前饋控制系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)

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1、摘要 可編程序控制器（PLC）是一種集自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為 一體的高可靠性的工業(yè)計(jì)算機(jī)，應(yīng)用很廣泛，現(xiàn)在已經(jīng)越來(lái)越成熟，小批量、 多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品不斷涌入市場(chǎng)。本設(shè)計(jì)主要是在西 門子編程軟件S7-300的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)PLC的前饋反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)具體 的實(shí)例，即對(duì)加熱爐溫度的前饋反饋控制的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)明前饋反饋的具體流程。 加熱爐內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度經(jīng)過(guò)溫度傳感器、溫度變送器將模擬量傳送給 PLC的模 擬量輸入模塊，模擬量輸入模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到 PLC內(nèi)部處理， 再由模擬量輸出模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出控制閥門的開(kāi)度以達(dá)到爐內(nèi) 溫度穩(wěn)定的控制。本文研究

2、的重點(diǎn)是如何用PLC以及WinCC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的前饋- 反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的，如何將前饋-反饋控制系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò) PLC 后傳送到上位機(jī)，用組態(tài)軟件WinCC進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)仿真運(yùn)行后，本系統(tǒng) 能實(shí)現(xiàn)控制要求。 關(guān)鍵字：前饋-反饋控制；可編程控制器； Win CC加熱爐 Abstract Programmable Logic Con troller (PLC) is a set of automatio n tech no logy computer tech no logy and com muni cati on tech no logy as one of the high rel

3、iability in dustrial computer, and PLC is widely used. Now it is more and more mature, smaller quantities, more kinds ,lower cost and higher quality in the market. This design is abased on the programming software of Siemens to implement PLC-based feedforward-feedback control system. This design int

4、roduces an example to explain the procedure of feedforward-feedback system. The example is that through temperature con trol in heati ng fur nace which is used feedforward and feedback con trol system. Real-time temperature, in side the furn ace, after the temperature sensors, temperature transmitte

5、rs discovered will be sent to the an alog in put module of PLC. An alog in put modules convert an alog to digital, and sent the digital data to CPU of PLC to process. Then analog output modules convert digital to an alog to con trol valve, so the system achieves a stablf urn ace temperature control.

6、 Focus of this study is about that how to use PLC and WINCC to control feedforward-feedback system of on-scene, and how to make feedforward-feedback system con vey the date to computer via PLC, the n, using con figurati on software Win cc impleme nt real-time mon itori ng. Keywords： feedforward-fee

7、dback Programmable Logic Controller; WinCC; heating furnace 目錄 1 緒論 1 1.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2本課題研究?jī)?nèi)容及方法 2 2基于PLC的雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 2.1 系統(tǒng)的工藝流程 3 2.2控制系統(tǒng)的硬件選型 4 2.2.1 PLC的發(fā)展及特點(diǎn) 4 2.2.2 PLC的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 5 2.2.3西門子公司的S7系列PLC 7 2.2.4 CPU 的選型 8 2.2.5 I/O模塊的選型 8 2.2.6 電源模塊的選型 9 2.3系統(tǒng)各部分硬件選型 9 2.3.1 溫度傳感器的

8、選擇 10 2.3.2 溫度變送器的選擇 10 2.3.3 流量計(jì)與壓力變送器的選擇 10 2.4 軟件設(shè)計(jì)方案 11 2.4.1 STEP 7編程軟件的簡(jiǎn)介 11 2.4.2 系統(tǒng)控制方案的選擇 11 2.4.3加熱爐前饋-反饋系統(tǒng)控制流程圖 12 2.4.4 PID控制及其控制算法 13 2.5程序的編寫(xiě) 15 3 WinCC組態(tài)與仿真 20 3.1新建工程 20 3.2建立 Wince與PLC的通信連接 21 3.3創(chuàng)建供料系統(tǒng)的過(guò)程畫(huà)面 25 3.3.1創(chuàng)建畫(huà)面 25 3.3.2仿真結(jié)果 27 結(jié)束語(yǔ) 33 致謝 35 參考文獻(xiàn) 36 附

9、錄 37 1?完整程序 37 2?整體仿真畫(huà)面 42 廣西工學(xué)院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 現(xiàn)代社會(huì)要求生產(chǎn)廠商能對(duì)市場(chǎng)的需求做出迅速反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、 多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無(wú)法滿 足這一要求，迫使人們?nèi)ふ乙环N新的控制裝置。PLC是以微處理器為基礎(chǔ)， 綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自 動(dòng)控制裝置。今天的P L C在處理模擬量、數(shù)字運(yùn)算、人機(jī)接口和網(wǎng)絡(luò)的各 方面能力都已大幅提高， 成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主要控制設(shè)備， 在各行各業(yè)發(fā) 揮著越來(lái)越大

10、的作用PLC通過(guò)模擬量I/O模塊實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的 A/D, D/A轉(zhuǎn)換,并對(duì)模擬量進(jìn)行閉環(huán)PID控制，可用PID子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，也 可使用專用的P I D模塊。P L C的模擬量控制功能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于塑料擠 壓成型機(jī)、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設(shè)備，還廣泛地應(yīng)用于輕工、機(jī)械、 冶金、電力等行業(yè)。 PLC在最近幾年非常廣泛的用于各式各樣的行業(yè)中，為了進(jìn)一步提高其 在應(yīng)用過(guò)程中各方面的能力，國(guó)內(nèi)各公司及研究機(jī)構(gòu)的研究人員不斷的致力 于研究這個(gè)領(lǐng)域?；?PLC的控制模式日趨成熟，黃干將總結(jié)了 PLC的主 要控制模式：1、順序控制。2、過(guò)程控制，過(guò)程控制的代表類型是開(kāi)環(huán)控制 與閉環(huán)控制，這種

11、控制手段在臺(tái)金、化工、鍋爐控制等方面的應(yīng)用效果都非 常明顯。3、運(yùn)動(dòng)控制。4、信息控制。5、遠(yuǎn)程控制。在過(guò)程控制中， 廣西 機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院的羅邕生在基于 PLC的基礎(chǔ)上對(duì)液位進(jìn)行反饋串級(jí)控制， 并采用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，取得良好效果。 國(guó)外的PLC控制系統(tǒng)比國(guó)內(nèi)的更加成熟，計(jì)算機(jī)技術(shù)的新成果更多地應(yīng) 用于可編程控制器的設(shè)計(jì)和制造上會(huì)有運(yùn)算速度更快 、存儲(chǔ)容量更大、智能 更強(qiáng)的品種出現(xiàn)。伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動(dòng)化控制 網(wǎng)絡(luò)和國(guó)際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮 越來(lái)越大的作用 可編程控制器和其它工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成

12、大型的控制系統(tǒng)是可編程 控制器技術(shù)的發(fā)展方 向。目前的計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)DCS (Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應(yīng)用。PLC+DCS （分布式計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)）結(jié)合，采用集散控制多臺(tái)PLC分擔(dān)了系統(tǒng)功能，并將危險(xiǎn)性分散， 人機(jī)界面友好、操作方便，并通過(guò)輸入設(shè)備對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，確 保生產(chǎn)過(guò)程的安全可靠、高質(zhì)高效。但由于此系統(tǒng)常應(yīng)用在復(fù)雜的造紙等行 業(yè)，DCS需要測(cè)量的模擬量信號(hào)較多，且現(xiàn)成干擾打，穩(wěn)定性及精確度都不 高，在一些相對(duì)簡(jiǎn)單一些的工業(yè)過(guò)程中應(yīng)用這種控制系統(tǒng)顯然不大合適。而 對(duì)于PLC的前饋控制系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)或前饋-反饋控

13、制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就更 加容易實(shí)現(xiàn)。本文主要研究前饋反饋控制方式，這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：既 有前饋控制對(duì)主要擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，又有閉環(huán)負(fù)反饋消除其他的小的擾動(dòng)。 1.2本課題研究?jī)?nèi)容及方法 過(guò)程控制系統(tǒng)的分類可以分為：前饋控制系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)、前饋 - 反饋控制系統(tǒng)。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，引起被控參數(shù)變化的擾動(dòng)是多種多樣的。 開(kāi)環(huán)前饋控制的最主要的優(yōu)點(diǎn)是能針對(duì)主要擾動(dòng)及時(shí)迅速的克服其對(duì)被控參 數(shù)的影響；對(duì)于余次要擾動(dòng)，則利用反饋控制予以克服，使控制系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí) 能準(zhǔn)確的是被控量控制在給定值上。 本文主要研究的是基于PLC的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的前饋-反饋控制，即利用PLC 的各種功能塊對(duì)控制前饋-反饋的控制系

14、統(tǒng)的輸入輸出，并對(duì)模擬信號(hào)和數(shù)字 信號(hào)進(jìn)行處理，將滿足要求的數(shù)據(jù)送入 PID控制模塊進(jìn)行相應(yīng)處理，最后通 過(guò)輸出通道（模擬量輸出模塊）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施控制；數(shù)字量的輸出通過(guò)上位機(jī) 的WinCC界面將控制信號(hào)通過(guò)CPU俞出到數(shù)字量輸出模塊的端口來(lái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn) 行控制。本文主要研究?jī)?nèi)容為：1、研究在PLC的基礎(chǔ)上前饋-反饋控制系統(tǒng) 的工作原理；2、研究此控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案及 PLC的編程；3、整定PID 控制參數(shù)，使控制系統(tǒng)達(dá)到理想的控制效果；4把工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中復(fù)雜的環(huán) 境考慮進(jìn)去時(shí)，研究該系統(tǒng)的可行性，分析此類環(huán)境的應(yīng)對(duì)方法。 本設(shè)計(jì)主要研究方法為：通過(guò)西門子的 PLC軟件STEP7勺功能模塊編程 對(duì)

15、前饋-反饋控制系統(tǒng)的控制，以及應(yīng)用組態(tài)軟件 WinCC寸現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控。前 饋-反饋控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器利用增量式 PID控制算法，按照經(jīng)驗(yàn)試湊的方法設(shè) 定控制參數(shù)。 2 PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1系統(tǒng)的工藝流程 由于本設(shè)計(jì)的要求是設(shè)計(jì)基于 PLC的前饋反饋控制系統(tǒng)，主要的側(cè)重點(diǎn) 在前饋反饋的控制系統(tǒng)，由于課題中沒(méi)有給出直接的控制對(duì)象，本設(shè)計(jì)中， 由于加熱爐的爐溫控制較適合應(yīng)用前饋反饋控制系統(tǒng)，而且在專業(yè)課的學(xué)習(xí) 中也學(xué)了一些相關(guān)的知識(shí)，因此本人對(duì)加熱爐的爐溫控制相對(duì)比較熟悉，在 此就以煉油裝置上的加熱爐的爐溫為控制對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)前饋反饋控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)，控制器為西門子系列的 PLC

16、利用其編程軟件S7-300PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的 編寫(xiě)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。 加熱爐溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、化工等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，加熱爐 的溫度是生產(chǎn)工藝的一項(xiàng)重要指標(biāo)， 溫度控制是否精確直接影響產(chǎn)品的質(zhì) 量。根據(jù)產(chǎn)品不同的應(yīng)用目的，將材料及其制品加熱到相應(yīng)的溫度并保溫， 是生產(chǎn)工藝經(jīng)常要認(rèn)真對(duì)待的問(wèn)題。熱處理加熱爐具有大慣性，純滯后等非 線性以及時(shí)變的特點(diǎn)，爐門的開(kāi)關(guān)，加熱的材料，環(huán)境溫度以及煤氣、 空氣 的壓力等都影響著控制過(guò)程。在傳統(tǒng)的 PID控制中，PID控制參數(shù)難以確定， 使PID控制器不能總是處于最佳狀態(tài)，而且在控制過(guò)程中將發(fā)生大的超調(diào)， 隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，其各類過(guò)程控制模

17、塊功能的增強(qiáng)使它取得較好的 控制效果，S7-300里的PID控制模塊可以較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制，提高了 爐溫的控制精度。 本設(shè)計(jì)中煉油裝置上的加熱爐溫度的前饋-反饋控制系統(tǒng)為： 如下圖： 圖3.1加熱爐的前饋-反饋控制系統(tǒng) 加熱爐出口溫度B為被控量，燃料油流量qB為控制量。由于進(jìn)料流量qF經(jīng) 常發(fā)生變化，因而對(duì)此主要擾動(dòng)進(jìn)行前饋控制。 前饋控制器(FFC將再qF變 化時(shí)及時(shí)產(chǎn)生控制作用。通過(guò)帶便燃料油來(lái)消除進(jìn)料流量對(duì)加熱爐出口溫度 9的影響。同時(shí)反饋控制溫度調(diào)節(jié)器(TC獲得溫度變9的信息后，將按照 一定的控制規(guī)律對(duì)燃料油qB產(chǎn)生控制作用。兩個(gè)通道作用疊加的結(jié)果將使9 盡快回到給定值

18、。在系統(tǒng)出現(xiàn)其他擾動(dòng)時(shí)，如進(jìn)料的溫度、燃料油壓力等變 化時(shí)，由于這些信息未被引入前饋補(bǔ)償器，故只能依靠反饋調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的控 制作用克服它們對(duì)被控溫度的影響。 2.2控制系統(tǒng)的硬件選型 2.2.1 PLC的發(fā)展及特點(diǎn) 可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡(jiǎn)稱PLC，是一種 專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算電子系統(tǒng)，它是以微處理機(jī)為基礎(chǔ)， 綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來(lái)的一種 新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置，是當(dāng)今工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家自動(dòng)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一。由于PLC采用了 “三機(jī)一體化一“的綜合技術(shù)即集計(jì)算機(jī)、儀器儀表、電氣控 制

19、于一身，具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便 和低成本等諸多特點(diǎn)，因而與其它控制器相比它更加適合工業(yè)控制環(huán)境和市 場(chǎng)的要求：再加上PLC發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)品的系列化、產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化，使之從 早期的邏輯控制、順序控制迅速擴(kuò)展到了連續(xù)控制，開(kāi)始進(jìn)入批量控制和過(guò) 程控制領(lǐng)域，并迅速成為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的支柱阻。目前， PLC在小型化、 大型化、大容量、強(qiáng)功能等方面有了質(zhì)的飛躍。 早期的可編程序控制器，主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著計(jì)算機(jī)技 術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，可編程序控制器與這些技術(shù)相融 合，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研

20、 制出世界上第一臺(tái)可編程控制器。早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī) 模集成電路組成，主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時(shí)等。 70年代初期，體積小、功能強(qiáng)和價(jià)格便宜的微處理器被用于 PLC，使得PLC 的功能大大增強(qiáng)，硬件和軟件方面都有了很大的進(jìn)步。 進(jìn)入80年代中、后期， 由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場(chǎng)價(jià)格大幅度下跌， 使得PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。 隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的 發(fā)展，PLC的功能得到大大的增強(qiáng)，具有以下特點(diǎn)：可靠性高、具有豐富的 1\0接口模塊、采用模塊化結(jié)構(gòu)、編程簡(jiǎn)單易學(xué)、安裝簡(jiǎn)單，維修方便。 2.2.2 PLC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

21、 PLC機(jī)硬件主要由中央處理單元(CPU)、存貯器、輸入 輸出單元以及編 程器、電源和智能輸入輸出單元等構(gòu)成。PLC可分為以下幾個(gè)部分： (1) 中央處理單元(CPU):中央處理單元是可編程控制的核心部件，它通 過(guò)輸入裝置將外設(shè)的狀態(tài)讀入并按照用戶程序去處理，根據(jù)處理結(jié)果通過(guò)輸 出裝置去控制外設(shè)。中央處理器的功能是： CPU按系統(tǒng)程序所賦予的功能，、 接收并存貯從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)； CPU按掃描方式工作，從存貯 器中逐條讀取指令，并存入CPU內(nèi)的指令寄存器中；指令寄存器的指令操作 碼進(jìn)行譯碼，執(zhí)行指令規(guī)定的任務(wù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，啟閉有關(guān)控制門 電路，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果更新有關(guān)標(biāo)

22、志和輸出映像寄存器的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)輸出 控制、制表、打印或數(shù)據(jù)通訊；行系統(tǒng)診斷程序，診斷電源、 PLC內(nèi)部電路 的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。 (2) 存貯器：可編程控制器中存貯器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)存貯器用以存貯制造廠家編寫(xiě)的系統(tǒng)程序。 用戶存貯器主要用來(lái)存放用戶的應(yīng)用程序。所謂用戶程序是指使用戶根 據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程和工藝要求編寫(xiě)的控制程序。此程序由使用者通過(guò)編 程器輸入到PLC機(jī)的CMOS RAM存貯器中，以便于用戶隨時(shí)修改。也可將 用戶程序存放在EEPROM中。為確保PLC機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，CMOS RAM 存貯器有預(yù)防電源掉電故障的鏗電池保護(hù)措施，

23、以防電源掉電后破壞它的存 貯內(nèi)容。數(shù)據(jù)存貯器用來(lái)存放 PLC的數(shù)據(jù)。 (3) 輸入輸出模塊：輸入輸出模塊是可編程控制器與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工 業(yè)生產(chǎn)過(guò)程連接的接口?，F(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)， 如壓力、流量、溫度、電壓、電 流等，都要通過(guò)輸入模塊送到 PLC。由于這些信號(hào)電平各式各樣，而可編程 控制器CPU所處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以輸入模塊還需將這些信號(hào)轉(zhuǎn) 換成PLC能夠接受和處理的數(shù)字信號(hào)。輸出模塊的作用是接收中央處理器處 理過(guò)的數(shù)字信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行部件所能接受的控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng) 如電磁閥、燈光顯示、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？删幊炭刂破饔卸喾N輸入輸出模塊， 其類型有數(shù)字量輸入 輸出模塊和模擬量

24、輸入 輸出模塊。模擬量輸入 輸出模 塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量一數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換， 即A\D或D\A轉(zhuǎn)換。由于工業(yè) 控制系統(tǒng)中有傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一些信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量，因此這些 模擬量必須通過(guò)模擬量輸入輸出模塊與PLC的中央處理器連接。模擬量輸 入模塊A\D轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)字量，與PLC的1\0總線連接。模擬量輸出模 塊D\A轉(zhuǎn)換前的二進(jìn)制數(shù)字量?，F(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)量程的模擬電壓主要是0-5伏和0-10 伏兩種，模擬電流主要是 0-20mA和4-20mA兩種。模擬量輸入模塊接收到 標(biāo)準(zhǔn)量程的模擬電壓或電流后，把它轉(zhuǎn)換成 8位、10位或12位的二制數(shù)字 信號(hào)，送給中央處理器進(jìn)行處理。模擬量輸出模塊將中央

25、處理器的二進(jìn)制數(shù) 字信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)量程的電壓或電流輸出信號(hào)，提供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 (4) 擴(kuò)展模塊：當(dāng)一個(gè)PLC中心單元的I\O點(diǎn)數(shù)不夠用時(shí)，就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn) 行擴(kuò)展，擴(kuò)展接口就是用于連接中心基本單元與擴(kuò)展單元的。 (5) 編程器：它的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。編 程器的結(jié)構(gòu)一般包括顯示部分與鍵盤(pán)部分。顯示一般用液晶顯示器，主要的 顯示內(nèi)容包括地址、數(shù)據(jù)、工作方式、指令執(zhí)行情況及系統(tǒng)工作狀態(tài)等。鍵 盤(pán)有單功能鍵和雙功能鍵，在使用雙功能鍵的時(shí)候鍵盤(pán)中都備有一個(gè)選擇鍵， 以選擇其中一種方式工作。 PLC的軟件可分為系統(tǒng)軟件和用戶程序兩大部分： (1) 系統(tǒng)軟件：它又包括基本控制

26、單元軟件和編程軟件兩部分。 另外，一 些特殊功能模塊也帶有自己的操作系統(tǒng)軟件。通常，一個(gè) PLC機(jī)架只能容納 一定數(shù)量的模塊插件，這種包含主機(jī)模塊和部分 1\0模塊的機(jī)架稱為基本控 制單元?；究刂茊卧浖饕δ転椋哼M(jìn)循環(huán)解釋運(yùn)行用戶程序；集中進(jìn) 行輸入信號(hào)的掃描和輸出控制的更新編程器軟件用來(lái)支持用戶程序的輸入， 也可以用來(lái)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行過(guò)程。當(dāng)用戶程序己裝入 PLC的存儲(chǔ)器，編 程器就可以被分離，基本控制單元將自動(dòng)進(jìn)入執(zhí)行用戶程序狀態(tài)。 (2) 用戶程序：這是用戶應(yīng)用PLC進(jìn)行控制所需要編制的程序。目前，在 PLC中普遍使用梯形圖編程方法。 2.2.3西門子公司的S7系列

27、PLC 德國(guó)的西門子公司是歐洲最大的電子和電氣設(shè)備制造商，生產(chǎn)的 SIMATICPLC在歐洲處于領(lǐng)先地位。1996年西門子推出了 S7系列產(chǎn)品，它包 括小型PLCS7-200系列，中型PLC S7-300系列和大型PLCS7-400系列。S7 系列PLC產(chǎn)品得性能和使用范圍各不相同，但具有以下共同特點(diǎn)。 (1) CPUS片已經(jīng)升級(jí)到Intel80486，甚至采用Pentium處理器。 (2) 采用模塊化設(shè)計(jì)，能按搭積木艙室進(jìn)行系統(tǒng)配置， 功能擴(kuò)展靈活方 便。 (3) 有極快的處理速度，如S7-200和S7-300的掃描速度為0.37微秒/ 指令，S7-400的處理速度達(dá)到18ns。

28、 (4) 有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能，可用多個(gè)PLC連接成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成完整的過(guò) 程控制系統(tǒng)，既可實(shí)現(xiàn)總線聯(lián)網(wǎng)，也可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。 (5) 允許使用相關(guān)的程序軟件及工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)軟件，編制工具更開(kāi)放， 人機(jī)界面十分友好。 S7-300/400 PLC是通用可編程控制器，它廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域，涉 及各個(gè)行業(yè)，可用于組件集中式或分布式結(jié)構(gòu)的測(cè)控系統(tǒng)，重點(diǎn)在于為生產(chǎn) 制造工程中的系統(tǒng)解決方案提供一個(gè)通用的自動(dòng)化平臺(tái)，性能優(yōu)良，運(yùn)行可 靠。 S7-300/400 PLC主要模塊有中央處理單元(CPU)模塊、信號(hào)(SM)模塊、 通信(CP)模塊、功能(FM)模塊；輔助模塊有電源(PS)模塊、接口(IM)

29、模塊。 每一個(gè)類模塊都有各種不同的型號(hào)可以選擇。 CPU模塊是PLC的核心，負(fù)責(zé) 存儲(chǔ)并執(zhí)行用戶程序，存取其他模塊的數(shù)據(jù)，一般還具有某種類型的通信功 能。信號(hào)模塊用來(lái)傳送數(shù)字量及模擬量信號(hào)。通信模塊可提供 PROFIBUS以 太網(wǎng)等通信連接形式。功能模塊有高速計(jì)數(shù)模塊、溫度和壓力閉環(huán)控制模塊。 2.2.4 CPU的選型 CPU315-2DPT作存儲(chǔ)器容量為128KB裝載存儲(chǔ)器容量為 8MB處理數(shù) 據(jù)的時(shí)間：位指令為0.1 字指令為0.2 整數(shù)指令運(yùn)算時(shí)間為2Q,浮 點(diǎn)運(yùn)算時(shí)間為3Q。.定時(shí)器個(gè)數(shù)為256個(gè)，計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)為256個(gè)，位存儲(chǔ)器 容量為2KB最大系統(tǒng)可以擴(kuò)展到32個(gè)模塊；數(shù)字

30、量通道有16384個(gè)點(diǎn)，模 擬量通道有1024個(gè)點(diǎn)；在功耗方面，CPU315-2DP目對(duì)其他的CPU它的功耗 較低，且各方面的技術(shù)要求都符合此設(shè)計(jì)的要求。 2.2.5 I/O模塊的選型 (1)模擬量輸入模塊的選型 模擬量輸入模塊SM331有兩種規(guī)格型號(hào)。一種是8*12位模塊，另一種是 2*12位模塊。前者是8通道的輸入模塊，后者是2通道的輸入模塊。本系統(tǒng) 采用8通道的輸入模塊。S7-300模擬量模塊的輸入范圍很寬，它可以直接輸 入電壓、電流、電阻、熱電偶等信號(hào)。 SM331每?jī)蓚€(gè)相鄰的輸入通道公用一 個(gè)量程模塊，構(gòu)成一個(gè)通道。8*12位模塊有8個(gè)輸入通道，配4個(gè)量程模塊， 分成4個(gè)通道

31、組。量程模塊上方有 A、B、C、D4個(gè)標(biāo)記。當(dāng)量程模塊插入模 塊時(shí)，量程模塊的標(biāo)記與模塊的標(biāo)記一一對(duì)應(yīng)。 在沒(méi)有使用STEP7工具重新初始化模擬量輸入模塊 SM331時(shí)，8*12位 SM331模塊默認(rèn)設(shè)定表如下： 表 量程模塊的設(shè) 疋 可選擇的測(cè)量方式和范圍 默認(rèn)設(shè)置 A 電壓：v= 1000mV 熱 電 阻： 150Q ,300 Q ,600 Q ,Pt100,Ni100 熱 電阻偶：N,E,J,K各型熱電偶得各種 測(cè)量方法 電壓 / 1000mV B 電壓：v= 10V 電壓/ 10V C 電流：＜-土 20mA（4線變送器） 電流（4線）/ 2

32、0mA D 電流：4?20mA（2線變送器） 電流（4線）/4?20mA （2）模擬量輸出的選型 模擬量輸出模塊SM332也是有多種規(guī)格型號(hào)，在這里采用有 4通道的 4*12位SM332,4*12位SM332有 4個(gè)通道，每個(gè)通道都可以單獨(dú)編程為電壓 輸出或電流輸出，輸出精度12位，模塊對(duì)CPU背板總線和負(fù)載電壓都有光電 隔離。 2.2.6 電源模塊的選型 PS307是西門子公司為S7-300專配的24V DC電源。PS307系列模塊除 輸出電流不同外（有2A, 5A, 10A三種），其工作原理和各種參數(shù)都一樣。在 組建S7— 300應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，考慮每塊模塊的電流耗量和功率損耗

33、是非常必要 的，所有S7— 300模塊使用的S7— 300背板總線提供的總電流不能超過(guò)1.2A。 本系統(tǒng)選擇PS307 5A電源模塊可以滿足要求。 2.3系統(tǒng)各部分硬件選型 系統(tǒng)的控制部分PLC的各模塊的選型已在前面闡述，這里不再多做介紹， 下面介紹前饋-反饋控制系統(tǒng)在加熱爐系統(tǒng)應(yīng)用到的其他硬件。 2.3.1溫度傳感器的選擇 溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)、最基本得參數(shù)之一。任何化學(xué)反應(yīng)和物 理變化都與溫度有關(guān)。 熱電偶溫度計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用極為廣泛，利用金屬的熱電效應(yīng) 實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能。它具有測(cè)溫精度高，在小范圍內(nèi)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度基本呈單值、 線性關(guān)系、穩(wěn)定性和浮現(xiàn)性較好，測(cè)溫范圍寬

34、，響應(yīng)時(shí)間較快等特點(diǎn)。 熱電阻溫度計(jì)是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) 溫度的測(cè)量的，當(dāng)測(cè)量溫度低于150 C的溫度時(shí)，由于熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)很 小，故常用熱電阻測(cè)量溫度。熱電阻溫度計(jì)最大的特點(diǎn)是性能穩(wěn)定、測(cè)量精 度高、測(cè)溫范圍寬，同事還不需要冷端溫度補(bǔ)償，一般可在 -270?900 C范 圍內(nèi)使用。本設(shè)計(jì)的加熱爐設(shè)置的溫度不超過(guò) 100 C,選擇溫度傳感器為 Pt100熱電阻，量程為0?100C 2?3?2 溫度變送器的選擇 要實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制，則需要配用溫度變送器。 DDZ-m型變送器是一 種將被測(cè)的各種參數(shù)（溫度、壓力等）變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（ DC4 20mA

35、 或DC?5V）的儀表，其輸出送顯示一邊或調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的顯示或自動(dòng) 控制。DDZ＜型溫度變送器有熱電偶溫度變送器、熱電阻溫度變送器、直流 毫伏變送器三中品種。DDZ-IH型溫度變送器主要特點(diǎn)有；1）采用了線性繼承 電路，提高了儀表的可靠性、穩(wěn)定性及各項(xiàng)技術(shù)性能。2）在熱電偶和熱電阻 溫度變送器中采用了線性化電路，使變送器的輸出電流或電壓信號(hào)和被測(cè)溫 度（輸入信號(hào)）成線性關(guān)系。3）線路中采用了安全火花防爆措施，故可用于 危險(xiǎn)場(chǎng)所中的溫度測(cè)量變松。這里由于溫度測(cè)量部件選用了熱電阻溫度計(jì)， 所以溫度變送器就選擇熱電阻溫度變送器。 2.3.3流量計(jì)與壓力變送器的選擇 流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管

36、道某一截面的物料數(shù)量，即瞬時(shí)流量。本設(shè) 計(jì)中選用比較常用的差壓流量計(jì)，它是根據(jù)節(jié)流原理利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置 （如孔板）時(shí)所產(chǎn)生的壓力差來(lái)測(cè)量流量的。 這里壓力變送器，選擇差壓（壓力）變送器，其主要用于測(cè)量液體、氣 體或蒸汽的壓力、差壓、流量、液位等的過(guò)程參量，并將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng) 一信號(hào)DC4 20mA電流輸出，以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制。 2.4 軟件設(shè)計(jì)方案 2.4.1 STEP 7編程軟件的簡(jiǎn)介 STEP 7是用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn) 軟件，需要安裝、運(yùn)行在使用 Windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上。STEP7支持三 種編程模式：L

37、AD（梯形圖）、FBD（功能塊圖）、STL（語(yǔ)句表）。使用STEP7 V5.3開(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā)一個(gè)工程，可以分為 6個(gè)步驟：建立一個(gè)項(xiàng)目、通信設(shè)置、硬 件組態(tài)和參數(shù)設(shè)置、程序編寫(xiě)與下載、程序調(diào)試與組態(tài)通信。 一個(gè)完整的項(xiàng)目建立好了，用西門子公司提供的仿真軟件 S7-PLCSIM來(lái) 代替PLC硬件調(diào)試用戶程序，利用次仿真軟件，不需要連接任何 PLC硬件， 以后的監(jiān)控/測(cè)試均與在一臺(tái)真正的S7-PLC中的監(jiān)控/測(cè)試一樣，從而提高用 戶程序的質(zhì)量和降低費(fèi)用。 2.4.2 系統(tǒng)控制方案的選擇 根據(jù)圖3可以得到以下兩種控制系統(tǒng)框圖，PID為PLC內(nèi)部的PID模塊 CONT_C 圖3.1使用一個(gè)

38、PID調(diào)節(jié)器  圖3.2 使用兩個(gè)PID調(diào)節(jié)器 圖4的控制系統(tǒng)框圖中只利用一個(gè) PID調(diào)節(jié)器，因此這個(gè)PID既是前饋 作用的補(bǔ)償器，又是反饋?zhàn)饔玫恼{(diào)節(jié)器，雖然在程序編寫(xiě)上比較簡(jiǎn)潔， PID 需將三個(gè)外來(lái)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算才能得出輸出結(jié)果，會(huì)令擾動(dòng)量不能得到及時(shí)的 補(bǔ)償，使系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩，使溫度不能得到很好的控制。圖 5中利用兩個(gè)PID 調(diào)節(jié)器作用于閥門，進(jìn)行燃料油流量的控制。反饋調(diào)節(jié)器（PID）為主調(diào)節(jié)器， 前饋補(bǔ)償器（P）為副調(diào)節(jié)器，當(dāng)qF （擾動(dòng)）發(fā)生變化時(shí)，副調(diào)節(jié)器迅速動(dòng) 作，改變閥門開(kāi)度，調(diào)節(jié)燃料油的流量，溫度變化較??；主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是 校正溫度，使穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度等于給定值。

39、主調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)作為副調(diào)節(jié)器 的給定值，兩者相互獨(dú)立，相互的影響小。所以本設(shè)計(jì)中選用如圖 3.2所示 的控制系統(tǒng)框圖來(lái)編寫(xiě)控制程序。 2.4.3加熱爐前饋-反饋系統(tǒng)控制流程圖 加熱爐的前饋-反饋控制內(nèi)，先寫(xiě)好程序之后將程序下載到 PLC中，在監(jiān) 控畫(huà)面中對(duì)設(shè)定值進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)，溫度變送器將爐內(nèi)溫度計(jì)檢測(cè)到的溫度 值轉(zhuǎn)換成4?20mA的電流值，PLC里的模擬量輸入模塊SM331將電流值轉(zhuǎn)換 成PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)值，4?20mA勺電流值對(duì)應(yīng)PLC里的數(shù)據(jù)量為0?27648。設(shè) 定值與實(shí)際值的差值為 PID的輸入值，PID調(diào)節(jié)后得到閥門控制量，控制閥 門的開(kāi)度，通過(guò)模擬量輸出模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模

40、擬量后送到實(shí)際的電動(dòng)閥 門中，閥門再控制燃料油的流量，進(jìn)一步控制爐內(nèi)的溫度，得到的即是當(dāng)前 溫度(實(shí)際溫度)，這個(gè)溫度再與設(shè)定溫度相比較， 繼續(xù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)控 制。如圖3.3所示： 圖3.3控制流程圖 2?4?4 PID控制及其控制算法 在本設(shè)計(jì)的溫度控制中利用 PLC內(nèi)部的PID控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)。 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用Proportional(比例)、Integral( 積分)、 Derivative(微分)控制方式，稱之為PID控制。PID控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中 技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有以下優(yōu)點(diǎn)：理論成熟，算法簡(jiǎn)單, 控制效果好，易于為人們熟悉

41、和掌握。 PID控制器是一種線性控制器，它是 對(duì)給定值：r(t)和實(shí)際輸出值y(t)之間的偏差e(t): e(t)二 y(t) - r(t) (3-1) 圖3.4 PID 控制原理框圖 經(jīng)比例(P)、積分(I)和微分(D)運(yùn)算后通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對(duì) 被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組 成，u(t)為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量. PID調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、 積分和微分的函數(shù)關(guān) 系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用以輸出控制。在系統(tǒng)輸出誤差絕對(duì)值較大時(shí)系統(tǒng) 采取飽和輸出工作方式，這樣可以減小溫度系統(tǒng)的時(shí)滯性。同時(shí)為了防止系統(tǒng)

42、 過(guò)大的超調(diào)量，在系統(tǒng)余差的絕對(duì)值比較小時(shí)采用增大積分系數(shù)的辦法，從 而可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。微分控制算法簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整方便，并且有一定 的控制精度，能感覺(jué)出余差的變化趨勢(shì)。增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)， 使超調(diào)減小，對(duì)于具有容量滯后的控制通道，引入微分控制規(guī)律對(duì)于改善系 統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)有顯著效果，可以獲得比較滿意的控制效果。 PID控制規(guī) 律是一種較理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除余差， 再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此它成為當(dāng)前最為普遍采用的 控制算法。 PID控制規(guī)律為： y(t)=Kp e(t)-丄 e(t)dt Td (3-2) _ Ti

43、dt 式中：Kp為比例系數(shù)；Ti積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)由于式(3-2) 為模擬量表達(dá)式，而PLC程序只能處理離散數(shù)字量，為此，必須將連續(xù)形式的 微分方程化成離散形式的差分 (3-3) 方程。令 (3-4) (3-5) (3-6) u(t) : u(kT) e(t) :- e(kT ) t n e(t)dt ： Ti e(jT ) o j de(t) e(kT ) -e (k -1)T 1 fc dt T 則可得到位置式數(shù)字PID算法 k u(k)二 Kpe(k) Ki e( j) Kd b(k) — e(k —1)1 ( 3-7) j

44、=0 使用位置式PID數(shù)字控制器會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累,引起系統(tǒng)超 調(diào),這在生產(chǎn)過(guò)程中是不允許的。由此，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到增量式算法 u(t)二u(k) -u(k -1) (3-8) = (kp ■ ki ■ kd )e(k) -(kp - 2kd )e(k -1) - kd e(^ 2) 增量式PID控制算法是對(duì)偏差增量進(jìn)行處理，然后輸出控制量的增量， 即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量。增量式PID數(shù)字控制器不會(huì)出現(xiàn)飽和，而且當(dāng)計(jì)算 機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)能保持前一個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，因此在此系統(tǒng) 中增量式算法被采用作為編程算法來(lái)使用。 2.5程序的編寫(xiě) 對(duì)程序進(jìn)行初始化,使M0.0總是

45、1,從而控制M0.1, M0.1控制PID 的過(guò)程變量的的外設(shè)輸入端 PVPER_ON，當(dāng)它為1時(shí)，可以直接總外設(shè)輸入過(guò)程變 量。如圖3.5所示： 20 廣西工學(xué)院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) :標(biāo)題； MO, lJ^^O 圖3.7 21 廣西工學(xué)院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （2）將溫度模擬量即實(shí)際鍋爐內(nèi)溫度傳送到 PID0的過(guò)程變量PV_PER PID0內(nèi)用其與給定值SP_INT作比較，此處的模擬量也是經(jīng)過(guò)模擬輸入模塊 轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)量，如圖3.6所示： HO. 3 % MOVE EN

46、 ENO IN OUT *AIO^ - ■PV PER 圖3.6 （3）實(shí)際的溫度比給定值小，則 PLD0.LMN有輸出，若實(shí)際溫度大過(guò)給 定值，則PLD0.LMN沒(méi)有輸出，這里主調(diào)節(jié)器用P、I、D控制規(guī)律，將需要調(diào) 整的參數(shù)在PID塊里設(shè)置好，其他的值已經(jīng)在 PID的背景數(shù)據(jù)塊里有默認(rèn)值 了。如圖3.7和圖3.8所示： "CQiNT_jC^ _ _ _ — COM RST LMN F 工DO- LMN ” _亠 _ MAN_ON F 工DO”， MO- 1 LMN_rER —LM-T_TER I..-I

47、PVFETR^ON —??? ■car F_SEL OLMN_LLPT —a *? r_SKL ILIVIJM !H _ _ _ I NT HOJLID LMN I I ITiL ON LMJiT_D —.亠B O — D.SEL FV —"FTW ? pv Tvas — CTCLE ER ana sp ] hrr — sip i wr --- PV IN

48、 圖3.7 # 廣西工學(xué)院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 地址 聲明 客稱 類型 初始ia 實(shí)際値 0. 0 in COM_RST BOOL FALSE FALSE 0. 1 in MAICON BOOL TRUE FALSE 0. 2 in PTFER^ON BOOL FALSE FALSE 0. 3 in P_SEL BOOL TRUE TRUE 0.4 m I SEL BOOL TRUE TRUE 0. 6 in INT HOLr) BOOL FALSE

49、FALSE 0. 6 in I ITL OH BOOL FALSE FALSE 乩7 in D SEL BOOL FALSE FALSE 2. Q in CYCLE TIME TftlS Tit IS 6. 0 in SPLINT REAL D? 000000e+000 0? OOOOOOe+OOO 16 0 in PV.IN REAL D? OOOOOOe+OOO 0? OOOOOOe+OOO 14. 0 in PV PER WORD W#16#0 W#16#0 16. 0 m MAN REAL 0? 0000

50、00s+000 6 OOOOOOe-fc-OOO m 口 m GAIN REAL 2? ODDOOOe+OOO 2? ODDOOOe+OOO in TI TIME T#20S T#20S ?09 口 in TD TIME TS1Q3 Tit 105 32- 0 in TM_LAG TIME Tff2S Tff2S 36. 0 in DEADB_ REAL D? ODQOOOC-+QOO Cl? ODOOOOe+OOO 4 0L 0 in LMN_HL? REAL 1? 000000e+002 1? 000000e+00

51、2 44. 0 in LW LL1 REAL D? OOOOOOe+OOO 匸l? LlOOOOOe+OOLl 48. 0 in PV FAC REAL 1? OOOOOOe+OOO 1? 00 0000*00 52. 0 m PV OFF REAL 0? OODOOOe-KOOO 0? 56. U in LMN F*C REAL 1B DDOOOOe+OOO 1B DODOOOe+OOO 60l □ in LMN OFF REAL 0.DDDOOOe^口口口 0. OOOOOOe-l-a口口 64a □ in I ITLVAL

52、 REAL 0, DDDQOOe+OOO 0,DDOOOOe+QaO es. q in DISV REAL 0.QQOQQOe+OOO 0.DQDOOQe+OOQ 72. 0 out LMN REAL D? OOOOOOe+OOO CL OOOOOOe+OOO 76 0 out LMN.PER WORD W#16#0 !7#16#0 78. 0 out QLMN liLM BOOL P ALSE FALSE 78. 1 out QLMN_LLM BOOL FALSE FALSE EtL 0 out LO P REAL

53、D? ODDOOOe+OOO Cl? ODOOOOe+OOO 召* A _ - .-i. T 11V T T5TT AT 圖3.8 （4）AI1為進(jìn)料擾動(dòng)，即前饋信號(hào)傳遞給副調(diào)節(jié)器的過(guò)程變量 PV_PER, 實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的串級(jí)，主調(diào)節(jié)器的輸出值 LMN乍為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，兩者再 進(jìn)行比較。如圖3.9所示： 圖3.9 （5）若主調(diào)節(jié)器輸出為0，則表示爐內(nèi)溫度剛好達(dá)到設(shè)定值，此時(shí)要 是進(jìn)料流量有擾動(dòng)，會(huì)使?fàn)t內(nèi)溫度降低，副調(diào)節(jié)器迅速動(dòng)作，控制燃料油流 量，及時(shí)消除進(jìn)料流量對(duì)加熱爐溫度的影響。這里，副調(diào)節(jié)器使用比例控制 作用，能較快地克服擾動(dòng)的影響，使系統(tǒng)穩(wěn)

54、定下來(lái)。 P值在程序中設(shè)定好，P 值取負(fù)的才能實(shí)現(xiàn)這一功能。如圖 3.10所示： 圖 3.10 （6）若主調(diào)節(jié)器的輸出不為0，則說(shuō)明加熱爐內(nèi)溫度低于設(shè)定值，需 要兩個(gè)調(diào)節(jié)器一起動(dòng)作控制閥門的開(kāi)度， 進(jìn)而控制燃料油流量，使溫度上升, 直至達(dá)到設(shè)定值。如圖3.11所示： 圖 3.11 （7）副調(diào)節(jié)器，如圖3.12 : ^corrr --- CZOJH EW JLMN HXU1 . J_NLN MAH ON MO. 1 LMMJPER ZI PVPKR OTJ ——=

55、 <■ ■ ■ — F_3EL GJJ-JWLN JLJLJM. ... ,??? — I_SEL T-WTN P ■8 4 4 ILJFTJ—T： ■ ■■- ? ? I_XTX__Ohl ■■ <■ ? ? rv ? nv CTVT!T-H HR _H q 圖 3.12 （8）副調(diào)節(jié)器的輸出值LMN_PE直接控制閥門的開(kāi)度，控制燃料油的流 量，使低于設(shè)定值的溫度逐漸升高，直到達(dá)到設(shè)定溫

56、度， PID1的輸出為0, 閥門關(guān)閉。如圖3.13所示： WO* □ f" I T7KT MOVE ■RKrn 1 LMM^PER IN OUT 圖 3.13 （9）當(dāng)控制閥門的副調(diào)節(jié)器的開(kāi)度大于 0時(shí)，則有燃料油進(jìn)入到鍋爐內(nèi)， 假設(shè)開(kāi)度為100時(shí)，可以引起5C的溫度增加，則實(shí)際溫度增加了 5C,將閥 門的開(kāi)度值乘以0.05則可以得到變化的溫度，將原來(lái)的實(shí)際溫度加上增加的 部分可以得到實(shí)時(shí)的溫度值，再用它與設(shè)定值比較，控制閥門的開(kāi)度，如此 循環(huán)下去，直到溫度達(dá)到設(shè)定值。而在實(shí)際的工程編程中不用到這一部，因 為實(shí)際工程中，當(dāng)閥門打開(kāi)時(shí)，燃料油就會(huì)

57、進(jìn)入鍋爐自動(dòng)進(jìn)行加熱，溫度就 會(huì)隨著上升，溫度的變化會(huì)通過(guò)溫度傳感器，再經(jīng)過(guò)溫度變送器傳回給 PLC PLC內(nèi)的PID模塊再用此時(shí)的溫度跟設(shè)定值進(jìn)行比較， 再去控制閥門的開(kāi)度， 這是一個(gè)自動(dòng)控制過(guò)程，而在仿真中難以實(shí)現(xiàn)模擬量隨著閥門的狀態(tài)變化而 變化，故這里用這一部來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。如圖 3.14所示： 圖 3.14 3 WinCC組態(tài)與仿真 工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件WinCC（WindowSDontrol Center）是一個(gè)集成的人機(jī)界 面系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，它是結(jié)合西門子公司在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技 術(shù)和微軟公司強(qiáng)大軟件功能的產(chǎn)物。WinC（是Window環(huán)境下面向?qū)ο蟮?2

58、位 工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件，它適合任何自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 WinCCfi態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、控制技術(shù)、 網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)等，使控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員不必依靠某種具體專業(yè)的計(jì)算機(jī)語(yǔ) 言，只需通過(guò)可視化的組態(tài)方式，就可以完成監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)，降低了監(jiān)控畫(huà) 面開(kāi)發(fā)的難度。組態(tài)軟件擁有豐富的工具箱、圖形庫(kù)和操作向?qū)?，使開(kāi)發(fā)人 員避免了軟件設(shè)計(jì)中許多重復(fù)性的開(kāi)發(fā)工作，可提高開(kāi)發(fā)效率，縮短開(kāi)發(fā)周 期，WinC（已經(jīng)成為監(jiān)控系統(tǒng)主要的軟件開(kāi)發(fā)工具之一。 WinCCI供各種PLC勺驅(qū)動(dòng)軟件，因此使PLC與上位機(jī)的通訊變得非常容 易，如果用戶把WinC（和STEP7結(jié)合在一起使用，結(jié)果更是大幅度降低

59、了工程 時(shí)間，因?yàn)樵赟TEP沖配置的變量表可以在與 Win Cd接時(shí)過(guò)程Win CC勺過(guò)程 編程直接使用。可以連接到存在的自動(dòng)化環(huán)境中，有大量的通信接口，全面 的過(guò)程信息和數(shù)據(jù)處理。 3.1新建工程 啟動(dòng) WinCC的軟件，單擊“開(kāi)始” >SIMATIC>WinCC>WindoWSontrol 6.0 菜單項(xiàng)。在 WinCC工程管理器窗口中選擇新建，彈出 WinCC資源管理器，選 擇創(chuàng)建新項(xiàng)目類型，選擇單用戶類型。單擊確定輸入項(xiàng)目名稱，項(xiàng)目選擇項(xiàng) 目路徑，單擊創(chuàng)建則一個(gè)新的工程就建立了，當(dāng)指定了存放文件夾后，項(xiàng)目 管理器在默認(rèn)情況下為項(xiàng)目創(chuàng)建一個(gè)與項(xiàng)目名稱相同的文件夾。 wince

60、創(chuàng)建新項(xiàng)目 存單用戶項(xiàng)目 愛(ài)r容尸就項(xiàng)目 [.] [apLib] 時(shí)血] [DlElgJlEiEeJ njora^ntt] ifloYjjghl] fflwir]. [interfaccE] rn?ri I 可師強(qiáng)牒垂舸建 if的litioc底目. c：\... \iienE\tLiuic 圖4.1 創(chuàng)建新項(xiàng)目對(duì)話框 3.2建立 Wincc與PLC的通信連接 使用WinCC來(lái)訪問(wèn)控制系統(tǒng)（PLC的當(dāng)前過(guò)程值，則在WinCC與控制系 統(tǒng)間必須組態(tài)一個(gè)通信連接。通信將由稱作通道的專門的通信驅(qū)動(dòng)程序來(lái)控 制。WinCC有針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng) SIMATIC S7的

61、專用通道。 （1）添加一個(gè)通信驅(qū)動(dòng)程序，右擊瀏覽窗口中的“變量管理”，在快捷 菜單中選擇“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”，如下圖所示。 Win匚匚EMpfurer - E:\Protjram Fi!e5\SrEMENS\Wfn匚匸IwEfidulwEfi”. 28 廣西工學(xué)院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) # 廣西工學(xué)院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖4.2 變量管理對(duì)話框 # 廣西工學(xué)院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) (2)在添加新的驅(qū)動(dòng)程序?qū)υ捒蛑羞x擇 SIMATIC

62、S7 Protocol Suite.chn 如下圖4.3所示 29 廣西工學(xué)院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) # 廣西工學(xué)院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 宜件(E)貓輯⑥祝圖側(cè)工具①解 常規(guī) D 6- -fl J -歎 wendu 卵計(jì)苴機(jī) -訓(xùn)喪壘雪理 十刃內(nèi)部更量 SIMAHC 57 PROTOCOL 5UTTE .Industrlai Ethernet： Q Industrie Ethernet (II) ■ m ■ Natned Cornecturis 若宇 1*1血

63、廉性電j I 單無(wú)： 服務(wù)器列表 FO2DElH51[il.d in 1+ ■+ PROFIBUS 圖4.3 添加驅(qū)動(dòng)程序?qū)υ捒? (3) 單擊所添加進(jìn)來(lái)的新的驅(qū)動(dòng)程序前面的“ +”號(hào)將顯示當(dāng)前驅(qū)動(dòng)程 序所有可用的通道單元，本系統(tǒng)選用PROFIBUS右擊PROFIBUS選擇“添加 新的驅(qū)動(dòng)程序連接”菜單項(xiàng)，在隨后打開(kāi)的“連接屬性”對(duì)話框中輸入wendu 作為邏輯連接名，，然后點(diǎn)擊“屬性”按鈕，在連接參數(shù)設(shè)置中將插槽號(hào)改為 2,因?yàn)樵赑LC的硬件設(shè)計(jì)中，CPU安裝在機(jī)架的第二個(gè)插槽，然后點(diǎn)擊確定。 如下圖4.4所示： I「WinECEMpfarer - C:\Pragram

64、 Files SII # 廣西工學(xué)院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) PROFIBD5 (II) PLC Soft PLC TCP/IP + 1+ A結(jié)競(jìng)量 Td皿盤(pán)管理憐IM航疋 丸PROTOCOL劉II 【 圖 4.4a 連盤(pán)參徹 PkOFIULI^ ST祠踣地址 站地址（S）: |2 段 U（I）： |0 機(jī)架號(hào)侃）： |o 插憎號(hào)（I）: |2 r發(fā)送/搖收原端數(shù)據(jù)塊遣） 連接資誘◎ ； \02~ 確定 ］ 恥漕 | 解助 | 圖4.4b 與PLC的通信連接 （4）確定好在WinCC監(jiān)控畫(huà)面中要用到的變

65、量，然后在S7-300PLC的主 界面“ SIMATICManagef中點(diǎn)擊前面的“ +”號(hào)，找到S7程序，在右邊窗口 可以看到“符號(hào)”，雙擊“符號(hào)”，找到變量地址，這里主要是模擬量通道 的地址，爐內(nèi)實(shí)際溫度 AI0以及進(jìn)料擾動(dòng)AI1的地址，以及PID的地址。如 W 剛 5IIWIIC 300 站點(diǎn) E 圏| gir 3i乎 iff S7 毘肩哥號(hào)” HhSIMAIIC 300 SftX\CPU 315-2 Aid PIW 256 M1RD All FIW KiRD A00 PCT VOT 捷動(dòng)賈〔蘭偎信引 閥門開(kāi)虞 圖4.5所示: 30 廣

66、西工學(xué)院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) # 廣西工學(xué)院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) FB 4］主訓(xùn)節(jié)需 CONT.C [FB4L FB 41 |Catitinuou- Control FIDO PID I 圖4.5 （5）WinCC中對(duì)PID的控制參數(shù)進(jìn)行整定，使閥門的輸入值達(dá)到穩(wěn)定狀 態(tài)，從而使燃料油流量穩(wěn)定增加，進(jìn)一步使溫度穩(wěn)定增加。在此過(guò)程中要進(jìn) 行手動(dòng)、自動(dòng)的切換，這些變量都在 PID的數(shù)據(jù)塊里都有固定的地址，只需 找到相應(yīng)的地址，在WinCC的過(guò)程變量里與此變量在S7的地址相對(duì)應(yīng)就可以 實(shí)現(xiàn)變量在S7與WinCC之間的傳遞。如圖4.6所示的PID內(nèi)各變量的地址: 錨 紂！ NJ] EfC nieuo IllttO in W5T 勒L FALSE FALSE 1切 an W O.OOONMnt 0她詢】 0.L m lAH.Of KOI WUE