基于S7-300PLC流量前馈反馈闭环过程控制系统

1、题目：基于 s7-300plc 流量前馈/反馈闭环过程控制系统1 引言目录12 基于 s7-300plc 流量前馈 / 反馈闭环过程控制系统硬件方案计22. 1 流 量 前 馈 / 反 馈 闭 环 系 统 硬 件 系 成 22.2 流量前馈 / 反馈闭环系统硬件系统电气接线图设计 33 s7-300plc流量前馈 / 反馈闭环过程控制系统设计 33.1 流量前馈 / 反馈闭环系统控制原理33.2 流量前馈 /反馈闭环系统 plc 硬件组态论述3.3 流量前馈 / 反馈闭环系统控制程序流程图论述353.4 流量前馈 / 反馈闭环系统控制程序功能设计64流 量 前 馈 / 反 馈 闭 环 系 统

2、上 位 监 控 系 统 设 计 84.1 s7-300 与 wincc 建立通讯连接84.2 流量前馈 / 反馈闭环系统数据词典论述4.3 流量前馈 / 反馈闭环系统工艺图形组态894.4 流量前馈 / 反馈闭环系统历史趋势组态104. 5 流 量 前 馈 / 反 馈 闭 环 系 统 实 时 趋 势 组 态 114.6 流量前馈 / 反馈闭环系统数据报表组态125 流量前馈 /反馈闭环系统调试及结果分析125.1 系统调试及结果分析125.2 结果分析与总结13结束语14附录：带功能注释的源程序1511 引言设计 s7-300plc 流量前馈/反馈闭环过程控制系统,实现 s7-300 作为主站

3、控制 器，主从站通过 profibus-dp 实现通讯连接，实现主-从站的数接收与发送。主程序 ob1 功能：系统启动、停止和复位：定时中断子程序 ob35，每 100ms 进入中断程序一次，通过功能块 fc105，fc106 处理模拟量数字量间转换，采 用 fb41 作为 pid 模块。设计一个手动输出量 lmn 的控制器，控制电动执行器阀门开度为 70%，提 供流量 2 前馈信号。反馈控制器设计：反馈控制器为流量内给定量 700 升，整定 pid 参数、量程 上/下限、过程量采集、控制量输出等功能。死区设定为 5%。采用 fc105 块实现实时读取模拟量 sm331 模块的流量反馈量，并进

4、行流量 物理量刻度转换，送入 pid 木块 fb41 的过程量输入端通过循环中断，定时用 fb41 的 pid 算法功能块，实时计算控制量 lmn 输 出采用 fc106 块把 pid 模块输出的控制量转换为标准的数字量，送入模拟量输 出模块 sm332，作为电动机执行器输入信号，来控制阀门开度数据块 db 定义参数，并作为背景数据存储系统有总启动、停止按钮操作功能同时，系统要求无超调量，稳态误差 3%，加前馈扰动能克服采用 wicc 上位监控软件，设计出流量前馈/反馈的上位机监控系统，包括 建立通信、数据变量组态、工艺图形组态、数据组态与显示、趋势组态与显示、 报表组态与显示等功能。22 系

5、统总体方案设计2.1 硬件系统组成该系统由计算机、s7-300plc 控制器、电动执行器，流量监测器组成。 计 算机在系统中作为上位监控，plc 为控制层，发送控制命令，电动执行器为被控 对象。 如 图 2.1。图 2.1 硬件系统结构图2.2 硬件系统电气接线图设计系统连接全部采用寄存器方式，按下开始按钮，启动控制，输入 pid 参 数及给定量，电动执行器自动调整阀门开度，自动 pid 调节，输入手动给定 量后，系统自动调整，按下停止后，系统停止运行。实现了流量前馈/反馈 闭环过程控制。 电气接线图如图 2.2。3图 2.2 电气接线图3 、流量前馈/反馈闭环过程控制系统设计3.1 流量前馈

6、 /反馈闭环过程控制原理论述前馈/反馈控制油前馈干扰通道和反馈干扰通道组成，前馈控制位开环， 按照干扰大小开控制的，反馈控制为闭环，按照误差大小来控制的，前馈干扰可 以加在反馈控制器的给定端，也可以加在反馈控制器的输出端，本系统前馈扰动 量为流量 2，反馈控制量为管路 1 流量 1,plc 控制器或上位机给定流量，流量变 送器实时检测管路 1 流量信号，并反馈到 plc 控制器的模拟输入模块，与流量 给定 sp 进行比较，根据偏差按 pid 控制算法计算实时控制量，通过模拟量输出 模块输出控制信号，来控制调节阀的开度，从而实现调节管路 1 的流量 1,。流量 2 干扰加在 plc 控制器的输出

7、端，需要一个 plc 比较控制器，来实现流量的前 馈/反馈控制系统。4图 3.1 控制原理图3.2 plc 硬件组态论述plc 硬件组态分为两部分： 主站 s7-300 的硬件组态，如图 3.2；图 3.2 主站硬件组态3.3 控制程序流程图及其论述51.1、 启动系统，开始后进入系统，按下运行后，输入 pid 参数，输入手 动给定量，系统自动运行 pid 计算，自动调节2、 信号量程范围：电动执行器供电电源：220vadc 输入信号：420ma 阀门开度：0100%2.流量变送器供电电源：24vdc输入反馈信号 420madc 流量：02500 升3.s7-300plc 控制器模拟输入 42

8、0madc 模拟输出信号：420madc数字量信号：0 控制量 lmn：0100%图 3.3 控制程序流程图3.4 程序功能实现流量前馈/反馈闭环过程控制系统，可以通过读取变量表 vat 与数据块 db 的数据和写数据到变量表与共享数据块的方法来调试系统，这种方法可以较好地6掌握系统的当前运行状态，可以更好地进行控制调节。变量表中有流量的给定值、实时反馈量、pid 参数等，这些数据一一对应共 享数据块的数据，另外还有两控制器的手动或自动控制状态值与系统运行状态 值，这些参数由 m 寄存器的值反应出来。系统变量表图如图 3.4.1 所示。图 3.4.1 定义变量背景数据块 1 中有主流量的给定值

9、、实时反馈量与 pid 参数等，另外还有 pid 控制器的手动或自动控制状态值与控制量输出参数等系统。如图 3.4.2。7图 3.4.2背景数据块 1背景数据块 2 中手动量的给定值、没有 pid 参数控制。如图 3.4.3 所示。图 3.4.3 系统背景数据块 284 流量前馈/反馈闭环过程控制系统上位监控系统设计4.1 建立通讯pc 与 s7-300plc 是通过 mpi(multi point interface)通讯方式进行数据传 输的。上位机装载了 mpi 通讯卡cp5611，如 图 4.1。图 4.1 建立通讯4.2 数据词典论述在上位系统建立好通讯连接后，要在“变量管理”中建立好

10、自己的数据词典。 流量前馈/反馈闭环过程控制系统建立的变量类型有 32 位浮点型和二进制类型 两种。其中创建的 32 位浮点型变量，设置地址属性为 db 型，使它和 300plc 中 的共享 db 数据块建立连接关系，并设置好变量的工程上下限为 02500，建立 的变量有主副流量的给定量、反馈量、控制量输出和 pid 参数等。二进制类型变 量分别设置地址属性为位内存和输出型，位内存型变量为按钮开关，包括启动和 停止按钮，输出型变量为指示灯，包括电源、运行状态指示灯等。系统数据词典 如图 4.2 所示。9图 4.24.3 工艺图形组态以及运行论述 4.3.1 组态运行论述：数据词典创建流量前馈/

11、反馈闭环过程控制系统的运行画面的工艺图形组态，首先要 在图形编辑器中右键新建画面，给画面命名为“运行画面”。插入静态文本框， 起画面标题名为“基于 s7300plc 的流量前馈/反馈闭环过程控制系统”。接着 在旁边的工具栏中加入需要的元素组态，有按钮、指示灯、数据等。插入动态文 本框，创建显示的数据，包括主副流量的给定、实时反馈、控制量输出、比值系 数和 pid 参数等。创建的按钮有启动、停止、历史趋势、实时趋势、数据报表和 返回主画面按钮。启动、停止按钮连接 300plc 中的 i 变量，控制系统启停。在 历史趋势、实时趋势和数据报表按钮中建立“鼠标连接”到历史趋势画面，可以 切换到历史趋势

12、画面、实时趋势画面和数据报表画面。在返回主画面按钮中建立 “鼠标连接”到主画面，可以切换到主画面。最后用工具库中的各图形组态在画 面中央绘制一个双闭环流量比值闭环控制系统的工艺图形组态。系统运行画面工 艺图形组态图如图 4.3.1 所示。10图 4.3.1 开始画面点击“进入”按钮，显示图 4.3.2 所示的画面；图 4.3.2 工艺画面点击“启动”即可进入工作状态；输入 pid 参数，手动给定值 4.4 历史趋势组态及运行论述首先定义归档变量，选择归档，右键选择归档向导，编写归档名称，连 接添加需要的相应变量，保存后创建，就完成了归档变量的创建，当中包括 主副流量的给定量和实时反馈量。创建“

13、历史趋势”画面，写好画面名称后， 在画面中插入历史趋势曲线图，双击设置历史趋势画面的数据源类型为归档11变量。最后创建一个返回按钮，连接到系统运行画面。运行画面，显示出系 统处于稳态的各变量的历史趋势曲线图。系统历史趋势组态图如图 4.4 所示。图 4.4 历史趋势曲线4.5 流量前馈/反馈闭环过程控制系统实时趋势组态创建“实时趋势”画面，写好画面名称后，在画面中插入实时趋势曲线图， 双击设置实时趋势画面，将数据源类型改为在线变量。运行画面，显示出系统处 于稳态的各变量的实时趋势曲线图。系统实时趋势组态图:如图 4.5 所示。图 4.5实时趋势124.6 流量前馈/反馈闭环过程控制系统数据报表

14、组态创建“数据报表”画面，写好画面名称后，在画面控件栏中插入数据报表， 双击设置数据报表参数，将数据源类型改为归档变量，其中主要包括主副流量的 给定量和实时反馈量。最后创建一个返回按钮，连接到系统运行画面。运行画面， 显示出系统处于稳态的各变量的实时趋势曲线图。可看到系统主流量的给定量为 700，实时反馈量在 700 左右上下波动，稳态误差为 3%左右，系统几乎没有超调 量，在 2%以内。可知该流量前馈/反馈闭环过程控制系统的稳态与动态特性较好。 系统数据报表组态图如图 4.6 所示。图 4.6数据报表5 系统调试及结果分析5.1 系统调试过程及结果 ：该系统是流量前馈/反馈闭环过程控制系统，

15、流量为主要控制对象，前 馈控制为扰动对象，流量的控制输出量作为给定量，因此它直接传递给 plc， 一阶控制系统。所以在现场调试中只要设置好量的控制参数，按合适的比例 系数设置 pid 参数就行了。流量前馈/反馈闭环过程控制系统很快达到稳态。 系统的流量给定值为 700ml，稳态误差控制在 3%左右，没有大的振荡，得出13系统的稳态特性为很稳定。5.2 结果分析与总结：问题：1、编好的程序后，检查通电加给定量，但执行器不运行。 2、pid 参数设定后没有效果没有很大改变。解决：1、对于问题 1 我们经过多次的检查程序无误后，排除程序问题后， 发现是在设定变量表的时候，为把给定量设置成浮点型，导致

16、执行 器无法识别我们所给定的数据。2、对于问题 2，经过询问老师，以及查阅资料后，调整了 pid 的设 定方法，总结了一下错误的原因是 pid 三个参数差距过于大，导致 系统早已经开始振荡。经过调整后，大幅改善。14结束语两个星期的课程设计结束了，通过了学习以及设计调试过程，我学会了通过 s7300 的流量前馈/反馈闭环过程控制的设计，实现了以下技术功能。（1）采用现场总线 mpi（cp5611）通讯技术，实现了 pc 机与 300plc 的通信。 （2）采用 s7300plc 编程，实现了对流量前馈/反馈闭环过程控制功能， 并可以通过变量 vat 表和数据 db 块实时发送系统流量控制命令和接收系统的流 量的各实时变量参数的双向通信功能。（3）采用 wincc 设计系统的上位监控界面，实现了现场在监控界面上实时调节 流量的 pid 控制参数和读取反馈回来的流量的控制输出量。通过流量前馈/反馈