基于FB41与FB43的夹套锅炉温度控制系统设计

1、 基于FB41与FB43的夹套锅炉温度控制系统设计殷华文 田金云（南阳理工学院电子与电气工程系，河南南阳，）摘要：在西门子FB41与FB43软模块平台下，设计了夹套锅炉温度控制系统。系统的硬件部分进行了设计；接着对FB41与FB43模块的算法进行了介绍并详细阐述了FB41与FB43组合在一起实现控制的过程，在此基础上，对程序进行了设计；最后通过改变给定值与干扰信号对系统进行了验证; 结果表明：系统的输出能快速准确地跟踪给定信号，达到了良好的控制效果。关键词：PLC; FB41; FB43; 温度; 算法中图分类号：TP278 文献标志码：BDesign of boiler temperatur

2、e control system based on FB41 and FB43Yin Hua-wen, Tian Jin-yun(Department of Electronics and Electrical Engineering Nanyang Institute of Technology, Henan Nanyang, China,)Abstract:Temperature control system of boiler was designed based on FB41 and FB43 module. First the hardware system was designe

3、d; Then the algorithm of FB41 and FB43 was introduced, and the process of elaborating together with FB41 and FB43 to realize control was introduced; Finally the program was designed; On this basis, control system was test by set value and disturbance signal; Results show that: the system output can

4、track the set signal fast and accurately, and the good control effect was achieved.Key words: PLC; FB41; FB43; temperature; algorithm1. 引言温度是工业对象中主要的被控参数之一1。PLC作为主流的自动化控制设备，使得其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，它配套的FB41 PID软件和FB43 PWM软件，功能完善，控制效果好。但是算法复杂，控制参数多（分别有35和14个参数），学习和使用

5、比较难。由于大多数用户对于FB41和FB43软件模块的算法思想理解不够深入，参数意义不明确，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. 系统组成本系统以S7-300 PLC作为控制器，控制对象为自制的小型模拟不锈钢夹套锅炉，其内胆容积25L，夹套容积23L。上位机一台，通过MPI通讯与PLC相连，实现对系统的操作与监控。温度传感器采用热电阻，信号经变送仪表输出标准信号接入PLC模拟量输入模块，在经FB41与FB43对信号运算处理后输出脉冲信号控制继电器的通断，从而控制加热丝的通电占空比以此来控制锅炉

6、温度。系统的接线图如下(带防干烧联锁)：图1 锅炉温度控制回路接线图3. 控制算法(1)FB41的算法FB41“CONT_C”是采用位置式PID算法思想设计的控制软件模块3,4。FB41的算法设计很完善，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。它的积分分量可以清零、保持，这就方便实现抗积分饱和或积分分离。微分分量可以直接输出，也可以延迟衰减输出。FB41输出的是模拟量控制信号。FB41.CYCLE参数是PID控制的采样周期，也即PID的控制周期。即每一个控制周期，PID算法采样一次过程变

7、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。其算式如下2,3。 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，若放在OB1主循环中是不合适的，因为主循环的扫描周期是不固定的，一般和FB41.CYCLE设置值不一致且相差较大，放在OB1中将使CYCLE设置失去意义。(2)FB43的算法FB43“PULSEGEN”称为脉冲宽度调制器，即PWM模块3,4。可以将输入变量“INV”（Input Value= PID控制器的调节输出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。FB43.PER-TM：PE

8、RIOD TIME（周期时间）脉冲宽度调制的恒定周期。FB43.CYCLE：SAMPLING TIME（采样时间）FB43模块的采样时间，也即PWM模块的调用周期。而FB43.PER-TM周期时间是若干个FB43.CYCLE采样时间之和。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。当把FB43模块放在OB35定时中断服务程序中时，时基信号就是OB35的定时中断时间，也就是FB43.CYCLE时间。如果定时中断时间是100ms，为了实现PER-TM=5s=5000ms的定时，FB43模块内部应设置计数器cnt1，计数器的初值应设置为5000m

9、s/100ms=50。每个OB35周期调用一次FB43模块，对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)*5000ms=1500ms, cnt2的计数初值设为1500ms/100ms=15，每个OB35周期调用一次FB43模块，对cnt2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。下一PER-TM

10、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。cnt2也是循环计数的，只是计数初值在每个FB43.PER-TM周期是可变的。FB43.SYN_ON：SYNCHRONIZATION ON（同步接通）对于FB43模块，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PER-TM周期，这时应当把实现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，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变化了，并且对FB43模块的调用不在一个PER-TM周期的第1个或最后

11、两个调用循环中，可以进行同步。如果INV的改变恰好赶在PER-TM周期中第一次或最后两次调用FB43模块时(这可通过检测cnt1的当前计数值来判断)，则不必为了同步而重新启动一个新的PER-TM周期，因为这时的输出脉宽就是按最新的INV值计算出来的。“P_B_TM”，MINIMUM PULSE/BREAK TIME（最小脉冲/间隔时间）。PWM调节输出的执行设备往往是继电器、接触器、电磁阀等。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。下图是在“P_B_TM”时间约束下的单极性PWM输入输出转换曲线。当PWM输出 PER-TM -P_B_TM，直接按10

12、0%输出，亦即执行器不断开。图 2 “P_B_TM”时间约束下的单极性PWM输入输出转换曲线(3)FB41与FB43的结合本控制系统中，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3 FB41和FB43的联用PID调节的输出即FB41.LMN连接到FB43.INV端，经过FB43的脉宽调制，在FB43.QPOS输出端上将以SAMPLING TIME的步长转换成脉冲宽度。脉冲的宽度正比于INV的大小。PWM脉冲发生器的采样时间和“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.PER-

13、TM：当FB41和FB43联用时，这相当于“CONT_C”控制器的控制周期，应该和FB41.cycle设置一样。FB43.CYCLE：FB43模块的调用时间必须恒定，所以应该放在OB35定时中断中，并且OB35的中断周期设置应该和FB43.CYCLE一致。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（FB41.cycle/FB43.cycle）次，才执行一次FB41。这样就需要在OB35中断

14、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，开始下一个PID循环。本控制系统中，设置FB41.cycle=5000ms，FB43.cycle=100ms。脉冲调节的精度即是100ms，而100ms/5000ms即是脉冲调节的分辨率。FB41.cycle/FB43.cycle相当于调用FB41的衰减系数，直接实现了它们之间的同步。下图即是FB41和FB43的时序关系。图 4 FB41和FB43的时序关系设置FB41.cycle时间的大小要根据

15、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，可以将对象全功率加热10分钟，然后计算温度每升高0.1需要的时间作为控制周期设置的依据。因为现场温度变送仪表的分辨率为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依据。以下是将锅炉内胆注满水后全速加热十分钟的温度变化情况：T: 51.08761.087 t: 15:34:12:02315:37:15:066据此计算温度升高0.1所需时间为1.

16、83s，所以应设置FB41.cycle=2s。由于对于25L的锅炉内胆来说，加热功率4.5kw相对较大，为了减少热惯性，所以实际设置FB41.cycle=5s。在本控制系统中，设置“P_B_TM”=100ms，也即当PID调节结果小于2.0以下，PWM的调节输出QPOS在100ms以下时，这时继电接触器不动作。当PID调节结果大于98.0时，PWM的调节输出QPOS在4900ms以上时，继电接触器也不再断开。4. 程序设计根据上述介绍，可以对系统的程序进行设计。程序主要包括三部分，分别是初始化程序、主程序、100ms中断服务程序，程序流程图如下。图5 温度控制程序结构和流程图5. 控制结果本控

17、制过程采用PI调节，P=3，I=200s，初始水温25，初始设定值为40，然后设定值阶跃为70，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，能够抑制设定值和冷却水扰动的影响。图6 锅炉内胆水温控制曲线当温度偏差进入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，虽然没有取消积分作用，但积分分量一直为0，相当于取消积分作用即积分分离，使得系统热惯性得到抑制，避免了超调。当温度偏差进入|e|1.5区域时，重新启动积分作用，以消除余差。积分作用的启闭控制是通过对FB41. I_ITL_ON位的置复位实现的，积分初值通过FB41. I_ITLVAL端设置。在这里我们为了抗积分饱和，将积分初值I_ITLVAL设为0。6. 结论在此系统中，基于FB41与FB43软模块的控制算法使得控制器输出的是脉冲信号，从而使得通过控制继电器的通断来实现对温度精确的控制成为了现实。与一般通过输出模拟信号控制可控硅的通断实现温度的控制相比，本设计可以大大节约成本。为在工程中实现温度控制提出了一种新的解决方案。参考文献：1 俞红卫.一种PID控制与模糊控制相结合的智能温度控制系统J.上海应用技术学院学报，2007，（7）：106-109.2