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）是一種集自動化技術、計算機技術和通信技術為 一體的高可靠性的工業(yè)計算機，應用很廣泛，現在已經越來越成熟，小批量、 多品種、多規(guī)格、低成本和高質量的產品不斷涌入市場。本設計主要是在西 門子編程軟件S7-300的基礎上實現PLC的前饋反饋系統(tǒng)的設計，并通過具體 的實例，即對加熱爐溫度的前饋反饋控制的實現來說明前饋反饋的具體流程。 加熱爐內的實時溫度經過溫度傳感器、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換成數字量送到 PLC內部處理， 再由模擬量輸出模塊將數字量轉換為模擬量輸出控制閥門的開度以達到爐內 溫度穩(wěn)定的控制。本文研究

2、的重點是如何用PLC以及WinCC對現場的前饋- 反饋控制系統(tǒng)進行控制的，如何將前饋-反饋控制系統(tǒng)得到的數據經過 PLC 后傳送到上位機，用組態(tài)軟件WinCC進行實時監(jiān)控。經仿真運行后，本系統(tǒng) 能實現控制要求。 關鍵字：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國內外研究現狀 1 1.2本課題研究內容及方法 2 2基于PLC的雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)設計 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 4 2.2.2 PLC的內部結構 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 流量計與壓力變送器的選擇 10 2.4 軟件設計方案 11 2.4.1 STEP 7編程軟件的簡介 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 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)的過程畫面 25 3.3.1創(chuàng)建畫面 25 3.3.2仿真結果 27 結束語 33 致謝 35 參考文獻 36 附

9、錄 37 1?完整程序 37 2?整體仿真畫面 42 廣西工學院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設計 1 緒論 1.1國內外研究現狀 現代社會要求生產廠商能對市場的需求做出迅速反應，生產出小批量、 多品種、多規(guī)格、低成本和高質量的產品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無法滿 足這一要求，迫使人們去尋找一種新的控制裝置。PLC是以微處理器為基礎， 綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自 動控制裝置。今天的P L C在處理模擬量、數字運算、人機接口和網絡的各 方面能力都已大幅提高， 成為工業(yè)控制領域的主要控制設備， 在各行各業(yè)發(fā) 揮著越來越大

10、的作用PLC通過模擬量I/O模塊實現模擬量與數字量之間的 A/D, D/A轉換,并對模擬量進行閉環(huán)PID控制，可用PID子程序來實現，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廣泛應用于塑料擠 壓成型機、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設備，還廣泛地應用于輕工、機械、 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，為了進一步提高其 在應用過程中各方面的能力，國內各公司及研究機構的研究人員不斷的致力 于研究這個領域?；?PLC的控制模式日趨成熟，黃干將總結了 PLC的主 要控制模式：1、順序控制。2、過程控制，過程控制的代表類型是開環(huán)控制 與閉環(huán)控制，這種

11、控制手段在臺金、化工、鍋爐控制等方面的應用效果都非 常明顯。3、運動控制。4、信息控制。5、遠程控制。在過程控制中， 廣西 機電職業(yè)技術學院的羅邕生在基于 PLC的基礎上對液位進行反饋串級控制， 并采用組態(tài)軟件實現動態(tài)數據顯示和現場設備的實時監(jiān)控，取得良好效果。 國外的PLC控制系統(tǒng)比國內的更加成熟，計算機技術的新成果更多地應 用于可編程控制器的設計和制造上會有運算速度更快 、存儲容量更大、智能 更強的品種出現。伴隨著計算機網絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制 網絡和國際通用網絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領域發(fā)揮 越來越大的作用 可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網構成

12、大型的控制系統(tǒng)是可編程 控制器技術的發(fā)展方 向。目前的計算機集散控制系統(tǒng)DCS (Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。PLC+DCS （分布式計算機 控制系統(tǒng)）結合，采用集散控制多臺PLC分擔了系統(tǒng)功能，并將危險性分散， 人機界面友好、操作方便，并通過輸入設備對工藝過程進行控制和調節(jié)，確 保生產過程的安全可靠、高質高效。但由于此系統(tǒng)常應用在復雜的造紙等行 業(yè)，DCS需要測量的模擬量信號較多，且現成干擾打，穩(wěn)定性及精確度都不 高，在一些相對簡單一些的工業(yè)過程中應用這種控制系統(tǒng)顯然不大合適。而 對于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)來說，就更 加容易實現。本文主要研究前饋反饋控制方式，這種控制方式的優(yōu)點是：既 有前饋控制對主要擾動進行補償，又有閉環(huán)負反饋消除其他的小的擾動。 1.2本課題研究內容及方法 過程控制系統(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)生產過程中，引起被控參數變化的擾動是多種多樣的。 開環(huán)前饋控制的最主要的優(yōu)點是能針對主要擾動及時迅速的克服其對被控參 數的影響；對于余次要擾動，則利用反饋控制予以克服，使控制系統(tǒng)穩(wěn)定時 能準確的是被控量控制在給定值上。 本文主要研究的是基于PLC的基礎上實現的前饋-反饋控制，即利用PLC 的各種功能塊對控制前饋-反饋的控制系

14、統(tǒng)的輸入輸出，并對模擬信號和數字 信號進行處理，將滿足要求的數據送入 PID控制模塊進行相應處理，最后通 過輸出通道（模擬量輸出模塊）對現場實施控制；數字量的輸出通過上位機 的WinCC界面將控制信號通過CPU俞出到數字量輸出模塊的端口來對現場進 行控制。本文主要研究內容為：1、研究在PLC的基礎上前饋-反饋控制系統(tǒng) 的工作原理；2、研究此控制系統(tǒng)軟件設計方案及 PLC的編程；3、整定PID 控制參數，使控制系統(tǒng)達到理想的控制效果；4把工業(yè)生產過程中復雜的環(huán) 境考慮進去時，研究該系統(tǒng)的可行性，分析此類環(huán)境的應對方法。 本設計主要研究方法為：通過西門子的 PLC軟件STEP7勺功能模塊編程 對

15、前饋-反饋控制系統(tǒng)的控制，以及應用組態(tài)軟件 WinCC寸現場進行監(jiān)控。前 饋-反饋控制系統(tǒng)的調節(jié)器利用增量式 PID控制算法，按照經驗試湊的方法設 定控制參數。 2 PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)設計 2.1系統(tǒng)的工藝流程 由于本設計的要求是設計基于 PLC的前饋反饋控制系統(tǒng)，主要的側重點 在前饋反饋的控制系統(tǒng)，由于課題中沒有給出直接的控制對象，本設計中， 由于加熱爐的爐溫控制較適合應用前饋反饋控制系統(tǒng)，而且在專業(yè)課的學習 中也學了一些相關的知識，因此本人對加熱爐的爐溫控制相對比較熟悉，在 此就以煉油裝置上的加熱爐的爐溫為控制對象來實現前饋反饋控制系統(tǒng)的設 計，控制器為西門子系列的 PLC

16、利用其編程軟件S7-300PLC來實現程序的 編寫，對系統(tǒng)進行控制。 加熱爐溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于冶金、化工等工業(yè)生產過程中，加熱爐 的溫度是生產工藝的一項重要指標， 溫度控制是否精確直接影響產品的質 量。根據產品不同的應用目的，將材料及其制品加熱到相應的溫度并保溫， 是生產工藝經常要認真對待的問題。熱處理加熱爐具有大慣性，純滯后等非 線性以及時變的特點，爐門的開關，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程。在傳統(tǒng)的 PID控制中，PID控制參數難以確定， 使PID控制器不能總是處于最佳狀態(tài)，而且在控制過程中將發(fā)生大的超調， 隨著PLC技術的不斷發(fā)展，其各類過程控制模

17、塊功能的增強使它取得較好的 控制效果，S7-300里的PID控制模塊可以較好的實現對爐溫的控制，提高了 爐溫的控制精度。 本設計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。由于進料流量qF經 常發(fā)生變化，因而對此主要擾動進行前饋控制。 前饋控制器(FFC將再qF變 化時及時產生控制作用。通過帶便燃料油來消除進料流量對加熱爐出口溫度 9的影響。同時反饋控制溫度調節(jié)器(TC獲得溫度變9的信息后，將按照 一定的控制規(guī)律對燃料油qB產生控制作用。兩個通道作用疊加的結果將使9 盡快回到給定值

18、。在系統(tǒng)出現其他擾動時，如進料的溫度、燃料油壓力等變 化時，由于這些信息未被引入前饋補償器，故只能依靠反饋調節(jié)器產生的控 制作用克服它們對被控溫度的影響。 2.2控制系統(tǒng)的硬件選型 2.2.1 PLC的發(fā)展及特點 可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，是一種 專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的數字運算電子系統(tǒng)，它是以微處理機為基礎， 綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術等現代科技而發(fā)展起來的一種 新型工業(yè)自動控制裝置，是當今工業(yè)發(fā)達國家自動控制的標準設備之一。由于PLC采用了 “三機一體化一“的綜合技術即集計算機、儀器儀表、電氣控 制

19、于一身，具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便 和低成本等諸多特點，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 場的要求：再加上PLC發(fā)展過程中產品的系列化、產業(yè)化和標準化，使之從 早期的邏輯控制、順序控制迅速擴展到了連續(xù)控制，開始進入批量控制和過 程控制領域，并迅速成為工業(yè)自動化系統(tǒng)的支柱阻。目前， PLC在小型化、 大型化、大容量、強功能等方面有了質的飛躍。 早期的可編程序控制器，主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著計算機技 術、通信技術和自動控制技術的迅速發(fā)展，可編程序控制器與這些技術相融 合，在工業(yè)生產中得到了廣泛的應用。1969年，美國數字設備公司(DEC)研

20、 制出世界上第一臺可編程控制器。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、定時等。 70年代初期，體積小、功能強和價格便宜的微處理器被用于 PLC，使得PLC 的功能大大增強，硬件和軟件方面都有了很大的進步。 進入80年代中、后期， 由于超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌， 使得PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。 隨著電子技術和計算機技術的 發(fā)展，PLC的功能得到大大的增強，具有以下特點：可靠性高、具有豐富的 1\0接口模塊、采用模塊化結構、編程簡單易學、安裝簡單，維修方便。 2.2.2 PLC的內部結構

21、 PLC機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成。PLC可分為以下幾個部分： (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 過輸入裝置將外設的狀態(tài)讀入并按照用戶程序去處理，根據處理結果通過輸 出裝置去控制外設。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據； CPU按掃描方式工作，從存貯 器中逐條讀取指令，并存入CPU內的指令寄存器中；指令寄存器的指令操作 碼進行譯碼，執(zhí)行指令規(guī)定的任務，產生相應的控制信號，啟閉有關控制門 電路，并根據運算結果更新有關標

22、志和輸出映像寄存器的內容，以實現輸出 控制、制表、打印或數據通訊；行系統(tǒng)診斷程序，診斷電源、 PLC內部電路 的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。 (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數據。系統(tǒng)存貯器用以存貯制造廠家編寫的系統(tǒng)程序。 用戶存貯器主要用來存放用戶的應用程序。所謂用戶程序是指使用戶根 據工程現場的生產過程和工藝要求編寫的控制程序。此程序由使用者通過編 程器輸入到PLC機的CMOS RAM存貯器中，以便于用戶隨時修改。也可將 用戶程序存放在EEPROM中。為確保PLC機控制系統(tǒng)的可靠性，CMOS RAM 存貯器有預防電源掉電故障的鏗電池保護措施，

23、以防電源掉電后破壞它的存 貯內容。數據存貯器用來存放 PLC的數據。 (3) 輸入輸出模塊：輸入輸出模塊是可編程控制器與工業(yè)生產設備或工 業(yè)生產過程連接的接口?，F場的輸入信號， 如壓力、流量、溫度、電壓、電 流等，都要通過輸入模塊送到 PLC。由于這些信號電平各式各樣，而可編程 控制器CPU所處理的信息只能是標準電平，所以輸入模塊還需將這些信號轉 換成PLC能夠接受和處理的數字信號。輸出模塊的作用是接收中央處理器處 理過的數字信號，并把它轉換成現場執(zhí)行部件所能接受的控制信號，以驅動 如電磁閥、燈光顯示、電機等執(zhí)行機構?？删幊炭刂破饔卸喾N輸入輸出模塊， 其類型有數字量輸入 輸出模塊和模擬量

24、輸入 輸出模塊。模擬量輸入 輸出模 塊主要用來實現模擬量一數字量之間的轉換， 即A\D或D\A轉換。由于工業(yè) 控制系統(tǒng)中有傳感器或執(zhí)行機構有一些信號是連續(xù)變化的模擬量，因此這些 模擬量必須通過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轉換后的二進制數字量，與PLC的1\0總線連接。模擬量輸出模 塊D\A轉換前的二進制數字量。現在標準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 標準量程的模擬電壓或電流后，把它轉換成 8位、10位或12位的二制數字 信號，送給中央處理器進行處理。模擬量輸出模塊將中央

25、處理器的二進制數 字信號轉換成標準量程的電壓或電流輸出信號，提供給執(zhí)行機構。 (4) 擴展模塊：當一個PLC中心單元的I\O點數不夠用時，就要對系統(tǒng)進 行擴展，擴展接口就是用于連接中心基本單元與擴展單元的。 (5) 編程器：它的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調試和監(jiān)視。編 程器的結構一般包括顯示部分與鍵盤部分。顯示一般用液晶顯示器，主要的 顯示內容包括地址、數據、工作方式、指令執(zhí)行情況及系統(tǒng)工作狀態(tài)等。鍵 盤有單功能鍵和雙功能鍵，在使用雙功能鍵的時候鍵盤中都備有一個選擇鍵， 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 PLC機架只能容納 一定數量的模塊插件，這種包含主機模塊和部分 1\0模塊的機架稱為基本控 制單元?；究刂茊卧浖饕δ転椋哼M循環(huán)解釋運行用戶程序；集中進 行輸入信號的掃描和輸出控制的更新編程器軟件用來支持用戶程序的輸入， 也可以用來監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行過程。當用戶程序己裝入 PLC的存儲器，編 程器就可以被分離，基本控制單元將自動進入執(zhí)行用戶程序狀態(tài)。 (2) 用戶程序：這是用戶應用PLC進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 德國的西門子公司是歐洲最大的電子和電氣設備制造商，生產的 SIMATICPLC在歐洲處于領先地位。1996年西門子推出了 S7系列產品，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產品得性能和使用范圍各不相同，但具有以下共同特點。 (1) CPUS片已經升級到Intel80486，甚至采用Pentium處理器。 (2) 采用模塊化設計，能按搭積木艙室進行系統(tǒng)配置， 功能擴展靈活方 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的處理速度達到18ns。

28、 (4) 有很強的網絡功能，可用多個PLC連接成工業(yè)網絡，構成完整的過 程控制系統(tǒng)，既可實現總線聯網，也可實現點對點通信。 (5) 允許使用相關的程序軟件及工業(yè)通信網絡軟件，編制工具更開放， 人機界面十分友好。 S7-300/400 PLC是通用可編程控制器，它廣泛地應用于自動化領域，涉 及各個行業(yè)，可用于組件集中式或分布式結構的測控系統(tǒng)，重點在于為生產 制造工程中的系統(tǒng)解決方案提供一個通用的自動化平臺，性能優(yōu)良，運行可 靠。 S7-300/400 PLC主要模塊有中央處理單元(CPU)模塊、信號(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。 每一個類模塊都有各種不同的型號可以選擇。 CPU模塊是PLC的核心，負責 存儲并執(zhí)行用戶程序，存取其他模塊的數據，一般還具有某種類型的通信功 能。信號模塊用來傳送數字量及模擬量信號。通信模塊可提供 PROFIBUS以 太網等通信連接形式。功能模塊有高速計數模塊、溫度和壓力閉環(huán)控制模塊。 2.2.4 CPU的選型 CPU315-2DPT作存儲器容量為128KB裝載存儲器容量為 8MB處理數 據的時間：位指令為0.1 字指令為0.2 整數指令運算時間為2Q,浮 點運算時間為3Q。.定時器個數為256個，計數器個數為256個，位存儲器 容量為2KB最大系統(tǒng)可以擴展到32個模塊；數字

30、量通道有16384個點，模 擬量通道有1024個點；在功耗方面，CPU315-2DP目對其他的CPU它的功耗 較低，且各方面的技術要求都符合此設計的要求。 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。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。 SM331每兩個相鄰的輸入通道公用一 個量程模塊，構成一個通道。8*12位模塊有8個輸入通道，配4個量程模塊， 分成4個通道

31、組。量程模塊上方有 A、B、C、D4個標記。當量程模塊插入模 塊時，量程模塊的標記與模塊的標記一一對應。 在沒有使用STEP7工具重新初始化模擬量輸入模塊 SM331時，8*12位 SM331模塊默認設定表如下： 表 量程模塊的設 疋 可選擇的測量方式和范圍 默認設置 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，在這里采用有 4通道的 4*12位SM332,4*12位SM332有 4個通道，每個通道都可以單獨編程為電壓 輸出或電流輸出，輸出精度12位，模塊對CPU背板總線和負載電壓都有光電 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都一樣。在 組建S7— 300應用系統(tǒng)時，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)生產過程中最常見、最基本得參數之一。任何化學反應和物 理變化都與溫度有關。 熱電偶溫度計在工業(yè)生產過程中的應用極為廣泛，利用金屬的熱電效應 實現測溫功能。它具有測溫精度高，在小范圍內熱電動勢與溫度基本呈單值、 線性關系、穩(wěn)定性和浮現性較好，測溫范圍寬

34、，響應時間較快等特點。 熱電阻溫度計是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化的性質來實現對 溫度的測量的，當測量溫度低于150 C的溫度時，由于熱電偶的熱電動勢很 小，故常用熱電阻測量溫度。熱電阻溫度計最大的特點是性能穩(wěn)定、測量精 度高、測溫范圍寬，同事還不需要冷端溫度補償，一般可在 -270?900 C范 圍內使用。本設計的加熱爐設置的溫度不超過 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 要實現溫度的自動控制，則需要配用溫度變送器。 DDZ-m型變送器是一 種將被測的各種參數（溫度、壓力等）變換成統(tǒng)一的標準信號（ DC4 20mA

35、 或DC?5V）的儀表，其輸出送顯示一邊或調節(jié)器實現對溫度的顯示或自動 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)定性及各項技術性能。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和被測溫 度（輸入信號）成線性關系。3）線路中采用了安全火花防爆措施，故可用于 危險場所中的溫度測量變松。這里由于溫度測量部件選用了熱電阻溫度計， 所以溫度變送器就選擇熱電阻溫度變送器。 2.3.3流量計與壓力變送器的選擇 流量是指單位時間內通過管

36、道某一截面的物料數量，即瞬時流量。本設 計中選用比較常用的差壓流量計，它是根據節(jié)流原理利用流體流經節(jié)流裝置 （如孔板）時所產生的壓力差來測量流量的。 這里壓力變送器，選擇差壓（壓力）變送器，其主要用于測量液體、氣 體或蒸汽的壓力、差壓、流量、液位等的過程參量，并將其轉換成標準的統(tǒng) 一信號DC4 20mA電流輸出，以便實現自動檢測和自動控制。 2.4 軟件設計方案 2.4.1 STEP 7編程軟件的簡介 STEP 7是用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標準 軟件，需要安裝、運行在使用 Windows操作系統(tǒng)的計算機上。STEP7支持三 種編程模式：L

37、AD（梯形圖）、FBD（功能塊圖）、STL（語句表）。使用STEP7 V5.3開發(fā)開發(fā)一個工程，可以分為 6個步驟：建立一個項目、通信設置、硬 件組態(tài)和參數設置、程序編寫與下載、程序調試與組態(tài)通信。 一個完整的項目建立好了，用西門子公司提供的仿真軟件 S7-PLCSIM來 代替PLC硬件調試用戶程序，利用次仿真軟件，不需要連接任何 PLC硬件， 以后的監(jiān)控/測試均與在一臺真正的S7-PLC中的監(jiān)控/測試一樣，從而提高用 戶程序的質量和降低費用。 2.4.2 系統(tǒng)控制方案的選擇 根據圖3可以得到以下兩種控制系統(tǒng)框圖，PID為PLC內部的PID模塊 CONT_C 圖3.1使用一個

38、PID調節(jié)器  圖3.2 使用兩個PID調節(jié)器 圖4的控制系統(tǒng)框圖中只利用一個 PID調節(jié)器，因此這個PID既是前饋 作用的補償器，又是反饋作用的調節(jié)器，雖然在程序編寫上比較簡潔， PID 需將三個外來數據進行計算才能得出輸出結果，會令擾動量不能得到及時的 補償，使系統(tǒng)出現震蕩，使溫度不能得到很好的控制。圖 5中利用兩個PID 調節(jié)器作用于閥門，進行燃料油流量的控制。反饋調節(jié)器（PID）為主調節(jié)器， 前饋補償器（P）為副調節(jié)器，當qF （擾動）發(fā)生變化時，副調節(jié)器迅速動 作，改變閥門開度，調節(jié)燃料油的流量，溫度變化較??；主調節(jié)器的任務是 校正溫度，使穩(wěn)態(tài)時的溫度等于給定值。

39、主調節(jié)器的輸出信號作為副調節(jié)器 的給定值，兩者相互獨立，相互的影響小。所以本設計中選用如圖 3.2所示 的控制系統(tǒng)框圖來編寫控制程序。 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，先寫好程序之后將程序下載到 PLC中，在監(jiān) 控畫面中對設定值進行設定，同時，溫度變送器將爐內溫度計檢測到的溫度 值轉換成4?20mA的電流值，PLC里的模擬量輸入模塊SM331將電流值轉換 成PLC內的數據值，4?20mA勺電流值對應PLC里的數據量為0?27648。設 定值與實際值的差值為 PID的輸入值，PID調節(jié)后得到閥門控制量，控制閥 門的開度，通過模擬量輸出模塊將數字量轉換為模

40、擬量后送到實際的電動閥 門中，閥門再控制燃料油的流量，進一步控制爐內的溫度，得到的即是當前 溫度(實際溫度)，這個溫度再與設定溫度相比較， 繼續(xù)實現對溫度的實時控 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 在本設計的溫度控制中利用 PLC內部的PID控制模塊來實現PID調節(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 技術最成熟、應用最廣泛的控制方式。具有以下優(yōu)點：理論成熟，算法簡單, 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 對給定值：r(t)和實際輸出值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 經比例(P)、積分(I)和微分(D)運算后通過線性組合構成控制量u(t)，對 被控對象進行控制，故稱PID控制器。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組 成，u(t)為PID調節(jié)器輸出的調節(jié)量. PID調節(jié)的實質就是根據輸入的偏差值，按比例、 積分和微分的函數關 系進行運算，其運算結果用以輸出控制。在系統(tǒng)輸出誤差絕對值較大時系統(tǒng) 采取飽和輸出工作方式，這樣可以減小溫度系統(tǒng)的時滯性。同時為了防止系統(tǒng)

42、 過大的超調量，在系統(tǒng)余差的絕對值比較小時采用增大積分系數的辦法，從 而可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。微分控制算法簡單，參數調整方便，并且有一定 的控制精度，能感覺出余差的變化趨勢。增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應， 使超調減小，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分控制規(guī)律對于改善系 統(tǒng)的動態(tài)性能指標有顯著效果，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；Ti積分時間常數；Td為微分時間常數由于式(3-2) 為模擬量表達式，而PLC程序只能處理離散數字量，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數字控制器會造成PID運算的積分積累,引起系統(tǒng)超 調,這在生產過程中是不允許的。由此，經過轉換得到增量式算法 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控制算法是對偏差增量進行處理，然后輸出控制量的增量， 即執(zhí)行機構位置的增量。增量式PID數字控制器不會出現飽和，而且當計算 機出現故障時能保持前一個采樣時刻的輸出值，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使用。 2.5程序的編寫 對程序進行初始化,使M0.0總是

45、1,從而控制M0.1, M0.1控制PID 的過程變量的的外設輸入端 PVPER_ON，當它為1時，可以直接總外設輸入過程變 量。如圖3.5所示： 20 廣西工學院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設計 :標題； MO, lJ^^O 圖3.7 21 廣西工學院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設計 （2）將溫度模擬量即實際鍋爐內溫度傳送到 PID0的過程變量PV_PER PID0內用其與給定值SP_INT作比較，此處的模擬量也是經過模擬輸入模塊 轉換后得到的數據量，如圖3.6所示： HO. 3 % MOVE EN

46、 ENO IN OUT *AIO^ - ■PV PER 圖3.6 （3）實際的溫度比給定值小，則 PLD0.LMN有輸出，若實際溫度大過給 定值，則PLD0.LMN沒有輸出，這里主調節(jié)器用P、I、D控制規(guī)律，將需要調 整的參數在PID塊里設置好，其他的值已經在 PID的背景數據塊里有默認值 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 # 廣西工學院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設計 地址 聲明 客稱 類型 初始ia 實際値 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為進料擾動，即前饋信號傳遞給副調節(jié)器的過程變量 PV_PER, 實現調節(jié)器的串級，主調節(jié)器的輸出值 LMN乍為副調節(jié)器的設定值，兩者再 進行比較。如圖3.9所示： 圖3.9 （5）若主調節(jié)器輸出為0，則表示爐內溫度剛好達到設定值，此時要 是進料流量有擾動，會使爐內溫度降低，副調節(jié)器迅速動作，控制燃料油流 量，及時消除進料流量對加熱爐溫度的影響。這里，副調節(jié)器使用比例控制 作用，能較快地克服擾動的影響，使系統(tǒng)穩(wěn)

54、定下來。 P值在程序中設定好，P 值取負的才能實現這一功能。如圖 3.10所示： 圖 3.10 （6）若主調節(jié)器的輸出不為0，則說明加熱爐內溫度低于設定值，需 要兩個調節(jié)器一起動作控制閥門的開度， 進而控制燃料油流量，使溫度上升, 直至達到設定值。如圖3.11所示： 圖 3.11 （7）副調節(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）副調節(jié)器的輸出值LMN_PE直接控制閥門的開度，控制燃料油的流 量，使低于設定值的溫度逐漸升高，直到達到設定溫

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

57、進入鍋爐自動進行加熱，溫度就 會隨著上升，溫度的變化會通過溫度傳感器，再經過溫度變送器傳回給 PLC PLC內的PID模塊再用此時的溫度跟設定值進行比較， 再去控制閥門的開度， 這是一個自動控制過程，而在仿真中難以實現模擬量隨著閥門的狀態(tài)變化而 變化，故這里用這一部來模擬實現這一過程。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）是一個集成的人機界 面系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，它是結合西門子公司在過程自動化領域中的先進技 術和微軟公司強大軟件功能的產物。WinC（是Window環(huán)境下面向對象的32

58、位 工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件，它適合任何自動化控制系統(tǒng)。 WinCCfi態(tài)軟件集成了圖形技術、人機界面技術、數據庫技術、控制技術、 網絡與通訊技術等，使控制系統(tǒng)開發(fā)人員不必依靠某種具體專業(yè)的計算機語 言，只需通過可視化的組態(tài)方式，就可以完成監(jiān)控軟件設計，降低了監(jiān)控畫 面開發(fā)的難度。組態(tài)軟件擁有豐富的工具箱、圖形庫和操作向導，使開發(fā)人 員避免了軟件設計中許多重復性的開發(fā)工作，可提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周 期，WinC（已經成為監(jiān)控系統(tǒng)主要的軟件開發(fā)工具之一。 WinCCI供各種PLC勺驅動軟件，因此使PLC與上位機的通訊變得非常容 易，如果用戶把WinC（和STEP7結合在一起使用，結果更是大幅度降低

59、了工程 時間，因為在STEP沖配置的變量表可以在與 Win Cd接時過程Win CC勺過程 編程直接使用?？梢赃B接到存在的自動化環(huán)境中，有大量的通信接口，全面 的過程信息和數據處理。 3.1新建工程 啟動 WinCC的軟件，單擊“開始” >SIMATIC>WinCC>WindoWSontrol 6.0 菜單項。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)建新項目類型，選擇單用戶類型。單擊確定輸入項目名稱，項目選擇項 目路徑，單擊創(chuàng)建則一個新的工程就建立了，當指定了存放文件夾后，項目 管理器在默認情況下為項目創(chuàng)建一個與項目名稱相同的文件夾。 wince

60、創(chuàng)建新項目 存單用戶項目 愛r容尸就項目 [.] [apLib] 時血] [DlElgJlEiEeJ njora^ntt] ifloYjjghl] fflwir]. [interfaccE] rn?ri I 可師強牒垂舸建 if的litioc底目. c：\... \iienE\tLiuic 圖4.1 創(chuàng)建新項目對話框 3.2建立 Wincc與PLC的通信連接 使用WinCC來訪問控制系統(tǒng)（PLC的當前過程值，則在WinCC與控制系 統(tǒng)間必須組態(tài)一個通信連接。通信將由稱作通道的專門的通信驅動程序來控 制。WinCC有針對自動化系統(tǒng) SIMATIC S7的

61、專用通道。 （1）添加一個通信驅動程序，右擊瀏覽窗口中的“變量管理”，在快捷 菜單中選擇“添加新的驅動程序”，如下圖所示。 Win匚匚EMpfurer - E:\Protjram Fi!e5\SrEMENS\Wfn匚匸IwEfidulwEfi”. 28 廣西工學院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設計 # 廣西工學院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設計 圖4.2 變量管理對話框 # 廣西工學院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設計 (2)在添加新的驅動程序對話框中選擇 SIMATIC

62、S7 Protocol Suite.chn 如下圖4.3所示 29 廣西工學院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設計 # 廣西工學院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設計 宜件(E)貓輯⑥祝圖側工具①解 常規(guī) D 6- -fl J -歎 wendu 卵計苴機 -訓喪壘雪理 十刃內部更量 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： 服務器列表 FO2DElH51[il.d in 1+ ■+ PROFIBUS 圖4.3 添加驅動程序對話框 (3) 單擊所添加進來的新的驅動程序前面的“ +”號將顯示當前驅動程 序所有可用的通道單元，本系統(tǒng)選用PROFIBUS右擊PROFIBUS選擇“添加 新的驅動程序連接”菜單項，在隨后打開的“連接屬性”對話框中輸入wendu 作為邏輯連接名，，然后點擊“屬性”按鈕，在連接參數設置中將插槽號改為 2,因為在PLC的硬件設計中，CPU安裝在機架的第二個插槽，然后點擊確定。 如下圖4.4所示： I「WinECEMpfarer - C:\Pragram

64、 Files SII # 廣西工學院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設計 PROFIBD5 (II) PLC Soft PLC TCP/IP + 1+ A結競量 Td皿盤管理憐IM航疋 丸PROTOCOL劉II 【 圖 4.4a 連盤參徹 PkOFIULI^ ST祠踣地址 站地址（S）: |2 段 U（I）： |0 機架號侃）： |o 插憎號（I）: |2 r發(fā)送/搖收原端數據塊遣） 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)控畫面中要用到的變

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

66、西工學院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設計 # 廣西工學院2011屆畢業(yè)論文 基于PLC的前饋-反饋控制系統(tǒng)的設計 FB 4］主訓節(jié)需 CONT.C [FB4L FB 41 |Catitinuou- Control FIDO PID I 圖4.5 （5）WinCC中對PID的控制參數進行整定，使閥門的輸入值達到穩(wěn)定狀 態(tài)，從而使燃料油流量穩(wěn)定增加，進一步使溫度穩(wěn)定增加。在此過程中要進 行手動、自動的切換，這些變量都在 PID的數據塊里都有固定的地址，只需 找到相應的地址，在WinCC的過程變量里與此變量在S7的地址相對應就可以 實現變量在S7與WinCC之間的傳遞。如圖4.6所示的PID內各變量的地址: 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