李赛赛毕设优秀论文缩写版(殷华文).doc

S7 300 PLC 中双极性温控 PID 算法设计 1 S7 300S7 300 PLCPLC 中双极性温控中双极性温控 PIDPID 算法设计算法设计 专业 自动化 班级 089611 姓名 李赛赛 指导老师 殷华文 职称 副教授 摘摘 要要 本设计在西门子 S7 300 PLC 中自主编写 PID 程序模块实现对模拟工业对象的电加 热锅炉的加热 冷却双极性控制 双极性 PID 算法设计采用位置型算法思想 使用 STEP7 梯形图作为编程语言 采用结构化编程 算法中引入控制带 只有偏差在控制带范围内时 进行 PID 运算 从而避免积分饱和现象 同时为了抑制由于可调节变量量化所引起的小幅 恒定振荡 对偏差应用了死区处理 在冷却过程中 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 控制算法中还引入了输出死区 输出限幅 积分清零等多种 控制手段 经监控结果显示 本 PID 程序模块对温度对象的针对性较强 控制结果超调量 较小 稳态误差小于 0 2 本程序模块源程序加有详细的算法思想介绍和注释 可以作为 自动化学科教学科研的技术资料 也可用于工程控制 关键词关键词 位置式 双极性温控 PID 模块 程序控温 1 1 引言引言 PID Proportion Integration Differentiation PID 控制是最早发展起来的控制策略之一 迄今为止 大多数工业控制回路仍然应用着结构简单 鲁棒性强的 PID 控制或改进型 PID 控制策略 当被控对象的结构和参数不能完全掌握 或得不到精确的数学模型时 控制理 论的其它技术难以采用时 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定 这 时应用 PID 控制技术最为方便 本设计通过自主 PID 算法的研究和编写 可以清楚的看出 它是怎么样工作的 从而使我们更加容易明白自动控制的原理 思想和控制过程 同时也 为同学们学习 PID 控制提供参考资料 只有清楚的理解了 PID 算法后 才能加入其它的元 素进去 形成新的算法 编辑出更加实用 PID 算法 使得我们对自动化工程的设计与调试 能力有很大的提高 为以后进入自动化行业领域奠定坚实的基础 因此自编 PID 算法具有 算法研究和工程实际的双重意义 2 2 系统硬件设计系统硬件设计 本设次是针对锅炉为控制对象 锅炉内胆水温为被控变量 在不计算控制对象数学模 型的基础上 利用自主设计的温度双极性 PID 控制算法实现锅炉内胆水温的加热 冷却双 极性控制 控制系统回路的前向通道中主要包括加热通道和冷却通道 分别根据 PLC 的 CPU 运算结果来确定各通道工作状况 控制系统回路的反馈通道中使用 Pt100 检测现场锅炉内胆水温度 经 S7 300PLC 的 SM331 模拟量输入通道检测 Pt100 阻值变化并经 A D 转换成对应数字量 0 27648 送入 CPU 参与运算 通过输入信号规范化处理 FC105 双极性 PID 算法运算 输出操作规 范化 FC106 SM332 相应模拟量输出通道 D A 转换输出的过程 得到的电流控制信号 控制可控硅触发器 加热控制 或者变频器 冷却控制 加热控制时可控硅触发器控制可 S7 300 PLC 中双极性温控 PID 算法设计 2 控硅触发或关断 从而控制电加热丝对锅炉内胆水加热 冷却控制时变频器根据控制信号 改变输出电压频率 控制磁力驱动泵的供水能力 向锅炉外胆注入冷却水 冷却水与内胆 水进行热交换来实现锅炉内胆水降温 锅炉水温双极性控制系统的控制信息流程图如图 1 所示 图 1 锅炉水温双极性控制系统的控制信息流程图 3 3 系统软件设计系统软件设计 3 1 温度控制算法程序设计思路 锅炉温度控制系统是过程控制中常见的系统 也是十分重要的控制对象 相对于压力 流量 液位等控制对象来说 温度对象具有大滞后 非线性和时变的特点 而且锅炉水温 的升温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 针对温度双极性控制的升温 恒温 降温的不同阶段要做相应的控制设计 本设计使用的双极性 PID 控制是一种固定 PID 控制 自适应 PID 控制和外围程序控制 相结合的控制方式 并在控制算法中引入了偏差死区 输出死区 输出限幅 积分分离 积分清零等多种控制手段 对于设定值温度控制和程序曲线温度控制使用不同的程序控制 方式 以达到相应的控制效果 3 2 双极性PID算法设计 本控制系统中选用了西门子 S7 300PLC 采用 STEP7 V5 5 Chinese 作为软件编程环境 将温度双极性 PID 控制算法采用梯形图 LAD 编程语言实现 在工程管理器窗口中新建一个功能模块 FB2 在 FB2 模块声明表中添加要用到接口变 量 接口变量的参数类型类型包括输入参数 IN 输出参数 OUT 输入 输出参数 IN OUT 静态数据 STAT 和临时数据 TEMP 其中前三种参数 FB2 功能块被调用时都能 被用户看到 静态数据可以储存在背景数据快 DB 中 临时变量只在 FB2 功能块程序执行 时才生成 调用 FB2 功能块执行结束后 临时变量内数据将丢失 详细参数声明见附录表 1 当程序需要的参数定义完毕后即可编写控制程序 图 2 为功能块 FB2 中双极性 PID 控 制算法流程 程序编写完成后需为 FB2 创建一个背景数据块 在工程管理界面中插入一个数据块 DB2 在 DB2 数据块属性框的类型选项中分别选择 背景数据块 FB2 这样就为 FB2 分配了一个背景数据块 DB2 DB2 会为 FB2 中的静态变量自动开辟储存空间 S7 300 PLC 中双极性温控 PID 算法设计 3 图 2 双极性 PID 算法流程图 3 3 双极性温控PID模块设计 FB2 作为连续控制器只有在以固定时间间隔调用块时 在控制块中计算的值才是正确 的 为此 应该在周期性中断 OB OB30 至 OB38 中调用 FB2 控制块 并在 CYCLE 参数 S7 300 PLC 中双极性温控 PID 算法设计 4 中输入采样时间 本设计选用周期性中断组织块 OB35 调用 FB2 功能块 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 PIW292 的 A D 数值 并转换成锅炉内胆液位和锅炉内胆水问的工程值 2 积分分离程序 设定积分分离带为 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 3 积分清零程序 设定相应积分清零条件 当积分清零条件满足时 I ITL ON 置为 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果在成控制的滞后和超调 4 加热 冷却辅助控制程序 在温度双极性 PID 控制程序的加热输出为 0 时 根据恒 温要求 使加热输出维持在最大输出的 5 即此时仍以最大加热功率的 5 加热 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 设置冷却输出为最大输出的 25 防止冷却水倒流 5 输出操作程序 使用模拟输出转换块 FC106 将模拟输出操作规范化 即将 FB2 控 制程序的运算得到的实际物理量 LMN 转化为模拟输出模块需要的 0 27648 之间的 16 位 整数 如果 LMN 值在 0 100 之间 则加热回路工作 加热功率为最大加热功率的 LMN 100 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最大供 水流量的 LMN 100 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 4 温度控制的辅助程序设计 设计中辅助程序主要在循环组织块 OB1 中 主要实现的功能包括 1 启停 PID 温控程序 以外部输入端子 I0 0 和上位机控制按钮 M0 0 实现 PID 温控程 序的启动与停止的切换 当启动 PID 温控程序时 FB2 根据中断组织块 OB35 的中短周期 周期性的执行内部程序 刷新输出值 2 调节值的自动 手动切换 以外部输入端子 I0 1 和上位机控制按钮 M0 1 实现调节值 的 PID 温控程序运算与手动输出的切换 当切换到调节值手动输出时 FB2 的 MAN ON 置为 调节值 LMN MAN 值 此时 OB1 调用功能 FC1 可通过外部输入端子 I0 2 和 I0 3 手动增加 降低 MAN 值 3 启停温度自动设定 以外部输入端子 I0 4 和上位机控制按钮 M1 1 实现温度设定值 的手动设定与自动设定的切换 当启动温度自动设定时 OB1 即调用的 FB1 温度自动设定 功能 根据 OB1 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 实现温度自动设定 当选用温度手动设定时 OB1 调用功能 FC1 可通过外部输 入端子 I0 2 和 I0 3 手动增加 降低设定值 SP INT 4 防按键抖动 当点动数字量输入给定板 I 时 难免产生按键抖动 造成相应 I O 输 入点状态的多次改变 相应程序重复操作 误操作等影响 为了避免这一现象 在 OB1 程 序中设计了防按键抖动功能 在按钮状态改变后即定时 0 3 秒 0 3 秒内即使按钮的状态改 变也做原状态处理 S7 300 PLC 中双极性温控 PID 算法设计 5 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 设定值温度控制时 锅炉内胆水的初始水温 21 8 第一阶段为恒温控制 设定水温 为 22 0 第二阶段为升温阶段 设定值阶跃到 50 0 第三阶段为降温阶段 设定值阶 跃到 45 0 控制过程中 PID 参数一直设定为 20 80 1 设定值温控响应曲线如图 3 所示 图 3 设定值温度控制响应曲线 从监控曲线上可以看出 在设定温度阶跃值为 26 0 的情况下 其控制的结果能稳定 在 49 8 50 2 左右 超调量为 0 5 没有大的波动 允差为 0 2 而且相应速度较 快 满足自动控制系统稳定性 准确性 快速性的要求 在设定值阶跃值为 15 0 的情况 下 滞后时间为 5min 超调量为 3 0 但衰减比为 6 允差为 0 2 满足自动控制系统稳 定性 准确性的控制要求 表 1 程序温控时 PID 参数设置 控制过程TKpTi s Td s 升温阶段1s20801 恒温阶段1s201001 降温阶段1s101502 图 4 程序曲线温度控制响应曲线 程序温度控制时 升温阶段设定温度上升速率为 1 5 min 恒温阶段设定值为 60 0 降温阶段设定温度下降速率为 1 min 不同控制阶段 PID 参数如表 1 所示 S7 300 PLC 中双极性温控 PID 算法设计 6 程序温控响应曲线如图 4 所示 由程序曲线温度控制响应曲线可以看出个阶段的控制效果 升温阶段 系统的滞后时间依然为 1min 调节值的波动幅度很小 输出基本稳定 锅 炉水温与设定温度的偏差在 0 2 恒温阶段 系统的超调量在 1 2 内 稳态误差在 0 2 内 降温阶段 系统的滞后时间为 4min 在降温过程中锅炉水温曲线值穿越设定值曲线的 次数大幅减少 基本能跟随设定值变化 6 6 结论结论 实现了在西门子 S7 300 PLC 自编 PID 算法程序实现对模拟工业对象的锅炉水温的双 极性控制 使用双极性温控 PID 模块作为温度控制程序时能够减小系统超调量 使稳态误 差稳定在 0 2 以内 在程序温控的升降温阶段 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 虽然在没能减少系统的滞后时间 但整体上达到了设计的要求 在上位计算机上实现 Wincc 组态软件监控 以及变频器 各种传感器 仪表的使用 参考文献参考文献 1 刘华波 何文雪 王雪 西门子 S7 300 400PLC 编程与应用 M 机械工业出版社 2011 2 王树青 戴连奎 玉 玲 过程控制工程 化学业出版社 2011 5 6 30 58 3 Astrom K J Hagglund T PID Controllers Theory Design and Tuning M 2nd Edition Research Triangle Park North Carolina Instrument Society of America 1995 4 于海生 计算机控制系统 机械工业出版社 1010 101 5 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 6 西门子工业自动化控制集团 MM440 使用手册 2008 101 115 Design of S7 300 PLC Dual Polarity PID Algorithm Abstract The design can compile PID programming module independently to achieve the simulation of industrial objects electric heating boiler and cooling bipolar control based on Siemens S7 300 programmable logic controller Design of the bipolar PID algorithm has used position type algorithm the STEP7 ladder diagram as a programming language and a structured programming With the introduction of control Algorithm it can operate PID algorithm only when it ranges the deviation in the control so as to avoid integral saturation phenomenon In order to suppress the small constant oscillation due to adjustable variables caused by quantization at the same time 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