>　　FB41模塊的輸出為連續(xù)變量。可以作為單獨的PID恒值控制器，或者在多閉環(huán)控制中實現(xiàn)級聯(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進行擴展（本次設(shè)計就用到FB43做為擴展），產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的輸出信號，來控制比例執(zhí)行機構(gòu)的二級或三級控制器。</p><p&

45、gt;　　下面簡單介紹一下FB41的幾個常用參數(shù)。</p><p>　　MAN_ON:為1時控制循環(huán)將被中斷，手動值被設(shè)置為操作值。</p><p>　　PV_IN:輸入浮點格式的過程變量，此時數(shù)字量輸入PVPER_ON應為0。</p><p>　　SP_INT:內(nèi)部設(shè)定值輸入，取值范圍±100.0%或物理值。</p><p>　　

46、P_SEL:為1時激活比例作用，反之禁止比例作用，默認值為1。</p><p>　　I_SEL:為1時激活積分作用，反之禁止積分作用，默認值為1。</p><p>　　D_SEL:為1時激活微分作用，反之禁止微分作用，默認值為1。</p><p>　　DISV:擾動輸入變量。</p><p>　　LMN:浮點格式的控制器輸出值。</p&

47、gt;<p>　　LMN_HLM:控制器輸出上限值。</p><p>　　LMN_LLM:控制器輸出下限值。</p><p>　?。?）FB43模塊說明。</p><p>　　FB43模塊為一個脈沖發(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)行機構(gòu)。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)制的二級或三級PID控制。

48、</p><p>　　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，該恒定周期時間PER_TM來設(shè)置，PER_TM應與CONT_C的采樣周期CYCLE相同。在這個模塊中涉及到一個“采樣比率”的問題，這個通過修改P_B_TM來設(shè)置采樣比。在PER_TM周期內(nèi)的P_B_TM越小則采樣頻率越高，即控制精度越高。下面介紹FB43幾個常用的參數(shù)：</p>

49、<p>　　MAN_ON:手動模式打開，可以手動設(shè)置輸出信號。</p><p>　　INV:輸入變量，即FB41輸出的模擬量控制值LMN。</p><p>　　PER_TM:周期時間，脈沖寬度調(diào)制的恒定周期，對應于PID控制器的采樣時間。</p><p>　　P_B_TM:最小脈沖時間或最小斷開時間，應不小于參數(shù)CYCLE。</p>&l

50、t;p>　　CYCLE:采樣時間，規(guī)定了相鄰兩次塊調(diào)用之間間隔的時間。</p><p>　?。?）FC105，F(xiàn)C106功能的介紹。</p><p>　　在處理模擬量時，從變送器送過來的模擬信號經(jīng)過SM331轉(zhuǎn)換成0~27648之間的數(shù)值。但是FB41處理這些數(shù)值之前需要經(jīng)過一個量程轉(zhuǎn)換將0~27648的數(shù)值轉(zhuǎn)換成一個浮點數(shù)方能輸入FB41進行處理。在處理后的數(shù)值輸出給SM332之前

51、也要經(jīng)過一個變換。在STEP7中我們可以用FC105和FC106來實現(xiàn)上述功能。下面介紹一下這兩個塊的幾個重要參數(shù)：</p><p>　　IN:輸入?yún)?shù)，F(xiàn)C105可以是PIW，也可以是整數(shù)格式的存儲單元。FC106的可以是PID運算的輸出，也可以是浮點數(shù)格式的存儲單元。</p><p>　　HI_LIM:輸入?yún)?shù)，實數(shù)，工程單位量程上限。</p><p>　　

52、LO_LIM:輸入?yún)?shù)，實數(shù)，工程單位量程下限。</p><p>　　BIPOLAR:BOOL量，輸入值為0表示單極性，為1表示雙極性。</p><p>　　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.</p><p>　　OUT:輸出參數(shù)，F(xiàn)C105的為浮點數(shù)，輸出工程單位實數(shù)值。FC106的為整數(shù)，可直接傳送至PQW中[5]。&

53、lt;/p><p>　　當然，除去用以上兩個模塊外，我們也可以通過編程來實現(xiàn)量程之間的變換。但為了方便起見我們在這次設(shè)計中直接用FC105和FC106直接運算。</p><p>　　S7-300系統(tǒng)存儲區(qū)分類</p><p>　　S7-300系統(tǒng)存儲區(qū)可分為一下幾類。</p><p>　?。?）過程映像輸入/輸出（I/Q）。</p>

54、<p>　　過程映像輸入在用戶程序中的標識符為I，過程映像輸出在用戶程序中的標識符為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，CPU將這些數(shù)值傳送到輸出模塊。</p><p>　　（2）內(nèi)部存儲器標志位（M）存儲器。</p><p>　　

55、內(nèi)部存儲器標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。</p><p>　　（3）定時器（T）存儲器區(qū)。</p><p>　　定時器相當于繼電器系統(tǒng)的時間繼電器。給定時器分配的字用于存儲時間基準和時間值（0~999）。時間值可以用二進制或BCD碼方式讀取。</p><p>　?。?）計數(shù)器（C）存儲器區(qū)。</p><p>　　計數(shù)器用

56、來累計其計數(shù)脈沖上升沿的次數(shù)，有加計數(shù)器、減計數(shù)器和加減計數(shù)器。給計數(shù)器分配的字用于存儲計數(shù)當前值（0~999）。計數(shù)值可以用二進制或BCD碼方式讀取。</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)塊（DB）與背景數(shù)據(jù)塊（DI）。</p><p>　　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。</p><p>　　（

57、6）外設(shè)I/O區(qū)（PI/PQ）。</p><p>　　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，可以通過外設(shè)輸入?yún)^(qū)來訪問[6]。</p><p>　　

58、I/O模塊的地址分配</p><p>　　S7-300的數(shù)字量（或稱開關(guān)量）地址標識符、地址的字節(jié)部分和位部分組成，一個字節(jié)由0~7這8個位組成。地址標識符I表示輸入，Q表示輸出，M表示位存儲器。例如I3.2是一個數(shù)字量輸入的地址，小數(shù)點前面的3是地址的字節(jié)部分，小數(shù)點后面的2表示這個輸入點是3號字節(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[7]。</p><p>　　

59、表1為I/O模塊的起始地址字節(jié)地址。</p><p>　　表1 I/O分配表</p><p><b>　　STEP7簡介</b></p><p>　　西門子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標準軟件，可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語句表進行編程操作。</p><p>　　在使用

60、STEP7給PLC下程序時要先設(shè)置好PC/PG接口[8]。</p><p><b>　　力控組態(tài)軟件簡介</b></p><p>　　力控ForceControlV6.1監(jiān)控組態(tài)軟件是北京三維力控科技根據(jù)當前的自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢，總結(jié)多年的開發(fā)、實踐經(jīng)驗和大量的用戶需求而設(shè)計開發(fā)的高端產(chǎn)品。</p><p>　　力控監(jiān)控組態(tài)軟件是對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)

61、據(jù)進行采集與過程控制的專用軟件，最大的特點是能以靈活多樣的“組態(tài)方式”而不是編程方式來進行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實現(xiàn)方法，只要將其預設(shè)置的各種軟件模塊進行簡單的“組態(tài)”以便可以非常容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功能。</p><p>　　力控監(jiān)控組態(tài)軟件能同時和國內(nèi)外各種工業(yè)控制廠家的設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)通訊，它可以與高可靠的工控計算機和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，便可以達到集中管理和監(jiān)控的目的，同時還可以方便

62、的向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，來實現(xiàn)與“第三方”的軟、硬件系統(tǒng)來進行整體的集成。我們在這次設(shè)計中將用它來監(jiān)控控制系統(tǒng)，修改參數(shù)并得到實時曲線。</p><p>　　鍋爐流量-水溫前饋反饋控制系統(tǒng)的實現(xiàn)</p><p>　　溫度、流量模擬量信號采集</p><p>　　在設(shè)計中我們需要采集的模擬量信號有內(nèi)膽水溫度和夾套冷去水的流量信號。溫度傳感采集的溫度模

63、擬信號經(jīng)過變送器變送成4~20mA的電流信號送入S7-300PLC的SM331模塊。同樣流量信號也轉(zhuǎn)換成4~20mA的電流信號送入S7-300PLC的SM331模塊。</p><p>　　S7-300PLC程序的實現(xiàn)</p><p>　　S7-300PLC主程序的實現(xiàn)</p><p>　　在編寫程序之前我們先設(shè)計一個程序流程圖使得我們的思路更加清晰，程序流程圖主要由

64、OB1 OB100 OB35三部分程序塊組成。</p><p>　　圖6 程序流程圖</p><p>　　由于本次設(shè)計沒有涉及到復雜的數(shù)字量處理，而主要的PID算法實現(xiàn)在OB35定時中斷組織塊里實現(xiàn)，所以在OB1中需要實現(xiàn)PID控制及手動控制是否運行的程序就可以了。同時為了防止積分飽和所以在OB1中設(shè)置了“積分分離控制帶”及時切除和啟動積分作用。OB100為暖啟動，只要在CPU上電的程

65、序運行一次，主要為FB41 FB43重啟做準備[9]。</p><p>　　我們在OB35中編寫PID控制程序。</p><p>　　溫度，流量模擬信號經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換為標準的4~20mA電流信號后進入SM331模塊，經(jīng)過其轉(zhuǎn)換將電流信號轉(zhuǎn)換為0~27648的整數(shù)存儲在PIW里。因為FB41和FB43只能接受0~1之間的浮點數(shù)，所以存在PIW里面的整數(shù)還需要通過FC105模塊進行標度變換，轉(zhuǎn)

66、換后的溫度信號存在FB41背景數(shù)據(jù)塊里，流量信號存在雙字寄存器MD20里面，程序如圖7和圖8所示。</p><p>　　圖7 引入溫度信號</p><p>　　圖8 引入流量信號</p><p>　　我們將溫度信號由第3個點引入，流量信號經(jīng)SM331的第4個點引入。由表1可知兩個信號的地址分別為PIW292和PIW294。</p><p&

67、gt;　　接下來我們要做的是把引入的流量信號當作一個主擾動對溫度控制進行干擾。同時在FB41里面對流量擾動的前饋補償，以使溫度控制不受流量的干擾。首先我們需要在溫度控制過程中加入一個手動的流量干擾信號，同時還需要把該流量信號進行處理。程序如圖9所示。</p><p>　　圖9 進行流量干擾</p><p>　　流量由0變換為1L/H，公稱壓力變?yōu)?.8MPa</p>&l

68、t;p>　　接著我們設(shè)前饋補償系數(shù)Kf為1.而在引入前饋補償時要加上一個負號，所以在程序中為-1，如圖10所示。</p><p>　　圖10 靜態(tài)前饋補償系數(shù)</p><p>　　最后把采集的流量擾動乘以前饋補償系數(shù)并存儲在MD12中，如圖11所示。</p><p>　　圖11 流量補償運算</p><p>　　因為FB41模塊

69、的DISV端只能接收0-1之間的實數(shù)，所以還需要把MD12里面的值進行運算轉(zhuǎn)換，運算程序如圖12所示</p><p>　　圖12 實數(shù)運算轉(zhuǎn)換</p><p>　　因為FB41模塊的DISV補償端只能接收0-1之間的實數(shù)，而經(jīng)過補償后的流量值（MD12中的值）并非實數(shù)值，所以需要進行數(shù)值類型間的運算轉(zhuǎn)換以便DISV端能夠識別。由于智能電動調(diào)節(jié)閥的量程是0-2L/H，所以我們把采集的流量

70、值除以電動調(diào)節(jié)閥的滿量程，再乘以100轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)閥滿量程的百分數(shù)（即0-1間的實數(shù)），這樣DISV端就能接收擾動流量并能夠進行運算。</p><p>　　然后我們要編寫PID控制器，并引入前饋擾動。在這里我們需要用到PID運算控制塊FB41，如圖13所示</p><p>　　圖13 PID控制和實現(xiàn)前饋補償</p><p>　　在FB41中采用數(shù)據(jù)塊尋址的方式，

71、具體參數(shù)地址見DB41數(shù)據(jù)塊，MD12為前饋補償?shù)囊?，LMN端（DB41.DBD72)為PID運算的輸出這個輸出為0~100的浮點數(shù)。</p><p>　　接下來要將FB41的輸出作為脈沖發(fā)生器FB43的輸入端轉(zhuǎn)換成具有恒定周期的脈沖序列來控制繼電器的通斷。繼電器通斷來控制接觸器，從而通過接觸器控制加熱絲的通斷。圖14為FB43功能塊。</p><p>　　圖14 脈沖發(fā)生器<

72、/p><p>　　DB41.DBD72為FB43的輸入，Q0.0為FB43的輸出。在程序中FB41和FB43的各個參數(shù)在DB41和DB43中設(shè)置。DB41和DB43作為兩個數(shù)據(jù)塊伴隨著FB41和FB43生成。在DB41和DB43中每個變量都有各自在數(shù)據(jù)塊存儲區(qū)的地址，如DBB、DBW、DBD等。根據(jù)這些個地址我們在組態(tài)軟件中也可以通過這些地址檢測到控制過程中各個值得變化情況。</p><p>

73、　　本次尋址方式采用的是背景數(shù)據(jù)塊尋址。圖15為FB43背景數(shù)據(jù)塊DB43中的主要數(shù)據(jù)設(shè)置。首先將MAN_ON設(shè)置為FALSE避免手動輸出。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（最小通段時間）P_B_TM為200MS以增加開關(guān)元件和執(zhí)行機構(gòu)的使用壽命。因為OB35的循環(huán)中斷時間為100MS（即PULSEG

74、EN 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。</p><p>　　就調(diào)用40次FB43,即控制精度為1:40[10]。</p><p>　　圖15 DB43數(shù)據(jù)塊</p><p>　　圖16為FB41背景數(shù)據(jù)塊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)

75、置為FALSE使FB41成為一個PI控制器（必要時可加上微分）。因為我們設(shè)定的溫度控制值為40°，所以將SP_INT設(shè)定為40.0°。</p><p>　　圖16 DB41數(shù)據(jù)塊</p><p>　　PID控制程序調(diào)試及監(jiān)控</p><p>　　PID參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理

76、論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。</p><p>　　二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。二種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制

77、器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。</p><p>　　在實際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個經(jīng)驗值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。對于溫度系統(tǒng)：P 20--60， I（分）3--10，D（分）0.5--3對于流量系統(tǒng)：P 40--100，I（分）0.1--1對于壓力系統(tǒng)：P 30--70， I（分）0.4--3對于液位系統(tǒng)：P 20--80， I（分）1—5</p><p>

78、;　　PID參數(shù)的調(diào)整經(jīng)驗為：</p><p>　?。?）對于比例控制來說，將比例度調(diào)到比較大的位置，逐步減小以得到滿意的曲線。</p><p>　　（2）對于比例積分來說，先將積分時間無限大，按純比例作用正定比例度。得到滿意曲線后，將比例度放大（10～20）%，將積分時間由大到小加入，直到獲得滿意曲線。</p><p>　　（3）對于PID控制，先將微分時間置零，

79、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?。?0～20）%位置，適當減小積分時間后，將微分時間逐漸加大，直到獲得滿意的曲線。</p><p>　　PID參數(shù)整定的基本判斷： （1）響應曲線震蕩頻繁，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）曲線波動大，增加積分時間以消除余差。 （4）曲線震蕩頻繁，穩(wěn)定度低且曲線偏離給定

80、值后長時間不回來，需減少積分時間。 （5）曲線最大偏差大且衰減慢，需增加微分時間。 （6）曲線震蕩頻繁，可以適當減少微分時間[11]。</p><p>　　在整定PID參數(shù)過程中由于加熱絲功率相對鍋爐較大（4.5KW）。因此在加熱時熱慣性很大，一般當加熱絲停止加熱時溫度能超調(diào)兩度左右。因此我們在選擇控制器時一定要使用PID控制，使控制器能夠提前調(diào)節(jié)。根據(jù)經(jīng)驗值，我們首先將GAIN設(shè)為13，I設(shè)為2

81、min，關(guān)閉微分作用。圖17是無微分作用下的溫度曲線圖。</p><p>　　圖17 PI作用下的溫度曲線</p><p>　　我們通過觀察穩(wěn)定時間較長（大約30分鐘），溫度控制達不到預想的效果。因此我們加入微分作用，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。</p><p>　　圖18 PID作用下的溫度曲線</p&

82、gt;<p>　　在整定P、I、D參數(shù)時我們加入微分作用，一是起到一個提前調(diào)節(jié)作用；二是使得PID輸出有一定震蕩，使得當溫度接近設(shè)定值時通斷頻繁一點。這樣能減小熱慣性對溫度值的影響。通過觀察穩(wěn)定時間明顯縮短，大約10分鐘作用。</p><p>　　通過多組數(shù)據(jù)的實驗比較，我們得出了一組比較理想的參數(shù) GAIN=18 TI=2min TD=10S 整定后的溫度曲線圖如圖19所示。</p>

83、<p>　　圖19 溫度曲線</p><p>　　圖19中直線表示溫度設(shè)定值。初始設(shè)定值是50°，而后將設(shè)定值改為55°?？梢钥闯龀{(diào)在1°左右，穩(wěn)態(tài)誤差在1%左右[12]。</p><p>　　前饋控制程序調(diào)試及監(jiān)控</p><p>　　為了表現(xiàn)出前饋設(shè)計對系統(tǒng)的補償作用，我們再進行兩組實驗比較：（加入少許的流量擾動)

84、</p><p>　　情況一：無前饋補償時 實驗結(jié)果如圖20所示</p><p>　　圖20 無前饋作用</p><p>　　情況二：有前饋補償時 實驗結(jié)果如圖21所示</p><p>　　圖21 有前饋作用</p><p>　　從圖20和圖21比較可知：當加上前饋作用時上升的溫度曲線波紋較小，上升比較平穩(wěn)。說明前

85、饋補償對外界的流量擾動起到了一定的作用[13]。</p><p>　　最后我們把調(diào)試好的PID參數(shù)和前饋補償綜合在一起進行一組比較完整的實驗，實驗結(jié)果如圖22所示</p><p>　　圖22 流量溫度曲線</p><p>　　設(shè)定溫度為55度，當前溫度為50度。在加熱的過程中我們手動加入一流量擾動（18點13時刻），流量變化如圖22右圖所示。經(jīng)過一段時間的加熱從

86、圖中可以看到流量波動時對溫度曲線沒有產(chǎn)生太大影響，最終溫度達到了設(shè)定的溫度，誤差不到1度，可見前饋補償起到一定作用。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　我們最終比較順利的完成了這次設(shè)計。鍋爐內(nèi)膽水溫前饋反饋控制系統(tǒng)的溫度設(shè)定值在40°時，超調(diào)量小于2°，穩(wěn)態(tài)誤差在0.5°左右達到了控制要求。通過這次設(shè)計我們基

87、本掌握了工程實際中對P、I、D三個參數(shù)的整定方法，并且通過觀察PLC的PID控制器的輸出變化情況對這三個參數(shù)在控制中所起的作用有了更深刻的理解。當然我們在做這次設(shè)計中還是遇到了一些問題[14]。</p><p>　　(1)在我們做設(shè)計時由于試驗設(shè)備都是以前已經(jīng)準備好的，因此在設(shè)計時直接使用。但是在實際工程設(shè)計中卻是不行的。我們對各種硬件的選型都應該熟悉和掌握。例如電纜線徑、傳感器量程、調(diào)節(jié)閥工作方式、加熱絲功率、

88、PLC模塊等等。這些在真的工程項目設(shè)計中都是非常重要的。</p><p>　　(2)在整定PID參數(shù)時大多還是用的經(jīng)驗公式。對整個對象模型的掌握還不夠。我們只通過對流量測量得出它們的對象傳遞函數(shù)。但是由于溫度對象的特殊性而沒有測量出其對象傳遞函數(shù)[15]。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 殷華文.過程控

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