08S7-300在模拟量闭环控制中的应用ppt课件.ppt

第8章S7 300在模拟量闭环控制中的应用 电气控制与可编程控制器 1 2 PLC常用控制方法 SCS SequenceControlSystem 程序和顺序控制 MCS ModulatingControlSystem 例如 PID控制作为基本MCS 复杂控制 串级控制 混合控制 比值控制等 最优控制 现代控制理论算法实现的控制 自适应控制 给定值随着某种规律自动调整 使生产过程始终处于最佳工作状态 模糊控制 控制决策 目标 用模糊规则来实现 3 S7 300组成的控制系统 4 图8 1PLC模拟量闭环控制系统原理框图 8 1模拟量闭环控制的基本概念8 1 1模拟量闭环控制系统的组成1模拟量单闭环控制系统的组成 5 原理 AI TC RTD 模块采集过程值 经CPU执行PID控制算法 AO 或DO 实现控制 优点 节约费用 使用灵活 缺点 不能独立控制 占CPU时间 SFB41SFB42SFB43SFB58SFB59 2S7 300实现闭环控制的方法 软件PID控制器 6 举例 SFB41SFB42SFB43SFB58SFB59 7 闭环控制模块模块FM355C 4路模拟量连续输出FM355S 8路步进或脉冲输出功能可运行于自动 手动模式 安全模式 跟随模式 自整定温度控制算法 PID算法 即使CPU故障或停机 模块仍能独立工作 应用温度 压力 流量 液位控制 4AI 4AO 8DI4AI 8DO 8DI 控制算法 8 3PID控制器概述 PID控制 ProportionalIntegralDifferential PID意为比例 积分 微分 PID控制是自动控制中一种重要的常规控制方式 PID控制实现的方式模拟PID 控制器用模拟电路实现数字PID 通过软件实现PID数字运算 9 数字PID控制器的优点不需要被控对象的数学模型结构简单 实现容易 参数调整方便通用性强 是一种万能控制器控制算法灵活 可靠性高 10 8 2数字PID控制器8 2 2PID控制器的数字化1 PID控制器表达式 其中 KP为比例系数 TI为积分时间常数 TD为微分时间常数 M为积分部分的初始值 传递函数 11 PID控制器的结构图如下 2 PID算法的数字实现数字PID主要有三种算法 位置算法 增量算法和速度算法 S7 300PID功能块SFB41是位置算法 12 由PID表达式设PID控制器采样周期为Ts 对上式进行离散化处理 积分项用累加近似代替 微分项用差分近似代替 则连续系统表达式变为 13 整理后得 式中 Ts t为采样周期ev n ev n 1 为第n次和第n 1次采样时的偏差值mv n 为第n次采样时控制器的输出值位置算法的特点 控制输出与阀门位置有一一对应关系 故称位置算法 每次都需计算阀位的绝对位置 需采用措施来防止积分饱和和手自动切换的扰动现象 上式中 KP TI TD M分别对应SFB41的GAIN TI TD和I ITLVAL 14 3 不完全微分PID微分项的弱点 在标准的PID算式中 当有阶跃信号输入时 微分项急剧增加 容易引起调节过程的振荡 导致调节品质下降 解决 不完全微分PID算法基本思想仿照模拟调节器的实际微分调节 加入惯性环节 以克服完全微分的缺点 不完全微分PID的传递函数为上式中 KP TI TD M意义同前 Tf惯性环节时间常数 对应SFB41的TM LAG 15 4 带有死区的PID控制算法在某些控制系统中 当偏差比较小时 为了避免控制动作过于频繁 以消除由此所引起的振荡给设备带来危害 可采用带死区的PID控制系统 死区的PID概念 是人为地设置一个不灵敏区域B 当偏差 ev t B时 减弱或切除控制输出当偏差 ev t B时 正常控制输出这里的死区B对应SFB41中的DEADB W 图8 3带有死区的PID控制 16 8 3S7 300的模拟量闭环控制功能8 3 1S7 300实现闭环控制的方法1 FM355闭环控制模块S7 300闭环控制模块 用于压力 流量 液位等控制 内有自优化温度控制算法和PID算法 FM355模块不受CPU影响而独立工作 FM355有4个AI 可接热电阻 电流 电压信号 FM355C用于连续控制器 有4个独立的AO 可组成定值 串级 比值等控制方式 FM355S用于数字量步进或脉冲控制器 有8个DO 17 2 闭环控制系统功能块SFB41 SFB43 通过AI AO DO 模块实现PID控制 其中 通过AO实现连续控制 SFB41 通过DO实现步进 SFB42 或脉冲控制 SFB43 3 闭环控制软件包FB41 FB43用于PID控制 功能同SFB41 SFB43 FB58和FB59用于PID温度控制 模糊控制 神经网络控制 PID自整定等软件包 18 8 3 2闭环控制系统功能块1 系统功能块的调用SFB41用于连续控制SFB42用于步进控制SFB43用于脉冲宽度控制调用方法如下 指令树 Library StandardLibrary SystemFunctionBlocks 插入块2 闭环控制软件包的调用功能块FB41 FB42 FB43与SFB41 SFB42 SFB43兼容 调用方法如下 指令树 Library StandardLibrary PIDControlBlocks 插入块 19 3 PID控制程序的编制和采样周期的选择可在FB或FC里调用系统功能块SFB41 SFB43注 调用SFB41 SFB43的FB或FC必须放在定时循环中断OB35 OB30 OB38 中被调用 OB35的循环中断时间即为PID控制器的采样周期TS 采样周期TS与CPU性能有关 需要根据运算速度和控制周期折衷选择 可以在CPU属性中设置 20 21 调用系统功能块必须指定背景数据块例如 STL CALLSFB CONT C DB300LAD 背景数据块保存了功能块的输入 输出结果 可以在PLC程序中或WINCC软件访问相应的数据 见图 22 梯形图 语句表 23 SFB41的背景数据块DB300 24 8 4连续PID控制器SFB41SFB41为连续控制器 控制输出为AO量 基本控制是恒值控制 例如 恒压 恒温 恒速控制等 连续控制器SFB41的原理框图如图8 4所示 25 26 1 设定值的输入SP INT 设定值 setpoint 浮点数格式 2 过程变量输入格式选择有两种输入方式 PVPER ON 0 选择PV IN作输入 浮点格式的工程值PVPER ON 1 选择PV PER作输入 A D采集的数字量 27 3 外部设备过程变量转换为浮点数PVPER ON 1时PV IN选择A D采集的数值 字 内部需要转换为浮点数 百分数 PV R PV PER 100 276484 外部设备过程变量的标准化对PV R格式化 PV NORM的输出 PV R PV FAC PV OFFPV FAC 过程变量系数 默认值取1 0PV OFF 过程变量的偏移量 默认值取0 0PV FAC和PV OFF可用来调节过程输入的范围 PV 过程变量中间输出 28 8 4 2PID控制算法1 误差的计算与处理误差 SP INT PV 死区处理 ER Error 中间输出变量 死区带由DEADB W确定 29 2 控制器的结构数字PID算式 对应PID结构图 其中 GAIN TI TD分别对应KP TI TDTM LAG 惯性环节时间常数 30 P SEL I SEL D SEL P I D投 切选择LNM P LNM I LNM D P I D分量的输出DISV Disturbance 扰动量 可实现前馈控制3 积分器的初始值COM RST 1 执行完全重新起动 初始值为I ITLVALINT HOLD 1 积分保持 积分输出被冻结 31 8 4 3控制器输出值的处理1 手动模式MAN ON 1为手动调节 0为自动调节2 输出限幅LMN HLM LMN LLM 控制器输出上限和下限设定值QLMN HLM QLMN LLM 控制器输出超上限或超下限的状态输出 32 3 输出量的格式化对限幅后的输出LMN LIM格式化 LMN LMN LIM LMN FAC LMN OFF其中 LMN 控制器浮点格式输出LMN FAC 输出量系数 默认值取1 0LMN OFF 输出量的偏移量 默认值取0 04 输出量转换为外设格式把浮点格式的控制量转换成数字量 LMN PER LMN 27648 100 33 34 8 4 4连续PID控制器SFB41编程1 A D采集直接读取A D转换值 例如PIW7252 标度变换调用FC105 ScaleConvert 进行标度变换调用FC106 UnscaleConvert 反变换3 过程变量的输入 把A D采集值输入到PV VER 经FC105换算后输入到PV IN4 D A输出直接控制器输出LMN PER送到D A模块 例如PQW725 35 模拟量的采集及标度变换模块FC105 36 SFB41连续控制器的输入参数 37 SFB41 连续控制 的输入参数 续 38 SFB41 连续控制 的输出参数具体控制时 需要把上述参数输入相应的数据块 连续控制软件包 FB41 的参数 与上述参数相同 39 8 4 5闭环控制模块FM355的使用 硬件安装与接线FM355模块可以安装于S7 300的中央机架 也可以安装于分步式I O的ET200M中 在分步式I O中安装FM355模块时 ET200M中最多可以插入一个模块 4个PID回路 S7 300CPU中央机架通常可以连接8个模块 可查看CPU技术规范 前连接器分左右两个20针接线端子 40 FM355C可接4个AI作为反馈值 4个AO作用于执行器 8个DI用于回路参数选择 FM355S可接4个AI作为反馈值 8个DO作用于执行机构 每个回路最多2个输出 如温度控制器中一个作为加热输出 一个作为冷却输出 8个DI用于回路参数选择 模块的AI输入端可接入的信号 电压 电流 可接入2线和4线制变送器 接外部50 电阻 热电偶 可选内部 外部 占第3通道 冷端补偿热电阻 恒流测量 41 系统组态及参数设置硬件配置 安装FM355附带有参数化软件包 STEP7为平台 在STEP7硬件配置中对FM355模块进行参数化 42 FM355模块过程值参数化界面 43 FM355模块偏差参数化界面 44 FM355模块控制算法参数化界面 45 FM355模块控制回路输出参数化界面 46 利用安装后的七个函数进行编程 PID FM FB31 主函数块 设定大多数参数值 读取反馈值 FUZ 355 FB32 读取模块对温度优化算法后的结果 FORCE 355 FB34 仿真 强制 模拟和数字量输入 READ 355 FB36 CPU读取模块的模拟和数字量输入 CH DIAG 读出通道的状态值和一些PID的中间值 用于对过程的判断 PID PAR FB39 对 PID FM 函数块不能操作的参数进行操作 CJ T PAR FB40 在线更改内部补偿的温度值 47 PID参数 比例项 名称数据类型默认值功能P SELBOOLTRUE比例项使能控制GAINREAL2 0放大倍数 积分项 名称数据类型默认值功能I SELBOOLTRUE积分项使能控制TITIMET 20S积分时间INT HOLDBOOLFALSE积分输出保持控制I ITL ONBOOL 积分输出再输入允许I ITLVALREAL0 0积分初值 微分项 名称数据类型默认值功能D SELBOOLTRUE微分项使