畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）串級(jí)控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控在溫度中的應(yīng)用

1、串級(jí)控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控在溫度中的應(yīng)用浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 魏彥虎摘要本文采用串級(jí)控制對(duì)鍋爐溫度進(jìn)行控制，運(yùn)用可編程控制器s7-300plc進(jìn)行編制控制程序，通過(guò)mcgs組態(tài)作為上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)調(diào)節(jié)pid的參數(shù)，對(duì)溫度的精度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)試該設(shè)計(jì)的溫度控制精度能保證在1以內(nèi)，而且可操作性得以提高，如設(shè)定值不適合鍋爐的溫度要求，則可隨時(shí)修改，非常方便。關(guān)鍵詞：鍋爐；水溫；串級(jí)控制；pid;可編程控制器s7-300cascade control and remote monitoring in temperature applications abstractthis paper adopts

2、 cascade control for boiler temperature control, using the programmable controller compiled with s7 - mill control procedures, through the mcgs as pc for remote monitoring. by regulating the pid parameters, the accuracy of temperature adjustment, through the commissioning of the design temperature c

3、ontrol precision can ensure 1, and within the maneuverability can be improved, such as setting is not suitable for the boiler temperature requirements, can be modified at any time, very convenient.keywords: boiler; water temperature; cascade control; pid; programmable controller s7-300 目錄摘要1目錄2引言3第一

4、章 鍋爐夾套和鍋爐內(nèi)膽串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)41.1串級(jí)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)41.1.1根據(jù)鍋爐的工藝流程與控制要求：41.1.2 溫度串級(jí)控制系統(tǒng)主、副回路的設(shè)計(jì)41.2 系統(tǒng)硬件組態(tài)及實(shí)現(xiàn)51.2.1 plc硬件組態(tài)51.2.2 mcgs與plc的連接61.2.3 系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)6第二章 串級(jí)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)92.1 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)92.1.1 工程的框架92.1.2 數(shù)據(jù)對(duì)象92.1.3 圖形制作，92.1.4 曲線顯示的設(shè)置102.2 plc中pid控制器的實(shí)現(xiàn)112.2.1 pid控制器的組成原理112.2.2 pid控制功能塊的算法原理112.2.3 pid控制功能塊fb41及主要功能參數(shù)11

5、2.3 輸入輸出變量的量程轉(zhuǎn)換132.4 控制算法的選擇14第三章 程序的編制163.1 串級(jí)控制pid程序編寫163.1.1 上位機(jī)與300plc數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化163.1.2 控制程序編寫18第四章 系統(tǒng)的調(diào)試及結(jié)論25設(shè)計(jì)總結(jié)27參考文獻(xiàn)28致 謝29 引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鍋爐的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，鍋爐生產(chǎn)從它的雛型：蒸汽機(jī)到現(xiàn)在格式各樣的鍋爐，它的發(fā)展見證了工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r。它包括鍋和爐兩大部分，鍋爐中產(chǎn)生的熱水或蒸汽可直接為生產(chǎn)提供所需要的熱能。提供熱水的鍋爐稱為熱水鍋爐，主要用于生活，工業(yè)生產(chǎn)中也有少量應(yīng)用。鍋爐承受高溫、高壓，其安全問(wèn)題十分重要。即使小型鍋爐，一旦發(fā)生爆炸，后果也十分嚴(yán)重

6、。因此，對(duì)鍋爐的材料選用、設(shè)計(jì)計(jì)算、制造和檢驗(yàn)等都有制訂有嚴(yán)格的法規(guī)。而溫度也是其中一個(gè)重要的影響因素，也是鍋爐起到其作用的必要因素。該設(shè)計(jì)的鍋爐為熱水鍋爐，采用加熱裝置為三相電加熱管，能源為電能。實(shí)現(xiàn)溫度控制的目的方式有很多種，以往我們常常采用單片機(jī)和傳統(tǒng)的智能儀表搭建控制系統(tǒng)，所采用的控制方式雖然能夠達(dá)到一定的控制要求，但其精度不高，不能滿足精度要求高的場(chǎng)合，而我們采用單片機(jī)控制因其單片機(jī)自身的構(gòu)造和抗干擾能力差等因素也有其自身致命的弱點(diǎn)：系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高，單片機(jī)系統(tǒng)在其運(yùn)行中一旦出故障，對(duì)控制對(duì)象就失去了控制能力，如果長(zhǎng)時(shí)間丟失對(duì)控制對(duì)象的控制很可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的安全事故。plc是一種專門

7、從事邏輯控制的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于plc具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)配置靈活等特點(diǎn)。因此在工業(yè)控制方面得到了廣泛的應(yīng)用。自80年代后期plc引入自動(dòng)化行業(yè)中，由plc組成的鍋爐控制系統(tǒng)被許多鍋爐制造廠普遍采用。并形成了一系列的定型產(chǎn)品。在傳統(tǒng)繼電器系統(tǒng)的改造工程中，plc系統(tǒng)一直是主流控制系統(tǒng)。采用其搭建的控制系統(tǒng)，其穩(wěn)定性得到了大大的提高，解決了控制環(huán)境惡劣、控制精度高等問(wèn)題。所以該設(shè)計(jì)采用西門子300plc搭建鍋爐水溫控制監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。在工程

8、實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。pid控制，實(shí)際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。因此，針對(duì)鍋爐的水溫為非線性控制量，所以采用pid控制方法進(jìn)行控制，從而達(dá)到我們的水溫控制要求。在采用pid控制方法進(jìn)行對(duì)水溫控制同時(shí)，我們通常

9、采用的是單回路的pid控制方式，雖然解決了工藝生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中大量的參數(shù)定值問(wèn)題，但是，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，工藝操作條件的要求更加嚴(yán)格，對(duì)安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性及對(duì)控制質(zhì)量的要求也更高。單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求，在這樣的情況下，采用串級(jí)控制系統(tǒng)是必要的。本設(shè)計(jì)采用的是串級(jí)控制系統(tǒng)。為的就是使我們的控制精度和控制品質(zhì)得到提高，所以我們采用的控制方式鍋爐的內(nèi)膽水溫和夾套水溫組成的串級(jí)調(diào)節(jié)監(jiān)控系統(tǒng)。第一章 鍋爐夾套和鍋爐內(nèi)膽串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1串級(jí)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.1.1根據(jù)鍋爐的工藝流程與控制要求：（1）可以對(duì)整個(gè)鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行控制。（2）能夠自動(dòng)控制鍋爐溫度，并達(dá)到所需精度。

10、（3）有很好的人機(jī)界面，能方便地在線修改參數(shù)。根據(jù)要求做出串級(jí)控制系統(tǒng)，以西門子300plc微型可編程控制器為核心設(shè)計(jì)的溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理框圖，如圖1-1所示。圖1-1 串級(jí)控制系統(tǒng)原理圖1.1.2 溫度串級(jí)控制系統(tǒng)主、副回路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)有2個(gè)調(diào)節(jié)器和2個(gè)閉合回路和2個(gè)執(zhí)行對(duì)象，2個(gè)調(diào)節(jié)器分別設(shè)置在主、副回路中，設(shè)在主回路的調(diào)節(jié)器為主調(diào)節(jié)器，設(shè)在副回路的調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器。兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)連接，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副回路的給定量，主、副調(diào)節(jié)器的輸出分別去控制兩個(gè)執(zhí)行原件。主對(duì)象的輸出為系統(tǒng)的被控制量鍋爐夾套溫度，副對(duì)象的輸出是一個(gè)輔助控制變量。主調(diào)節(jié)器按主參數(shù)（夾套溫度）的測(cè)量值與給定值的

11、偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器，器輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值。選用pid或pi控制規(guī)律，由西門子plc300可編程控制器實(shí)現(xiàn)。副調(diào)節(jié)器按福參數(shù)（內(nèi)膽溫度）的測(cè)量值與主調(diào)節(jié)器輸出的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。副調(diào)節(jié)器選p控制規(guī)律，也有西門子plc300可編程控制器實(shí)現(xiàn)。串級(jí)控制系統(tǒng)主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。對(duì)于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)，基本上可以按照單回路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。凡直接或間接與生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行性能密切相關(guān)并可直接測(cè)量的工藝參數(shù)均可選擇做主參數(shù)。若條件許可，可以選用質(zhì)量指標(biāo)作為主參數(shù)，因?yàn)樗钪苯右沧钣行?。否則應(yīng)選用一個(gè)與生產(chǎn)質(zhì)量有單值函數(shù)關(guān)系的參數(shù)作為主參數(shù)。另外，對(duì)于選用主參數(shù)

12、必須具有足夠的靈敏度，并符合工藝過(guò)程的合理性。該系統(tǒng)中選擇鍋爐夾套溫度為主參數(shù)。副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，控制通道短，這樣可使等效過(guò)程的時(shí)間常數(shù)大大減小，從而加快需要的工作頻率，提高響應(yīng)速度，縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。為了能夠充分發(fā)揮副回路的超前、快速作用，在擾動(dòng)影響主參數(shù)之前就加以克服，必須設(shè)法選擇一個(gè)可測(cè)的、反映靈敏的參數(shù)作為副參數(shù)。該串級(jí)控制系統(tǒng)用控制鍋爐夾套的溫度，儀鍋爐內(nèi)膽溫度為副對(duì)象，鍋爐內(nèi)膽直接接觸三相4.5kw電加熱管，時(shí)間常數(shù)小，符合副回路選擇超前、快速、反應(yīng)靈敏等要求。1.2 系統(tǒng)硬件組態(tài)及實(shí)現(xiàn)1.2.1 plc硬件組態(tài)在使用300plc時(shí)，必須要對(duì)所

13、需要的模塊進(jìn)行硬件組態(tài)，由于在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中對(duì)300plc的模塊也就是常用模塊，在做該設(shè)計(jì)時(shí)，按照現(xiàn)有模塊進(jìn)行組態(tài)。在進(jìn)行通訊時(shí)選用pg/pc接口為cp5611(mpi) 。硬件組態(tài)cup313c2dp和cp3431選型和im153-1擴(kuò)展機(jī)架模塊和所在機(jī)架的模塊ai模塊sm331、ao模塊sm332、di/do模塊sm323的選型如下表1-1表1-1 硬件模塊的選型插槽模塊訂貨號(hào)i地址q地址1cpu 313-2 dp(1)6es1 313-6ce01-2ab0dp1023*di16/do16124.125124.125計(jì)數(shù)768.783768.7832cp 343-16gk7 343-1ex2

14、0-0xe0272.287272.287im 153-11im 153-16es7 153-1aa03-0xb01021*2ai8x12bit6es7 331-7kf02-2ab0256.2713ao4x12bit6es7 332-5hd01-2ab0256.2634di8/do8xdc24v/0.5a6es1 323-1bh01-2aa000由于是串級(jí)控制，要采集夾套跟內(nèi)膽的溫度，要從兩個(gè)pt100輸出測(cè)量溫度，在送往cpu時(shí)要將兩路的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入，ai模塊sm331具有8個(gè)通道可以將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送給cpu。在本設(shè)計(jì)中選用了2-3、4-5通道作為模擬量輸入，2-3通道作為夾套

15、溫度的輸入通道，4-5通道作為內(nèi)膽溫度的輸入，設(shè)置如圖1-2所示。將兩路pt100信號(hào)采用電流變送器送給ai模塊sm331的兩個(gè)通道，其余通道取消激活。sm331模擬量輸入模塊的輸入信號(hào)類型用量程卡來(lái)設(shè)置。量程卡安裝在模擬量輸入模塊的側(cè)面，每?jī)蓚€(gè)通道為一組，共用一個(gè)量程卡，量程卡插入模塊后，如果量程卡上的標(biāo)記與輸入模塊上的標(biāo)記相對(duì)，則量程卡被設(shè)置在該位置。模擬量輸入模塊6es7 331-7kf02-0ab0，量程卡的b對(duì)應(yīng)于電壓輸入；c位置對(duì)應(yīng)于4線制變送器電流輸入（4dmu）;d位置對(duì)應(yīng)于2線制變送器電流輸入（2dmu），測(cè)量范圍只有420ma。溫度測(cè)量和電阻測(cè)量對(duì)應(yīng)于a位置，由于本設(shè)計(jì)用了

16、2線制變送器電流變送器，則2-3、4-5通道的量程卡要設(shè)置到d位置。圖1-2 sm331模塊的設(shè)置要對(duì)鍋爐內(nèi)膽的溫度進(jìn)行控制，就是通過(guò)改變加熱器兩端的溫度來(lái)進(jìn)行控制內(nèi)膽溫度，三相電給加熱器供電，那么通過(guò)改變?nèi)嚯姷南辔粊?lái)改變電壓大小，從而改變加熱絲的溫度，改變內(nèi)膽的溫度。通過(guò)送給晶閘管的電流信號(hào)的變化來(lái)改變相位大小，改變加熱的溫度，ao模塊將負(fù)責(zé)把通過(guò)cpu計(jì)算的數(shù)字量變換為 420ma的電流信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)晶閘管，從而改變輸出的溫度。對(duì)ao模塊sm332設(shè)置為第一通道的電流信號(hào)輸出。1.2.2 mcgs與plc的連接 在mcgs中的設(shè)備窗口下添加設(shè)備0為s7-mpi父設(shè)備，在該父設(shè)備下添加西門子s

17、7-300mpi子設(shè)備，在設(shè)置設(shè)備內(nèi)部屬性中添加輸入輸出點(diǎn)，在通道連接處將相應(yīng)的通道與mcgs中的定義數(shù)據(jù)連接。1.2.3 系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)鍋爐水溫的串級(jí)控制系統(tǒng)的工藝過(guò)程為：首先傳感器將加熱爐的內(nèi)膽和夾套的溫度送給電流變送器轉(zhuǎn)化為420ma的電流信號(hào),通過(guò)sm331 ai（如圖1-3）模塊轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的數(shù)字量，然后將主回路給定溫度值與夾套的反饋溫度值之間的偏差值進(jìn)行處理，處理后將處理過(guò)的值送給副回路成為副回路給定值與反饋內(nèi)膽溫度值之間的偏差值，送給sm332ao模塊（如圖1-4）將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行器可識(shí)別的模擬信號(hào)，控制晶閘管，這樣通過(guò)輸出我們控制了加熱爐電阻絲兩端的電壓，加熱爐溫度控制得到

18、實(shí)現(xiàn)。其中主回路為加熱爐溫度控制系統(tǒng)的核心部分，起重要作用。設(shè)計(jì)中采用sm331ai輸入模塊、sm332ao輸出模塊和pid計(jì)算技術(shù)，鍋爐加熱過(guò)程控制裝置通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)膽，夾套溫度等運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)控制器及調(diào)節(jié)器，改變加熱爐電阻絲兩端的電壓，使夾套的溫度控制在預(yù)定范圍內(nèi)，保證保持水溫的恒定。鍋爐串級(jí)控制裝置，能對(duì)鍋爐進(jìn)行過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等多項(xiàng)功能，保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。采用鉑電阻、電流變送器進(jìn)行溫度采集、變送，以pt100型鉑電阻測(cè)量電路完成溫度的測(cè)量，以及其配套的a/d轉(zhuǎn)換模塊sm331為核心完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)程序，通過(guò)讀、寫內(nèi)存單元的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)溫度的串

19、級(jí)控制。硬件外圍連接如圖1-5圖 1-3 sm331ai模塊電流輸入接線圖圖 1-4 sm332ao模塊電流輸出接線圖圖 1-5 硬件外圍接線圖第二章 串級(jí)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)溫度串級(jí)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，組態(tài)軟件設(shè)計(jì)和pid控制器軟件設(shè)計(jì)。2.1 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)在開始組態(tài)工程時(shí)，必須首先對(duì)整個(gè)該做的工程要有一個(gè)系統(tǒng)的了解，對(duì)工程的每一個(gè)部件要加以分析，以便能夠把整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)很好的掌握，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的流程、系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能以及要有哪些必備的條件，這些功能才能很好的實(shí)現(xiàn)。2.1.1 工程的框架（1）三個(gè)用戶窗口：溫度串級(jí)控制、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線。（2）三個(gè)主菜單：系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)顯示、歷

20、史數(shù)據(jù)。2.1.2 數(shù)據(jù)對(duì)象鍋爐夾套溫度sv1、鍋爐夾套溫度pv1、鍋爐內(nèi)膽溫度sv2；鍋爐內(nèi)膽溫度pv2；輸出值op2、比例系數(shù)p1、積分時(shí)間i1、微分時(shí)間d1、比例系數(shù)p2、積分時(shí)間i2、微分時(shí)間d2。2.1.3 圖形制作，制作圖如圖2-1所示圖2-1 組態(tài)流程圖溫度串級(jí)控制窗口包括：（1）水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力表、閥、流量計(jì)、鍋爐、水罐、等由對(duì)象原件庫(kù)引入并設(shè)置。（2）管道。通過(guò)流動(dòng)塊構(gòu)建實(shí)現(xiàn)。（3）溫度的顯示。通過(guò)監(jiān)控畫面數(shù)據(jù)顯示圖來(lái)顯示。2.1.4 曲線顯示的設(shè)置（1）實(shí)時(shí)曲線如圖2-2實(shí)時(shí)曲線構(gòu)建是曲線顯示一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象數(shù)值的動(dòng)畫圖形如同記錄儀一樣實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)對(duì)象值的變化情況。

21、在“工具箱”中“實(shí)時(shí)曲線”圖標(biāo)中調(diào)出并設(shè)置。（2）歷史曲線歷史曲線構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的曲線瀏覽功能。歷史曲線主要用于事后查看數(shù)據(jù)和狀態(tài)變化趨勢(shì)和總結(jié)規(guī)律。在在“工具箱”中“歷史曲線”圖標(biāo)中調(diào)出并設(shè)置。2.2 plc中pid控制器的實(shí)現(xiàn)2.2.1 pid控制器的組成原理以plc作為控制器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2-2所示，圖中的虛線部分由plc來(lái)實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)元件將被控量實(shí)際值pv測(cè)量值轉(zhuǎn)換為1v5v電壓型號(hào)或4ma20 ma的電流信號(hào)，該模擬信號(hào)接至plc的ai模塊，進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，根據(jù)用戶編制的pid控制程序，將測(cè)量值與給定值sp比較，通過(guò)二者的偏差e進(jìn)行pid算法的運(yùn)算得到輸出操作信號(hào)u,經(jīng)p

22、lc的ao模塊進(jìn)行d/a轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)（1v5v電壓型號(hào)或4ma20 ma）用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被空對(duì)象的控制。圖 2-2 plc串級(jí)控制閉環(huán)系統(tǒng)2.2.2 pid控制功能塊的算法原理s7-300plc的編程組態(tài)軟件setp7提供了一個(gè)pid控制軟件包，軟件包包括3個(gè)功能塊：fb41“cont_c”實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制、fb42“cont_s”實(shí)現(xiàn)步進(jìn)控制、fb43“pulsegen”用于脈寬調(diào)制生成脈沖。因?yàn)橐獪y(cè)量溫度所以用到連續(xù)控制，將討論fb41程序塊所提供的算法功能。功能塊fb41提供了一種位置式pid算法，pid控制器輸出與輸入關(guān)系式為： （1）式中：比例系數(shù)；積分時(shí)間常數(shù)；微分

23、時(shí)間常數(shù)（1）式中的右邊前3項(xiàng)分別是比例作用、積分作用和微分作用分量，它們分別于偏差、偏差的積分和微分成正比。根據(jù)所采用的作用不同，也可以組成p、pi或pd控制器。設(shè)采用周期為t,將（1）式離散化，第k次采樣時(shí)控制器的輸出為： （2）式（2）為離散化的pid位置式控制算法表達(dá)式，功能塊fb41就是實(shí)現(xiàn)了該式所表示的pid算法。2.2.3 pid控制功能塊fb41及主要功能參數(shù)功能塊fb41的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，設(shè)定值sp_int和過(guò)程值pv_int比較得到偏差，比例、積分和微分三部分作用并聯(lián)，可以通過(guò)使能開關(guān)p_sel、i_sel、d_sel單獨(dú)激活或取消相應(yīng)作用。圖2-4中g(shù)ain為比例增益

24、，ti和td分別為積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。引入擾動(dòng)量desv還可以實(shí)現(xiàn)前饋?zhàn)饔?。開關(guān)量參數(shù)man_on還可以提供手動(dòng)模式和自動(dòng)模式的選擇。在手動(dòng)模式（man_on為1）中控制器的輸出為手動(dòng)給定值。表2給出了fb41的主要參數(shù)說(shuō)明。圖2-4 pid控制功能塊fb41的結(jié)構(gòu)框圖表2 fb41主要參數(shù)說(shuō)明參數(shù)類型參數(shù)名稱數(shù)據(jù)類型說(shuō)明缺省值輸入man_onbool手動(dòng)開關(guān)，為1時(shí)手動(dòng)之設(shè)定操作值turep_selbool比例(p)作用使能開關(guān)turei_selbool積分(i)作用使能開關(guān)tured_selbool微分(d)作用使能開關(guān)falsecycletime采用時(shí)間，取值范圍=1mst#1s

25、sp_intreal內(nèi)部設(shè)定值0.0sp_intreal過(guò)程變量輸入0.0manreal手動(dòng)值0.0cainreal比例增益2.0titime積分時(shí)間t#20stdtime微分時(shí)間t#10slan_hlmreal控制輸出操作值上限100.0lmn_limreal控制輸出操作值下限0.0輸出lmnreal控制器輸出操作值0.02.3 輸入輸出變量的量程轉(zhuǎn)換pid控制有兩個(gè)輸入量:給定值(sp)和過(guò)程值(pv)。在調(diào)用pid功能塊時(shí)，給定值（sp_int）通過(guò)所指定的地址由內(nèi)部給定。過(guò)程值（pv_int）是被控量的實(shí)際值，要得到過(guò)程實(shí)際值，首先應(yīng)從外圍設(shè)備（ai模塊）讀取a/d轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量（范圍

26、為027648或-2764827648），然后將其進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換為過(guò)程值（實(shí)數(shù)）。同樣，對(duì)于pid功能塊的輸出操作值（實(shí)數(shù)）也需要先進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再講其送到ao模塊。1、輸入過(guò)程值量程轉(zhuǎn)換輸入過(guò)程值量程轉(zhuǎn)換可以有s7300所提供的功能程序塊fc1205“scale”實(shí)現(xiàn)，用來(lái)處理模擬量。如圖2-5所示。圖2-5 輸入量程轉(zhuǎn)換功能程序塊fc105“scale”scale功能塊接受一個(gè)整形（in），并將其轉(zhuǎn)換為宜工程單位表示的介于下限和上限之間的實(shí)型值。scale功能使用式（3）計(jì)算工程實(shí)際值并寫入out。 （3）式中，常數(shù)k1和k2根據(jù)輸入值的極性bipolar設(shè)置。單極性時(shí)，k1=0.0

27、，k2=+27648.0;雙極性時(shí)，k1=-27648.0，k2=+27648.0。2、輸出操作值量程轉(zhuǎn)換輸出操作值量程轉(zhuǎn)換可以有s7300所提供的功能程序塊fc1206“unscale”實(shí)現(xiàn)，用來(lái)處理數(shù)字量。如圖2-6所示。圖2-6 輸出量程轉(zhuǎn)換功能程序塊fc106“unscale”unscale功能接受一個(gè)以工程單位表示，且定于下限和上限之間的實(shí)型輸入值，并將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)整型值數(shù)字量。unscale功能使用式（4）計(jì)算數(shù)字量并寫入out。 (4).式中，常數(shù)k1和k2的設(shè)置通fc105。2.4 控制算法的選擇在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱pid控制。

28、它以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確地?cái)?shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效地測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用pid控制技術(shù)。pid控制，實(shí)際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例（p）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分（i）控

29、制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，至到等于零。因此，比例+積分（pi）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。微分（d）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)震蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存

30、在較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，器變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅度，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差的變化趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分（pd）控制器能夠改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。由于設(shè)計(jì)的是一個(gè)串級(jí)控制，系統(tǒng)中用兩個(gè)控制環(huán)路分別控制兩個(gè)被控參數(shù)，在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副

31、調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇控制規(guī)律的出發(fā)點(diǎn)。主參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍比較小，一般要求無(wú)余差，因此，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選pi或pid控制規(guī)律。副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選p控制規(guī)律就可以了，一般不引入積分控制規(guī)律若采用積分規(guī)律，會(huì)延長(zhǎng)控制過(guò)程，減弱副回路的快速作用，也不引入微分控制規(guī)律因?yàn)楦被芈繁旧砥鹬焖僮饔?，再引入微分?guī)律會(huì)使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作過(guò)大，對(duì)控制不利。綜上所述，本設(shè)計(jì)中，副回路采用p控制，主回路采用pi控制。第三章 程序的編制3.1 串級(jí)控制pid程序編寫3.1

32、.1 上位機(jī)與300plc數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化在要實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度的串級(jí)控制時(shí)，要求有上位機(jī)的監(jiān)控，在本設(shè)計(jì)中采用mcgs組態(tài)做監(jiān)控畫面，在整個(gè)過(guò)程中mcgs中的數(shù)據(jù)要與plc中的數(shù)據(jù)有交換，那么在此過(guò)程中數(shù)據(jù)類型是數(shù)據(jù)是否轉(zhuǎn)換成功的重點(diǎn)，因?yàn)閙cgs只是一個(gè)監(jiān)控軟件，不是西門子公司專有的監(jiān)控軟件，那么要讓它們之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換就必須有數(shù)據(jù)的換算與轉(zhuǎn)換，在mcgs中的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)32位的二進(jìn)制，通過(guò)共享數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)塊db、dbd數(shù)據(jù)雙字進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，然而在plc中除了積分為time型可以與mcgs直接的數(shù)據(jù)交換其他的數(shù)據(jù)都不能直接與plc進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，要達(dá)到交換，那么必須使兩個(gè)軟件所需要的數(shù)據(jù)類型相同，在3

33、00plc中所需要的類型為real型，那么就要把二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為real型，通過(guò)存儲(chǔ)器雙字md進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。在程序中因?yàn)槭且獢?shù)據(jù)交換的，所以在寫入，讀出時(shí)都必須使數(shù)據(jù)類型相符。在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，將上位機(jī)也就是mcgs中的數(shù)據(jù)寫入到plc中的cpu，那么就是要把32位的二進(jìn)制轉(zhuǎn)化為real浮點(diǎn)數(shù)型，編制lad梯形圖，如圖3-1。在讀出數(shù)據(jù)時(shí)，將plc的數(shù)據(jù)送給mcgs組態(tài)顯示在上位機(jī)，以便方便觀察，是將從plc輸出的real浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)化為32為的二進(jìn)制，就會(huì)得到就是編制lad梯形圖，如圖3-2。由于在用db41.dbd數(shù)據(jù)存貯器時(shí)，不能將小數(shù)傳送，但是為了達(dá)到我們的需要，在程序送往mcgs時(shí)，將plc中

34、的數(shù)據(jù)乘以一個(gè)100（按照小數(shù)的位數(shù)設(shè)定）那么我們就將我們需要的兩位小數(shù)保留了下來(lái)，當(dāng)數(shù)據(jù)送給mcgs之后，我們?cè)趯cgs中對(duì)應(yīng)該通道的數(shù)據(jù)除以100，這樣就會(huì)把我們需要的數(shù)據(jù)保留下來(lái)，下面程序mul_r指令就是為了實(shí)現(xiàn)該功能設(shè)定的。在輸入時(shí)，我們?cè)谏衔粰C(jī)輸入小數(shù)，那么我們就將該通道的值乘以需要的小數(shù)位數(shù)，在程序中我們用div_r模塊做除法，除以在mcgs中乘的數(shù)，就會(huì)得到需要的上位機(jī)的給定值。圖 3-1 數(shù)據(jù)的寫入轉(zhuǎn)化圖 3-2 數(shù)據(jù)的讀出轉(zhuǎn)化3.1.2 控制程序編寫在整個(gè)控制程序的編制中包括符號(hào)表的定義表3-1、mcgs中通道的定義及對(duì)應(yīng)通道數(shù)據(jù)的鏈接如表3-2、主程序（ob1）、循環(huán)程

35、序(ob35)、初始化程序（ob100）。 表3-1 plc符號(hào)表定義符號(hào)地址數(shù)據(jù)類型1cont_cfb41fb2scalefc105fc3unscalefc106fc4比例增益1 md110real5比例增益2 md126real6操作值md130real7單極性m0.4bool8副pt100 md122real9副回路測(cè)量piw264int10積分時(shí)間md114time11開啟比例m0.1bool12開啟積分m0.2bool13設(shè)定值md6real14輸出數(shù)字量pqw256int15主pt100md10real16主回路測(cè)量1 piw260int17主回路輸出值md100real表3-2

36、mcgs通道定義通道號(hào)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)象通道類型1i1寫db41.162p2寫db41.283p1寫db41.324夾套溫度sv1寫db41.485op1讀db41.726夾套溫度pv1讀db41.767op2讀db41.808內(nèi)膽溫度pv1讀db41.84主程序（ob1）鍋爐夾套度跟鍋爐內(nèi)膽的溫度通過(guò)pt100的采集，使用fc105模塊，將采集到的420ma的電流型號(hào)轉(zhuǎn)化為cup需要的數(shù)字量。通過(guò)fc106模塊將cpu中的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量信號(hào)，送給plc模擬量輸出模塊，控制調(diào)節(jié)器的輸出。通過(guò)db41.dbd48通道將mcgs中的數(shù)據(jù)送給plc模塊，該程序中就是將32位的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為real浮點(diǎn)

37、數(shù)，是設(shè)定值的寫入程序。通過(guò)sm331模塊將主回路的輸出值送給mcgs的監(jiān)控畫面，能夠看出輸出值的大小，確定主回路輸出值，確定出副回路的設(shè)定值大小。循環(huán)程序(ob35) 程序中pid算法的主要模塊，主回路與副回路的調(diào)節(jié)，設(shè)定值、測(cè)量值、比例參數(shù)、積分參數(shù)都是通過(guò)該模塊，使用該模塊內(nèi)部的計(jì)算，來(lái)實(shí)現(xiàn)pid的調(diào)節(jié)。初始化程序（ob100）對(duì)fc105、fc106、及fb41、fb42的初始化設(shè)置第四章 系統(tǒng)的調(diào)試及結(jié)論按順序分別對(duì)sm331模塊a/d轉(zhuǎn)換、串級(jí)pi-p控制等程序進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。直到調(diào)試結(jié)果滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。程序調(diào)試中，除數(shù)據(jù)符號(hào)處理、子程序調(diào)用等須注意的問(wèn)題外，pi 參數(shù)的調(diào)整也

38、很重要。當(dāng)初始參數(shù)確定后,應(yīng)根據(jù)實(shí)際的調(diào)節(jié)情況來(lái)反復(fù)修改控制參數(shù)值，直到達(dá)到滿意的控制效果。開始時(shí)，按照網(wǎng)絡(luò)的一種對(duì)比例系數(shù)p的算法，運(yùn)用黃金分割法，得出所測(cè)主回路比例系數(shù)p，比系數(shù)p就是0.618乘以所測(cè)值的最大量程100，得出p的值為61.8，副回路的比例系數(shù)也設(shè)為38.2,關(guān)閉積分時(shí)間，在設(shè)定值為40時(shí)，得出曲線如圖4-1所示；圖4-1 輸出曲線圖分析圖4-1得出精度不小于1%，達(dá)不到所需要的精度，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查閱資料知道副回路的靈敏度要高于主回路，那么副回路的比例系數(shù)就要高于主回路，由于在串級(jí)控制中一般副回路的比例系數(shù)為主回路的1.2倍，于是設(shè)定副回路的比例系數(shù)為75，得出曲線如圖4-2所示。圖4-2 輸出曲線圖由于查網(wǎng)絡(luò)資料知道，在溫度測(cè)量時(shí)，積分一般設(shè)為210，通過(guò)測(cè)試得出，最終結(jié)論為：主回路比例系數(shù)設(shè)為60，副回路比例設(shè)為80，設(shè)定積分為3，得到所需要的曲線，測(cè)得出溫度范圍左右波動(dòng)都在1%以內(nèi)。波形如圖4-3所示圖4-2 輸出曲線圖設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)本次設(shè)計(jì)，提高了對(duì)300plc的系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，也學(xué)會(huì)了300plc于實(shí)際之間的硬件連接，大大提升了運(yùn)用理論解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力，從開始的做該設(shè)計(jì)的盲目到最終設(shè)計(jì)的完成都是我從中學(xué)習(xí)到了很多，提高了我分析問(wèn)題的能力，查閱資料的能力，這些都無(wú)形中使我的自學(xué)能力提高了很多。首先，對(duì)課