毕业论文基于s7300锅炉内胆水温的前馈反馈控制系统设计（组态）

1、毕 业 设 计论 文题目：基于S7-300锅炉内胆水温的前馈-反响控制系设计组态英文： Design of Feedforward and Feedback Control Systems Based on S7-300 Boiler Water Temperature (Configuration)院 别： 自动化学院 专 业： 自动化 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 2021年4月 基于S7-300锅炉内胆水温的前馈-反响控制系统设计组态摘要温度是常见的过程参数之一，许多的生产过程都离不开对温度的控制，温度的控制往往是对加热和冷却的平衡，锅炉正是这样的系统，当加热大于冷却时整个系

2、统升温；反之那么降温；二者假设是趋于相等就可以使温度趋于稳定。假设是采用单纯的反响控制对锅炉内胆水温进行控制，由于流量变化快而温度控制滞后大就会导致系统的稳定性、快速性较差，不能取得理想的控制效果。解决这个问题的方法就是参加对主要扰动流量的前馈补偿环节构成锅炉内胆水温的前馈-反响控制系统，使得流量的变化能够迅速得到补偿，提高系统的响应速度。近年来，可编程控制器PLC依托着可靠性高，抗干扰，功能强大等特点得到了广泛的运用，随着生产和编程的技术不断进步，越来越多的控制方式得以在PLC上实现。本设计将围绕西门子S7-300 PLC从前馈-反响控制系统的介绍、PLC及测量变送仪表设备的选择、软件的展示

3、及组态编程这三个方面来阐述锅炉内胆水温的前馈-反响控制系统的设计，力求展示出前馈-反响控制系统的特点。通过本设计可以观测到前馈-反响控制系统在以流量变化为主要扰动的情况下对锅炉内胆的水温可以取得较好的控制效果。关键词：前馈-反响控制； PLC；温度 Design of Feedforward and Feedback Control Systems Based on S7-300 Boiler Water Temperature (Configuration)ABSTRACTTemperature is one of the common process parameters , many p

4、roduction processes are inseparable from the temperature control , temperature control is often the balance of heating and cooling , the boiler system is such that when the heating temperature is greater than the cooling of the entire system ; otherwise cool ; both tend to be equal if you can make t

5、he temperature to stabilize. If using a simple feedback control to control the temperature of the boiler tank ,due to rapid changes in flow and temperature control will lead to a large hysteresis stability, rapid poor system can not achieve the desired control effect. To solve this problem is to add

6、 a feedforward flow of former major disturbance feedforward compensation constitutes a part of the interior temperature of the boiler - a feedback control system, making changes in flow can be compensated quickly , improve the response speed of the system.In recent years , programmable logic control

7、ler (PLC) relying on high reliability , interference, and powerful features have been widely used , with production and programming technology advances , more and more control to the PLC achieved. This design will focus on Siemens S7-300 PLC feedforward - feedback control system introduction, select

8、 PLC transmission instruments and measuring equipment , software, display and programming of these three aspects to elaborate boiler water tank feedforward - feedback control system design , and strive to demonstrate feedforward - feedback control system characteristics. This design can be seen thro

9、ugh the feedforward - feedback control system to flow in the case of major disturbances in the water tank of the boiler can achieve better control effect. Keywords: Feedforward and feedback control; PLC;Temperature目录1 绪论12 根本背景知识2 前馈-反响控制2 前馈控制系统2 前馈-反响控制系统3 设计任务分析43 控制系统硬件6 控制设备6 PLC根本介绍6 S7-300 PL

10、C CPU模块说明7 S7-300 PLC信号模块SM说明8 测量变送设备9 温度传感器、变送器9 流量计94 系统的设计过程10 系统装置接线10 模拟量信号采集11 西门子Step 7编程软件的简介11 PLC程序的编写155 组态的建立过程19 组态软件介绍19 组态的建立过程24 控制参数的整定28结语31参考文献32致谢331 绪论自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的显著标志和重要条件之一，自动化技术不仅可以把人们从繁琐重复的体力劳动或者不平安的工作环境中解放出来，而且能够扩展人类各种器官功能，极大地提高劳动生产率，对促进人类进步大有裨益。因此，越来越多场合的自动化改造被提上了

11、日程。过程控制是生产过程自动化的简称，是自动化技术的重要组成局部。过程控制是指针对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等工艺参数进行控制其中，温度是最常见的控制对象之一，具有特别的意义，例如在发酵过程中温度决定了酵母菌的繁殖速度及酿造物的质量；在水族馆中，水温会影响溶氧量和水生物的生长情况；在冶金行业里，温度更是决定制品纯度成色的重要因素。但温度作为被控量的话不仅滞后大而且往往还存在着流量、液位等多种扰动，因此如何克服扰动实现稳定的温度控制是自动化工程师们努力研究的方向之一。PLC即可编程控制器是一种专用工控机，它的存储器是可以进行编程的，在它的内部储存和执行各种指令如：逻辑运算、顺

12、序运算、计时计数等。它支持数字量或者模拟量的输入或输出，可以控制多种生产过程。本设计综合运用计算机、西门子S7-300PLC、水泵、温度检测、流量变送器、温度变送器、锅炉等设备综合使用了计算机及PLC编程、控制算法设计、过程控制技术、工控现场总线技术、电气线路设计等知识点在求是教仪上实现基于S7-300锅炉内胆水温的前馈-反响控制系统。抛砖引玉，力求展示出前馈-反响控制系统的特点，为成为一名合格的自动化专业毕业生打下根底。2 根本背景知识2.1 前馈-反响控制2.1.1 前馈控制系统Gff(S)GPC(S)GPD(S)YR前馈控制，简称FFCFeed Forward Control是一种开环的

13、控制方式，它能根据干扰量的变化补偿干扰量对被控量的影响，其特点是当扰动产生后，被控变量还未发生变化以前，就能根据扰动的大小进行控制，以补偿扰动产生的影响,在理想状态的前馈控制甚至可以实现无差补偿。前馈控制的系统框图如图2.1所示：图2.1 前馈控制系统框图图2.1上面那条支路为干扰通道支路，下面的支路是控制通道支路，因此，前馈控制系统的传递函数为： (公式1.1)当满足以下两式时系统对R干扰可以实现完全补偿：,所以可以求得前馈控制器的传递函数为： 公式1.2根据公式1.2中的负号可以看出控制器的作用跟扰动的作用方向是相反的，起到了补偿扰动的作用。按照对干扰进行补偿的特点不同，单纯的前馈控制系统

14、又可以分为静态前馈控制和动态前馈控制两种。静态前馈控制是指在足够稳定的工况下对扰动进行补偿，此时前馈控制器的输出和输入是一比例关系，而跟时间t没有关系；也就是说此时的前馈控制器传递函数Gff(s)是一个静态的系数Kf，故称为静态前馈控制。与静态不同，动态前馈控制是指在任意的时刻乃至不同的状况下前馈控制器都能对扰动进行补偿，因此它的传递函数完全符合公式1.2；干扰经前馈控制器通道产生的输出与其经干扰通道产生的输出，二者大小特性一致但方向相反，相互抵消；这样的就是动态前馈控制方式。下面是一些前馈控制区别于其他控制方式的特点：1、克服干扰的响应速度快；前馈控制器在扰动产生的时刻马上就可以运算出补偿值

15、，它的响应速度比通常比反响控制要快。2、面向专一对象使用；因为前馈控制器是为了补偿扰动通道输出而设计的，一种前馈控制器只针对一种扰动，如果要针对多个扰动就需要设计多个不同前馈控制器来实现。3、是开环控制系统；根据其系统框图可以显然看出，在克服扰动后前馈控制系统并没有参加对输出结果的检验和校正环节，属于“开环。2.1.2 前馈-反响控制系统由于单纯的前馈控制系统是开环控制系统，无法对输出结果进行检验和校正，但是我们的控制系统中往往不单只前馈控制器克服的那些扰动还有一些次要扰动，如果对每一个扰动都设计对应的前馈控制器往往会使得系统过于繁琐且经济本钱太高，因此为了既经济又有较好的控制效果，保证输出结

16、果的准确性我们引入了反响控制系统组成前馈-反响控制系统。反响系统是闭环控制系统，它引入了被控变量的变化作为输入量的参考依据，系统因此获得了一定的自适应能力。总的来说，前馈-反响控制系统综合了前馈和反响的优点，系统中既有能够对主要扰动信号进行补偿的前馈控制，又存在反响控制克服其它的扰动信号使系统趋于稳定，可以提高系统的整体响应速度。2.2 一般前馈-反响控制系统的原理图由前馈-反响控制的概念及原理图可以知道系统中需要测量的信号主要由被控量跟扰动信号。因此，前馈-反响控制系统一般由以下环节构成：1、扰动信号测量变送器：对扰动信号进行测量并转换成标准的电信号；2、前馈控制器：对扰动信号进行补偿；3、

17、被控量测量变送器：对被控量进行测量并转换成标准的电信号;4、反响控制调节器：对被控量进行调节；5、执行器和调节机构：直接作用于扰动和被控量的设备；6、扰动通道对象：扰动信号通过该通道对被调量产生影响；7、控制通道对象：调节量通过该通道对被调量进行调节。显然的是，前馈不管加在了哪个位置，都构成不了闭合回路，系统的特征式维持不变，也就是说前馈并没有影响到系统的稳定性；引入反响控制后，前馈控制中的完全补偿条件也没有改变；我们可以在整定参数的时候利用到这两个特点。2.2 设计任务分析图2.3 锅炉内胆水温的前馈-反响控制系统结构图如图2.3就是锅炉内胆水温的前馈-反响控制系统的实物结构图，既然要分析锅

18、炉内胆锅炉内胆的水温，我们就要从水着手，循序渐进。锅炉内胆和夹套的水都来自磁力泵的管道，夹套的水一直在流动起到带走一局部热量的作用因此又称为冷却水；锅炉内胆的水可以通过加热管进行加热，它的温度就是我们要控制的量。由图2可以看出该温度主要由两个因素共同决定一个是水的流量，流量加大，温度降低；另一个是加热管的功率，功率加大，温度升高。流量扰动我们设其为可测不可控的，加热管的功率可以通过三相SCR调压模块调节大小。与一般前馈-反响控制系统不同，基于S7-300的锅炉内胆水温的前馈-反响控制系统的前馈调节器跟反响调节器并不是分开的，而是都由S7-300PLC来实现的，因此我们可以得到锅炉内胆水温的前馈

19、-反响控制系统的系统框图：温度流量扰动给定值流量测量变送器水泵支路管道PID调压模块电加热管锅炉内胆温度测量变送器+-PLC前馈+图2.4 锅炉内胆水温的前馈-反响控制系统框图由锅炉内胆水温的前馈-反响控制系统的系统框图可以看出本次毕业设计的任务主要有：1、连接系统硬件设备；2、编写PLC前馈与PID模块程序；3、绘制组态界面并建立连接；4、整定各项参数得出结论。3 控制系统硬件3.1 控制设备3.1.1 PLC根本介绍可编程控制器最早起源于美国数字设备公司DEC，它于1969研制出的世界上第一台成功应用于美国通用汽车公司GM生产线的可编程控制器。但当时该控制器只具备进行逻辑运算的能力，所以称

20、它为可编程逻辑控制器，简称为PLCProgrammable Logic Controller。70年代后期，随着计算机技术和微电子技术的迅猛开展，PLC从简单的开关量的逻辑控制扩展到了数字控制及生产过程控制领域，真正成为电子计算机工业控制装置，它被称作可编程控制器，简称PCProgrammable Controller。但是由于简称PC容易与个人计算机Personal Computer混淆，所以人们习惯性仍用PLC作为可编程控制器的简称。PLC是由继电器逻辑控制系统开展而来的，继电器在控制系统中主要起两种作用：1、逻辑运算；2、弱电控制强电，所以PLC在数学处理、顺序控制方面具有独特的优势。P

21、LC作为集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已经跃居至工业自动化三大支柱PLC、ROBOT、CAD/CAM的首位。1985年国际电工委员会IEC对PLC的定义如下： 可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器具有 1、系统构成灵活，扩展容易；2、编程简单采用简单明了的梯形图、逻辑图和语句表等编程语言、使用方便，；3、对工作环境要求不高，抗干扰能力强，

22、可靠性强等特点PLC由于高可靠性而运用广泛，生产PLC的厂家也有很多，其中不乏西门子SIMATIC，三菱Mitsubishi Electric，罗克韦尔AB等大公司，它们的产品规格性能，适用场合有大同小异的也有截然不同的，以西门子公司为例就有LOGO，200,300,400,1200等多个系列。图3.1 西门子S7-300系列模块图本设计使用的正是德国西门子公司的S7-300系列PLC，S7-300 PLC是模拟式中小型PLC，主要由机体框架、电源模块PS、CPU模块、信号模块SM、功能模块FM、接口模块IM、通信处理器CP和编程设备组成。各个模块都是独立的，每个模块都具备一个总线连接器，用以

23、插在各个模块的背后，可以通过U形总线把它们紧密固定在西门子S7-300的标准轨道上。一条导轨共有11个槽号：1号槽至11号槽，S7编程软件组态主架导轨硬件时，电源模块，CPU模块和接口模块分别置于导轨的1号槽、2号槽和3号槽上，其中4号槽至11号槽可以随意放置除电源模块、CPU模块和接口模块以外的其他模块。3.1.2 S7-300 PLC CPU模块说明PLC的CPU模块是该前馈-反响控制系统的核心，负责整个系统的中央控制，程序的存储与执行，实现通信功能，并为U形总线提供5V的电源。S7-300 PLC的CPU有4种操作模式分别是：STARTUP启动、RUN运行、HOLD保持和STOP停机。目

24、前S7-300的CPU模块大致可以分为以下几类：1、紧凑型CPU：CPU 312C、CPU 313C、CPU 314C-2DP等。2、标准型CPU：CPU 312、CPU 313、CPU 314、CPU 315等。3、革新的标准型CPU：CPU 312、CPU 314、CPU 315-2DP。4、户外型CPU：CPU 312 IFM、CPU 314 IFM等。5、大容量高端型CPU：CPU 317-2DP、CPU 318-2DP。6、主/从接口平安型CPU：CPU 315F-2DP。3.1.3 S7-300 PLC信号模块SM说明信号模块SM又叫输入/输出模块I/O模块，是CPU模块与现场输入

25、输出原件和设备连接的桥梁，用户可以根据现场输入/输出设备来选择各种用途的I/O模块。按输入输出量的不同信号模块又可以分为数字量模块和模拟量模块两类。S7-300 PLC常用的数字量模块有数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322和数字量输入/输出模块SM323：数字量输入模块将现场过程送来的数字量电平转换成PLC的内部信号电平，SM321有四种型号可选：直流16点输入、直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入。数字量输出模块与数字量输入模块相反那么是将PLC内部信号电平转换成现场过程所要求的控制信号电平。按输出方式不同SM322又可以分为晶体管输出直流输出模块、可控硅输出交流输出模

26、块、继电器触点输出交直流两用输出模块。从响应速度来看，晶体管响应最快，继电器响应最慢；从平安隔离效果及应用灵活性来看，那么是继电器触点输出型最正确。数字量输入/输出模块SM323有两种类型：一种带8个共地输入端和8个共地输出端，另一种带16个共地输入端和16个共地输出端，二者特性相同。I/O额定负载电压为24V DC,输入信号“1高电平为1130V，信号“0低电平为-3+5V，I/O通过光耦与背板总线隔离，在额定输入电压下，输入延迟为1.24.8ms，此外输出还具有电子短路保护功能。S7-300 PLC常用的模拟量模块有模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332、模拟量输入/输出模块S

27、M334：模拟量输入简称AI模块SM331有三种规格型号，分别是8AI×12位模块、2AI×12位模块以及8AI×16位模块。SM331主要由A/D转换部件、光电隔离部件、模拟切换开关、恒流源、逻辑电路和补偿电路等组成。模拟量输出简称AO模块SM332有332-5HB01、332-5HD01、332-5HF00、332-7ND02四种分别支持2、4、8、4同步模式点的模拟量输出。模拟量输入/输出模块SM334那么有334-0CE01-0AA0、334-0KE00-0AB0两种，都是具有4模拟量输入，2模拟量输出；但是后者为电阻测量式Pt100。3.2.1 温度传感

28、器、变送器温度传感器temperature transducer是可以检测温度并将其转换为可用输出信号的仪器。温度传感器是温度测量仪器的核心组成局部，品种繁多。按照测量方式可分为接触式和非接触式两种类型；根据传感器的材料和电子元器件的特性也可以划分成两种类型即热电阻式和热电偶式。Pt100铂热电阻温度传感器在-200+420的测量精度非常高甚至是测温的基准元件，其抗振性耐温耐压特性也很出色，因此本设计装置中采用了Pt100铂热电阻温度传感器来检测锅炉内胆的水温。温度变送器那么是指将测温元件通常是传感器测量出来的温度信号经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理后，

29、转换成与温度成线性关系的420mA电流信号的器件，在本设计中温度变送器将Pt100铂热电阻温度传感器测得的温度电阻信号转变成电流信号输出给控制器使用。3.2.2 流量计流量计是用来测量流体流量的仪表，本设计装置的流量计有电磁流量计和涡轮流量计两种：电磁流量计用以测量电动调节阀控制的动力支路，它的优点是零点比拟稳定，抗干扰能力强，不受被测介质压力、温度、粘度、密度等物理参数变化的影响，反响灵敏，输出信号与流量成线性关系，量程比拟宽。电磁流量计的工作电压为220V，可以测量的流量范围是0m3/h，测量精度是1.0%，测量结果输出为420mA的直流电流。两个涡轮流量计进行变频器控制的动力支路及盘管出

30、口处的流量的检测，涡轮流量计的优点是测量精度高，反响快。其采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，可以测量的流量范围是0.1m3/h，测量精度为精度：1.0%，结果输出也是420mA直流电流。4 系统的设计过程kingview上位机锅炉测量变送器执行器PLC流量温度AIAOTCP/IP4.1 系统装置接线图4.1 控制系统结构设计图根据前三章的内容，设计出的系统结构图如图4.1所示，运用学校实验室已有的求是教仪可以组建该系统，求是教仪实际上是将我们要用到的电源、PLC、三相SCR调压装置、变送器等装置的接线端子集成到了同一个界面上，我们可以直接在教仪上连接线路，组成系统。下列图为基

31、于S7-300锅炉内胆水温的前馈-反响控制系统的接线图：图 硬件接线图由图5.1可知，接线孔主要分为两类：第一类是电源类，即三相电源输出孔、单相电源输出孔、各装置的电源输入孔；第二类是信号类，即420mA电流孔、RS485通讯线孔等。接线时，一般先接各个设备的通讯线再接好电源线，由于各个孔的过流过载特性不同，在接线之前，一定要断开电源，检查无误才可以通电。4.2 模拟量信号采集本次设计需采集的模拟量信号有锅炉内胆的温度以及锅炉夹套冷却水的流量。模拟量信号的采集分为两个过程一个是测量一个是变送，锅炉内胆水的温度由温度传感器采集后经过温度变送器转换成成420mA的电流信号送入S7-300PLC的模

32、拟量输入模块SM331，同样的，流量信号也是转换成420mA的标准信号后才送入SM331模块。在SM331模块中还涉及到了标度变换，它会将420mA的电信号转换成027648的整数，占用一个字大小的系统储存区。4.3 西门子Step 7编程软件的简介Step 7是西门子SIMATIC的一款工业软件，它是针对于西门子可编程逻辑控制器PLC进行组态和编程的软件。Step 7提供了各种版本以适应不同的应用需求其中STEP 7 Micro/DOS、STEP 7 Micro/WIN是用于S7-200PLC系列的编程和组态软件包；STEP 7 Lite 适用于S7-300、C7系列PLC、ET200X和E

33、T200S系列分布式I/O的编程和组态软件包；而STEP 7 Basis适用于S7-300/400、M7-300/400和C7系列的编程和组态软件包。STEP 7可以根据需要按照工程新建向导的指引按需要新建工程工程或者跳过向导后，手动创立新工程并逐步添加所需的组件和块。下面展示一下一般情况下翻开软件后按照向导进行工程工程创立的步骤：图4.3 向导画面一翻开Step 7出现在我们面前的是向导画面1，选择“下一步即可；图4.4 向导画面二在向导画面2我们选择本次设计所用的求是教仪上安装好的西门子PLC 315-2 PN/DP；图4.5 向导画面三在向导画面3我们可以根据自己的需要选择所要用到的组织

34、块以及使用的编程语言，选好之后点击“下一步；图4.6 向导画面四在图4.4所示的向导画面4上我们可以进行工程的命名，之后点击完成就可以成功创立一个新的工程了。创立好的新工程或者翻开的一个工程窗口如下列图4.5所示，各个区域有与之对应的功能：名称栏菜单栏工具栏工程区工作区图4.7在这里要特别介绍一下块文件夹，块文件夹里储存的数据通常有逻辑块、数据块(DB)、系统数据(双击该对象将显示一个系统数据块(SDB)列表)、变量表(用于监视和修改变量)。分别翻开不同的块有不同的功能和界面。逻辑块是含有一局部用户程序的块：逻辑块包括组织块OB、功能块FB、功能FC、系统功能块SFB、系统功能SFC，数据块那

35、么只包含数据没有逻辑指令。图4.8点开块文件夹里的块或者变量表会出现不同的窗口，例如点开OB1就可以出现对OB1进行编程的窗口图4.7，我们可以选用梯形图逻辑、语句表和功能块图进行编程，值得注意的是在使用STEP 7下载程序到PLC时要先设置好PC/PG接口。图4.9 OB1块的编程窗口 PLC程序的编写Step 7 为用户提供了三种PLC的编程方法，分别是线性化、模块化、结构化的方法，三种方法的图解如下：图 三种程序结构线性化编程的所有指令都是在一个组织块OB1里循环执行的；模块化编程的思想是每个设备的控制指令都在各自的块内，OB1将按顺序的调用这些块；结构化编程的特点那么是不同的块调用可以

36、重复利用的代码，OB1或其他块调用这些块并传递相应的参数。由图2.3 锅炉内胆水温前馈-反响控制的系统框图可以知道，我们的程序的功能主要包括各模拟量输入输出，标度变换和归一化处理，以及两个控制器前馈和反响。下面来介绍一下我们编程将会用到的一些块：1、组织块：OB1，OB1 通常是主程序，负责循环处理即操作系统的每一次循环都会运行一次OB1；OB35，0B35是定时循环中断组织块，可以通过设置其中断时间来实现我们需要的功能；OB100，OB100通常用来数据的初始化，因为它只在PLC暖启动手动拨动开关被执行一遍。2、功能块：FB41，FB41可以用作连续PID控制器，只要设置好各个参数管脚的值，

37、给予输入就可以计算出PID算法的输出值；FB41的主要参数有以下几个：PV_IN ：过程变量浮点格式的输入管脚；DISV：扰动的输入01实数管脚 ；LMN：控制器的输出0100浮点数管脚；3、功能：FC105、FC106；可以将这两个功能看成是一套公式计算器，作用是将模拟量信号经模拟量输入模块SM331转换成的027648的数转换成FB41可以使用的浮点数。或者将FB41输出的浮点数转换成027648的数。 程序的大致过程如下：温度和流量的模拟信号经传感器采集后经过变送器转换为420mA的电流信号送入了西门子模拟量输入模块SM331，但是PLC内部并不能直接识别420mA的电流信号，该信号必须

38、在SM331中转换成027648的整数占用一个字大小，放在PIW中。这个整数信号应该送至FB41的管脚，但是FB41又只能识别01的浮点数，因此在送入FB41之前我们将该整数经FC105转换成浮点数，其中温度信号放在FB41的背景数据块DB41中，流量信号放在双字存放器MD20中，因此我们编写的主要程序如下：图4.11 流量信号的引入图4.12 前馈系数的设置图4.13 前馈补偿的计算图4.14 转换成实数图4.15 温度信号的引入图4.16 PID算法的实现图4.17 对应的DB41数据块5组态的建立过程 组态软件介绍组态软件，也被称为组态监控系统软件。取自英国的SCADA系统Supervi

39、sory Control and Data Acquisition数据监控和采集系统。它指的是进行数据采集与过程控制的一种特殊的软件。它们是在自动控制系统的软件平台和开发环境一级，使用灵活的组态方式，是为用户迅速建设工业自动控制系统监控功能的软件工具。组态软件的应用非常广泛，可应用于电力系统，给水系统，石油，监控和数据采集和过程控制领域和其他领域的化学。也被称为电力系统远动和电气化铁路RTU系统，远程终端单元。用组态软件构造“监控和数据采集系统的好处之一就是能大大缩短开发时间，并能保证系统的质量。能快速便捷地进行图形维护和数据采集是此类系统的关键点。组态王正是提供了丰富的快速应用设计的工具。组

40、态王具有以下几个特点：1方便实用的工程管理；2集成的开发环境；3功能强大、易用的绘图工具4灵活的便捷菜单5图形对象丰富。目前比拟常用的组态软件有很多，例如万维公司Wonderware的InTouch，西门子自动化与驱动集团(A&D)的WinCC以及北京亚控科技开展的组态王KingView等等。作为具有一定的地位的国内外乡品牌?组态王?，装机量不容小视，同时其功能也是相当完善的，而且上手较快，因此本次设计选用组态王来实现上位机的监控，下面对组态王的使用作一个简单的介绍：图 组态王工程管理器翻开组态王我们将会见到图4.8所示的界面，要是我们是运行已有工程可以直接选定一个工程双击或者单击“运

41、行按钮；假设是要进行编程或者画面设计那么要点击“开发按钮；如果是新建一个工程那么要点击“新建，下面介绍一下新建一个工程的步骤：图 新建工程向导画面一点击“下一步；图 新建工程向导画面二在向导画面2选择浏览工程的储存路径，之后点击“下一步；图 新建工程向导画面三对工程的命名和描述在向导画面三种完成，点击“完成那么一个新的工程工程新建完毕。在工程管理器中选择刚刚新建好的工程点击“开发就可以进入如下列图所示的工程工程的开发界面了；图 新建工程向导画面三大局部的开发工作都是从图4.11的工程浏览器开始的，例如我们要创立一个新的画面步骤是：先在左边栏里选择画面，再在右边栏里选择新建就可以进入新建画面的窗

42、口了；其他的诸如数据词典的建立、设备端口的设置等等都是这样先在左边栏里选好右边栏里再选择相应的操作即可。图 新建画面图 新建变量5.2 组态的建立过程本设计的组态建立过程大致可以分为四个步骤：1.设计工程画面；2.构造数据变量词典；3.建立动画连接；4.与下位机通讯并调试。首先我们参照4.2节在组态王里新建好一个工程工程，并根据2.2节前馈-反响控制系统的框图可以得出此次设计组态界面应该包含的动画元素，因此我们利组态王画出的监控界面如下列图：图5.8 锅炉内胆水温的前馈-反响控制系统组态界面新建好画面之后，我们在工程浏览器里选择COM口并新建一个PLC设备：图5.9 添加PLC设备图5.10

43、选择所需要的设备图5.11 为选择好的设备命名图5.12 选择所用的串口图5.13 设置设备的地址设置好地址和通讯参数，我们就可以在新建数据词典里面的I/O变量的时候选择这个设备了，显然，图5.3监控界面中要用到的量就是我们新建数据词典的时候应该包含的，表5.1就是本次设计的主要数据变量表：表 数据变量表变量名称变量类型温度1反响值I/O实数流量1I/O实数设定值I/O实数PI/O整数II/O整数DI/O整数前馈系数I/O整数链接好通讯线，将数据变量与监控画面中的动画一一链接，点击工程浏览器的“运行按钮或者画面编辑窗口的“切换到view我们的组态就可以监控下位机的工作情况了。5.3 控制参数的

44、整定一般来说，前馈控制器参数的整定方法有以下几种：1. 开环整定法：开环整定法是在系统断开反响回路的情况下，仅采用静态前馈作用，来克服对被控参数影响的一种整定法。整定时，KF由小到大调节，观察前馈补偿的作用，直至被控参数回到给定值上，即直至完全补偿为止。此时的静态参数即为最正确的整定参数值KF，实际上KF值符合下式关系，即KF式中：Kf、K0分别为扰动通道、控制通道的静态放大系数。开环整定法适用于在系统中其他扰动不占主要地位的场合，不然有较大偏差。2. 前馈-反响整定法：在图5.14所示系统反响回路整定好的根底上，先合上开关K，使系统为前馈-反响控制系统，然后由小到大调节KF值，可得到在扰动f

45、t作用下如图5.15所示的一系列响应曲线，其中图5.15(b) 所示的曲线补偿效果最好。4 前馈-反响系统参数整定方框图(a)欠补偿 (b)补偿适宜 (c)过补偿5 前馈-反响系统KF的整定过程3. 利用反响系统整定KF值：待图5.14所示系统运行正常后，翻开开关K，那么系统成为反响控制。待系统稳定运行，并使被控参数等于给定值时，记录相应的扰动量F0和调节器输出u0。人为改变前馈扰动，使F0变为F1，待系统进入稳态，且被控参数等于给定值时，记录此时调节器的输出值u1并按下式计算KF值：KF=反响控制器为PID控制器，需要整定比例微分积分三个参数，其整定方法大致可以分为理论计算法和工程经验法两大

46、类：理论计算法的原理是通过计算得出PID参数，但它要求要有极其精确的控制系统数学模型，这在现实中往往难以实现，即使计算出来的参数也不能直接运用于实际，通常仍需要进行工程整定。工程经验法是指根据以往的工程经验在控制系统上进行边监测边调整参数，通常利用临界比例法、反响曲线法和衰减法三种方法在实际中按照工程经验设置大致的参数，按照调节效果的好坏再进行整定。值得注意的是，很多工业过程都不允许整定参数过程中出现震荡，因此新手最好能在有经验的人指导下进行整定过程。我们在程序中已经设定好前馈系数为-1，因此我们翻开图4中的开关K，使系统成为一个反响系统，根据经验整定，我首先在网上查找了一组对于温度系统通常的

47、参数范围作为参考：P:2060；I:310(min)；D:0.53(min)，按照实际情况作了调整：首先整定比例，如果曲线振荡频繁，那么要加大比例度；如果曲线超调量过大那么要减小比例度。其次整定积分，如果温度曲线偏离而且回复慢的话，就要减少积分时间；假设是曲线波动周期长，那么要增加积分时间；最后整定微分，如果曲线振荡频率快，那么减小微分时间；如果曲线的动差大而且波动得慢，那么微分时间应该加长。这样最终我得出了一组控制效果较好的数据分别是：P=18；I=2min；D=10s，此时控制曲线如下列图所示：6 控制曲线图从图5.16我们可以看出反响控制系统的控制效果还是比拟好的，最终的温度也能趋于稳定

48、，但是这样是否意味着前馈控制没有意义呢，下面我们通过一幅图片来比照一下不参加前馈控制与参加前馈控制之后的控制效果有什么不同：无前馈有前馈7 有无前馈控制效果比照根据图5.17，在时间600s的时刻可以明显看出参加前馈的控制系统要超前于没参加前馈的控制系统，随后有前馈的控制系统趋于稳定，而无前馈的控制系统直至700s后才趋于稳定。这样足以看出前馈控制器在克服主要扰动，提高系统响应速度方面是取得了一定的效果的。因此我们可以通过这次设计得出符合第二章的结论：前馈-反响控制系统综合了前馈和反响的长处，既能通过前馈克服主要扰动，又能通过反响克服次要扰动，可以取得较单一的前馈或反响控制系统要好的控制效果。

49、结语上大学之前就听过自动化专业被称为工业万金油，当时不懂这句话的意思，直到做完这次毕业设计才假设有所悟。其实自动化的定义是以机械代替将人类从手工劳动中解放出来，既能提高生产效率又能节约人力本钱，是一门博大精深的学问。我深知在四年的大学生涯中学习的知识不过林中一隅，冰山一角，在这次毕业设计中展现的知识就更是少之又少了。但就是这样难度不算大的毕业设计做得也并不是那么顺利，遇到了一些问题：首先本次设计选用的是实验室的现有设备，我并没有进行完整的硬件选择和设计，对所有硬件并不都是完全了解，如果放在实际情况中，这是不可行的。其次在整定参数的过程中，出现了即使参数相同但控制效果也不一的情况，基于时间有限我

50、没有去深究是系统可靠性还是温度范围的关系；在以后的学习工作中应该寻根问底解决类似的问题。无论如何，经过一个多月的努力，本次毕业设计及论文终于完成了，整个毕业设计过程中我体会到：毕业设计是一个不断学习的过程，从最初对基于s7-300锅炉内胆水温的前馈-反响控制系统的模糊认识到最后从软、硬件到实际控制都有一定的见解，我体会到实践对于学习的重要性，以前只是明白了理论，而没有经过实践考察，对知识的理解往往不够明确，通过这次毕业设计真正实现了理论与实际相结合。总之，通过这次毕业设计,我深刻领悟到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要问题，要耐心、要善于运用已有的资源来帮助自己。同时我也

51、深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从全局考虑，完成一步之后再作下一步，这样才更加有实效。参考文献1孙洪程.过程控制工程M.北京:高等教育出版社，2021:96-117.2廖常初.S7-300/400PLC应用技术第二版M.北京:机械工业出版社，2021.3程子华.PLC编程与实例分析M.北京:国防工业出版社，2007.4宫淑贞.可编程控制器原理及应用M.北京:人民邮电出版社，2006.5郑光建.过程控制调节仪表M.北京:中国计量出版社，2007.6陈诗滔.工业过程仪表与控制M.北京:中国轻工业出版社，1998.7钟肇.西门子S7-300系列PLC及应用软件STEP7M.北京:机械工业出版

52、社，2021：10-25.8王树清.工业过程控制工程M.北京:化学工业出版社，2021:45-60.9胡寿松.自动控制原理M.北京:科学出版社，2006:256-259.M.北京:中国轻工业出版社，2006.11Keener H M.Marugg D L.Hansen R C Optimizing the efficiency of the composting process.1992.12 史国生电气控制与可编程控制器技术 M北京:化学工业出版社，200313 李道霖电气控制与PLC原理及应用 M北京: 电子工业出版社，200414 廖常初.PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，200

53、5.15 唐文彦.传感器M.北京：机械工业出版社，2021：:162-170.致谢大学的故事从二零一零年九月开始，带着一颗好奇心，我来到广技师，来到自动化专业。如今，四年弹指而过，我已深深爱上这里，却又即将离开。四年来，我爱校园的春花与秋露，爱夏天的绿荫和冬日的暖阳；我爱图书馆的那片宁静，爱游走在书架上信手闲翻；我也爱操场的热闹，爱与小伙伴运动时挥洒的汗水；我更爱坐在教室里听老师们授课，他们使我收获了许多知识。感谢我的父母，一直以来默默在我身边支持我给予我鼓励。父母是非常勤劳朴实善良的人，全身心信任我，为我而骄傲。感谢我的导师李虎山老师，在论文的撰写过程中，给予我细心的指导和中肯的建议。李虎山

54、老师是一位平易近人的老师，谈吐间让人如沐春风，对做学问的执着也让我非常敬佩。感谢自动化学院的所有老师，在我大学四年间的亦师亦友让我终生难忘。感谢我的好友，我的舍友，我们10自动化1班的所有同学，你们构成了我大学生活中非常精彩的一章，因为你们的存在，这四年才会过得如此缤纷有意义。如今，四年转眼已过，前路漫漫而往事随风。如果与曾经的美景中驻足不前，只会让我们失去奔向下一站的勇气，接下来，我要开始朝新的方向努力不管是工作还是学习，严谨负责，过有意义的生活。最后，对参加本次论文的评阅、辩论和对本论文提出珍贵意见的所有师长表示诚挚的谢意！ 肖奎 2021年4月为你提供优秀的毕业论文参考资料，请您删除以下

55、内容，O(_)O谢谢！2 Many people have the same mixed feelings when planning a trip during Golden Week. With heaps of time, the seven-day Chinese为你提供优秀的毕业论文设计参考资料，请您删除一下内容，O(_)O谢谢！National Day holiday could be the best occasion to enjoy a destination. However, it can also be the easiest way to ruin how you feel about a place and you may become more fatigued after the holiday, due to battling the large crowds. During peak season, a dream about a place can turn to nightmare without careful planning, especially if you travel with children and older people. As most Chinese people will take the holiday to