s7-300_plc中程序控溫算法設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　S7-300 PLC中程序控溫算法設(shè)計(jì)</p><p>　　Temperature Control Algorithm Design</p><p>　　Based on S7-300 PLC</p><p>　　S7-300 PLC中程序控溫算法設(shè)計(jì)</p><p><b>　　自動化專業(yè) </b&g

2、t;</p><p>　　[摘 要] 溫度控制是最重要的過程控制之一，有些溫度控制過程要求按照一定的升溫、保溫、降溫曲線控制溫度。西門子S7-300 PLC中FB41 PID控制模塊有雙極性輸出功能，但是該模塊不具有程序控溫功能。</p><p>　　本設(shè)計(jì)在FB41 PID控制模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行的, 自主設(shè)計(jì)的程序控溫算法實(shí)現(xiàn)了夾套鍋爐的程序控溫。主要包括多段溫度設(shè)置曲線程序設(shè)計(jì)，升-保-

3、降溫度段控制規(guī)律的研究和控制參數(shù)的設(shè)置。溫度曲線設(shè)置采用溫度-時間格式算法，本段溫度設(shè)定與上段溫度設(shè)定的差值，除以本段設(shè)置時間得到溫度曲線斜率，以定時中斷模塊OB35中斷時間作為設(shè)置時間的時間刻度，進(jìn)行線性運(yùn)算，產(chǎn)生設(shè)定值曲線。溫度曲線設(shè)置程序輸出值作為FB41模塊的給定值進(jìn)行PID運(yùn)算，正極性PID輸出配合脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)時間比例加熱控制，負(fù)極性PID輸出調(diào)節(jié)夾套冷卻水流量實(shí)現(xiàn)降溫控制。對升-保-降溫度段選用不同控制規(guī)律和參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)了程

4、序控溫，達(dá)到控溫精度0.1 ，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)任務(wù)。</p><p>　　[關(guān)鍵詞] 溫度；雙極性; PID；FB41 </p><p>　　Temperature Control Algorithm Ｄesign </p><p>　　Based on the S7-300 PLC</p><p>　　Abstract: Temperature

5、control is one of the most important process control, Some temperature control process is base on ramp rate of heating up,keeping and cooling.Siemens S7-300 PLC FB41 PID control module has dual polarity output function,b

6、ut the module has no program control temperature function.This design is based on FB41 PID control module, the independent design temperature process control algorithm realize the clip set of boiler temperature control o

7、f the program.Mainly includes multista</p><p>　　Key words: Temperature; Bipolar; PID ; FB41</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　

8、　2 項(xiàng)目軟硬件構(gòu)建設(shè)計(jì)1</p><p>　　2.1 項(xiàng)目硬件構(gòu)建1</p><p>　　2.1.1 溫度傳感器1</p><p>　　2.1.2 變送器2</p><p>　　2.1.3 磁力驅(qū)動泵2</p><p>　　2.1.4 電磁調(diào)節(jié)閥2</p><p>　　2.1.5西

9、門子MM440變頻器2</p><p>　　2.1.6 HH52P小型控制繼電器3</p><p>　　2.1.7交流接觸器3</p><p>　　2.1.8 壓力液位變送器3</p><p>　　2.1.9 S7-300PLC3</p><p>　　2.2 項(xiàng)目軟件介紹3</p><p

10、>　　2.2.1 SIMATIC STEP7軟件3</p><p>　　2.2.2 wincc軟件組態(tài)4</p><p>　　3 控溫算法構(gòu)建6</p><p>　　3.1 雙極性控制實(shí)現(xiàn)8</p><p>　　3.1.1 “CONT_C“ SFB41連續(xù)控制模塊8</p><p>　　3.1.2 S

11、FB43 脈沖輸出模塊10</p><p>　　3.1.3“SCALE“ FC105數(shù)值轉(zhuǎn)換功能10</p><p>　　3.1.4“UNSCALE“ FC106 取消標(biāo)定值功能11</p><p>　　3.2 多段斜率控溫的實(shí)現(xiàn)12</p><p>　　3.2.1多段斜率控溫的設(shè)計(jì)思路12</p><p>

12、;　　3.2.2多段斜率控溫的適應(yīng)性14</p><p>　　3.2.3多段斜率雙極性控溫算法程序流程圖14</p><p>　　4設(shè)計(jì)調(diào)試分析15</p><p>　?。?１溫度對象特點(diǎn)15</p><p>　?。?2不同控制規(guī)律結(jié)果分析17</p><p>　　4.2.1 P控制規(guī)律現(xiàn)象分析17<

13、/p><p>　　4.2.2 PI控制規(guī)律現(xiàn)象分析18</p><p>　　4.2.3 PD控制規(guī)律現(xiàn)象分析19</p><p>　　4.2.4 PID控制規(guī)律現(xiàn)象分析20</p><p>　　4.3總結(jié)分析21</p><p><b>　　結(jié)束語22</b></p><

14、p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　附錄24</b></p><p><b>　　致謝48</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　PLC是主流的自動化控制器，現(xiàn)在還廣泛用于過程控

15、制。由于現(xiàn)在PLC普遍具有模擬量處理技術(shù)和PID調(diào)節(jié)能力，使得PLC在過程控制領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。</p><p>　　PID是過程控制中最基本、最常用、最重要的控制算法。SIEMENSS7300/400系列PLC具有完善的過程控制軟硬件產(chǎn)品，STEP 7軟件中配有PID軟件功能模塊[1]。溫度控制是最重要的過程控制之一，而有些溫度控制過程對升降溫斜率有要求，即按照一定的升溫、保持、降溫曲線控制溫度。能夠

16、實(shí)現(xiàn)加熱冷卻雙極性控制的PID算法可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定值曲線控制，在工程實(shí)際中有很多應(yīng)用。</p><p>　　2 項(xiàng)目軟硬件構(gòu)建設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 項(xiàng)目硬件構(gòu)建</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要通過溫度傳感器檢測鍋爐水溫，經(jīng)智能儀表做溫度變送器，傳遞4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)西門子sm331模擬量輸入模塊輸入，經(jīng)CPU模塊進(jìn)行PID運(yùn)算后，通過是sm332

17、模擬量輸出模塊或者sm322數(shù)字量模塊輸出4-20m標(biāo)準(zhǔn)信號或者數(shù)字信號，來控制調(diào)節(jié)閥的開度或繼電器的狀態(tài)，從而控制夾套降溫和鍋爐內(nèi)膽加熱絲加熱。</p><p>　　控溫程序的處理主要應(yīng)用西門子的step7軟件來完成，上位機(jī)的監(jiān)控由wincc組態(tài)軟件來完成。</p><p>　　2.1.1 溫度傳感器</p><p>　　夾套使用的是鉑電阻（Pt100）溫度傳感器

18、，內(nèi)膽選用銅電阻（Cu50）溫度傳感器，實(shí)物圖如下圖1所示，測溫范圍[2]見表1。金屬鉑Pt100（R0=100Ω）具有電阻溫度系數(shù)大，感應(yīng)靈敏；電阻率高，元件尺寸?。浑娮柚惦S溫度變化而變化基本呈線性關(guān)系；在測溫范圍內(nèi)，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，長期復(fù)現(xiàn)性好，測量精度高，最常用的一種溫度檢測器；銅電阻（Cu50）溫度傳感器為避免因連接導(dǎo)線的電阻隨外界溫度變化而更降低測溫精度時，應(yīng)采用三線制，接線方法如圖2所示：　</p><

19、;p>　　表1 傳感器技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　圖1溫度傳感器接線圖</p><p><b>　　2.1.2 變送器</b></p><p>　　AI818型智能儀表硬件采用了先進(jìn)的模塊化集成設(shè)計(jì)，具備功能模塊主要有：輔助輸入、主輸出、報(bào)警、輔助輸出及通訊。儀表的輸入方式可自由設(shè)置為常用各種熱電偶、熱電阻和線性電壓（電流）。用于恒壓供

20、水時，作為控制器使用，輸出電流信號送給西門子變頻器MM440，接收壓力儀表PE的反饋信號，內(nèi)部運(yùn)用PID調(diào)節(jié)，促使壓力信號穩(wěn)定。作為溫度變送器時，AI818儀表使用變送和顯示功能，具體的參數(shù)設(shè)計(jì)如下：HIAL:99.99; LOAL:0; Ctrl:0;Run:0或1；Sn=20（內(nèi)膽）或21（外膽），其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置，接收溫度傳感器的信號，經(jīng)自身內(nèi)部運(yùn)算，顯示實(shí)時溫度，同時也把信號傳送到PLC模擬量輸入模塊SM331。</p

21、><p>　　2.1.3 磁力驅(qū)動泵</p><p>　　型號：20CQ-12p 流量為3m³/h，對于設(shè)計(jì)要求來說，在1m³/h左右已足夠用。 揚(yáng)程為12m，對于從下水箱抽水到內(nèi)膽里，供水壓力足夠使用。 驅(qū)動功率為0.37kw ，節(jié)能實(shí)惠。轉(zhuǎn)速為0～2900r/min，可以高速旋轉(zhuǎn)，速度調(diào)節(jié)范圍廣。工作電壓區(qū)間為0～380V ，此電壓由西門子變頻器MM440輸出提供，工

22、作區(qū)域也比較寬。</p><p>　　2.1.4 電磁調(diào)節(jié)閥</p><p>　　型號：QSTP_16K 公稱通徑為DN20mm，完全可以滿足供水流量要求。公稱壓力為1.6Mpa，供水壓力最大為1.5 Mpa，工作在安全范圍內(nèi)。信號傳遞為4-20mA DC，可由PLC的模擬量輸出模塊SM332提供，控制調(diào)節(jié)開度的大小。上下行程共16mm，從全開到全閉或從全閉到全開需要的時間比較長，故盡可能

23、不使其做大動作，否則耗時費(fèi)力。</p><p>　　2.1.5西門子MM440變頻器</p><p>　　MICROMASTER 440屬于通用型變頻器，驅(qū)動功率配比范圍為0.12kW - 250kW，完全可以驅(qū)動0.5hp的磁力驅(qū)動泵。輸入電源為三相交流電，輸出直接供給電機(jī)，接法均為三相四線制，動力電有一定的危險(xiǎn)性，接線端子務(wù)必密封性良好，以防觸電事故的發(fā)生。它具有過流、欠壓等跳閘保護(hù)，

24、并有指示燈顯示其工作狀態(tài)或故障類型。它的控制輸入為智能儀表提供的4～20mA電流信號，其輸出為0～380V AC送給磁力驅(qū)動泵。</p><p>　　2.1.6 HH52P小型控制繼電器</p><p>　　HH52P小型控制繼電器輸入由PLC數(shù)字量輸出模塊的一個點(diǎn)提供24V DC，它的通斷用來控制交流接觸器的，單接點(diǎn)型，插入式，兩常開，兩常閉，額定電流5 A，適用于日常交流電，具有體積小

25、、重量輕、開閉容量大、可靠性高、壽命長等特點(diǎn)</p><p>　　2.1.7交流接觸器</p><p>　　接觸器是一種適用于在低壓配電系統(tǒng)中遠(yuǎn)距離控制、頻繁操作交、直流主電路及大容量控制電路的自動控制開關(guān)電器。選用接觸器主要考慮因素有：根據(jù)電路中負(fù)載電流的種類，接觸器主觸頭的額定電壓，額定電流，控制電路要求確定吸引線圈工作電壓和輔助觸點(diǎn)容量。設(shè)計(jì)中選用 CJX2-124（LC1-D）型交

26、流接觸器適用于交流50 Hz或60 Hz，電壓至660 V、電流至95 A的電路中。</p><p>　　2.1.8 壓力液位變送器</p><p>　　壓力液位變送器可以顯示液位，輸入為兩線制24V DC，輸出為4～20mA。接線圖如下圖2所示：</p><p><b>　　圖2兩線制接線圖</b></p><p>　

27、　2.1.9 S7-300PLC</p><p>　　S7-300PLC電源模塊的輸入用220AC的單相三線制，即一火一零一地線。CPU 315-2DP的電源為5V　DC，內(nèi)存為128K。數(shù)字量輸入、輸出各16個點(diǎn)，模擬量輸入、輸出各4個通道，已滿足設(shè)計(jì)需求，其中模擬量輸入模塊具有12位精度并且是智能防爆型的。</p><p>　　2.2 項(xiàng)目軟件介紹</p><p&

28、gt;　　2.2.1 SIMATIC STEP7軟件</p><p>　　SIMATIC STEP7作為一個平臺可以集成各種控制設(shè)備的軟件，使不同設(shè)備以及西門子PLC站點(diǎn)具有相同的數(shù)據(jù)庫，所有設(shè)備的編程、配置、調(diào)試、數(shù)據(jù)路由以及通信工作只需在STEP7中就可以完成[3]，從而實(shí)現(xiàn)一個項(xiàng)目中所有控制任務(wù)的集成?？梢栽谏衔粰C(jī)中完成硬件組態(tài)，配置通訊地址，程序編制下載，在線仿真，在線連接，故障檢測等操作。</p&

29、gt;<p><b>　　硬件組態(tài)如圖3：</b></p><p><b>　　圖3硬件組態(tài)畫面</b></p><p>　　2.2.2 wincc軟件組態(tài)</p><p><b>　?。?）變量管理:</b></p><p>　　圖4變量組態(tài)畫面[4]</

30、p><p>　?。?）畫面編輯器：主畫面，報(bào)警畫面，報(bào)表記錄，溫度設(shè)置畫面，趨勢畫面[5]</p><p><b>　　圖5畫面目錄</b></p><p><b>　　圖6主畫面</b></p><p><b>　　圖7報(bào)警畫面</b></p><p>&

31、lt;b>　　圖8報(bào)表記錄</b></p><p><b>　　圖9溫度設(shè)置畫面</b></p><p><b>　　圖10趨勢畫面</b></p><p><b>　　3 控溫算法構(gòu)建</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)控溫算法的設(shè)計(jì)，主要分為兩大部分，都在

32、OB35中斷中進(jìn)行。一是雙極性的實(shí)現(xiàn)，即FB41控制器的輸出值大于零時，輸出數(shù)字量，控制繼電器吸合，加熱電路導(dǎo)通，對內(nèi)膽進(jìn)行加熱?？刂破鬏敵鲋敌∮诹銜r，輸出模擬量控制閥門的開度，從而控制夾套循環(huán)水的流量，實(shí)現(xiàn)降溫目的。第二部分為多段斜率曲線的實(shí)現(xiàn)，即設(shè)定值的曲線變化的實(shí)現(xiàn)。首先對一些算法變量中的動態(tài)變量進(jìn)行初始化清零，然后判斷當(dāng)前的段數(shù)N是否等于設(shè)定段數(shù)Number，等的話回第一段循環(huán)執(zhí)行，不等執(zhí)行下一段，調(diào)用斜率算法塊FB1，將Cn-

33、1送入last_t,Cn送入set_t，Tn送入load_tim，進(jìn)行運(yùn)算，輸出一個時間刻度的變化量，通過OB35的時間基準(zhǔn)進(jìn)行四則運(yùn)算，輸出一個SP的值。最后，將輸出的SP值，送入FB41的設(shè)定值端，進(jìn)行PID運(yùn)算。另外，手自動的選擇在OB1中完成，F(xiàn)B43和FB41的時間配合以及調(diào)用時間邏輯，通過調(diào)用FB3實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　簡單流程示意如圖11，</p><p><b&

34、gt;　　圖11簡單流程示意</b></p><p>　　3.1 雙極性控制實(shí)現(xiàn)</p><p>　　本項(xiàng)目中的雙極性為加熱冷卻雙極性。其過程如圖12，現(xiàn)場鍋爐內(nèi)膽溫度通過溫度傳感器采集，經(jīng)sm331模擬量輸入模塊，送入控制器經(jīng)FB41運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果限定范圍為-100~100。當(dāng)輸出為正值時調(diào)用PWM功能塊FB43，生成一定占空比的脈沖波，經(jīng)sm322數(shù)字量輸出模塊輸出狀態(tài)ON

35、/OFF,控制繼電器的吸合斷開，從而控制加熱絲電路對內(nèi)膽進(jìn)行加熱。當(dāng)輸出為負(fù)值時調(diào)用模擬量轉(zhuǎn)換功能FC106，經(jīng)sm332模擬量輸出模塊輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號控制電磁閥的開度，從而控制鍋爐夾套冷卻水流量達(dá)到降溫目的。</p><p>　　圖12雙極性控制信號流程示意圖</p><p>　　3.1.1 “CONT_C“ SFB41連續(xù)控制模塊</p><p>　　西

36、門子300/400PID模塊FB41是基于增量型PID控制算法[6]。由控制原理知識我們得到PID的傳遞函數(shù)如式1</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　模擬量PID控制器的輸出表達(dá)式[7] 如式2</p><p><b>　　（2）</b></p><p>　　由于PLC

37、為數(shù)字式控制器，故需要對PID中的積分和微分環(huán)節(jié)進(jìn)行近似。積分對應(yīng)于曲線與坐標(biāo)軸包圍的面積，可以用若干個矩形的面積和近似精確積分，故第n個矩形時ev(Tsn)簡寫為ev(n),輸出量mv(Tsn)簡寫為mv(n)。各矩形的總面積為；微分近似計(jì)算如式3所示</p><p>　?。?） </p><p>　　由此，可得PID的數(shù)字表達(dá)式如式4所示&l

38、t;/p><p><b>　　（4）</b></p><p><b>　　進(jìn)行簡化如式5所示</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中ＫＩ和ＫＤ分別是積分系數(shù)和微分系數(shù)。</p><p><b>　　模塊方框圖如

39、圖13</b></p><p>　　圖13 CONT_C方框圖</p><p>　　3.1.2 SFB43 脈沖輸出模塊</p><p>　　FB43“PULSE“用于一個PID控制器，以生成脈沖輸出，用于比例執(zhí)行器。使用FB43，可以配置帶有脈寬調(diào)制的兩步或三部PID控制器。通常和連續(xù)控制器FB41一起使用。如圖14</p><p

40、>　　圖14 FB41與FB43構(gòu)成脈沖發(fā)生器圖 圖15脈寬調(diào)制</p><p>　　PULSEGEN函數(shù)通過調(diào)用脈沖持續(xù)時間，將輸入變量INV（=PID控制器的調(diào)節(jié)值）轉(zhuǎn)換成固定時間間隔的脈沖序列，轉(zhuǎn)換的依據(jù)是輸入變量的更新周期，該周期必須在PER_TM中分配。在每個周期內(nèi)，脈沖持續(xù)時間和輸入變量成比例。分配給PER_TM的周期和FB43的處理周期并不相等。PER_

41、TM是由幾個FB43的處理周期組成的圖15，因此每個PER_TM周期中FB43調(diào)用的次數(shù)便成了脈寬調(diào)制精度的尺度標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　對于每個PRE_TM中10個FB43調(diào)用，一個30％的輸入量意味著下列結(jié)果，見圖16：</p><p>　?。瓕τ谇叭齻€FB43調(diào)用（10個調(diào)用的30％），QPOS輸出為“1”</p><p>　?。瓕τ谑Ｏ碌钠邆€FB43調(diào)用（

42、10個調(diào)用的70％），QPOS輸出為“0”　</p><p>　　圖16 FB43方框圖</p><p>　　3.1.3“SCALE“ FC105數(shù)值轉(zhuǎn)換功能</p><p>　　SCALE功能接受一個整型值(IN)，并將其轉(zhuǎn)換為以工程單位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之間的實(shí)型值。將結(jié)果寫入OUT。SCALE功能使用以下等式：OUT =[((F

43、LOAT(IN)－K1)/(K2－K1))*(HI_LIM－LO_LIM)]+LO_LIM</p><p>　　常數(shù)K1和K2根據(jù)輸入值是BIPOLAR還是UNIPOLAR設(shè)置。</p><p>　　BIPOLAR：假定輸入整型值介于－7648與27648之間，因此K1 = －27648.0，K2 = +27648.0</p><p>　　UNIPOLAR：假定輸出

44、整型值介于0和27648之間，因此，K1 = 0.0，K2 = +27648.0</p><p>　　就此次設(shè)計(jì)中參數(shù)out=[((FLOAT(IN)－0)/(27648－0))*(100－0)]+0</p><p>　　表2 FC105參數(shù)說明</p><p>　　3.1.4“UNSCALE“ FC106 取消標(biāo)定值功能</p><p>　

45、　UNSCALE功能接收一個以工程單位表示、且標(biāo)定于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之間的實(shí)型輸入值(IN)，并將其轉(zhuǎn)換為一個整型值。將結(jié)果寫入OUT。UNSCALE功能使用以下等式：</p><p>　　OUT = [ ((IN－ＬO_LIM)/(HI_LIM－ＬO_LIM)) * (K2－Ｋ1) ] + K1，并根據(jù)輸入值是BIPOLAR還是UNIPOLAR設(shè)置常數(shù)K1和K2。</p>

46、<p>　　BIPOLAR：假定輸出整型值介于－7648和27648之間，因此，K1 = －7648.0，K2 = +27648.0</p><p>　　UNIPOLAR：假定輸出整型值介于0和27648之間，因此，K1 = 0.0，K2 = +27648.0</p><p>　　就此次設(shè)計(jì)中參數(shù)　OUT（float） = [ ((IN-0)/(100-0)) * (27648－

47、0) ] + 0</p><p>　　表3 FC106參數(shù)說明</p><p>　　3.2 多段斜率控溫的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　溫度設(shè)定曲線示意如圖17</p><p>　　圖17多段溫度設(shè)定曲線示意圖</p><p>　　3.2.1多段斜率控溫的設(shè)計(jì)思路</p><p>　　（１）斜率升

48、降溫的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　斜率算法中的時間刻度取ob35的周期100ms。算法如式6：</p><p><b>　　（6）</b></p><p>　　Set_t：本段目標(biāo)溫度</p><p>　　Last_t：上段目標(biāo)溫度</p><p>　　Load_tim：本段狀態(tài)時間</p&g

49、t;<p>　　tim_1：時間刻度</p><p>　　t_chang：每個時間刻度溫度變化量</p><p>　　程序中封裝為FB1塊如圖18：</p><p><b>　　具體參數(shù)見圖19：</b></p><p><b>　　圖18 FB1塊</b></p>&l

50、t;p>　　圖19 DB1參數(shù)列表圖</p><p>　　在ob35中調(diào)用FB1塊，每個OB35的掃描周期加一次t_chang值，既有：Ｔ（SP）＝last_t＋ｎ＊t_chang</p><p>　　由于每100ms溫度值變化t_chang，所以斜率曲線實(shí)際上是階梯性的，由于時間刻度很小，可近似的看做一定斜率的直線，如圖20：</p><p>　　圖20斜率

51、曲線設(shè)置示意圖</p><p>　?。?）多段曲線的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　多段的實(shí)現(xiàn)主要由計(jì)數(shù)器和比較指令在OB35中完成，本段的狀態(tài)時間load_time與時間刻度tim_1的比值作為計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值，每個時間刻度計(jì)數(shù)器當(dāng)前值加一，到達(dá)預(yù)置值觸發(fā)計(jì)數(shù)器2加一，計(jì)數(shù)器1清零。計(jì)數(shù)器2中的預(yù)置值為設(shè)定段數(shù)n，當(dāng)計(jì)數(shù)器2的當(dāng)前值依次為0到n時，將不同段的目標(biāo)溫度和持續(xù)時間依次裝載入FB1中

52、，當(dāng)計(jì)數(shù)器2達(dá)到預(yù)置值n時，裝載進(jìn)出料的時間，當(dāng)進(jìn)出料時間到，重新執(zhí)行多段，此過程可在自動模式下循環(huán)執(zhí)行?！?lt;/p><p>　　3.2.2多段斜率控溫的適應(yīng)性</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中預(yù)設(shè)的可設(shè)定段數(shù)為8段，進(jìn)出料（準(zhǔn)備段）時間為5min，時間刻度為100ms。程序中每段溫控都是通過調(diào)用FB1塊來實(shí)現(xiàn)的，即FB1塊的可循環(huán)調(diào)用給預(yù)設(shè)段數(shù)的變化提供了可能，可根據(jù)客戶的實(shí)際需要修改參數(shù)

53、來實(shí)現(xiàn)段數(shù)的擴(kuò)展，從而達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需要。在應(yīng)用中由于物料量和材質(zhì)的不同，需要不等的進(jìn)出料（準(zhǔn)備段）時間，可通過修改OB35中程序段10參數(shù)MD30中預(yù)設(shè)的進(jìn)出料時間來配合現(xiàn)場需要。同時對不同斜率精度需要的生產(chǎn)過程，可通過修改時間刻度tim_1（DB1.DBD4）來改變精度，需注意的是時間刻度與OB35的中斷時間一致。</p><p>　　3.2.3多段斜率雙極性控溫算法程序流程圖</p><

54、p>　　算法流程圖如圖21-圖24：</p><p>　　圖21 OB100初始化 圖22 FB2 PID運(yùn)算雙極性輸出</p><p>　　圖23 OB1主程序 圖24 OB35定時中斷程序</p><p><b>　　4設(shè)計(jì)調(diào)試分析</b></

55、p><p><b>　　４.１溫度對象特點(diǎn)</b></p><p><b>　　開環(huán)測試</b></p><p>　　現(xiàn)場測試時對鍋爐內(nèi)膽注水400mm，外膽注滿水。首先在手動狀態(tài)下全功率加熱，冷卻測試夾套鍋爐對象的開環(huán)響應(yīng)曲線如圖25：</p><p><b>　　圖25開環(huán)測試曲線<

56、/b></p><p>　　上圖分為全功率加熱段，零功率保持段和全功率降溫段。各階段歸檔參數(shù)見下表4-9。 </p><p><b>　　表4開始全功率加熱</b></p><p><b>　　表5停止加熱</b></p><p><b>　　表6最大超調(diào)過渡點(diǎn)</b>&

57、lt;/p><p><b>　　表7全功率降溫開始</b></p><p><b>　　表8源水箱水溫常態(tài)</b></p><p>　　表9 源水箱水溫升高</p><p>　?。?）對象升溫段特性測試：由圖表可知對象升溫滯后約1分20秒左右，由表5-6計(jì)算可知升溫斜率約3.56℃/min,對象為不自衡

58、的一階積分對象，需注意的系統(tǒng)投運(yùn)時斜率設(shè)置不能超過3.56℃/min。</p><p>　?。?）對象保溫段特性測試：由表6-7可知保溫段慣性超調(diào)3.36℃，升溫慣性滯后時間為4分30秒，保溫段自然散熱速度約0.12℃/min。</p><p>　?。?）對象降溫段特性測試：由圖示可以看出降溫段呈現(xiàn)非線性形態(tài)，是由于夾套降溫水回流源水箱，造成源水箱溫度不斷上升造成的，可將降溫曲線分為兩種情

59、況處理。由表7-9知，若采用外部流動水進(jìn)行降溫操作，即源水箱水溫保持恒定的低溫，降溫斜率約為-3.48℃/min（后期調(diào)試階段采用此斜率），需注意的系統(tǒng)投運(yùn)時斜率設(shè)置不能低于-3.48℃/min。若采用源水箱的換熱回流水降溫，由于換熱后帶回的能量，源水箱水溫會緩慢上升，降溫斜率約為-1.79℃/min。</p><p>　?。?2不同控制規(guī)律結(jié)果分析</p><p>　　在進(jìn)行分析之前我們

60、需要對PID控制器進(jìn)行簡單的介紹。PID控制器是控制系統(tǒng)中常見的一種控制規(guī)律，是根據(jù)偏差的比例（P），積分（I），微分（D）來進(jìn)行控制的[8]。比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，Kp的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分控制的作用是：只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強(qiáng)會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)振蕩[9]；微分控制可以

61、減小超調(diào)量，克服振蕩，是系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。本設(shè)計(jì)中使用的控制器FB41為增量型控制器。</p><p>　　4.2.1 P控制規(guī)律現(xiàn)象分析</p><p>　　圖26 比例控制趨勢</p><p>　　圖26中 P=40，升溫段滯后1分40秒，最大偏差1.3℃。恒溫段最大偏差1.8℃。降溫段滯后2分鐘，

62、最大偏差-2.39℃。</p><p>　　圖27 比例控制趨勢</p><p>　　圖27中 P=60，升溫段滯后1分20秒，最大偏差1.4℃。恒溫段最大偏差1.53℃。降溫段滯后2分鐘10秒，最大偏差-2.34℃。</p><p>　　由以上兩圖可知，隨著比例作用的增強(qiáng)，升溫滯后有所縮短，同時由于加熱慣性導(dǎo)致降溫滯后增加，整體偏差較大，曲線跟隨性能較差，不能達(dá)到

63、精度要求，嘗試加入積分作用來消除誤差減小偏差。</p><p>　　4.2.2 PI控制規(guī)律現(xiàn)象分析</p><p>　　圖28 比例積分控制趨勢圖</p><p>　　圖28中 P=40 I=90s,加入積分作用的同時減弱了比例作用。升溫段滯后1分33秒，最大偏差2.2℃。保溫段最大偏差-2.36℃，超調(diào)較嚴(yán)重，振蕩幅值較大。降溫段最大偏差-3.0℃，加熱慣性影響

64、下存在降溫滯后。嘗試減弱積分作用。</p><p>　　圖29 比例積分控制趨勢圖</p><p>　　圖29中 P=40 I=120s,比例不變，減弱積分作用。升溫段最大偏差2.2℃。保溫段最大偏差-0.24℃，超調(diào)很小，基本無振蕩現(xiàn)象，本段已達(dá)到控制要求精度。降溫段最大偏差-2.8℃，加熱慣性影響下存在降溫滯后。</p><p>　　由以上兩圖可知，隨著積分作用

65、的減弱，超調(diào)減小很多，但由于加熱慣性和降溫慣性（調(diào)節(jié)閥滯后）的存在，當(dāng)前值曲線在設(shè)定值上下穿越現(xiàn)象嚴(yán)重，升溫段和降溫段偏差較大，曲線跟隨性能較差，不能達(dá)到精度要求，設(shè)想主要原因是滯后的累加，如圖30所示。接下來嘗試采用PD控制規(guī)律。</p><p>　　圖30 加熱慣性和冷卻慣性滯后示意圖</p><p>　　4.2.3 PD控制規(guī)律現(xiàn)象分析</p><p>　　圖

66、31 比例微分控制趨勢圖</p><p>　　圖31中 P=50 D=9s,切除積分作用。升溫段最大偏差-0.9℃。保溫段最大偏差0.31℃，超調(diào)很小，輕微振蕩。降溫段最大偏差-0.64℃。控制器改為PD控制規(guī)律，控制品質(zhì)明顯改善，為了弱化跟隨振蕩，嘗試進(jìn)行死區(qū)處理。</p><p>　　圖32 比例積分控制示意圖</p><p>　　圖32中 P=50 D=12s

67、,死區(qū)寬度DEAD_W=0.1。升溫段最大偏差-0.8℃，當(dāng)前值曲線整體偏下設(shè)定值曲線。保溫段最大偏差-0.2℃，超調(diào)很小，基本無振蕩。降溫段最大偏差-1.5℃。加入死區(qū)后振蕩現(xiàn)象明顯改善，但無法有效的消除誤差，降溫偏差超出了控制精度范圍。為了消除余差嘗試加入微弱的積分作用。</p><p>　　以上兩圖可見PD控制規(guī)律的應(yīng)用明顯改善了控制品質(zhì)，這似乎有悖于經(jīng)驗(yàn)中的隨動控制忌諱使用微分分量，容易引入高頻干擾，從而

68、使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而使控制品質(zhì)下降?？紤]我們的隨動是一個線性的隨動，即按一定的規(guī)律變化的，并非等同于串級控制中的內(nèi)環(huán)的給定值，所以對系統(tǒng)的干擾作用很弱。而且升降溫階段，主要是加熱滯后和閥門滯后作用造成了當(dāng)前值得穿越，所以從微分超前控制的作用考慮，微分分量的加入有利于控制品質(zhì)的改善。</p><p>　　4.2.4 PID控制規(guī)律現(xiàn)象分析</p><p>　　圖33 PID控制示意圖<

69、;/p><p>　　圖33中 P=40，I=900s，D=9s，DEAD_W=0.1，加入積分作用，適當(dāng)?shù)臏p小比例和微分的作用。升溫段曲線整體偏下，最大偏差-0.8℃。保溫段最大偏差-0.3℃。降溫段出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。</p><p>　　圖34 PID控制示意圖</p><p>　　圖34中 P=30，I=600s，D=11s，DEAD_W=0.1，增加微分作用，適當(dāng)?shù)臏p

70、小比例作用。升溫段曲線整體偏下，最大偏差-0.6℃。保溫段最大偏差0.71℃。降溫段偏差-1.1℃。</p><p>　　圖35 PID控制示意圖</p><p>　　圖35中 P=60，I=600s，D=11s，DEAD_W=0.1，增加比例作用。升溫段最大偏差-0.7℃。保溫段最大偏差0.4℃。降溫段最大偏差-0.9℃?；具_(dá)到要求的控制精度。</p><p>

71、　　采用PID控制規(guī)律，加入微弱的積分作用，有效的消除了余差，通過微分的配合，以及死區(qū)的加入有效地解決超調(diào)問題，同時有效的解決了滯后問題，是控制品質(zhì)達(dá)到預(yù)期控制精度。</p><p><b>　　4.3總結(jié)分析</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中設(shè)定值SP是一個按斜率有規(guī)律地不斷變化（線性變化）的值，微分作用能反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨

72、勢，能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，本設(shè)計(jì)中微分作用在輸出量中占得分量較大，在改善系統(tǒng)的動態(tài)性能方面效果明顯。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此不應(yīng)加入過強(qiáng)的微分作用。與串級方式的副環(huán)對比知，串級副環(huán)的輸入值為一個非線性值，容易引入高頻噪聲，不易加微分作用。積分作用在階躍測試中由于開始偏差值較大，后期偏差值較小，根據(jù)梯形面積累加原理知，正負(fù)累積后差值較大，即積分分量在輸出值中所占分量較大，控制作用

73、較明顯如圖36。本設(shè)計(jì)中由于當(dāng)前值有良好的跟隨性，積分的正負(fù)累積量很小，即積分分量在輸出值中所占分量較小，控制作用不明顯，如圖37，適當(dāng)?shù)募尤敕e分作用有利于減少余差，不過積分作用不宜過強(qiáng)。</p><p>　　圖36 設(shè)定值階躍輸入積分累積量 圖37線性輸入積分累積量</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p

74、>　　為期13周的畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，在設(shè)計(jì)當(dāng)中系統(tǒng)的復(fù)習(xí)和學(xué)習(xí)了自動化方面的知識?？傮w實(shí)現(xiàn)了斜率升降溫系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)目的，達(dá)到了要求的精度范圍，從控制結(jié)果來看，經(jīng)調(diào)試比較所得的最終控制規(guī)律以及參數(shù)跟本領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和規(guī)律基本一致，不同之處在于設(shè)定值變化的場合對微分分量的選擇上，本次課程設(shè)計(jì)的對象的特性以及設(shè)定值發(fā)生器算法決定了，微分分量在本系統(tǒng)中占有重要的分量。為了保險(xiǎn)起見，程序中加入了控制帶即偏差>6攝氏度全功率加熱，偏差&l

75、t;-6攝氏度全功率降溫。程序中可以設(shè)置積分處理來實(shí)現(xiàn)一定偏差內(nèi)，加入適當(dāng)?shù)姆e分作用，否則采用PD控制規(guī)律。由于時間問題未曾嘗試微分先行思路。</p><p>　　參考文獻(xiàn) </p><p>　　[1] 崔堅(jiān). 西門子S7可編程序控制器[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2007年06月</p><p>　　[2] 芮延年.傳感

76、器與檢測技術(shù)[M] .蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2005.3.21-22</p><p>　　[3] 廖常初. S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2005年01月 </p><p>　　[4] 西門子（中國）有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán). 深入淺出西門子WinCC V6[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版.2007年06月   &

77、#160;</p><p>　　[5] 蘇昆哲.深入淺出 WINCC V6[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社. 2004 年5月</p><p>　　[6] 西門子（中國）有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán).SIMENSE SIMATIC PID控制手冊[M].2003.12：33-35</p><p>　　[7] 涂植英.自動控制原理[M].重慶：重慶大學(xué)出版社. 200

78、9 年5月 </p><p>　　[8] 于海生，等.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2007年5月</p><p>　　[9] 王樹青. 過程控制工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2008年2月</p><p>　　[10]M.W.short.B.Barber. Temperature Prediction and control During .pr

79、oceedings of the Ironmaking conference[C].1997.56(o)</p><p>　　[11]J.de.J Barreto-sandoval. Temperature compensation and control in the continuous casting Tundish:plysical and Mathematical Modelling.proceedi