前馈控制系统、反馈控制系统

摘要可编程序控制器（PLC）是一种集自动化技术、计算机技术和通信技术为 一体的高可靠性的工业计算机，应用很广泛，现在已经越来越成熟，小批量、 多品种、多规格、低成本和高质量的产品不断涌入市场。本设计主要是在西 门子编程软件S7-300的基础上实现PLC的前馈反馈系统的设计，并通过具体 的实例，即对加热炉温度的前馈反馈控制的实现来说明前馈反馈的具体流程。 加热炉内的实时温度经过温度传感器、温度变送器将模拟量传送给PLC的模拟量输入模块，模拟量输入模块将模拟量转换成数字量送到PLC内部处理，再由模拟量输出模块将数字量转换为模拟量输出控制阀门的开度以达到炉内 温度稳定的控制。本文研究的重点是如何用PLC以及WinCC对现场的前馈- 反馈控制系统进行控制的，如何将前馈-反馈控制系统得到的数据经过 PLC 后传送到上位机，用组态软件WinCC进行实时监控。经仿真运行后，本系统 能实现控制要求。关键字：前馈-反馈控制；可编程控制器；Win CC加热炉AbstractProgrammable 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 reliability 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 introduces 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 transmitters 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. 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-feedback Programmable Logic Controller; WinCC; heating furnace目录1 绪论11.1国内外研究现状11.2本课题研究内容及方法22基于PLC的双闭环流量比值控制系统设计 32.1 系统的工艺流程32.2控制系统的硬件选型42.2.1 PLC的发展及特点 42.2.2 PLC的内部结构52.2.3西门子公司的S7系列PLC72.2.4 CPU 的选型82.2.5 I/O模块的选型82.2.6 电源模块的选型92.3系统各部分硬件选型92.3.1 温度传感器的选择 102.3.2 温度变送器的选择 102.3.3 流量计与压力变送器的选择 102.4 软件设计方案112.4.1 STEP 7编程软件的简介112.4.2 系统控制方案的选择112.4.3加热炉前馈-反馈系统控制流程图122.4.4 PID控制及其控制算法132.5程序的编写153 WinCC组态与仿真 203.1新建工程203.2建立 Wince与PLC的通信连接 213.3创建供料系统的过程画面253.3.1创建画面253.3.2仿真结果27结束语33致谢35参考文献36附录371完整程序372整体仿真画面42广西工学院2011届毕业论文基于PLC的前馈-反馈控制系统的设计1 绪论1.1国内外研究现状现代社会要求生产厂商能对市场的需求做出迅速反应，生产出小批量、 多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满 足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置。PLC是以微处理器为基础， 综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自 动控制装置。今天的P L C在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各 方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主要控制设备， 在各行各业发挥着越来越大的作用PLC通过模拟量I/O模块实现模拟量与数字量之间的 A/D, D/A转换,并对模拟量进行闭环PID控制，可用PID子程序来实现，也 可使用专用的P I D模块。P L C的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤 压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、机械、 冶金、电力等行业。PLC在最近几年非常广泛的用于各式各样的行业中，为了进一步提高其 在应用过程中各方面的能力，国内各公司及研究机构的研究人员不断的致力 于研究这个领域。基于 PLC的控制模式日趋成熟，黄干将总结了PLC的主要控制模式：1、顺序控制。2、过程控制，过程控制的代表类型是开环控制 与闭环控制，这种控制手段在台金、化工、锅炉控制等方面的应用效果都非 常明显。3、运动控制。4、信息控制。5、远程控制。在过程控制中，广西机电职业技术学院的罗邕生在基于 PLC的基础上对液位进行反馈串级控制， 并采用组态软件实现动态数据显示和现场设备的实时监控，取得良好效果。国外的PLC控制系统比国内的更加成熟，计算机技术的新成果更多地应 用于可编程控制器的设计和制造上会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制 网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥 越来越大的作用可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程 控制器技术的发展方 向。目前的计算机集散控制系统DCS (DistributedControl System）中已有大量的可编程控制器应用。PLC+DCS （分布式计算机 控制系统）结合，采用集散控制多台PLC分担了系统功能，并将危险性分散， 人机界面友好、操作方便，并通过输入设备对工艺过程进行控制和调节，确 保生产过程的安全可靠、高质高效。但由于此系统常应用在复杂的造纸等行 业，DCS需要测量的模拟量信号较多，且现成干扰打，稳定性及精确度都不 高，在一些相对简单一些的工业过程中应用这种控制系统显然不大合适。而 对于PLC的前馈控制系统、反馈控制系统或前馈-反馈控制系统来说，就更 加容易实现。本文主要研究前馈反馈控制方式，这种控制方式的优点是：既 有前馈控制对主要扰动进行补偿，又有闭环负反馈消除其他的小的扰动。1.2本课题研究内容及方法过程控制系统的分类可以分为：前馈控制系统、反馈控制系统、前馈-反馈控制系统。在工业生产过程中，引起被控参数变化的扰动是多种多样的。 开环前馈控制的最主要的优点是能针对主要扰动及时迅速的克服其对被控参 数的影响；对于余次要扰动，则利用反馈控制予以克服，使控制系统稳定时 能准确的是被控量控制在给定值上。本文主要研究的是基于PLC的基础上实现的前馈-反馈控制，即利用PLC 的各种功能块对控制前馈-反馈的控制系统的输入输出，并对模拟信号和数字 信号进行处理，将满足要求的数据送入 PID控制模块进行相应处理，最后通 过输出通道（模拟量输出模块）对现场实施控制；数字量的输出通过上位机 的WinCC界面将控制信号通过CPU俞出到数字量输出模块的端口来对现场进 行控制。本文主要研究内容为：1、研究在PLC的基础上前馈-反馈控制系统 的工作原理；2、研究此控制系统软件设计方案及 PLC的编程；3、整定PID 控制参数，使控制系统达到理想的控制效果；4把工业生产过程中复杂的环 境考虑进去时，研究该系统的可行性，分析此类环境的应对方法。本设计主要研究方法为：通过西门子的 PLC软件STEP7勺功能模块编程 对前馈-反馈控制系统的控制，以及应用组态软件 WinCC寸现场进行监控。前 馈-反馈控制系统的调节器利用增量式 PID控制算法，按照经验试凑的方法设 定控制参数。2 PLC的前馈-反馈控制系统设计2.1系统的工艺流程由于本设计的要求是设计基于 PLC的前馈反馈控制系统，主要的侧重点 在前馈反馈的控制系统，由于课题中没有给出直接的控制对象，本设计中， 由于加热炉的炉温控制较适合应用前馈反馈控制系统，而且在专业课的学习 中也学了一些相关的知识，因此本人对加热炉的炉温控制相对比较熟悉，在 此就以炼油装置上的加热炉的炉温为控制对象来实现前馈反馈控制系统的设 计，控制器为西门子系列的 PLC利用其编程软件S7-300PLC来实现程序的 编写，对系统进行控制。加热炉温度控制系统广泛应用于冶金、化工等工业生产过程中，加热炉 的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控制是否精确直接影响产品的质量。根据产品不同的应用目的，将材料及其制品加热到相应的温度并保温， 是生产工艺经常要认真对待的问题。热处理加热炉具有大惯性，纯滞后等非 线性以及时变的特点，炉门的开关，加热的材料，环境温度以及煤气、 空气 的压力等都影响着控制过程。在传统的 PID控制中，PID控制参数难以确定， 使PID控制器不能总是处于最佳状态，而且在控制过程中将发生大的超调， 随着PLC技术的不断发展，其各类过程控制模块功能的增强使它取得较好的 控制效果，S7-300里的PID控制模块可以较好的实现对炉温的控制，提高了 炉温的控制精度。本设计中炼油装置上的加热炉温度的前馈-反馈控制系统为： 如下图：图3.1加热炉的前馈-反馈控制系统加热炉出口温度B为被控量，燃料油流量qB为控制量。由于进料流量qF经 常发生变化，因而对此主要扰动进行前馈控制。 前馈控制器(FFC将再qF变 化时及时产生控制作用。通过带便燃料油来消除进料流量对加热炉出口温度 9的影响。同时反馈控制温度调节器(TC获得温度变9的信息后，将按照 一定的控制规律对燃料油qB产生控制作用。两个通道作用叠加的结果将使9 尽快回到给定值。在系统出现其他扰动时，如进料的温度、燃料油压力等变 化时，由于这些信息未被引入前馈补偿器，故只能依靠反馈调节器产生的控 制作用克服它们对被控温度的影响。2.2控制系统的硬件选型2.2.1 PLC的发展及特点可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础， 综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种 新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于PLC采用了 “三机一体化一“的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控 制于一身，具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便 和低成本等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市 场的要求：再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从 早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控制和过 程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱阻。目前， PLC在小型化、 大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。早期的可编程序控制器，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技 术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器与这些技术相融 合，在工业生产中得到了广泛的应用。1969年，美国数字设备公司(DEC)研 制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规 模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于 PLC，使得PLC 的功能大大增强，硬件和软件方面都有了很大的进步。 进入80年代中、后期， 由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌， 使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。 随着电子技术和计算机技术的 发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点：可靠性高、具有丰富的 10接口模块、采用模块化结构、编程简单易学、安装简单，维修方便。2.2.2 PLC的内部结构PLC机硬件主要由中央处理单元(CPU)、存贮器、输入 输出单元以及编 程器、电源和智能输入输出单元等构成。PLC可分为以下几个部分：(1) 中央处理单元(CPU):中央处理单元是可编程控制的核心部件，它通 过输入装置将外设的状态读入并按照用户程序去处理，根据处理结果通过输 出装置去控制外设。中央处理器的功能是：CPU按系统程序所赋予的功能，、接收并存贮从编程器输入的用户程序和数据；CPU按扫描方式工作，从存贮器中逐条读取指令，并存入CPU内的指令寄存器中；指令寄存器的指令操作 码进行译码，执行指令规定的任务，产生相应的控制信号，启闭有关控制门 电路，并根据运算结果更新有关标志和输出映像寄存器的内容，以实现输出 控制、制表、打印或数据通讯；行系统诊断程序，诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。(2) 存贮器：可编程控制器中存贮器主要用于存放系统程序、用户程序和数据。系统存贮器用以存贮制造厂家编写的系统程序。用户存贮器主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序是指使用户根 据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。此程序由使用者通过编 程器输入到PLC机的CMOS RAM存贮器中，以便于用户随时修改。也可将 用户程序存放在EEPROM中。为确保PLC机控制系统的可靠性，CMOS RAM 存贮器有预防电源掉电故障的铿电池保护措施，以防电源掉电后破坏它的存 贮内容。数据存贮器用来存放 PLC的数据。(3) 输入输出模块：输入输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口。现场的输入信号，如压力、流量、温度、电压、电流等，都要通过输入模块送到 PLC。由于这些信号电平各式各样，而可编程 控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转 换成PLC能够接受和处理的数字信号。输出模块的作用是接收中央处理器处 理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接受的控制信号，以驱动 如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。可编程控制器有多种输入输出模块， 其类型有数字量输入 输出模块和模拟量输入 输出模块。模拟量输入 输出模 块主要用来实现模拟量一数字量之间的转换，即AD或DA转换。由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些 模拟量必须通过模拟量输入输出模块与PLC的中央处理器连接。模拟量输 入模块AD转换后的二进制数字量，与PLC的10总线连接。模拟量输出模 块DA转换前的二进制数字量。现在标准量程的模拟电压主要是0-5伏和0-10 伏两种，模拟电流主要是 0-20mA和4-20mA两种。模拟量输入模块接收到 标准量程的模拟电压或电流后，把它转换成 8位、10位或12位的二制数字 信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理器的二进制数 字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。(4) 扩展模块：当一个PLC中心单元的IO点数不够用时，就要对系统进 行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。(5) 编程器：它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编 程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。显示一般用液晶显示器，主要的 显示内容包括地址、数据、工作方式、指令执行情况及系统工作状态等。键 盘有单功能键和双功能键，在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键， 以选择其中一种方式工作。PLC的软件可分为系统软件和用户程序两大部分：(1) 系统软件：它又包括基本控制单元软件和编程软件两部分。另外，一些特殊功能模块也带有自己的操作系统软件。通常，一个PLC机架只能容纳一定数量的模块插件，这种包含主机模块和部分10模块的机架称为基本控制单元。基本控制单元软件主要功能为：进循环解释运行用户程序；集中进 行输入信号的扫描和输出控制的更新编程器软件用来支持用户程序的输入， 也可以用来监控用户程序的执行过程。当用户程序己装入PLC的存储器，编程器就可以被分离，基本控制单元将自动进入执行用户程序状态。(2) 用户程序：这是用户应用PLC进行控制所需要编制的程序。目前，在 PLC中普遍使用梯形图编程方法。2.2.3西门子公司的S7系列PLC德国的西门子公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的 SIMATICPLC在欧洲处于领先地位。1996年西门子推出了 S7系列产品，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产品得性能和使用范围各不相同，但具有以下共同特点。(1) CPUS片已经升级到Intel80486，甚至采用Pentium处理器。(2) 采用模块化设计，能按搭积木舱室进行系统配置，功能扩展灵活方 便。(3) 有极快的处理速度，如S7-200和S7-300的扫描速度为0.37微秒/ 指令，S7-400的处理速度达到18ns。(4) 有很强的网络功能，可用多个PLC连接成工业网络，构成完整的过 程控制系统，既可实现总线联网，也可实现点对点通信。(5) 允许使用相关的程序软件及工业通信网络软件，编制工具更开放， 人机界面十分友好。S7-300/400 PLC是通用可编程控制器，它广泛地应用于自动化领域，涉 及各个行业，可用于组件集中式或分布式结构的测控系统，重点在于为生产 制造工程中的系统解决方案提供一个通用的自动化平台，性能优良，运行可 靠。S7-300/400 PLC主要模块有中央处理单元(CPU)模块、信号(SM)模块、 通信(CP)模块、功能(FM)模块；辅助模块有电源(PS)模块、接口(IM)模块。 每一个类模块都有各种不同的型号可以选择。 CPU模块是PLC的核心，负责 存储并执行用户程序，存取其他模块的数据，一般还具有某种类型的通信功能。信号模块用来传送数字量及模拟量信号。通信模块可提供PROFIBUS以太网等通信连接形式。功能模块有高速计数模块、温度和压力闭环控制模块。2.2.4 CPU的选型CPU315-2DPT作存储器容量为128KB装载存储器容量为 8MB处理数 据的时间：位指令为0.1 字指令为0.2 整数指令运算时间为2Q,浮 点运算时间为3Q。.定时器个数为256个，计数器个数为256个，位存储器 容量为2KB最大系统可以扩展到32个模块；数字量通道有16384个点，模 拟量通道有1024个点；在功耗方面，CPU315-2DP目对其他的CPU它的功耗 较低，且各方面的技术要求都符合此设计的要求。2.2.5 I/O模块的选型(1)模拟量输入模块的选型模拟量输入模块SM331有两种规格型号。一种是8*12位模块，另一种是 2*12位模块。前者是8通道的输入模块，后者是2通道的输入模块。本系统 采用8通道的输入模块。S7-300模拟量模块的输入范围很宽，它可以直接输 入电压、电流、电阻、热电偶等信号。SM331每两个相邻的输入通道公用一个量程模块，构成一个通道。8*12位模块有8个输入通道，配4个量程模块， 分成4个通道组。量程模块上方有 A、B、C、D4个标记。当量程模块插入模 块时，量程模块的标记与模块的标记一一对应。在没有使用STEP7工具重新初始化模拟量输入模块 SM331时，8*12位 SM331模块默认设定表如下：表量程模块的设疋可选择的测量方式和范围默认设置A电压：v= 1000mV热电阻：150Q ,300 Q ,600 Q ,Pt100,Ni100 热电阻偶：N,E,J,K各型热电偶得各种 测量方法电压 / 1000mVB电压：v= 10V电压/ 10VC电流：-土 20mA（4线变送器）电流（4线）/ 20mAD电流：420mA（2线变送器）电流（4线）/420mA（2）模拟量输出的选型模拟量输出模块SM332也是有多种规格型号，在这里采用有4通道的4*12位SM332,4*12位SM332有 4个通道，每个通道都可以单独编程为电压 输出或电流输出，输出精度12位，模块对CPU背板总线和负载电压都有光电 隔离。2.2.6电源模块的选型PS307是西门子公司为S7-300专配的24V DC电源。PS307系列模块除 输出电流不同外（有2A, 5A, 10A三种），其工作原理和各种参数都一样。在 组建S7 300应用系统时，考虑每块模块的电流耗量和功率损耗是非常必要 的，所有S7 300模块使用的S7 300背板总线提供的总电流不能超过1.2A。 本系统选择PS307 5A电源模块可以满足要求。2.3系统各部分硬件选型系统的控制部分PLC的各模块的选型已在前面阐述，这里不再多做介绍， 下面介绍前馈-反馈控制系统在加热炉系统应用到的其他硬件。2.3.1温度传感器的选择温度是工业生产过程中最常见、最基本得参数之一。任何化学反应和物 理变化都与温度有关。热电偶温度计在工业生产过程中的应用极为广泛，利用金属的热电效应 实现测温功能。它具有测温精度高，在小范围内热电动势与温度基本呈单值、 线性关系、稳定性和浮现性较好，测温范围宽，响应时间较快等特点。热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来实现对 温度的测量的，当测量温度低于150 C的温度时，由于热电偶的热电动势很 小，故常用热电阻测量温度。热电阻温度计最大的特点是性能稳定、测量精 度高、测温范围宽，同事还不需要冷端温度补偿，一般可在 -270900 C范 围内使用。本设计的加热炉设置的温度不超过100 C,选择温度传感器为Pt100热电阻，量程为0100C232 温度变送器的选择要实现温度的自动控制，则需要配用温度变送器。DDZ-m型变送器是一种将被测的各种参数（温度、压力等）变换成统一的标准信号（DC4 20mA或DC5V）的仪表，其输出送显示一边或调节器实现对温度的显示或自动 控制。DDZ型温度变送器有热电偶温度变送器、热电阻温度变送器、直流 毫伏变送器三中品种。DDZ-IH型温度变送器主要特点有；1）采用了线性继承 电路，提高了仪表的可靠性、稳定性及各项技术性能。2）在热电偶和热电阻 温度变送器中采用了线性化电路，使变送器的输出电流或电压信号和被测温 度（输入信号）成线性关系。3）线路中采用了安全火花防爆措施，故可用于 危险场所中的温度测量变松。这里由于温度测量部件选用了热电阻温度计， 所以温度变送器就选择热电阻温度变送器。2.3.3流量计与压力变送器的选择流量是指单位时间内通过管道某一截面的物料数量，即瞬时流量。本设 计中选用比较常用的差压流量计，它是根据节流原理利用流体流经节流装置（如孔板）时所产生的压力差来测量流量的。这里压力变送器，选择差压（压力）变送器，其主要用于测量液体、气体或蒸汽的压力、差压、流量、液位等的过程参量，并将其转换成标准的统 一信号DC4 20mA电流输出，以便实现自动检测和自动控制。2.4软件设计方案2.4.1 STEP 7编程软件的简介STEP 7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准 软件，需要安装、运行在使用 Windows操作系统的计算机上。STEP7支持三 种编程模式：LAD（梯形图）、FBD（功能块图）、STL（语句表）。使用STEP7 V5.3开发开发一个工程，可以分为 6个步骤：建立一个项目、通信设置、硬 件组态和参数设置、程序编写与下载、程序调试与组态通信。一个完整的项目建立好了，用西门子公司提供的仿真软件S7-PLCSIM来代替PLC硬件调试用户程序，利用次仿真软件，不需要连接任何PLC硬件，以后的监控/测试均与在一台真正的S7-PLC中的监控/测试一样，从而提高用 户程序的质量和降低费用。2.4.2系统控制方案的选择根据图3可以得到以下两种控制系统框图，PID为PLC内部的PID模块CONT_C图3.1使用一个PID调节器图3.2 使用两个PID调节器图4的控制系统框图中只利用一个 PID调节器，因此这个PID既是前馈 作用的补偿器，又是反馈作用的调节器，虽然在程序编写上比较简洁，PID需将三个外来数据进行计算才能得出输出结果，会令扰动量不能得到及时的 补偿，使系统出现震荡，使温度不能得到很好的控制。图5中利用两个PID调节器作用于阀门，进行燃料油流量的控制。反馈调节器（PID）为主调节器， 前馈补偿器（P）为副调节器，当qF （扰动）发生变化时，副调节器迅速动 作，改变阀门开度，调节燃料油的流量，温度变化较小；主调节器的任务是 校正温度，使稳态时的温度等于给定值。主调节器的输出信号作为副调节器 的给定值，两者相互独立，相互的影响小。所以本设计中选用如图3.2所示的控制系统框图来编写控制程序。2.4.3加热炉前馈-反馈系统控制流程图加热炉的前馈-反馈控制内，先写好程序之后将程序下载到 PLC中，在监 控画面中对设定值进行设定，同时，温度变送器将炉内温度计检测到的温度 值转换成420mA的电流值，PLC里的模拟量输入模块SM331将电流值转换 成PLC内的数据值，420mA勺电流值对应PLC里的数据量为027648。设 定值与实际值的差值为 PID的输入值，PID调节后得到阀门控制量，控制阀 门的开度，通过模拟量输出模块将数字量转换为模拟量后送到实际的电动阀 门中，阀门再控制燃料油的流量，进一步控制炉内的温度，得到的即是当前温度(实际温度)，这个温度再与设定温度相比较， 继续实现对温度的实时控 制。如图3.3所示：图3.3控制流程图244 PID控制及其控制算法在本设计的温度控制中利用 PLC内部的PID控制模块来实现PID调节。 在连续控制系统中，常采用Proportional(比例)、Integral( 积分)、 Derivative(微分)控制方式，称之为PID控制。PID控制是连续控制系统中 技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有以下优点：理论成熟，算法简单, 控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值：r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t):e(t)二 y(t) - r(t)(3-1)图3.4 PID 控制原理框图经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量u(t)，对 被控对象进行控制，故称PID控制器。系统由模拟PID控制器和被控对象组 成，u(t)为PID调节器输出的调节量.PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。在系统输出误差绝对值较大时系统 采取饱和输出工作方式，这样可以减小温度系统的时滞性。同时为了防止系统 过大的超调量，在系统余差的绝对值比较小时采用增大积分系数的办法，从 而可以提高系统的稳态精度。微分控制算法简单，参数调整方便，并且有一定 的控制精度，能感觉出余差的变化趋势。增大微分控制作用可加快系统响应， 使超调减小，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分控制规律对于改善系 统的动态性能指标有显著效果，可以获得比较满意的控制效果。PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差， 再加入微分作用，又能提高系统的稳定性，因此它成为当前最为普遍采用的 控制算法。PID控制规律为：y(t)=Kp e(t)-丄 e(t)dt Td(3-2)_ Tidt式中：Kp为比例系数；Ti积分时间常数；Td为微分时间常数由于式(3-2)为模拟量表达式，而PLC程序只能处理离散数字量，为此，必须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分(3-3)方程。令(3-4)(3-5)(3-6)u(t) : u(kT) e(t) :- e(kT )tne(t)dt ： Ti e(jT )oj de(t)e(kT ) -e (k -1)T 1fcdtT则可得到位置式数字PID算法ku(k)二 Kpe(k) Ki e( j) Kd b(k) e(k 1)1( 3-7)j =0使用位置式PID数字控制器会造成PID运算的积分积累,引起系统超 调,这在生产过程中是不允许的。由此，经过转换得到增量式算法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控制算法是对偏差增量进行处理，然后输出控制量的增量， 即执行机构位置的增量。增量式PID数字控制器不会出现饱和，而且当计算 机出现故障时能保持前一个采样时刻的输出值，保持系统稳定，因此在此系统 中增量式算法被采用作为编程算法来使用。2.5程序的编写对程序进行初始化,使M0.0总是1,从而控制M0.1, M0.1控制PID 的过程变量的的外设输入端 PVPER_ON，当它为1时，可以直接总外设输入过程变 量。如图3.5所示：20广西工学院2011届毕业论文基于PLC的前馈-反馈控制系统的设计:标题；MO, lJO图3.721广西工学院2011届毕业论文基于PLC的前馈-反馈控制系统的设计（2）将温度模拟量即实际锅炉内温度传送到PID0的过程变量PV_PERPID0内用其与给定值SP_INT作比较，此处的模拟量也是经过模拟输入模块 转换后得到的数据量，如图3.6所示：HO. 3%MOVEENENOINOUT*AIO -PV PER图3.6（3）实际的温度比给定值小，则 PLD0.LMN有输出，若实际温度大过给 定值，则PLD0.LMN没有输出，这里主调节器用P、I、D控制规律，将需要调 整的参数在PID块里设置好，其他的值已经在 PID的背景数据块里有默认值 了。如图3.7和图3.8所示：CQiNT_jC_ _ _ COM RSTLMNF 工DO- LMN” _亠 _MAN_ONF 工DO”，MO- 1LMN_rERLM-T_TERI.-IPVFETRONcarF_SELOLMN_LLPTa *r_SKLILIVIJM !H_ _ _I NT HOJLIDLMN II ITiL ONLMJiT_D.亠BO D.SELFVFTW pvTvas CTCLEERanasp hrr sip i wr-PV IN图3.7#广西工学院2011届毕业论文基于PLC的前馈-反馈控制系统的设计地址声明客称类型初始ia实际値0. 0inCOM_RSTBOOLFALSEFALSE0. 1inMAICONBOOLTRUEFALSE0. 2inPTFERONBOOLFALSEFALSE0. 3inP_SELBOOLTRUETRUE0.4mI SELBOOLTRUETRUE0. 6inINT HOLr)BOOLFALSEFALSE0. 6inI ITL OHBOOLFALSEFALSE乩7inD SELBOOLFALSEFALSE2. QinCYCLETIMETftlSTit IS6. 0inSPLINTREALD 000000e+0000 OOOOOOe+OOO16 0inPV.INREALD OOOOOOe+OOO0 OOOOOOe+OOO14. 0inPV PERWORDW#16#0W#16#016. 0mMANREAL0 000000s+0006 OOOOOOe-fc-OOOm 口mGAINREAL2 ODDOOOe+OOO2 ODDOOOe+OOOinTITIMET#20ST#20S?09 口inTDTIMETS1Q3Tit 10532- 0inTM_LAGTIMETff2STff2S36. 0inDEADB_REALD ODQOOOC-+QOOCl ODOOOOe+OOO4 0L 0inLMN_HLREAL1 000000e+0021 000000e+00244. 0inLW LL1REALD OOOOOOe+OOO匸l LlOOOOOe+OOLl48. 0inPV FACREAL1 OOOOOOe+OOO1 00 0000*0052. 0mPV OFFREAL0 OODOOOe-KOOO056. UinLMN F*CREAL1B DDOOOOe+OOO1B DODOOOe+OOO60l inLMN OFFREAL0.DDDOOOe口口口0. OOOOOOe-l-a口口64a inI ITLVALREAL0, DDDQOOe+OOO0,DDOOOOe+QaOes. qinDISVREAL0.QQOQQOe+OOO0.DQDOOQe+OOQ72. 0outLMNREALD OOOOOOe+OOOCL OOOOOOe+OOO76 0outLMN.PERWORDW#16#0!7#16#078. 0outQLMN liLMBOOLP ALSEFALSE78. 1outQLMN_LLMBOOLFALSEFALSEEtL 0outLO PREALD ODDOOOe+OOOCl ODOOOOe+OOO召*A_ - .-i.T 11V TT5TT AT图3.8（4）AI1为进料扰动，即前馈信号传递给副调节器的过程变量PV_PER,实现调节器的串级，主调节器的输出值 LMN乍为副调节器的设定值，两者再 进行比较。如图3.9所示：图3.9（5）若主调节器输出为0，则表示炉内温度刚好达到设定值，此时要 是进料流量有扰动，会使炉内温度降低，副调节器迅速动作，控制燃料油流 量，及时消除进料流量对加热炉温度的影响。这里，副调节器使用比例控制作用，能较快地克服扰动的影响，使系统稳定下来。P值在程序中设定好，P值取负的才能实现这一功能。如图 3.10所示：图 3.10（6）若主调节器的输出不为0，则说明加热炉内温度低于设定值，需 要两个调节器一起动作控制阀门的开度，进而控制燃料油流量，使温度上升,直至达到设定值。如图3.11所示：图 3.11（7）副调节器，如图3.12 :corrr-CZOJH EWJLMNHXU1 . J_NLNMAH ONMO. 1LMMJPERZIPVPKR OTJ= F_3ELGJJ-JWLN JLJLJM. ., I_SELT-WTN P844ILJFTJT： - I_XTX_Ohl SIMATICWinCCWindoWSontrol 6.0 菜单项。在 WinCC工程管理器窗口中选择新建，弹出 WinCC资源管理器，选 择创建新项目类型，选择单用户类型。单击确定输入项目名称，项目选择项 目路径，单击创建则一个新的工程就建立了，当指定了存放文件夹后，项目 管理器在默认情况下为项目创建一个与项目名称相同的文件夹。wince创建新项目存单用户项目愛r容尸就项目. apLib 时血 DlElgJlEiEeJ njorantt ifloYjjghl fflwir. interfaccE rn?riI可师强牒垂舸建 if的litioc底目.c：. iienEtLiuic图4.1 创建新项目对话框3.2建立 Wincc与PLC的通信连接使用WinCC来访问控制系统（PLC的当前过程值，则在WinCC与控制系 统间必须组态一个通信连接。通信将由称作通道的专门的通信驱动程序来控 制。WinCC有针对自动化系统 SIMATIC S7的专用通道。（1）添加一个通信驱动程序，右击浏览窗口中的“变量管理”，在快捷 菜单中选择“添加新的驱动程序”，如下图所示。Win匚匚EMpfurer - E:Protjram Fi!e5SrEMENSWfn匚匸IwEfidulwEfi”.28广西工学院2011届毕业论文基于PLC的前馈-反馈控制系统的设计#广西工学院2011届毕业论文基于PLC的前馈-反馈控制系统的设计图4.2变量管理对话框#广西工学院2011届毕业论文基于PLC的前馈-反馈控制系统的设计(2)在添加新的驱动程序对话框中选择 SIMATICS7 Protocol Suite.chn如下图4.3所示29广西工学院2011届毕业论文基于PLC的前馈-反馈控制系统的设计#广西工学院2011届毕业论文基于PLC的前馈-反馈控制系统的设计宜件(E)貓辑祝图侧工具解常规D 6-fl J-歎 wendu卵计苴机-训喪壘雪理 十刃内部更量SIMAHC 57 PROTOCOL 5UTTE.Industrlai Ethernet：Q Industrie Ethernet (II) m Natned Cornecturis若宇 1*1血廉性电jI单无：服务器列表FO2DElH51il.din1+PROFIBUS图4.3添加驱动程序对话框(3) 单击所添加进来的新的驱动程序前面的“ +”号将显示当前驱动程 序所有可用的通道单元，本系统选用PROFIBUS右击PROFIBUS选择“添加 新的驱动程序连接”菜单项，在随后打开的“连接属性”对话框中输入wendu 作为逻辑连接名，然后点击“属性”按钮，在连接参数设置中将插槽号改为 2,因为在PLC的硬件设计中，CPU安装在机架的第二个插槽，然后点击确定。 如下图4.4所示：IWinECEMpfarer - C:Pragram Files SII#广西工学院2011届毕业论文基于PLC的前馈-反馈控制系统的设计PROFIBD5 (II) PLCSoft PLCTCP/IP+1+A结競量Td皿盘管理怜IM航疋 丸PROTOCOL刘II【图 4.4a连盤参徹 PkOFIULIST祠踣地址站地址（S）:|2段 U（I）：|0机架号侃）：|o插憎号（I）:|2r发送/摇收原端数据块遣）连接资诱 ；02确定 恥漕 |解助 |图4.4b 与PLC的通信连接（4）确定好在WinCC监控画面中要用到的变量，然后在S7-300PLC的主 界面“ SIMATICManagef中点击前面的“ +”号，找到S7程序，在右边窗口 可以看到“符号”，双击“符号”，找到变量地址，这里主要是模拟量通道 的地址，炉内实际温度 AI0以及进料扰动AI1的地址，以及PID的地址。如W 刚 5IIWIIC 300 站点E 圏| gir 3i乎 iffS7 毘肩哥号” HhSIMAIIC 300 SftXCPU 315-2AidPIW256M1RDAllFIWKiRDA00PCTVOT捷动贾蘭偎信引阀门开虞图4.5所示:30广西工学院2011届毕业论文基于PLC的前馈-反馈控制系统的设计#广西工学院2011届毕业论文基于PLC的前馈-反馈控制系统的设计FB 4主训节需CONT.CFB4L FB 41 |Catitinuou- ControlFIDOPID I图4.5（5）WinCC中对PID的控制参数进行整定，使阀门的输入值达到稳定状 态，从而使燃料油流量稳定增加，进一步使温度稳定增加。在此过程中要进 行手动、自动的切换，这些变量都在PID的数据块里都有固定的地址，只需找到相应的地址，在WinCC的过程变量里与此变量在S7的地址相对应就可以 实现变量在S7与WinCC之间的传递。如图4.6所示的PID内各变量的地址:锚紂！NJEfCnieuoIllttOinW5T勒LFALSEFALSE1切anWO.OOONMnt0她询】0.LmlAH.OfKOIWUE