S7-300 PLC中自主设计双极性温控PID算法.doc

1 S7 300S7 300 PLCPLC 中自主设计程序控温中自主设计程序控温 PIDPID 算法算法 Self Design of Programming Temperature Control PID Algorithm in S7 300 PLC 南阳理工学院 殷华文 摘摘 要要 本设计采用位置型算法思想 用梯形图语言在西门子 S7 300 PLC 中自主编写程序 控温 PID 算法程序 实现对夹套锅炉的升温 保温 降温双极性控制 算法中加入控制带 偏差死区 输出死区 输出限幅 积分清零等多种控制手段 在温度曲线拐点处 为了避 免控制的延迟及超调 采用提前控制 变控制参数的方法 监控结果显示 本 PID 程序对 夹套锅炉水温控制超调量较小 稳态误差小于 0 2 关键词关键词 自主设计 位置式 PID 算法 程序控温 Abstract The design of PID programming module independently to control electric heating boiler and cooling bipolar based on Siemens S7 300 PLC The bipolar PID algorithm has used position type algorithm and a structured programming it can operate PID algorithm only when it ranges the deviation in the control so as to avoid integral saturation phenomenon it has applied dead time processing to the deviation Then in order to avoid the control delay and the overshoot it has used advanced control and variable parameter control method during the cooling process The control algorithm has introduced some control means such as the output dead the output limiting the integral reset and so on Monitoring results show that the PID program modules have targeted control to the temperature object smaller overshoot and the steady state error is less than 0 2 DEG c Key words self design position type PID algorithm programming temperature control 1 1 引言引言 在自动化领域 大多数 PLC DCS 控制器中都有 PID 算法程序 但是由于算法思想和 源程序不公开 给用户正确使用带来困难 另外一般的 PID 算法程序不具备程序控温功能 无法直接对夹套锅炉这样的对象进行控制 本设计就是在 S7 300 PLC 中自主设计程序控温 PID 算法程序 实现了夹套锅炉加热冷却双极性控制 自主设计算法程序 由于算法思想 和源程序是自知的 为算法研究和改造提供了技术基础和方便条件 2 2 控制对象和控制系统硬件配置控制对象和控制系统硬件配置 本控制系统中被控对象是夹套锅炉 锅炉体高大约 500mm 内胆和夹套容积均约为 25 升 内胆装有三组电加热丝 功率为 3 1 5 KW 由可控硅控制 控制系统选用西门子 S7 300 PLC 做控制器 以夹套锅炉内胆水温为被控变量 进行升温 保温 降温曲线控制 控制系统硬件配置和控制信息流程图见图 1 所示 模拟量输 出通道1 可控硅 触发器 可控硅 上位机 设定值 加热丝锅炉内胆 PLC内 CPU运算 模拟量输 出通道2 变频器磁力驱动泵锅炉夹套 模拟量输入通道 A D转换 温度传感器 Pt100 电阻 100 可变 温度 0 100 e k u k 0 u k 0 电流 0 20mA 触发 时间 0 50 T s 输出 等效电压 加热 功率 外部 扰动 0 380VAC0 4 5KW 供水流量 0 900L min 电压频率 0 50HZ 电流 0 20mA ym k ysp k T t n c 图 1 控制系统硬件配置和控制信息流程图 3 3 控制算法程序设计控制算法程序设计 3 13 1 温度控制算法设计思想温度控制算法设计思想 温度对象具有大滞后 非线性和时变的特点 而且锅炉水温的加热与冷却又是两个特 点不同的控制过程 单纯的 PID 控制很难达到控制要求 所以对升温 保温 降温的不同 阶段要做相应的控制设计 本设计的双极性 PID 算法程序采用位置式算法思想 在控制算法中引入了偏差死区 2 输出死区 输出限幅 积分分离 积分清零 控制带等多种控制手段 对于设定值温度控 制采用固定 PID 参数 而程序曲线温度 控制采用变 PID 参数的方式 以达到相 应的控制效果 本算法在 STEP 7 中采用梯形图 LAD 编程语言实现 图 2 为双极性 PID 功能块 FB2 控制算法流程图 FB2 使用时需要背景数据块 DB2 配合 3 2 双极性温控程序设计双极性温控程序设计 FB2 作为连续控制器只有在以固定 时间间隔调用时 在控制块中 PID 运算 的值才是正确的 具体控制时应该在周 期性中断组织块 OB35 中调用 FB 2 功 能块 并在 CYCLE 参数中输入采样时 间 同时在 OB35 中编写 FB2 的外部辅 助控制程序 主要包括 1 信号采集程序 分别使用模拟 量输入规范化块 FC105 采集模拟通道 PIW288 和 PIW290 的 A D 数值 并转 换成锅炉内胆液位和锅炉内胆水温的工 程值 2 积分分离程序 设定控制带亦 即积分分离带为 3 3 只有偏差 在控制带内时才启动积分控制 防止积 分过早饱和 图 2 自主设计位置式 PID 算法程序流 程图 3 积分清零程序 设定积分清零条件 当积分清零条件满足时 I ITL ON 置位 积分 分量被设定为 I ITLVAL 设计中积分分量初始化值为 0 值 实现积分分量清零 防止由 于积分的延时效应造成控制的滞后和超调 4 加热 冷却辅助控制程序 在恒温控制阶段 当 PID 控制程序的输出为 0 时 仍以 最大加热功率的 5 输出 使锅炉的整体散热速率与加热速率尽量持平 维持水温稳定 在冷却输出小于最大冷却输出的 25 时 冷却输出按 25 输出 防止冷却水倒流 5 输出操作程序 PID 运算输出为 LMN 如果 LMN 值在 0 100 之间 则加热回路 工作 加热功率为 LMN 最大加热功率 如果 LMN 在 100 0 之间 则冷却回路工作 磁力驱动泵供水流量为 LMN 最大供水流量 6 加热 冷却保护程序 在停止控制 现场报警等条件出现时 加热 冷却输出值设 定为 0 使加热 冷却回路停止工作 3 3 温度控制系统的主控程序设计温度控制系统的主控程序设计 温度控制系统的主控程序放在主循环组织块 OB1 中 主要实现的功能包括 启停 PID 温控程序 温度设定值设置方式的切换 防按键抖动等 温度设定值设置方式的切换是实现设定值控制和温度曲线控制模式的切换 当启动温 度曲线控制模式时 在 OB1 中调用温度曲线设定值自动发生程序功能块 FB1 根据 OB1 的执行周期 周期性的刷新温度设定值 T SP 并把数值送到 FB2 的 SP INT 端 实现温度 曲线自动设定 FB1 主要参数是六个温度点设定坐标 在温控 PID 程序运行前只需设定六个温度点对 应的六组参数即可 即时间坐标轴的六个参数和温度坐标轴的六个参数 如图 3 所示 在 程序执行期间根据时间的推移自动勾勒出一条温度设定值曲线 如图 4 所示 FB2温度PID程序入口 偏差计算 ER SP PV 死区判断 ER DEADB W ER ER 比例作用打开 LMN P GAIN ER 积分作用打开 积分作用保持 LMN I LMN I KI ER1 0 5 积分作用 初始化 LMN I LMN I LMN I ITLVAL 微分作用打开 LMN LMN P LMN I LMN D LMN D a LMN D KD 1 a ER 手动值打开 LMN MAN LMN LMN LMN LMN HLM LMN LMN LLM LMN LMN HLM LMN LMN LMN LMN DZ LMN LMNLMN 0 ER 0 否 是 是 是 否 是 其中 KI CYCLE TI KD TD CYCLE ER ER n ER n 1 ER1 ER n ER n 1 a LAG LAG CLCLE 结束 输出限幅吗 LMN I LMN I LMN I LMN I 是 是是 是 LMN P 0LMN I 0LMN D 0 是 否 否 否 否 否 否 否 否 是 否 是 3 温度设定值的计算方法如公式 1 所示 1 654321n T T T tt t T SP 1n1nn 1nn 图 3 温度点坐标设定 图 4 温度设定曲线 4 4 温度双极性温度双极性 PIDPID 控制的监控及运行结果分析控制的监控及运行结果分析 1 设定值温度控制 设定值温度控制 锅炉内胆水的初始水温 40 1 第一阶段水温设定为 40 0 第二阶段设定为 70 0 第三阶段设定为 60 0 控制过程中 PID 参数一直设定为 20 100 5 设定值温控响应曲线如图 6 所示 从监控曲线上可以看出 在温度设定 值阶跃为 30 0 的情况下 其控制的结 果能稳定在 69 8 70 4 左右 超调量 为 0 5 没有大的波动 稳态误差为 0 1 而且响应速度较快 在温度设定 值阶跃为 10 0 的情况下 滞后时间为 2min 其控制的结果能稳定在 58 8 60 2 左右 超调量为 3 0 稳态误差为 0 03 图 6 自主设计 PID 算法温度设定值响应曲线 2 程序曲线温度控制 程序曲线温度控制 温度曲线控制模式时 设置升温段初始温度 40 目标温度 85 升温时间 30 分钟 保温时间 20 分钟 降温目标温度 55 降温时间 20 分钟 则升温斜率为 1 5 min 降温斜率也为 1 5 min 由于加热冷却滞后和惯性不一样 所以不同控制阶段 PID 参数是不同的 PID 参数设置如表 1 所示 程序温控响应曲线如图 7 所示 表 1 程序控温时 PID 参数设置 图 7 程序控温响应曲线 由程序曲线温度控制响应曲线可以看出各个阶段的控制效果 升温阶段 系统的滞后时间为 45s 升温曲线和设定值曲线之间拟合度较好 几乎没 有穿越现象 温度偏差在 0 2 内 恒温阶段 几乎没有超调 稳态误差在 0 2 内 降温阶段 开始降温曲线和设定值曲线之间有 3 次穿越 但是温度偏差在 1 2 内 最 终保持在 0 2 的范围内 在 1 号温度曲线拐点处 提前 1min 对加热功率输出限制不低于 10 以保证加热丝 控制过程控制周期KpTi s Td s 升温阶段1s501005 恒温阶段1s501005 降温阶段1s5015015 701101201050 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 第 二 温度点 第三 温 度点 第 四 温度点 第 五 温度点 第一 温度 点 初始 温 度点 4 能够得到预热 使得升温滞后减小 实现了曲线拐点的拟合 在 2 号温度曲线拐点处 提前 1min 启动限幅输出带 降低加热丝输出功率 当温度偏 差在 1 2 范围时 输出功率 70 当温度偏差在 0 5 1 范围时 输出功率 50 当温 度偏差在 0 1 0 5 时 输出功率 30 这样阶梯减少输出功率 实现了 2 号曲线拐点的钝 化 在 3 号温度曲线拐点处 提前 5min 对冷却输出限制不低于 40 以保证提前打开冷 却泵 避免了冷却水注入滞后 实现了曲线拐点的拟合 在 4 号温度曲线拐点处 5 5 结论结论 本算法设计实现了在西门子 S7 300 PLC 自编 PID 算法程序实现对夹套锅炉水温的双 极性控制 控制超调量小 稳态误差在 0 2 以内 在程序曲线温度控制的升降温阶段 锅 炉水温能很好的跟随设定值变化 调节值的稳定性得到很大改善 但是升降温的曲线拐点 拟合控制时是靠经验来提前加热或提前冷却的 没能达到最好的效果 降温阶段由于冷却 水的注入时间延迟影响了控制效果 在升降温阶段主要采用 PD 控制规律 结合弱积分控 制实现了曲线的较好拟合 参考文献参考文献 1 王树青 戴连奎 于 玲 过程控制工程 化学业出版社 2011 5 6 30 58 2 于海生 计算机控制系统 机械工业出版社 1010 101 3 涂植英 陈今润 自动控制原理 第二版 重庆大学出版社 2009 1 11 22 49 设置升温段初始温度 30 目标温度 75 升温时间 30 分钟 保温时间 15 分钟 降 温目标温度 55 降温时间 20 分钟 则升温斜率为 1 5 min 而降温斜率为 1 min 不同控制阶段 PID 参数设置如表 1 所示 表 1 程序控温 PID 参数设置 程序温控响应曲线 由程序曲线温度控制响应曲线可以看出各阶段的控制效