FBFB夹套锅炉温度控制系统设计方案

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

2、算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 CPU315-2 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。操作台TE101执行器TJB3456AD firii-TE血t：i上位监控计算机端子柜3. FB41和FB43的算法思想和参数设置FB4

3、1 “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

4、控制。COMT.CPULSEGEN图16FB41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 0B1中将使CYCLE设置失去意义。 FB43.PER-TM PERIODTIME

5、（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 SAMPLINGTIME （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俞出

6、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-T M周期时间是若干个 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

7、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周期减一计数，直至为 0，即实现QPO诙ON的输出脉宽控制。当cnt2计数值减为 0时，QPO喘由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OB

8、35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 ONW步接通)如果启动了自动

9、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，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

10、。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=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。iwv ion 10-MH)帥 |50§2一QPOS *1 Q”-PULSEGEN 砒 FER TM-' (=CONT C cycler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

11、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51.087 C61.087 C,相应的加热时间为 3mi n3s，据此计算温度升高 0.1 C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分辨率为0.1 C,在温度升高0.1 C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 C的时间作为控

12、制周期选择的基本依据。 “ P_B_TM, MINIMUMPULSE/BREAKTIME （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。&脈冲宽度图234. 程序设计程序流程图PLC程序流程图初始化程序块主程序块100ms定时中断服务(OB100( OB1程序块(OB355. 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 30C，然后设定值阶跃为 40C，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<1C，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 C<|e| <2.0 C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