基于FB41FB43的夹套锅炉温度控制系统设计3

1、基于FB41+FB43的夹套锅炉温度控制系统设计摘要：本文全面介绍了如何用SIEMENS S7 300 PLC搭建温度控制系统的过程，重点介绍了STEP 7中FB41 PID模块和FB43脉宽调制模块的算法思想和参数设置，最后给出了控制结果监控曲线。1. 引言温度控制是重要的过程控制，PLC是主流的自动化控制器。由于现在PLC普遍具有模拟量处理技术和PID调节能力，使得PLC在过程控制领域扮演着越来越重要的角色。SIEMENS S7300/400系列PLC具有完善的过程控制软硬件产品，STEP 7软件中配有PID软件功能模块。但是由于大多数用户对于FB41 PID模块和FB43脉宽调制模块的算

2、法思想理解不够深入，致使在设计过程控制系统时存在障碍。本文以模拟夹套锅炉的温度控制系统设计为例，来说明如何使用FB41+FB43模块进行温度PID调节。.2. 系统组成控制对象为自制的小型模拟不锈钢夹套锅炉，内胆容积25L，夹套容积23L，三相电加热丝接成星形连接。控制系统用S7-300 PLC作为控制器，将STEP 7中的FB41和FB43功能块下载到CPU 315-2 DP中作为调节器。控制系统的管道仪表流程图如下：控制回路接线图如下，系统加有防干烧连锁。3. FB41和FB43的算法思想和参数设置FB41“CONT_C”是采用位置式PID算法思想设计的控制软件模块。FB41的算法设计很完

3、善，使用起来也很灵活。它的比例运算、积分运算（INT）和微商运算（DIF）是并行连接的，可以单独激活或取消。 这就允许组态成P、PI、PD和PID控制器。FB41输出的是模拟量控制信号。FB43“PULSEGEN”称为脉冲宽度调制器，可以将输入变量“INV”（= PID控制器的LMN）转换为一个恒定周期的脉冲串，每个周期的脉冲宽度与输入变量成正比。本控制系统中，由于对电加热丝的控制采用继电器/接触器作为执行器，所以FB41的模拟量输出信号须经FB43调制成占空比可调的脉冲信号才可以实现控制。 图 16 FB41和FB43都有几个和控制周期有关的参数。如果不了解它们的算法思想，则不能正确的使用它

4、们。FB41.CYCLE ：PID采样周期。采样周期就是控制周期，即每一个控制周期，采样一次过程变量当前值，和设定值比较后，进行PID运算，输出控制值给执行器，产生相应的动作，完成一次控制过程。为了保证准确有序的控制，PID运算应放在OB35定时中断服务程序中。而放在OB1主循环中是不合适的，因为主循环的扫描周期不是固定的，一般和FB41.CYCLE设置值不一致，放在OB1中将使CYCLE设置失去意义。FB43.PER-TM：PERIOD TIME（周期时间）脉冲宽度调制的恒定周期。当FB41和FB43联用时，这相当于“CONT_C”控制器的采样时间,应该和FB41.cycle设置一样。脉冲发

5、生器的采样时间-】和“CONT_C”控制器的采样时间之比决定了脉冲宽度调制的精度。FB43.CYCLE：SAMPLING TIME（采样时间）即FB43模块的调用周期。FB43模块的调用时间也必须恒定，所以也应该放在OB35定时中断中，并且OB35的中断周期设置应该和FB43.CYCLE一致。这个时间其实也是脉冲输出的精度。PID调节的输出即FB41.LMN连接到FB43.INV端，经过FB43内部的脉宽调制控制，在FB43.QPOS输出端上将以SAMPLING TIME（在这里就是OB35的中断周期即100ms）的步长转换成脉冲宽度。脉冲的宽度正比于INV的大小，而FB43.PER-TM周期

6、时间是若干个FB43.CYCLE采样时间之和。由于FB43模块的算法程序不公开，但我们可以推测 FB43模块中定时的实现是靠对时基信号的计数实现的，时基信号就是OB35的定时中断时间。在本控制系统中，为了实现PER-TM=5s=5000ms的定时，FB43模块内部应该设置计数器cnt1，计数器的初值设置为5000ms/100ms=50。每个OB35周期，cnt1减一计数，直至为0，本PER-TM=5s周期结束，重装计数初值，开始下一个周期计数。所以cnt1是循环计数工作的。为了实现输出脉宽的控制，FB43模块内部应该另外设置计数器cnt2。例如当INV=30时，输出脉冲宽度=(30/100)*

7、5000ms=1500ms, cnt2的计数初值设为1500ms/100ms=15，每个OB35周期减一计数，直至为0，即实现QPOS为ON的输出脉宽控制。当cnt2计数值减为0时，QPOS端由ON状态转为OFF状态，直至本PER-TM周期结束，亦即本PID周期调节结束。下一周期，根据新的INV值，计算cnt2新的计数值，开始下一周期的控制。 FB41和FB43之间的时序配合。当把FB41和FB43都放在OB35中的时候，就产生了这样一个问题：由于FB41.cycle和FB43.cycle不一致，每次进入OB35中断服务程序FB43都应该执行一次，而FB41则不然。进入OB35中断服务程序（F

8、B41.cycle/FB43.cycle）次，才执行一次FB41。这样就需要在OB35中断服务程序中由用户自主设置一个计数器，设为counter，初值设为（FB41.cycle/FB43.cycle），每次进入OB35，counter减一计数，减为0时，执行一次FB41。然后重装计数初值，开始下一循环。FB43.SYN_ON：SYNCHRONIZATION ON（同步接通）如果启动了自动同步，则当INV发生了改变后，为了尽快地反映这种变化，将重新启动一个新的脉冲输出周期即PER-TM，这时把实现PER-TM周期控制的计数器cnt1清零并重装计数初值。而对于新的INV数值，重新计算输出脉冲宽度，

9、清零计数器cnt2，装上新的脉冲宽度计数值，开始新的脉宽调制周期。如果“INV”变化，并且块调用不在一个PER-TM周期的第1个或最后两个调用循环中，可以进行同步。将重新计算脉冲宽度，并在下一个循环中输出一个新的PER-TM周期。如果INV的改变恰好赶在一个PER-TM周期的第一个或最后两个调用循环中(这可通过检测cnt1的当前计数值来判断)，则不必进行同步，直接按正常调节控制。如果把FB41、FB43都放在OB35中，用FB41.cycle/FB43.cycle作为调用FB41的衰减系数，则直接实现了他们之间的同步。本控制系统中，设置FB41.cycle=5000ms，FB43.cycle=

10、100ms。脉冲调节的精度即是100ms，而100ms/5000ms即是脉冲调节的分辨率。下图即是FB41和FB43的时序关系。图 17设置FB41.cycle时间的大小要根据控制系统的响应速度来设置。控制周期应该按比滞后时间、对象的时间常数小1-2个数量级来考虑。对于我们的控制过程来说，将锅炉内胆注满水后全功率加热，取其中间的一段温度变化过程。温度上升段为51.08761.087，相应的加热时间为3min3s，据此计算温度升高0.1所需时间为1.83s，所以可以设置FB41.CYCLE=2s。考虑接触器不宜快速动作和加热功率相对较大，实际设置FB41.CYCLE=5s。因为现场温度变送仪表的

11、分辨率为0.1，在温度升高0.1的过程中，控制对象、传感器、调节器、执行器都执行了相应的一步或若干步动作，这些动作蕴含了控制系统各个环节的动态特性，所以将温度每升高0.1的时间作为控制周期选择的基本依据。“P_B_TM”，MINIMUM PULSE/BREAK TIME（最小脉冲/间隔时间）最小脉冲或最小间隔时间正确赋值最小脉冲或最小中断时间“P_B_TM”，可以防止短促的开断时间，降低开关元件和执行机构的使用寿命。 图 234. 程序设计程序流程图5. 控制结果本控制过程采用PI调节，控制参数设置为：P=3.0，I=3min20s，D=0.0，FB41.CYCLE=5s，DEAD-W=0.5。初始设定值为30，然后设定值阶跃为40，稳定后夹套中加入冷却水扰动。下图是控制系统实时响应曲线。由曲线可以看出，系统没有超调，稳态误差<1，能够抑制扰动的影响。由于采用了抗积分饱和和积分分离技术，使得系统没有超调。当温度偏差进入1.5<|e|<2.0控制带时，将积分分量初始化为0，防止积分饱和，同时在这个控制区域里，取消积分作用即积分分离