S7-300PLC的温度模糊控制系统设计毕业论文.doc

S7-300PLC的温度模糊控制系统设计毕业论文目 录1 引言11.1 课题研究的目的11.2 课题设计内容21.3 课题研究的意义21.4 解耦控制国内外研究的现状21.5 课题设计原理32 关于西门子S7-300PLC介绍32.1 设计中使用到的各模块及硬件组态32.2 课题涉及到的S7-300PLC各模块介绍52.2.1 定时中断组织块OB3552.2.2 组织块OB10052.2.3 功能FC105和FC106介绍62.2.4功能块FB41和FB58介绍73.课题涉及的技术问题123.1 PID参数对系统的影响123.1.1 比例系数对系统性能的影响123.1.2 积分控制对系统性能的影响123.1.3 微分控制对系统性能的影响123.2 OPC通讯技术123.2.1 OPC介绍123.2.2 课题中MATLAB与WinCC数据通讯的实现134 控制实现144.1 OB100初始化程序154.2 OB35程序165 WinCC组态软件的监控程序205.1 WinCC的组态205.2 创建过程画面206 实验结果分析226.1温度和液位双回路的解耦控制分析226.2解耦效果的分析23结束语24参考文献:24附录25附录125附录226附录326附录427附录528致谢30321 引言1.1 模糊控制技术研究现状1974 年英国伦敦大学教授E.H.Mamdani利用模糊控制语句组的模糊控制器应用于锅炉和气轮机的运行控制在实验室获得成功标志着模糊控制的诞生。随后1975年英国的 P.J.King和 E. H. Mamdani将模糊控制系统应用于工业发酵过程的温度控制中；1979年英国的I.J.Procyk和 E.H.Mamdani研究了一种自组织的模糊控制器它在控制过程中不断修改和调整控制规则使得控制系统的性能不断完善；1983年日本学者M.Sugeno和Kurakani将基于语言真值推理的模糊逻辑控制器应用于汽车速度的控制并且取得成功。 模糊控制技术与传统PID技术相结合的研究国外也取得了许多成果。Tang通过对常规模糊控制器机理的分析最早提出了一般模糊控制器和PI控制器的相似性；Abdelnon从PID控制角度提出了Fuzzy-PI,Fuzzy-PD和Fuzzy-PID三种形式的模糊控制器随后各种模糊PID控制器都证明是非线性PID控制器Ying最先提出模糊PID控制器的解析结构证明了各类Mamdani模糊控制器是可变增益的非线性PI控制器，Ying和刘向杰等还采用各种方式得出了模糊控制器的量化因子和比例因子同 PID控制器的Kp ,Ki和Kd的之间的关系李洪兵分析了模糊控制器与PID控制器之间的关系。1.2 课题设计内容用西门子s7-300PLC作为控制器，AI818智能仪表作为变送器，实验室的锅炉作为被控对象,运用MATLAB软件设计一个模糊控制器并通过OPC 技术实现与组态软件Wincc的通信进行实时数据的采集传递，最终在Simulink中实现对被控对象的智能在线控制。1.3 课题研究的意义现今科学技术的飞速发展，给我们的生活带来了极大方便，同时也加快了工业现代化智能化发展的速度。如此一来也使我们的控制系统变的越来越多种多样，当然各种控制系统都有着不同的优越特性。近年来随着对智能控制系统的研究发展，智能控制系统也拉近了与我们的距离。众所周知对于温度控制系统的研究及运用已经十分的成熟，但是常规的温度控制系统在设计及调试上比较麻烦，需要耗费大量的时间。针对这样的情况，我们采用模糊控制系统，通过建立规则设计隶属度函数通过输入输出的变化，最后进行模糊化推理，实现控制输出。1.4本设计所作的主要工作以“信”字号过程控制实验装置为平台，设计一个锅炉温度控制系统为本设计的主要任务。同时对模糊控制的原理，模糊控制规则表的建立进行介绍。以锅炉水模糊控制为基础，针对不同的控制对象，均能达到理想的控制效果。实验表明，模糊温度控制对传统的温度控制更具优势。本文共分七章，内容组织如下：第1章 主要介绍了课题研究的背景和意义，以及相关研究动态、发展趋势。第2章 介绍了控制系统硬件设计、结构、配置，以及各硬件的介绍。第三章介绍了模糊控制的理论基础和工作原理，详细介绍了模糊控制系统的结构、组成，以及其工作原理。第四章介绍了PID控制的理论基础和工作原理，详细介绍了PID控制系统的结构、组成，以及工作原理。第五章介绍了基于PLC的锅炉温度控制系统的模糊PID控制设计，这是本设计的核心部分，主要完成模糊PID控制算法的实现。第六章介绍了模糊PID控制系统的监控及运行结果分析，详细分析了模糊控制的运行结果。第七章为全文总结及下一步建议工作，总结本论文的研究结果，并提出下一步研究工作的方向。2控制系统的结构、原理2.1控制系统结构 MATLAB与PLC实现对锅炉温度的在线实时控制过程控制系统结构如图1所示。系统以自动化实验室的过程控制装置为控制对象，西门子s7-300PLC对现场设备数据进行采集，Wincc为数据总控平台，作为OPC服务器，以MATLAB作为OPC客户端，进行模糊算法设计实现对问的的在线控制。图1过程控制系统结构图2.2控制系统原理题目设计要求实现的目标是对锅炉温度的模糊控制。这里是以自动化实验室的过程控制装置为实验对象。运用MATLAB中设计模糊控制算法实现在线控制锅炉的温度。控制原理：通过组态软件Wincc将PLC 检测到的温度传送给MATLAB，MATLAB经过模糊运算后将运算结果再由组态软件输出到PLC，根据其相应的输出来控制PWM波的占空比，固态继电器通过PWM波的信号实现通断，达到控制锅炉加热丝的目的。MATLAB和WinCC之间通讯则基于OPC技术标准，通过MATLAB的OPC Toolbox工具箱实现数据的实时交换（OPC Read/Write）。根据自动控制原理和过程控制相关知识，画出以锅炉为受控对象的控制系统原理图如图1所示：图1控制系统原理图3系统的硬件设计3.1控制系统所用硬件介绍3.1.1温度传感器本设计中用的是插入式铂电阻（Pt100）温度传感器，测温范围-200850，误差（0.10+0.017t）。金属铂Pt100（R0=100）具有电阻温度系数大，感应灵敏；电阻率高，元件尺寸小；电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系，是常用的一种温度检测器；温度传感器一般有二线式、三线式、四线式三种接线方法，为了消除引线线路电阻带来的测量误差此次采用的是三线式接法，具体接线方法如图1所示。图2温度传感器接线图2.2.2固态继电器 固态继电器SSR是一种无触点通断电子开关，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，为四端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专业光电耦合器。当施加输入信号后，其主回路呈导通状态，无信号时，呈阻断状态。整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用电磁继电器一样的功能。在本设计中由于实现对温度的控制，在即将达到设定温度时继电器会出现高频率的通断，在这种情况下一般的继电器将无法承受，因此选用固态继电器。2.2.3 S7300PLCSIMATIC S7-300是模块化小型PLC系统，大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务，各种单独的模块之间也可进行广泛组合以用于扩展。由于S7-300简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。本设计中使用的S7-300PLC模块包括： 电源模块：PS307 5A,电源模块的输入用220VAC的单相两线制，即一火一零；CPU模块：CPU315-2DP,工作电压为24VDC,集成MPI、DP通信；数字量输入模块SM321：DI16xDC24V为16位数字量输入；数字量输出模块SM322：DO16xDC24V为16位数字量输出；模拟量输入输出模块SM334：AI4/A02为8位模拟量输入输出；硬件组态如图2所示。图2. 硬件组态信息2.2.4 AI818智能仪表 AI818智能仪表硬件采用了先进的模块化集成设计，具备功能模块主要有：辅助输入、主输出、报警、辅助输出及通讯。仪表的输入方式可自由设置为常用的各种热电偶、热电阻和线性电压（电流）。用于温度变送时，AI818使用变送和显示功能，具体的参数设置如下：HIAL:99.99;LOCAL:0;Ctrl：0；Run：0；Sn：21:；oP1：2，其他参数保持默认即可，接收温度传感器信号，经自身内部运算，显示实时温度，同时也把信号经过并联电阻将其变为0-10V电压信号后传给PLC的SM334模块，AI818的具体接线图如图3所示。图3.AI818与PLC接线2.2 设计中使用到s7-300各模块介绍图3. 硬件组态信息2.2 课题涉及到的S7-300PLC各模块介绍2.2.1 定时中断组织块OB35通过硬件组态，可以要求CPU按规定的时间间隔调用定时中断组织块。S7-300 CPU能够执行的定时中断组织块是OB35，其调用时间可设置的范围为160000ms。在硬件组态窗口下，双击CPU位置，就会打开Properties对话框。选中Cyclic Interrupt卡，在其中的OB35中填上所需的时间间隔。在设计中我们设置的中断时间为100mS，如图4所示:图4. OB35中断时间的设置2.2.2 组织块OB100 组织块OB100上电初始化模块，当CPU 的状态由停止态转入运行态时（暖启动），操作系统都调用OB100。当OB100运行结束后，操作系统调用OB35。利用OB100先于OB35执行的特性，可以为用户主程序的运行准备初始变量或参数。2.2.3 功能FC105和FC106介绍实际的工程量要经过各种类型传感器转换为标准信号供PLC采集，PLC的模拟量输入模块将该模拟量信号转换成027648之间的数字量。但是在PLC内部要对相应的信号进行比较和运算时，需要将该信号转换成实际物理值(对应于传感器的量程)方能运算。而经程序运算后的结果也要先转换成与实际工程量对应的整形数，再经模拟量输出模块转换成电压或电流信号去控制现场执行机构，这就需要在程序中调用功能FC105和FC106完成量程的转换。FC105接受一个整型值(IN)，并将其转换为以工程单位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型值。将结果写入OUT。FC105输出等式如式（1）：OUT = (FLOAT (IN) -K1)/(K2-K1) * (HI_LIM-O_LIM) + LO_LIM （1）常数K1和K2根据输入值是BIPOLAR还是UNIPOLAR设置。BIPOLAR：假定输入整型值介于 -27648与27648之间，因此K1 = -7648.0，K2 = +27648.0。UNIPOLAR：假定输入整型值介于0和27648之间，因此K1 = 0.0，K2 = +27648.0如果输入整型值大于K2，输出(OUT)将钳位于HI_LIM，并返回一个错误。如果输入整型值小于K1，输出将钳位于LO_LIM，并返回一个错误。通过设置LO_LIM HI_LIM可获得反向标定。使用反向转换时，输出值将随输入值的增加而减小。在本次设计中，从温度变送器送来的420mA模拟电流信号经过SM331转换为027648之间的整数，调用FC105将之转换为0.0100.0间的浮点数送入FB58进行PID运算。FC106接收一个以工程单位表示、且标定于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型输入值(IN)，并将其转换为一个整型值。将结果写入OUT。FC106输出等式如式（2）：OUT = (IN-O_LIM)/(HI_LIM-O_LIM) * (K2-K1) + K1 （2）并根据输入值是BIPOLAR还是UNIPOLAR设置常数K1和K2。BIPOLAR：假定输出整型值介于 -27648和27648之间，因此，K1 = -7648.0，K2 = +27648.0。UNIPOLAR：假定输出整型值介于0和27648之间，因此，K1 = 0.0，K2 = +27648.0如果输入值超出LO_LIM和HI_LIM范围，输出(OUT)将钳位于距其类型(BIPOLAR或UNIPOLAR)的指定范围的下限或上限较近的一方，并返回一个错误。在本次设计中，从温度变送器送来的420mA模拟电流信号经过SM331转换为027648之间的整数，调用FC105将之转换为0.0100.0间的浮点数送入FB58进行PID运算，运算的结果为0.0600.0间的实际液位高度，还要用一个FC106将之转换为对应阀门开度的0%100%的整形数027648，然后经SM332输出420mA的信号去控制调节阀。2.2.4功能块FB41和FB58介绍（1）功能块FB41介绍FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量PID的初始化可以通过在OB100中调用一次，将参数COM-RST置位，当然也可在别的地方初始化它，关键的是要控制COM-RST；PID的调用可以在OB35中完成，一般设置时间为200MS。CONT_C的方框如图5所示:图5.CONT_C的方框图1）所有的输入参数：COM_RST: BOOL: 重新启动PID：当该位TURE时：PID执行重启动功能，复位PID内部参数到默认值；通常在系统重启动时执行一个扫描周期，或在PID进入饱和状态需要退出时用这个位；MAN_ON： BOOL：手动值ON；当该位为TURE时，PID功能块直接将MAN的值输出到LMN，这可以在PID框图中看到；也就是说，这个位是PID的手动/自动切换位；PEPER_ON： BOOL：过程变量外围值ON：过程变量即反馈量，此PID可直接使用过程变量PIW（不推荐），也可使用 PIW规格化后的值（常用），因此，这个位为FALSE；P_SEL： BOOL：比例选择位：该位ON时，选择P（比例）控制有效；一般选择有效I_SEL： BOOL：积分选择位；该位ON时，选择I（积分）控制有效；一般选择有效；INT_HOLD BOOL：积分保持，不去设置它；I_ITL_ON BOOL：积分初值有效，I-ITLVAL（积分初值）变量和这个位对应，当此位ON时，则使用I-ITLVAL变量积分初值。一般当发现PID功能的积分值增长比较慢或系统反应不够时可以考虑使用积分初值；D_SEL ： BOOL：微分选择位，该位ON时，选择D（微分）控制有效；一般的控制系统不用；CYCLE ： TIME：PID采样周期，一般设为200MS；SP_INT： REAL：PID的给定值；PV_IN ： REAL：PID的反馈值（也称过程变量）；PV_PER： WORD：未经规格化的反馈值，由PEPER-ON选择有效；（不推荐）MAN ： REAL：手动值，由MAN-ON选择有效；GAIN ： REAL：比例增益；TI ： TIME：积分时间；TD ： TIME：微分时间；TM_LAG： TIME：我也不知道，没用过它，和微分有关；DEADB_W： REAL：死区宽度；如果输出在平衡点附近微小幅度振荡，可以考虑用死区来降低灵敏度；LMN_HLM： REAL：PID上极限，一般是100%；LMN_LLM： REAL：PID下极限；一般为0%，如果需要双极性调节，则需设置为-100%；（正负10V输出就是典型的双极性输出，此时需要设置-100%）；PV_FAC： REAL：过程变量比例因子PV_OFF： REAL：过程变量偏置值（OFFSET）LMN_FAC： REAL：PID输出值比例因子；LMN_OFF： REAL：PID输出值偏置值（OFFSET）；I_ITLVAL：REAL：PID的积分初值；有I-ITL-ON选择有效；DISV ：REAL：允许的扰动量，前馈控制加入，一般不设置；2）部分输出参数说明：LMN ：REAL：PID输出；LMN_P ：REAL：PID输出中P的分量；（可用于在调试过程中观察效果）LMN_I ：REAL：PID输出中I的分量；（可用于在调试过程中观察效果）LMN_D ：REAL：PID输出中D的分量；（可用于在调试过程中观察效果）3）规格化概念及方法：PID参数中重要的几个变量，给定值，反馈值和输出值都是用0.01.0之间的实数表示，而这几个变量在实际中都是来自与模拟输入，或者输出控制模拟量的因此，需要将模拟输出转换为0.01.0的数据，或将0.01.0的数据转换为模拟输出，这个过程称为规格化规格化的方法：（即变量相对所占整个值域范围内的百分比 对应与27648数字量范围内的量）。对于输入和反馈，执行：变量*100/27648，然后将结果传送到PV-IN和SP-INT对于输出变量，执行：LMN*27648/100，然后将结果取整传送给PQW即可； 4）FB41的PID的调整方法：一般不用D，除非一些大功率加热控制等惯大的系统；仅使用PI即可， 一般先使I等于0，P从0开始往上加，直到系统出现等幅振荡为止，记下此时振荡的周期，然后设置I为振荡周期的0.48倍,应该就可以满足大多数的需求。附录：PID的调整可以通过“开始SIMATIC-STEP7-PID调整”打开PID调整的控制面板，通过选择不同的PID背景数据块，调整不同回路的PID参数。（2）功能块FB58介绍FB58是专门用于温度控制的PID模块，它集成了PID运算和脉冲触发功能。FB58采集到的“过程值”（PV_PER）通过“过程值转换”（CRP_IN）和“过程值规范化”（PV_NORM）转换成与“设定值”（SP_INT）具有相同单位的值。为了抑制由于可调节变量变化所引起的小幅恒定振荡，FB58对偏差通过“死区（DEADBAND）”进行处理，由参数DEADDB_W设定死区宽度,如图6所示:图6. 偏差信号的形成1）PID算法和脉冲触发。PID控制器采用位置式算法，“比例”（GAIN），“积分”（INT）,“微分”（DIF）三部分并联，可以单独进行取消或激活，这样就可组态P,PI,PD,PID控制器，通过选择GAIN的符号正负可以很方便地实现作用或反作用。为防止超调，可使用“比例因子”（PFAC_SP）来弱化比例作用。PFAC_SP可以在0到1.0范围内连续选择。PFAC_SP=1.0表示:如果设定值发生变化，比例作用发挥全部作用；PFAC_SP=0表示：如果设定值发生变化，比例作用不发挥任何作用,FB58输入参数设置见附录2。“微分因子”（D_F）表示微分作用的延迟时间，一般不做改变，用默认值5.0即可，运算流程如图7所示: 图7. PID运算方框图如下式（3）所示，LmnN为PID的运算结果，通过脉冲周期时间PER_TM相乘得到高电平的输出时间： 脉宽=LmnN*PER_TM/100 （3） 脉冲输出单元每次执行都累加一个CYCLE_P,通过判断累加值和脉宽，或者和周期与脉宽差值的比较来改变输出点的状态，脉冲形成的过程如图8所示: 图8. 脉冲触发示意图 正确使用“控制带”（CONZ_ON）可改善控制效果，如果CONZ_ON=TRUE，则控制器运行时使用控制带。这意味着控制器将依据下列算法工作：如果PV高于SP_INT，且偏差超过CONZ_ON，则“可调节变量下限”（LMN_LLM）作为可调节变量输出；如果PV低于SP_INT，且偏差超过了CONZ_ON，则“可调节变量上限”（LMN_HLM）作为可调节变量输出。如果偏差在CONZ_ON之内，则可调节变量采用来自PID控制器的数值，控制带可根据用户需要激活或关闭。使用控制带具有独特的优越性，当过程值进入控制带时，微分作用使可调节变量快速见效。如果没用控制带基本上只用通过减小比例作用才能减小可调节变量。如果最大或最小可调节变量输出远没有达到新工作点所要求的可调节变量，则控制带会在不过调或欠调的情况下，使调节尽快稳定。参数设置的经验法则：CON_ZONE=250/GAINPER_TM/CYCLE_P50CYCLE时间不能超过积分时间TI的10%为了保证控制精度，脉冲周期时间PER_TM应该至少是CYCLE_P的50倍脉冲周期时间不能超过积分时间的5%。2）保存和重新装载控制器参数。FB58具有参数自整定功能，每次整定得到的优化参数都是自动保存的，如果整定得到的参数效果不理想，则可以手动修改，然后将其保存，“撤销参数修改”（UNDO_PAR用来激活修改后的参数；“装载优化参数”（LOAD_PID）用来重新激活控制器整定得到的优化参数。手动修改PID参数如图9 所示:图9. 参数赋值视图（3）FB41和FB58的比较FB41采用比例，积分和微分三部分运算并联。可以单独激活或取消，通过引入扰动量可实现前馈-反馈复杂控制，即用积分初始化，手自动无扰动切换，输出限幅，防止积分饱和等一系列功能，正是由于FB41具有如此多的优点，使得它在液位，流量，压力控制中都取得满意的效果，但其在温度控制中的效果不太理想，具体表现为温度波动范围较大，调节时间长和参数整定困难。这是由于温度控制对象普遍存在纯时间滞后。如在热交换器中，被控量是被加热物料的出口温度，而控制量是载热介质，当改变载热介质流量后，对物料出口温度的影响必然要滞后一段时间，即介质经管道所需的时间。用纯滞后时间t与时间常数T的比值t/T来衡量滞后的大小，t/T0.1为过程类型III；通常温度控制对象t/T较大。其次，温度控制对象普遍都是大惯性系统，即相比于控制量，被控制量变化缓慢；再次，温度控制对象还容易受到现场环境温度的影响。正是由于以上这些特点，通过传统的工程整定方法很难得到合适的PID参数，而FB41有没有参数在线自整定功能，最终导致温度控制效果不甚理想3.课题涉及的技术问题3.1 PID参数对系统的影响3.1.1 比例系数对系统性能的影响 比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。偏大，振荡次数加多，调节时间加长。太大时，系统会趋于不稳定。太小，又会使系统的动作缓慢。可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远，如果出现这样的情况的符号就一定要取反。 3.1.2 积分控制对系统性能的影响积分作用使系统的稳定性下降，小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。 3.1.3 微分控制对系统性能的影响 微分作用可以改善动态特性，偏大时，超调量较大，调节时间较短。偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有合适，才能使超调量较小，减短调节时间8。3.2 OPC通讯技术3.2.1 OPC介绍OPC（OLE for Process Control）指用于过程控制的对象链接与嵌入技术，是为工业应用程序之间提供高效信息集成和交互功能的组件模型接口，由 OPC Foundation 机构维护和管理，已经推出 OPC 数据访问 DA(Data access)规范、报警与事件 AE(Alarm and event)规范和历史数据访问HDA(Historical data access)规范等9 。开放式标准接口 OPC(OLE For Process Control)，结合 MATLAB 强大的工程计算能力和西门子组态软件 WINCC 实时采集数据的特点，设计并实现 MATLAB 与 WINCC 之间数据的动态交换。作为客户端 MATLAB 与服务器端 WINCC 之间的通信接口，OPC 较好的实现了异构系统间的通讯。OPC体系结构如图10所示:图10.OPC体系结构3.2.2 课题中MATLAB与WinCC数据通讯的实现WINCC是德国SIEMENS公司推出的基于WINDOWS的功能强大的监控系统，全面支持OPC标准，既可作为OPC客户端也可以作为OPC服务器，具有良好的开放性和灵活性，能够安全可靠地实现与外部程序间的数据交换，是业界领先、应用广泛的工控软件。WINCC 提供了三种类型 OPC 服务器：OPC-DA 服务器、OPC-HAD 服务器和 OPC-A&E 服务器。通过OPC-DA服务器，我们可以获取现场过程控制系统中的实时数据，并实时改变系统中相关过程变量的值，完成对系统参数的有效控制。 MATLAB 包含着丰富的工具箱，7.0 版本中集成了 OPC Toolbox，提供了 GUI 和命令行两种方式，大量丰富的 OPC函数省去了复杂的语言编程，能够更方便的建立服务器和客户端的连接10。以 MATLAB 作为强大的客户端，实现控制系统分析、算法编写以及控制算法效果的图形显示图11:图11. OPC连接图4 控制实现“悌”字号的模拟锅炉装置有内胆和外胆组成，内胆水温有电加热丝控制，内胆中的水由水泵打水形成循环水，电动阀控制流量的大小，以保持液位的恒定（单容液位管道图见附录3）。为了得到恒温和恒液位的控制效果，必须控制两个工艺参数：电加热丝的通断时间和电动调节阀的开度。这两个控制系统存在着耦合现象，当调节阀动作时，内胆的液位将增加或减小，使内胆的温度降低。所以系统要求能够解除耦合，电加热丝只控制内胆温度，电动阀只控制内胆的液位。这是一个双输入双输出控制系统，两条单回路存在着耦合，因此我们先分别设计温度PID控制回路和液位PID控制回路，分别让两个回路独立工作在预期要求的稳定值，然后在让两个独立回路的程序融合在一起(回路接线图见附录4)，根据两个回路间的影响的情况进行解耦控制。PLC程序流程如图12:图12.OB35程序流程图4.1 OB100初始化程序组织块OB100上电初始化模块，当CPU 的状态由停止态转入运行态时（暖启动），操作系统都调用OB100。当OB100运行结束后，操作系统调用OB35。利用OB100先于OB35执行的特性，可以为用户主程序的运行准备初始变量或参数。程序如图13:图13.OB100程序 4.2 OB35程序在OB35中主要调用FC105进行液位和温度过程值的标度变换，采集的过程值分别送入到FB41和FB58中，在FB41中进行液位PID的运算，并把运算结果通过FC106转换成PLC模拟量输出模块能识别的标准量，通过控制电动调节阀的开度来控制流量的大小。将前馈计算值传送到FB58的DISV，FB58中进行温度PID运算并把运算结果转换成相应占空比的脉冲控制继电器的通断时间进而控制电加热丝的加热。主程序OB35流程图如图14所示:图14. OB35的程序流程图5 WinCC组态软件的监控程序5.1 WinCC的组态（1）启动WinCC单击“开始”SIMATICWinCCWindows Control center 6.0 菜单项。（2）建立一个新项目选择单用户项目,点击确定在“创建新项目”对话框中输入项目名，并为项目选择一个合适的路径在WinCC资源管理器中右击“计算机”点击属性，可以设置启动参数11。（3）组态变量右击浏览窗口中的“变量管理器”“添加新的驱动程序”，在“添加新的驱动程序”对话框中选择SIMATIC S7 Protocol Suite.chn。右击MPI通道单元“选择新驱动程序的连接”在“连接属性”中输入逻辑连接名NewConnection_1，点击确定。（4）建立过程变量右击逻辑“NewConnection_1”在“变量属性”对话框中输入变量名并选择数据类型，点击“变量属性”对话框中的“选择”“地址属性”中输入过程变量的存储区域。5.2 创建过程画面（1）右击项目管理器中的“图形编辑器”“新建画面”左击“对象选项板上的控件”按钮双击“WinCC On Line Trend Control”，出现图15所示画面。图15. 画面创建界面（2）双击画面中的控件“WinCC在线趋势控制属性”对话框中左击“常规”“数据源”选择“在线变量”再点击“曲线”点击“选择”按钮“变量组态对话框”中点击选择要连接的过程变量点击“确定”如图16和图17。图16. 控制曲线的属性对话框 图17. 添加变量对话框（3）点击“图形编辑器”工具栏的运行按钮，画面开始监控过程变量11。监控画面如图18所示。图18. 搭建的监控界面6 实验结果分析6.1温度和液位双回路的解耦控制分析在“悌”字号实验台上进行了温度液位的解耦控制。液位回路用FB41 PID控制模块进行控制，当液位设定值为350mm时，实时采集数据显示液位稳定在设定值附近+1mm范围内波动。由于FB58集成了PID运算和脉冲触发功能，它是专用温度控制模块。所以温度回路用FB58 PID控制模块进行控制，FB58 PID控制模块与FB41 PID控制模块相比温度调节时间明显比FB41短；波动的范围更小。使用Simulink通过opc连接Wincc实时计算前馈系数，当温度的设定值为35时，通过实时采集数据观察看出温度稳定在设定值附近+0.3范围内波动(FB41和FB58控制时PID参数设置见附录5),控制效果良好。温度和液位双回路加阶跃后的解耦调节曲线如图19所示：图19. 30-35/300-350mm时温度与液位解耦的实时曲线图6.2解耦效果的分析使用Simulink通过opc连接Wincc进行实时数据交换并对前馈系数进行实时计算和传输，得到了两条平直的稳态曲线，达到了很好的解耦效果，效果如图20所示。图20. 解耦后稳态效果曲线结束语耦合问题一般为多变量控制系统的共性问题，针对锅炉温度与液位的耦合问题，确定其为线性系统。先搭建温度、液位单回路控制来取得对控制对象的认识和控制经验。再通过WinCC监控实时监控，Simulink通过opc连接Wincc进行实时数据交换并对前馈系数进行实时计算和传输，在PLC中通过前馈解耦的方法对锅炉的温度与液位进行解耦，最终建立起解耦双回路控制系统。虽然实验室存在一些干扰因素影响解耦的效果，例如，室温的高低对内胆温度散热的影响，循环水的水温，以及液位控制是在恒压供水的前提下进行的，恒压供水时，进水的波动等一些客观条件；前馈解耦理论的近似计算都对解耦效果会产生影响。基于PLC和Wincc组态软件的Simulink在线实时液位温度解耦监控，解耦效果非常明显，达到了控制要求。通过这次设计使自己对前馈解耦控制算法有进一步的了解，掌握了解耦控制器在PLC程序中如何实现的，懂得了如何把解耦效果在实验设备上进行验证，也为以后学习其他的解耦控制算法打下基础。通过此次设计，大大的提高了我的专业技能，锻炼了过程控制工程设计能力和自动化工程安装调试能力，这为我日后的专业方面的工作打下了很好的基础。参考文献:1 王树青，戴连奎，于玲. 过程控制工程.北京：化学工业出版社2008.2 ,124页2 王小哲，李界家，吴成东等.多变量系统解耦方法综述.沈阳建筑工程学院学报，2000,16（2）：143-1463聂修军. 模拟锅炉的解耦控制2007,05,01 3-4页4 Y.Kawakami,TJam.New design Method of Decoupling Control System f