中程序控温算法设计毕业设计

1、南阳理工学院本科生毕业设计（论文）S7-300 PLC中程序控温算法设计Temperature Control Algorithm DesignBased on S7-300 PLC总 计：48 页表 格：9 个插 图：37 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）S7-300 PLC中控温程序算法设计Temperature Control Algorithm DesignBased on S7-300 PLC学 院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名：学 号：指 导 教 师（职称）：） 评 阅 教 师：完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang

2、Institute of TechnologyS7-300 PLC中程序控温算法设计自动化专业摘 要温度控制是最重要的过程控制之一，有些温度控制过程要求按照一定的升温、保温、降温曲线控制温度。西门子S7-300 PLC中FB41 PID控制模块有双极性输出功能，但是该模块不具有程序控温功能。本设计在FB41 PID控制模块的基础上进行的,自主设计的程序控温算法实现了夹套锅炉的程序控温。主要包括多段温度设置曲线程序设计，升-保-降温度段控制规律的研究和控制参数的设置。温度曲线设置采用温度-时间格式算法，本段温度设定与上段温度设定的差值，除以本段设置时间得到温度曲线斜率，以定时中断模块OB35中断

3、时间作为设置时间的时间刻度，进行线性运算，产生设定值曲线。温度曲线设置程序输出值作为FB41模块的给定值进行PID运算，正极性PID输出配合脉宽调制实现时间比例加热控制，负极性PID输出调节夹套冷却水流量实现降温控制。对升-保-降温度段选用不同控制规律和参数设置实现了程序控温，达到控温精度0.1 ，实现了设计任务。关键词温度；双极性; PID；FB41Temperature Control Algorithm esignBased on the S7-300 PLCAutomation SpecialtyGAO shiyuAbstract: Temperature control is one

4、 of the most important process control, Some temperature control process is base on ramp rate of heating up,keeping and cooling.Siemens S7-300 PLC FB41 PID control module has dual polarity output function,but the module has no program control temperature function.This design is based on FB41 PID con

5、trol module, the independent design temperature process control algorithm realize the clip set of boiler temperature control of the program.Mainly includes multistage temperature setting curve program design, study about heating up,keeping,cooling temperature control law and preferences.Setting temp

6、erature curve is by temperature-time format algorichm, the d-value is between setting temperature and last-setting temperature , this period time is divided by d-value between setting temperature and last-setting temperature ,then get the temperature curve slope. scope multiplied time get setting va

7、lue curve by linear operation. Setting value is as given value of FB41 for PID operation. Positive polarity PID output and pulse width modulation realize time-proportion heating control, negative polarity PID output realize cooling control by adjusting cool water flow in clip setting. To rise-keep-c

8、ool temperature period drop choose different control laws and parameter setting and realize the program temperature control, the precision is to 0.1 and realize the design task.Key words:Temperature;Bipolar;PID ; FB41目 录1 引言12 项目软硬件构建设计12.1项目硬件构建12.1.1 温度传感器12.1.2 变送器22.1.3 磁力驱动泵22.1.4 电磁调节阀2西门子MM44

9、0变频器2HH52P小型控制继电器3交流接触器32.1.8 压力液位变送器32.1.9 S7-300PLC32.2 项目软件介绍32.2.1 SIMATICSTEP7软件32.2.2 wincc软件组态43 控温算法构建63.1 双极性控制实现83.1.1 “CONT_C“ SFB41连续控制模块83.1.2 SFB43 脉冲输出模块10“SCALE“ FC105数值转换功能10“UNSCALE“ FC106取消标定值功能113.2 多段斜率控温的实现12多段斜率控温的设计思路12多段斜率控温的适应性14多段斜率双极性控温算法程序流程图144设计调试分析15.温度对象特点15.2不同控制规律结

10、果分析174.2.1 P控制规律现象分析17 PI控制规律现象分析18 PD控制规律现象分析194.2.4 PID控制规律现象分析204.3总结分析21结束语22参考文献23附录24致谢481 引言PLC是主流的自动化控制器，现在还广泛用于过程控制。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。PID是过程控制中最基本、最常用、最重要的控制算法。SIEMENSS7300/400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1。温度控制是最重要的过程控制之一，而有些温度控制过程对升降温斜率有要求，即按照一定

11、的升温、保持、降温曲线控制温度。能够实现加热冷却双极性控制的PID算法可以实现设定值曲线控制，在工程实际中有很多应用。2 项目软硬件构建设计2.1 项目硬件构建本次毕业设计主要通过温度传感器检测锅炉水温，经智能仪表做温度变送器，传递4-20mA标准信号，经西门子sm331模拟量输入模块输入，经CPU模块进行PID运算后，通过是sm332模拟量输出模块或者sm322数字量模块输出4-20m标准信号或者数字信号，来控制调节阀的开度或继电器的状态，从而控制夹套降温和锅炉内胆加热丝加热。控温程序的处理主要应用西门子的step7软件来完成，上位机的监控由wincc组态软件来完成。2.1.1温度传感器夹套

12、使用的是铂电阻（Pt100）温度传感器，内胆选用铜电阻（Cu50）温度传感器，实物图如下图1所示，测温范围2见表1。金属铂Pt100（R0=100）具有电阻温度系数大，感应灵敏；电阻率高，元件尺寸小；电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系；在测温范围内，物理、化学性能稳定，长期复现性好，测量精度高，最常用的一种温度检测器；铜电阻（Cu50）温度传感器为避免因连接导线的电阻随外界温度变化而更降低测温精度时，应采用三线制，接线方法如图2所示：表1 传感器技术指标名称分度号测量范围误差铂电阻温度传感器Pt100-200850±（0.10+0.017t）名称分度号测量范围误差铜电阻温度传感器C

13、u50-50150±（0.10+0.017t）图1温度传感器接线图2.1.2 变送器AI818型智能仪表硬件采用了先进的模块化集成设计，具备功能模块主要有：辅助输入、主输出、报警、辅助输出及通讯。仪表的输入方式可自由设置为常用各种热电偶、热电阻和线性电压（电流）。用于恒压供水时，作为控制器使用，输出电流信号送给西门子变频器MM440，接收压力仪表PE的反馈信号，内部运用PID调节，促使压力信号稳定。作为温度变送器时，AI818仪表使用变送和显示功能，具体的参数设计如下：HIAL:99.99; LOAL:0; Ctrl:0;Run:0或1；Sn=20（内胆）或21（外胆），其他参数保持

14、默认设置，接收温度传感器的信号，经自身内部运算，显示实时温度，同时也把信号传送到PLC模拟量输入模块SM331。2.1.3 磁力驱动泵型号：20CQ-12p 流量为3m³/h，对于设计要求来说，在1m³/h左右已足够用。 扬程为12m，对于从下水箱抽水到内胆里，供水压力足够使用。 驱动功率为0.37kw ，节能实惠。转速为02900r/min，可以高速旋转，速度调节范围广。工作电压区间为0380V ，此电压由西门子变频器MM440输出提供，工作区域也比较宽。2.1.4 电磁调节阀型号：QSTP_16K 公称通径为DN20mm，完全可以满足供水流量要求。公称压力为1.6Mpa

15、，供水压力最大为1.5 Mpa，工作在安全范围内。信号传递为4-20mADC，可由PLC的模拟量输出模块SM332提供，控制调节开度的大小。上下行程共16mm，从全开到全闭或从全闭到全开需要的时间比较长，故尽可能不使其做大动作，否则耗时费力。2.1.5西门子MM440变频器MICROMASTER 440属于通用型变频器，驱动功率配比范围为0.12kW - 250kW，完全可以驱动0.5hp的磁力驱动泵。输入电源为三相交流电，输出直接供给电机，接法均为三相四线制，动力电有一定的危险性，接线端子务必密封性良好，以防触电事故的发生。它具有过流、欠压等跳闸保护，并有指示灯显示其工作状态或故障类型。它的

16、控制输入为智能仪表提供的420mA电流信号，其输出为0380VAC送给磁力驱动泵。2.1.6HH52P小型控制继电器HH52P小型控制继电器输入由PLC数字量输出模块的一个点提供24VDC，它的通断用来控制交流接触器的，单接点型，插入式，两常开，两常闭，额定电流5 A，适用于日常交流电，具有体积小、重量轻、开闭容量大、可靠性高、寿命长等特点2.1.7交流接触器接触器是一种适用于在低压配电系统中远距离控制、频繁操作交、直流主电路及大容量控制电路的自动控制开关电器。选用接触器主要考虑因素有：根据电路中负载电流的种类，接触器主触头的额定电压，额定电流，控制电路要求确定吸引线圈工作电压和辅助触点容量。

17、设计中选用 CJX2-124（LC1-D）型交流接触器适用于交流50 Hz或60 Hz，电压至660 V、电流至95 A的电路中。2.1.8压力液位变送器压力液位变送器可以显示液位，输入为两线制24V DC，输出为420mA。接线图如下图2所示：图2两线制接线图2.1.9S7-300PLCS7-300PLC电源模块的输入用220AC的单相三线制，即一火一零一地线。CPU 315-2DP的电源为5VDC，内存为128K。数字量输入、输出各16个点，模拟量输入、输出各4个通道，已满足设计需求，其中模拟量输入模块具有12位精度并且是智能防爆型的。2.2 项目软件介绍2.2.1SIMATICSTEP7

18、软件SIMATIC STEP7作为一个平台可以集成各种控制设备的软件，使不同设备以及西门子PLC站点具有相同的数据库，所有设备的编程、配置、调试、数据路由以及通信工作只需在STEP7中就可以完成3，从而实现一个项目中所有控制任务的集成。可以在上位机中完成硬件组态，配置通讯地址，程序编制下载，在线仿真，在线连接，故障检测等操作。硬件组态如图3：图3硬件组态画面2.2.2 wincc软件组态（1）变量管理:图4变量组态画面4（2）画面编辑器：主画面，报警画面，报表记录，温度设置画面，趋势画面5图5画面目录图6主画面图7报警画面图8报表记录图9温度设置画面图10趋势画面3控温算法构建本设计控温算法的

19、设计，主要分为两大部分，都在OB35中断中进行。一是双极性的实现，即FB41控制器的输出值大于零时，输出数字量，控制继电器吸合，加热电路导通，对内胆进行加热。控制器输出值小于零时，输出模拟量控制阀门的开度，从而控制夹套循环水的流量，实现降温目的。第二部分为多段斜率曲线的实现，即设定值的曲线变化的实现。首先对一些算法变量中的动态变量进行初始化清零，然后判断当前的段数N是否等于设定段数Number，等的话回第一段循环执行，不等执行下一段，调用斜率算法块FB1，将Cn-1送入last_t,Cn送入set_t，Tn送入load_tim，进行运算，输出一个时间刻度的变化量，通过OB35的时间基准进行四则

20、运算，输出一个SP的值。最后，将输出的SP值，送入FB41的设定值端，进行PID运算。另外，手自动的选择在OB1中完成，FB43和FB41的时间配合以及调用时间逻辑，通过调用FB3实现。简单流程示意如图11，图11简单流程示意3.1 双极性控制实现本项目中的双极性为加热冷却双极性。其过程如图12，现场锅炉内胆温度通过温度传感器采集，经sm331模拟量输入模块，送入控制器经FB41运算，运算结果限定范围为-100100。当输出为正值时调用PWM功能块FB43，生成一定占空比的脉冲波，经sm322数字量输出模块输出状态ON/OFF,控制继电器的吸合断开，从而控制加热丝电路对内胆进行加热。当输出为负

21、值时调用模拟量转换功能FC106，经sm332模拟量输出模块输出4-20mA标准信号控制电磁阀的开度，从而控制锅炉夹套冷却水流量达到降温目的。图12双极性控制信号流程示意图“CONT_C“ SFB41连续控制模块西门子300/400PID模块FB41是基于增量型PID控制算法6。由控制原理知识我们得到PID的传递函数如式1（1）模拟量PID控制器的输出表达式7 如式2（2）由于PLC为数字式控制器，故需要对PID中的积分和微分环节进行近似。积分对应于曲线与坐标轴包围的面积，可以用若干个矩形的面积和近似精确积分，故第n个矩形时ev(Tsn)简写为ev(n),输出量mv(Tsn)简写为mv(n)。

22、各矩形的总面积为；微分近似计算如式3所示（3） 由此，可得PID的数字表达式如式4所示 （4）进行简化如式5所示（5）式中和分别是积分系数和微分系数。模块方框图如图13图13 CONT_C方框图3.1.2 SFB43 脉冲输出模块FB43“PULSE“用于一个PID控制器，以生成脉冲输出，用于比例执行器。使用FB43，可以配置带有脉宽调制的两步或三部PID控制器。通常和连续控制器FB41一起使用。如图14图14 FB41与FB43构成脉冲发生器图 图15脉宽调制PULSEGEN函数通过调用脉冲持续时间，将输入变量INV（=PID控制器的调节值）转换成固定时间间隔的脉冲序列，转换的依据是输入变量

23、的更新周期，该周期必须在PER_TM中分配。在每个周期内，脉冲持续时间和输入变量成比例。分配给PER_TM的周期和FB43的处理周期并不相等。PER_TM是由几个FB43的处理周期组成的图15，因此每个PER_TM周期中FB43调用的次数便成了脉宽调制精度的尺度标准。对于每个PRE_TM中10个FB43调用，一个30的输入量意味着下列结果，见图16：对于前三个FB43调用（10个调用的30），QPOS输出为“1”对于剩下的七个FB43调用（10个调用的70），QPOS输出为“0”图16 FB43方框图3.1.3“SCALE“ FC105数值转换功能SCALE功能接受一个整型值(IN)，并将其转

24、换为以工程单位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型值。将结果写入OUT。SCALE功能使用以下等式：OUT =(FLOAT(IN)K1)/(K2K1)*(HI_LIMLO_LIM)+LO_LIM常数K1和K2根据输入值是BIPOLAR还是UNIPOLAR设置。BIPOLAR：假定输入整型值介于7648与27648之间，因此K1 = 27648.0，K2 = +27648.0UNIPOLAR：假定输出整型值介于0和27648之间，因此，K1 = 0.0，K2 = +27648.0就此次设计中参数out=(FLOAT(IN)0)/(276480)*(1000)+0表2 FC

25、105参数说明参数说明数据类型描述使能输入端使能输出端转换为模拟量的输入值_工程单位的上限值_工程单位的下限值状态为输入双极性否则单极性转换结果_返回值3.1.4“UNSCALE“FC106 取消标定值功能UNSCALE功能接收一个以工程单位表示、且标定于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型输入值(IN)，并将其转换为一个整型值。将结果写入OUT。UNSCALE功能使用以下等式：OUT = (INO_LIM)/(HI_LIMO_LIM) * (K21) + K1，并根据输入值是BIPOLAR还是UNIPOLAR设置常数K1和K2。BIPOLAR：假定输出整型值介于7648和276

26、48之间，因此，K1 = 7648.0，K2 = +27648.0UNIPOLAR：假定输出整型值介于0和27648之间，因此，K1 = 0.0，K2 = +27648.0就此次设计中参数OUT（float） = (IN-0)/(100-0) * (276480) + 0表3FC106参数说明参数说明数据类型描述使能输入端使能输出端欲转换为实型值的输入值_工程单位的上限值_工程单位的下限值状态为输入双极性否则单极性转换结果_返回值3.2 多段斜率控温的实现温度设定曲线示意如图17图17多段温度设定曲线示意图3.2.1多段斜率控温的设计思路（）斜率升降温的实现斜率算法中的时间刻度取ob35的周期

27、100ms。算法如式6： （6）Set_t：本段目标温度Last_t：上段目标温度Load_tim：本段状态时间tim_1：时间刻度t_chang：每个时间刻度温度变化量程序中封装为FB1块如图18：具体参数见图19：图18 FB1块图19 DB1参数列表图在ob35中调用FB1块，每个OB35的扫描周期加一次t_chang值，既有：（SP）last_tt_chang由于每100ms温度值变化t_chang，所以斜率曲线实际上是阶梯性的，由于时间刻度很小，可近似的看做一定斜率的直线，如图20：图20斜率曲线设置示意图（2）多段曲线的实现多段的实现主要由计数器和比较指令在OB35中完成，本段的状

28、态时间load_time与时间刻度tim_1的比值作为计数器1的预置值，每个时间刻度计数器当前值加一，到达预置值触发计数器2加一，计数器1清零。计数器2中的预置值为设定段数n，当计数器2的当前值依次为0到n时，将不同段的目标温度和持续时间依次装载入FB1中，当计数器2达到预置值n时，装载进出料的时间，当进出料时间到，重新执行多段，此过程可在自动模式下循环执行。3.2.2多段斜率控温的适应性本次设计中预设的可设定段数为8段，进出料（准备段）时间为5min，时间刻度为100ms。程序中每段温控都是通过调用FB1块来实现的，即FB1块的可循环调用给预设段数的变化提供了可能，可根据客户的实际需要修改参

29、数来实现段数的扩展，从而达到实际应用的需要。在应用中由于物料量和材质的不同，需要不等的进出料（准备段）时间，可通过修改OB35中程序段10参数MD30中预设的进出料时间来配合现场需要。同时对不同斜率精度需要的生产过程，可通过修改时间刻度tim_1（DB1.DBD4）来改变精度，需注意的是时间刻度与OB35的中断时间一致。3.2.3多段斜率双极性控温算法程序流程图 算法流程图如图21-图24：图21 OB100初始化图22 FB2PID运算双极性输出 图23 OB1主程序 图24 OB35定时中断程序4设计调试分析.温度对象特点开环测试现场测试时对锅炉内胆注水400mm，外胆注满水。首先在手动状

30、态下全功率加热，冷却测试夹套锅炉对象的开环响应曲线如图25：图25开环测试曲线上图分为全功率加热段，零功率保持段和全功率降温段。各阶段归档参数见下表4-9。表4开始全功率加热表5停止加热表6最大超调过渡点表7全功率降温开始表8源水箱水温常态表9源水箱水温升高（1）对象升温段特性测试：由图表可知对象升温滞后约1分20秒左右，由表5-6计算可知升温斜率约3.56/min,对象为不自衡的一阶积分对象，需注意的系统投运时斜率设置不能超过3.56/min。（2）对象保温段特性测试：由表6-7可知保温段惯性超调3.36，升温惯性滞后时间为4分30秒，保温段自然散热速度约0.12/min。（3）对象降温段特

31、性测试：由图示可以看出降温段呈现非线性形态，是由于夹套降温水回流源水箱，造成源水箱温度不断上升造成的，可将降温曲线分为两种情况处理。由表7-9知，若采用外部流动水进行降温操作，即源水箱水温保持恒定的低温，降温斜率约为-3.48/min（后期调试阶段采用此斜率），需注意的系统投运时斜率设置不能低于-3.48/min。若采用源水箱的换热回流水降温，由于换热后带回的能量，源水箱水温会缓慢上升，降温斜率约为-1.79/min。.2不同控制规律结果分析在进行分析之前我们需要对PID控制器进行简单的介绍。PID控制器是控制系统中常见的一种控制规律，是根据偏差的比例（P），积分（I），微分（D）来进行控制的

32、8。比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，Kp的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是：只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统振荡9；微分控制可以减小超调量，克服振荡，是系统稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。本设计中使用的控制器FB41为增量型控制器。 P控制规律现象分析图26 比例控制趋势图26中 P=40，升温段滞后1分40秒，最大偏差1.3。恒温段最大偏差1.8。降温段滞后2分钟，最大偏差-2.3

33、9。图27 比例控制趋势图27中 P=60，升温段滞后1分20秒，最大偏差1.4。恒温段最大偏差1.53。降温段滞后2分钟10秒，最大偏差-2.34。由以上两图可知，随着比例作用的增强，升温滞后有所缩短，同时由于加热惯性导致降温滞后增加，整体偏差较大，曲线跟随性能较差，不能达到精度要求，尝试加入积分作用来消除误差减小偏差。4.2.2 PI控制规律现象分析图28 比例积分控制趋势图图28中 P=40 I=90s,加入积分作用的同时减弱了比例作用。升温段滞后1分33秒，最大偏差2.2。保温段最大偏差-2.36，超调较严重，振荡幅值较大。降温段最大偏差-3.0，加热惯性影响下存在降温滞后。尝试减弱积

34、分作用。图29 比例积分控制趋势图图29中 P=40 I=120s,比例不变，减弱积分作用。升温段最大偏差2.2。保温段最大偏差-0.24，超调很小，基本无振荡现象，本段已达到控制要求精度。降温段最大偏差-2.8，加热惯性影响下存在降温滞后。由以上两图可知，随着积分作用的减弱，超调减小很多，但由于加热惯性和降温惯性（调节阀滞后）的存在，当前值曲线在设定值上下穿越现象严重，升温段和降温段偏差较大，曲线跟随性能较差，不能达到精度要求，设想主要原因是滞后的累加，如图30所示。接下来尝试采用PD控制规律。图30 加热惯性和冷却惯性滞后示意图4.2.3 PD控制规律现象分析图31 比例微分控制趋势图图3

35、1中 P=50 D=9s,切除积分作用。升温段最大偏差-0.9。保温段最大偏差0.31，超调很小，轻微振荡。降温段最大偏差-0.64。控制器改为PD控制规律，控制品质明显改善，为了弱化跟随振荡，尝试进行死区处理。图32 比例积分控制示意图图32中 P=50 D=12s,死区宽度DEAD_W=0.1。升温段最大偏差-0.8，当前值曲线整体偏下设定值曲线。保温段最大偏差-0.2，超调很小，基本无振荡。降温段最大偏差-1.5。加入死区后振荡现象明显改善，但无法有效的消除误差，降温偏差超出了控制精度范围。为了消除余差尝试加入微弱的积分作用。以上两图可见PD控制规律的应用明显改善了控制品质，这似乎有悖于

36、经验中的随动控制忌讳使用微分分量，容易引入高频干扰，从而使控制系统不稳定，从而使控制品质下降。考虑我们的随动是一个线性的随动，即按一定的规律变化的，并非等同于串级控制中的内环的给定值，所以对系统的干扰作用很弱。而且升降温阶段，主要是加热滞后和阀门滞后作用造成了当前值得穿越，所以从微分超前控制的作用考虑，微分分量的加入有利于控制品质的改善。4.2.4 PID控制规律现象分析图33 PID控制示意图 图33中 P=40，I=900s，D=9s，DEAD_W=0.1，加入积分作用，适当的减小比例和微分的作用。升温段曲线整体偏下，最大偏差-0.8。保温段最大偏差-0.3。降温段出现滞后现象。图34 P

37、ID控制示意图图34中 P=30，I=600s，D=11s，DEAD_W=0.1，增加微分作用，适当的减小比例作用。升温段曲线整体偏下，最大偏差-0.6。保温段最大偏差0.71。降温段偏差-1.1。图35 PID控制示意图图35中 P=60，I=600s，D=11s，DEAD_W=0.1，增加比例作用。升温段最大偏差-0.7。保温段最大偏差0.4。降温段最大偏差-0.9。基本达到要求的控制精度。采用PID控制规律，加入微弱的积分作用，有效的消除了余差，通过微分的配合，以及死区的加入有效地解决超调问题，同时有效的解决了滞后问题，是控制品质达到预期控制精度。4.3总结分析本设计中设定值SP是一个按斜率有规律地不断变化（线性变化）的值，微分作用能反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，本设计中微分作用在输出量中占得分量较大，在改善系统的动态性能方面效果明显。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此不应加入过强的微分作用。与串级方式的副环