基于PLC的锅炉三冲量给水控制系统设计论文说明

1、基于PLC的锅炉三脉冲供水控制系统设计摘 要锅炉三脉冲供水控制系统是工业控制中的典型控制系统。在锅炉三冲量供水控制系统中，汽包水位是锅炉安全运行的一个非常重要的参数。汽包水位高低都可能导致极其严重的后果；因此必须严格控制汽包水位。随着PLC技术的飞速发展，PLC被广泛应用于过程控制领域，使控制系统的性能得到了极大的提高。 PLC已经成为自动控制领域必不可少的重要设备。文中介绍了控制设计、PLC的介绍和系统软件设计。同时在分析影响汽包水位的各种因素的基础上，专门分析了“水位虚现象”，提出了汽包水位控制系统的三冲量控制方案。系统采用西门子S7-300实现汽包水位自动控制。采用工程调节法调节PID参

2、数，并进行了仿真研究。根据仿真结果，系统性能满足要求。关键词： PLC；锅炉;三个冲动；汽包水位； PID控制目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358706385 摘要 PAGEREF _Toc358706385 h 我 HYPERLINK l _Toc358706386 摘要 PAGEREF _Toc358706386 h 二 HYPERLINK l _Toc358706387 一、简介 PAGEREF _Toc358706387 h 1 HYPERLINK l _Toc358706388 1.1学科背景、目的和意义 PAGEREF _Toc3587063

3、88 h 1 HYPERLINK l _Toc358706389 1.2项目研究内容 PAGEREF _Toc358706389 h 2 HYPERLINK l _Toc358706390 2.控制方案设计 PAGEREF _Toc358706390 h 4 HYPERLINK l _Toc358706391 2.1滚筒水位控制系统参数选择 PAGEREF _Toc358706391 h 4 HYPERLINK l _Toc358706392 2.2控制方案设计结构选择 PAGEREF _Toc358706392 h 4 HYPERLINK l _Toc358706393 2.2.1单脉冲滚筒

4、水位控制系统 PAGEREF _Toc358706393 h 4 HYPERLINK l _Toc358706394 2.2.2双脉冲滚筒水位控制系统 PAGEREF _Toc358706394 h 5 HYPERLINK l _Toc358706395 2.2.3三脉冲滚筒水位控制系统 PAGEREF _Toc358706395 h 6 HYPERLINK l _Toc358706396 2.3前馈串级控制系统 PAGEREF _Toc358706396 h 7 HYPERLINK l _Toc358706397 2.3.1 串级控制系统特点 PAGEREF _Toc358706397 h

5、7 HYPERLINK l _Toc358706398 2.3.2串级控制系统回路选择原则 PAGEREF _Toc358706398 h 8 HYPERLINK l _Toc358706399 2.3.3前馈控制系统特点 PAGEREF _Toc358706399 h 9 HYPERLINK l _Toc358706400 2.3.4前馈控制器设计 PAGEREF _Toc358706400 h 10 HYPERLINK l _Toc358706401 2.4被控对象的数学模型 PAGEREF _Toc358706401 h 11 HYPERLINK l _Toc358706402 三、PL

6、C简介 PAGEREF _Toc358706402 h 13 HYPERLINK l _Toc358706403 3.1 S7-300硬件 PAGEREF _Toc358706403 h 13 HYPERLINK l _Toc358706404 3.1.1 S7-300 的物理结构 PAGEREF _Toc358706404 h 13 HYPERLINK l _Toc358706405 3.1.2硬件配置 PAGEREF _Toc358706405 h 14 HYPERLINK l _Toc358706406 3.1.3信号模块 PAGEREF _Toc358706406 h 15 HYPER

7、LINK l _Toc358706407 3.2 S7-300软件 PAGEREF _Toc358706407 h 15 HYPERLINK l _Toc358706408 3.2.1组织块OB35 PAGEREF _Toc358706408 h 15 HYPERLINK l _Toc358706409 3.2.2功能块FB41 PAGEREF _Toc358706409 h 16 HYPERLINK l _Toc358706410 3.2.3功能块FB100 PAGEREF _Toc358706410 h 17 HYPERLINK l _Toc358706411 3.2.4功能块FC105和

8、FC106 PAGEREF _Toc358706411 h 18 HYPERLINK l _Toc358706412 4 、PLC控制系统设计 PAGEREF _Toc358706412 h 19 HYPERLINK l _Toc358706413 4.1编程19 _ PAGEREF _Toc358706413 h HYPERLINK l _Toc358706414 4.2仿真步骤 PAGEREF _Toc358706414 h 29 HYPERLINK l _Toc358706415 4.3仿真曲线 PAGEREF _Toc358706415 h 32 HYPERLINK l _Toc358

9、706416 结论 PAGEREF _Toc358706416 h 34 HYPERLINK l _Toc358706417 至 PAGEREF _Toc358706417 h 35 HYPERLINK l _Toc358706418 参考文献 PAGEREF _Toc358706418 h 361 简介1.1 课题背景、目的和意义蒸汽锅炉是企业重要的动力设备，其任务是提供合格、稳定的蒸汽产品，满足负荷的需要。锅炉是一个非常复杂的控制对象。为了提供合格的蒸汽产品来满足负载的需要，与之设计的控制系统必须满足主要工艺参数的需要。保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要安全性能指标。由于负荷

10、、燃烧条件和给水流量的变化，汽包水位会经常变化1 。因此，锅炉汽包水位应根据设备运行情况实时调整，严格控制，确保锅炉安全运行。工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量与蒸发量保持动态平衡，使汽包水位保持在工艺内容范围内，这是保证汽包水位的必要条件。锅炉的安全生产和运行。锅炉汽包水位也在锅炉运行中。一个重要的监测参数，它间接反映了锅炉负荷和给水之间的平衡。传统的控制方式是基于各种分立器件的应用，利用各种检测装置对被控参数进行实时检测并反馈给控制装置，然后根据自动控制系统的相关算法完成相应的操作。控制理论和驱动调节机制完成。相应的动作，从而达到自动控制的目的。但这种控制方式受分立器件性能影响较

11、大，对系统各部分影响较大，自动化程度不高，控制效果不是很理想，容易出现故障，即不利于系统的长期安全高效运行。 DCS分布式控制系统现在也被广泛使用，但是由于DCS系统适用于多个控制回路同时工作的复杂系统，而且分布式控制系统往往价格昂贵，对于一个控制系统来说太划算了如滚筒水位。因此，它不是滚筒水位控制系统的理想选择2 。因此，有必要使用另一个更好的控制系统来控制它。 PLC是1970年代发展起来的大型控制器。它是一个集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于一体的设备。它已广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等行业3 。随着计算机在操作系统、应用软件、通讯能力等方面的飞速发展， PL

12、C通讯能力大大增强，PLC编程软件和编程技能不断丰富， PLC过程控制能力增强。因此，无论是单机还是多机控制、生产线控制和过程控制，都可以使用PLC技术。 PLC控制锅炉技术是近年来发展起来的一项新技术。它是PLC软件、硬件、自动控制、锅炉节能等多项技术紧密结合的产物。作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉安全、稳定、经济的运行，减轻操作人员的劳动强度。采用PLC控制技术，可实现锅炉运行过程的自动检测、自动控制等多项功能。其控制量为汽包水位，调节量为汽包水流量。 PLC通过对汽包水位的实时检测和反馈，将反馈信号与给定信号进行比较，然后根据控制算法将两者进行比较。相应地计算出偏差，并将计算结果输

13、出到执行器，实现供水流量的调节，使汽包内的物料达到动态平衡，汽包内水位的变化。是在内容范围内。PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。由于其可靠性高、算法简单、鲁棒性好等优点，被广泛应用于过程控制，特别是对于可以建立精确数学模型的确定性系统。 PID控制的效果完全取决于它的四个参数，即采样周期、比例系数、积分系数和微分系数。因此， PID参数的整定与优化一直是自动控制领域的重要研究课题。 PID在工业过程控制中的应用已有近100年的历史。虽然这一时期出现了很多控制算法，但由于其自身的特点和人们在长期使用中积累的丰富经验， PID算法在工业控制中得到了广泛的应用。在PID算法中， P、I、D三

14、个参数的整定优化成为关键问题。1.2 项目研究内容水位控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发并将汽包水位保持在工艺范围内。汽包水位控制也称为锅炉给水控制。本设计的主要任务是：( 1 )设计锅炉汽包水位控制方案从锅炉汽包水位动态性能入手，分析了影响锅炉汽包水位的主要因素，并就这些因素对锅炉汽包水位动态性能的影响进行了理论研究。在此基础上，根据各种因素对锅炉汽包水位的影响，采用汽包水位三脉冲方案，达到控制锅炉汽包水位的目的。稳定的。（2） PLC及相关模块介绍本实验的运行环境是在S7-300系列的PLC中进行的。在进行实验之前，有必要对其有一个大致的了解，熟悉其功能，以便更好地应用。此外，还需要了解组织

15、块、功能块等模块，了解管脚的作用。(3) 控制算法的参数设置根据被控对象的特性，根据其静态和动态特性，按照工程调整的方法对控制器的参数进行调整，对调节器的各个参数进行设计。在此基础上对调优结果进行仿真，对调优结果进行进一步调整，判断其可行性，为后续的软件设计工作奠定基础。(4) PLC程序及监控界面设计根据参数设置和仿真结果，利用相关软件进行PLC梯形图程序设计，最终实现控制算法。同时采用组态软件设计监控界面，通过上位机实现对整个系统运行状态的实时监控功能，从而可以动态显示系统的运行状态，并可通过监控界面对系统进行相关操作。2.控制方案设计2.1 滚筒水位控制系统参数选择汽包水位控制系统可以直

16、接选择汽包水位作为控制参数。影响汽包水位变化的因素包括供水量的变化、蒸汽流量的变化、燃料量的变化、汽包压力的变化等。滚筒压力的变化并不直接影响水位，而是通过滚筒压力升高时的“自冷凝”和压力降低时的“自蒸发”过程。汽包的压力变化往往是由蒸汽流量的变化引起的。压力变化系数可以与蒸汽流量的变化一起考虑。蒸汽流量是一个不可控的因素，根据用户的需要而变化。因此，汽包压力和蒸汽流量都不能作为汽包水位的控制变量。燃油量的变化必须在被水吸收之前由燃油系统转化为热量，进而影响汽化量并改变水位。该通道的传输滞后和容量滞后非常大，而且燃油过程由特殊的调节系统控制，因此燃油量不能作为滚筒水位的控制变量4 。只有锅炉给

17、水可以用作汽包水位的控制变量。2.2 控制方案设计结构的选择锅炉汽包水位自动控制的任务是使锅炉给水跟踪锅炉蒸发并保持汽包水位在工艺内容范围内。锅炉汽包水位调节系统常采用以下三种调节方式。2.2.1单脉冲滚筒水位控制系统以汽包水位为控制参数，供水量为控制变量，可形成单回路水位控制系统，工程上也称为单脉冲控制系统。图2.1是单脉冲控制系统的框图。该系统的优点是所用设备少，结构简单，参数设置和使用维护方便。在单脉冲控制系统中，当锅炉的蒸汽负荷（流量）突然大幅度增加时，由于出现虚假水位现象，调节器不仅不打开大给水阀增加给水量，但关闭调节阀的开口以减少供水。水量。这样，由于蒸汽量的增加和供水量的减少，汽

18、包内储存的水量减少。假水位消失后，汽包的水位会严重下降，甚至汽包的水位会下降到危险的水平，导致事故发生。对于负荷波动较大的大中型锅炉，单脉冲控制系统无法保证水位的稳定，难以满足水位控制要求和安全生产。对于小型锅炉，蒸汽负荷变化时出现的假水位现象并不明显。如果配备一些相应的连锁报警装置，这种单脉冲控制系统也能满足生产要求，保证安全生产。汽包水位汽包水汽包水位汽包水位设定汽包水位调节阀调节器汽包水位调节阀调节器+变送器变送器图2.1单脉冲水位控制系统框图2.2.2 双脉冲滚筒水位控制系统对汽包水位的主要干扰是蒸汽流量的变化。如果能用蒸汽变化信号来补偿和控制供水，就可以消除或减少“假水位”现象对汽包

19、水位的影响，控制效果比只控制好由水位。系统框图如图2.2 所示。 .与单脉冲水位控制系统相比，双脉冲水位控制系统增加了主要扰动蒸汽流量扰动的补偿通道，使调节阀可以根据蒸汽流量扰动进行供水补偿。 ，而其他扰动对水位的影响由反馈控制回路控制。 ，这是一个前馈-反馈复合控制系统。将液位调节器的输出信号与蒸汽变送器的信号相加后，控制供水调节阀的开度。当蒸汽流量发生变化时，采用前馈补偿直接控制给水控制阀，使进出汽包的水不受“假水位”现象的影响，达到平衡时间，从而克服了蒸汽流量变化引起的“假水位”现象。滚筒水位剧烈波动。蒸气流量D蒸汽流量变送器蒸气流量D蒸汽流量变送器汽包水位+汽包水位+汽包水位设定调节器

20、汽包水位调节阀调节器汽包水位调节阀u+u+液位液位变送器图2.2双脉冲水位控制系统框图2.2.3三脉冲滚筒水位控制系统与单脉冲控制相比，双脉冲水位控制大大提高了控制质量。但是，双脉冲水位控制系统还存在两个问题。一是调节阀的工作特性不一定是线性的，很难做到完全的静态补偿；为此，在双脉冲水位控制系统的基础上，可将给水流量信号作为二次参数，组成三脉冲水位控制系统。相应的控制系统框图如图2.3所示。滚筒水位为主要参数，又称主冲量；给水流量是次要参数，蒸汽流量是主要扰动，给水流量和蒸汽流量也称为辅助冲量，是一种前馈-串级复合控制系统。主控制回路以汽包水位作为主控制信号，前馈控制回路以蒸汽流量作为前馈信号

21、，辅助控制回路以给水流量作为串级信号。 .第三阶段脉冲控制系统。给水流量本地反馈信号通过给水流量变送器、子调节器PID2和变频器形成回路。其作用是消除给水压力波动等因素对给水流量的自发扰动，以便在蒸汽负荷变化时迅速调整给水流量，从而保证给水的平衡。水流和蒸发。这是一个快速循环；变送器、主调节器PID1 、回路、对象调节通道组成一个回路（主回路），其作用是修正水位偏差，使水位等于设定值；蒸汽流量信号用作前馈信号，其作用是使供水量很大。快速跟踪蒸汽流量变化，克服逆变器故障及假水位现象引起的水位波动过大。蒸气流量D调节器蒸汽流量变送器蒸气流量D调节器蒸汽流量变送器给水流量给水流量G汽包水位+水位设定

22、值汽包水位+水位设定值汽包水位调节阀流量调节器（副）液位调节器（主）汽包水位调节阀流量调节器（副）液位调节器（主）+流量变送器流量变送器液位变送器液位变送器图2.3三脉冲液位控制系统框图一些锅炉系统使用相对简单的三脉冲水位控制系统。这种三冲量控制系统只有一个调节器和一个加法器，因此也称为单级三冲水位控制系统。加法器可以在稳压器之前，也可以在稳压器之后。稳压器的优势在于它使用的仪器更少，而这只需一个多通道稳压器即可实现。但是，如果系数设置不当，就不能保证物料平衡，当负荷变化时，水位会有余量。加法器接调节器后，没有残留水位，但需要加法器，仪表比上一个使用多了，但调节器的参数变化不影响补偿通道的设置

23、参数.在汽包停留时间短、负荷变化频繁、蒸汽流量变化大的情况下，为避免蒸汽流量突然增加或减少，水位偏离设定值过高或过低，造成锅炉停止。采取在流量检测信号通道增加惯性环节、在蒸汽流量检测信号通道增加反向差分环节或在汽包水位检测信号通道增加差分环节等措施，减小水位波动幅度。2.3 前馈串级控制系统2.3.1串级控制系统的特点( 1 ) 时间常数串级控制系统可以使等效子对象的时间常数更小，从而显着提高控制质量。( 2 ) 工作频率在串级控制系统中，由于子回路的存在起到改善对象特性的作用，降低了等效子对象的时间常数，因此提高了系统的运行频率。( 3 )抗干扰能力在自动控制系统中，由于控制器的放大系数值决

24、定了系统对偏差信号的敏感程度，也在一定程度上反映了系统的抗干扰能力。( 4 )对负载变化有一定的自适应能力在单回路控制系统中，控制器的参数是在一定的负载，即一定的工作点下，按照一定的质量指标要求来设定的。也就是说，某些控制器参数只能适应某些负载。 .如果物体是非线性的，随着载荷的变化，工作点会移动，物体的特性也会发生变化。原来基于某个负载设置的控制器参数集已经不能适应，需要重新调整控制器参数以适应新的工作点，否则会降低控制质量。但在串级控制系统中，虽然主回路是定值控制系统，但子回路是随动控制系统，其设定值随主控制器的输出而变化。这样，主控制器可以根据工况和负载变化，相应地调整子控制器的设定值，

25、从而保证控制系统在负载和工况变化时仍然具有更好的控制质量5 .2.3.2串级控制系统回路的选择原则1.主循环的选择是确定主变量。一般来说，主变量的选取原则与单回路控制系统的受控变量选取原则是一致的，即任何能直接或间接反映生产过程质量或安全性能的参数都可以选为主变量。由于串级控制系统二次回路的主导作用，过程相对稳定。因此，在一定程度上内容主变量有一定的滞后性，这为直接使用质量标准作为主变量提供了一定的便利。具体选取原则如下：以质量指标作为控制量是最直接有效的，条件内容的情况下可作为主要变量；当不能选择质量指标作为主变量时，应选择与产品质量对应的单个值关系的参数作为主变量；选择的主要变量必须具有足

26、够的敏感性；应考虑过程的合理性和实现的可能性。2.二级循环的选择是确定二级变量。由于串级控制系统的各种特性主要来自其二次回路，因此二次回路设计的好坏决定了串级控制系统设计的成败。主变量确定后，子变量的选取一般遵循以下原则。( 1 ) 二次回路应包括尽可能多的主扰动。由于串级控制系统的二次回路具有动作速度快、抗干扰能力强的特点，为了充分发挥这些特点，在设计串级控制系统时，应在二次回路中加入各种扰动作为尽可能多的，尤其是将那些变化最剧烈、幅度最大、频率最高的主扰动包括在子电路中，子电路能以最低程度克服它们，然后对主电路的影响变量会很小，从而提高控制质量，否则，采用串级控制系统意义不大。因此，在设计

27、串级控制系统时，研究系统的主要干扰源非常重要。这里必须指出的是，二次回路应该尽可能地包含一些干扰，而不是尽可能多的。因为事物总是一分为二，包括更多的干扰，可以减少干扰对主变量的影响，这是一个优势。但过多的干扰包含在内，势必会使子变量的位置更靠近主变量，从而使子变量克服干扰的灵敏度降低。在极端情况下，二次回路包括所有的扰动，而一次回路不需要存在，与单回路控制系统基本相同。因此，在选择子电路时，应包括哪些干扰，应详细分析具体情况。(2)主次对象的时间常数要匹配。由于二次回路的存在，串级系统的工作频率远高于单回路系统。频率的增加与主副物体的时间常数之比有关。一方面，我们希望它更小，以使二级回路更灵敏

28、，控制更快。但另一方面，如果太小，必然使/增大，对提高系统运行频率意义不大。同时，太小会导致次级环过于敏感，不稳定。 Therefore, when choosing the sub-circuit, the time constant ratio of the main and sub-objects should be selected appropriately, and it is generally considered that / =3 10 is more appropriate.（3）考虑过程的合理性和可能性。因为自动控制系统是为生产而设的，所以在设计系统时，首先要考虑生产过

29、程的要求，考虑设置的系统是否会影响过程系统的正常运行，然后再考虑其他的要求。否则，只会徒劳无功，甚至不利于生产。因此，在设计二次回路时，必须注意二次回路设定值的改变在技术上应该是可行的。( 4 )注意生产经济。在二回路的设计中，如果有多种备选方案，应结合经济原理和控制质量要求，能节电者争取节电。必须指出，上述选择二次回路时应考虑的一些问题并非适用于所有情况，也不是每个控制系统都必须完全遵守这些原则。针对不同的问题进行具体分析，是解决主要矛盾的上策。2.3.3 前馈控制系统特点( 1 )前馈控制器“根据扰动消除扰动对被控参数的影响”，又称“扰动补偿”。前馈控制器在扰动发生时立即进行控制，该控制对

30、特定扰动引起的动静态偏差控制有效。与反馈控制不同，需要等待被控参数发生偏差后再进行控制。(2)前馈控制是开环控制。只要系统中的各个环节稳定，控制系统就一定是稳定的；此外，前馈控制不测试受控参数。(3)前馈控制器的控制规律与反馈系统的控制规律不同，这是由过程特性决定的。不同的工艺特性有不同的控制规律。(4)前馈控制通道只能抑制一种扰动对被控参数的影响，而对其他扰动对被控参数的影响没有抑制作用。2.3.4 前馈控制器设计在实际生产过程中，如果系统主扰动频繁且严重，且生产过程对控制参数的精度要求较高，可以考虑前馈-串级复合控制方案。图2.4是一个典型的前馈-串级复合控制系统的框图6 。F(s)F(s

31、)+X(s)+Y(s)+X(s)+Y(s)_+_+_图2.4前馈-串级复合控制系统结构框图由图2.4可以得到扰动F(s)对系统输出Y(s)的闭环传递函数(2.1)为了实现对干扰 F(s) 的完全补偿，应该有.从公式2.1可以得到(2.2)当副回路的工作频率远大于主回路的工作频率时，副回路为快速随动系统，其闭环传递函数代入方程2.2得到一个完全补偿干扰 F(s) 的前馈控制器(2.3)由式2.3可知，在前馈-串级复合控制系统中，前馈补偿控制器的数学模型主要由扰动通道与主回路的过程特性之比决定。2.4被控对象的数学模型引起汽包水位变化的主要扰动是给水流量的变化和蒸汽流量的变化7 。如果只考虑主扰动

32、，则滚筒水位的动态性能可表示为：式中h 为汽包水位高度； - 给水流量的时间常数； -蒸汽流量的时间常数； 给水流量的放大系数； -蒸汽流量的放大系数；流量的标定值；给水流量相对于最大蒸汽流量变化的标定值。( 1 ) 如果蒸汽流量恒定，只有给水流量变化，汽包水位调节对象的运动方程可表示为：式中的符号含义同上。对于中压以下（蒸汽压2.0MPa ），给水流量项的时间常数很小，可以忽略不计，其传递函数简化对于这个模拟：( 2 ) 如果水流量恒定，只有蒸汽流量发生变化，汽包水位调节对象的运动方程可表示为：其传递函数为：在对于这个模拟：根据前面的描述，前馈控制器的公式必须三、PLC简介西门子公司S7-3

33、00系列PLC 。下面简单介绍一下相关知识。3.1 S7-300 硬件3.1.1S7-300 的物理结构S7-300是一款模块化的中小型PLC ，适用于中等性能的控制要求。种类繁多的CPU模块、信号模块和功能模块可以满足各个领域的自动控制任务。用户可以根据情况选择合适的模块，维护时更换模块也非常方便8 。S7-300 的每个 CPU都有一个 RS-485 接口，可以使用MPI （多点接口）通信协议。它不需要任何额外的硬件、软件和编程来构建 MPI 网络。一些CPU还具有集成现场总线PROFIBUS-DP接口、 PROFINET接口或PtP （点对点）串行通信接口。通过调用系统函数和系统函数块，

34、用户可以使用集成在操作系统中的子程序，从而显着减少所需的用户内存容量。它们可用于中断处理、错误处理、复制和处理数据等。S7-300有350多条指令，其编程软件STEP7功能强大，使用方便。可以使用多种编程语言。 STEP7还用于配置硬件和网络。CPU使用智能诊断系统持续监控系统是否正常运行，并记录错误的特殊系统事件。 S7-300具有过程报警、日期时间中断、定时中断等功能。S7-300采用紧凑的无插槽模块结构。电源模块 ( PS ) 安装在机架最左侧的插槽 1 中，CPU模块和接口模块 ( IM ) 分别安装在第2和第 3插槽中。S7-300使用背板总线连接除电源模块以外的所有模块。背板总线集

35、成在模块上。除电源模块外，其他模块通过U型总线连接器连接，U型总线连接器插入每个模块后面。安装时，先将总线连接器插入CPU模块上，将后者固定在导轨上，然后依次安装各个模块。外部接线连接到信号模块前连接器和功能模块的端子，前连接器通过插接的方式安装在模块前门后面的凹槽上。 S7-300的电源模块通过连接器或电线连接到 CPU 模块。除了带CPU的中央机架外，最多可以增加3个扩展机架，每个机架的4-11槽位可以插入8个信号模块（ SM ）、功能模块（ FM ）和通信处理器（ CP） 。3.1.2硬件配置1.硬件配置任务STEP7中生成与实际硬件系统完全相同的系统。配置模块的槽位、型号、订货号、固件

36、版本号与实际模块完全相同。硬件配置决定了PLC输入/输出变量的地址，为设计用户程序奠定了基础。硬件配置包括以下内容：(1)系统配置。从硬件目录中选择一个机架，将模块分配到机架中的插槽；将多机架系统的机架与接口模块连接起来。对于网络控制系统，需要生成网络和网络上的站点。(2)设置CPU和其他模块的参数。如果没有特殊要求，可以使用默认参数。2.硬件配置工具HW ConfigSIMLIC管理器左侧的站对象，双击右侧窗口中的“硬件”图标，打开硬件配置工具HW Config 。根据实际情况进行配置，配置结果如图3.1所示。图3.1硬件配置工具3.1.3信号模块输入/输出模块统称为信号模块（ SM ），包

37、括数字（或开关）输入（ DI ）模块、数字输出（ DO ）模块、数字输入/输出（ DI/DO ）模块、模拟输入（ AI ）模块、模拟输出 ( AO ) 和模拟输入/输出 ( AI/AO ) 模块。S7-300连接到插入式前连接器的端子，前连接器插入前盖后面的凹槽中。更换模块时无需断开前连接器上的外部接线，只需将前连接器拆下插入新模块即可，无需花费时间重新接线。模块上有两个编码元件，其顶盖在第一次插入时会永久插入前连接器。为避免更换时出错，前连接器在第一次插入时进行编码，以后此前连接器只能插入相同类型的模块中。 20针前连接器用于信号模块（ 32点模块除外）和功能模块。 40针前连接器用于32点

38、信号模块。的SF LED用于显示故障和错误，数字I/O模块面板上的LED用于显示每个数字输入/输出点的信号状态，前面板上有一个标签区.模块安装在DIN标准导轨上，并通过总线连接器与相邻模块连接。3.2 S7-300 软件3.2.1 组织块 OB35组织块 ( OB ) 由操作系统调用。 OB没有背景数据块，不能为OB声明输入、输出参数和静态变量。因此， OB的变量声明表中只有临时变量。 OB 的临时变量可以是基本数据类型、复杂数据类型或 ANY 数据类型。本实验在组织块OB35中完成。 OB35属于预定中断组织块。西门子S7-300有9个常规中断组织块： OB30 、 OB31 、 OB32

39、、 OB33 、 OB34 、 OB35 、 OB36 、 OB37 、 OB38 。CPU可以周期性中断执行这些模块中的程序，即每隔一定时间停止当前程序，切换执行定时中断组织块中的程序，执行完毕后返回。相当于单片机的定时中断。这9个组织块的功能是一样的，你可以选择其中一个来使用，不同的是它们的中断优先级不同。如果程序中使用了多个定时中断组织块，则应设置它们的执行优先级。S7-300CPU可用的定时中断组织模块是OB35。在300站点的硬件配置中，打开CPU属性设置，可以看到其他中断组织块是灰色的。 OB35的默认调用时间间隔为100ms ，我们可以根据需要进行更改，时间范围为1-60000毫

40、秒（ ms ）。设置中断时间间隔如图3.2所示。图3.2中断时间间隔设置注意：设置的时间必须大于在OB35 中程序执行所花费的时间。3.2.2 功能块 FB41PID模块是用于模拟量控制的模块，可以完成恒压、恒温等控制功能。打开Librariesstandard libraryPID Control blockFB41 ，转入OB35 ，先分配后台数据块DB41 ，然后分配给每个管子。引脚输入地址。本文使用的系统是FB41“CONT_C”实现连续控制，FB“CONT_C”用于在SIMATIC S7可编程控制器上控制具有连续输入输出变量的工艺过程。在参数分配期间，用户可以激活或禁用PID控制器的

41、子功能，以使控制器适应实际过程。该控制器可用作PID固定设定值控制器。控制器的功能是基于采样控制器的PID控制算法，采样控制器有模拟信号；如有需要，控制器的功能可以扩展，增加脉冲发生器环节，产生脉宽调制输出信号，用于带比例执行器的二步或三步控制器。 FB41指令的主要参数如表3.3所示。表3.3 FB41指令参数范围数据类型默认描述手动开启布尔值错误的该块有一个完全重启例程，当输入“完全重启”设置时执行。P_SEL布尔值真的当输入“比例作用开启”被设置时，比例作用被打开。I_SEL布尔值真的当输入“Integral Action On”被设置时，积分动作被打开。D_SEL布尔值错误的设置了输入

42、“微分作用开”时，微分作用被打开。循环时间T#1ms“采样时间”输入确定块调用之间的时间间隔。SP_INT真实的0.0“部分设定值”输入用于确定设定值。PV_IN真实的0.0初始值可以在“过程变量输入”输入上设置，也可以连接到浮点格式的外部过程变量。获得真实的2.0比例因子输入用于指定控制器的增益。德州仪器时间T#20s“复位时间”输入确定积分器的时间响应。运输署时间T#10s微分时间输入确定微分器的时间响应。LMN_HLM真实的100.0调节器上限输入指定调节器的上限。LMN_LLM真实的0.0稳压器下限输入指定稳压器的下限。DISV真实的0.0对于前馈控制，扰动变量继续输入“扰动变量”。L

43、MN真实的0.0有效的受控值以浮点格式从“受控值”输出中输出。3.2.3 功能块 FB100FB100“ PROC_C ”模拟温度过程，控制器设置为连续控制器。 PROC_C 表示带有模拟输入的三阶滞后过程。 FB100 指令的主要参数如表3.4所示。表3.4 FB100命令参数输入输出意义数据类型投资输入变量真实的DISV扰动变量真实的获得过程增益真实的TM_LAG1延时1真实的TM_LAG2时间延迟 2真实的TM_LAG3时间延迟 3真实的AMB_TEM环境温度真实的输入输出意义数据类型外视输出变量真实的3.2.4 功能块 FC105 和 FC106FC105是一个处理模拟输入（ 15V、

44、420MA等常规信号）的功能块，打开Librariesstandard libraryTi-S7 Converting BlocksFC105 ，转入OB35 ，输入每个pin的地址。其指令的主要参数如表3.5所示。表3. 5 FC105命令参数范围数据类型描述CN布尔值“启用”为1 ，有效。在INT模拟量模块的输入通道地址，在硬件配置时分配。真实的场信号最大量程值真实的场信号最小跨度值双极布尔值极性设置，如果场信号为+10V-10V （有极性信号），设置为1 ，如果场信号为4MA20MA （无极性信号）；将其设置为0 ；出去真实的场信号值RET_VAL单词功能块的故障字如果没有错误，将返回值

45、W#16#0000FC106是处理模拟量输出（ 15V、40MA等常规信号）的功能块，打开Librariesstandard libraryTi-S7 Converting Blocksfc106 ，转入OB35 ，为每个输入地址别针。其指令的主要参数如表3.6所示。表3. 6 FC106命令参数范围数据类型描述CN布尔值“启用”为1 ，有效。在INT模拟量模块的输入通道地址，在硬件配置时分配。真实的场信号最大量程值真实的场信号最小跨度值双极布尔值极性设置，如果场信号为+10V-10V （有极性信号），设置为1 ，如果场信号为4MA20MA （无极性信号）；将其设置为0 ；出去国际场信号值RE

46、T_VAL单词功能块的故障字如果没有错误，将返回值W#16#00004 、PLC控制系统设计4.1 编程程序段1是用FB100模拟被控对象蒸汽流量和汽包水位传递函数中的惯性环节，输出结果为MD64。表示蒸汽流量与汽包水位传递函数中的积分环节，输出结果为M68，再用惯性环节得到的结果MD68减去积分环节得到的结果MD68，即为输入汽包水水平结果 MD72 从蒸汽流中获得。前馈控制器中的中间微分环节。程序 4 使用 FB100 模拟前馈控制器中的惯性链接。程序5将微分环节和惯性环节得到的结果相加，再减去比例环节得到的和，最后得到给定蒸汽流量得到的前馈结果MD18。程序段6利用FB41实现PID运算

47、，将被控对象反馈的设定水位300（SP_INT设置）与过程量MD0（PV_INT设置）的差值，然后从MD4输出PID运算结果.由于模拟量模块的精度为 12 位，所以需要将 PID 的输出范围设置为 027648（LMN_HLM 和 LMN_LLM 设置）。程序段7使用 FC106 将 PID 输出（MD4）转换为 027648（对应工程量 420mA） ，结果从 MW8 输出。8使用FC105量程转换将027648（MW10）转换为0 350CM （MW12） 。得到结果 MD14。在步骤9中，将前馈控制器得到的结果与主回路得到的结果相加得到的结果MD22作为子回路的设定值。程序段10使用FB

48、41实现PID运算，将MD22（SP_INT设置）与被控对象反馈的过程量MD26（PV_INT设置）进行差分，然后从MD30输出PID运算结果。由于模拟量模块的精度为 12 位，所以需要将 PID 的输出范围设置为 027648（LMN_HLM 和 LMN_LLM 设置）。程序段11使用 FC106 将 PID 输出（MD4）转换为 027648（对应工程量 420mA） ，结果从 MW36 输出。程序段12使用 FC105 量程转换将 027648（MW10）转换为4 20mA （ MD40 ） 。程序13利用电动调节阀来实现电流与阀门开度的关系。为方便起见，假设关系是线性的。根据情况可以得

49、到传递函数，最终运算得到的结果为MD48。程序14实现了调节阀开度与供水流量的关系。由于该过程更复杂，因此假设使用简单的传递函数。即，将开口乘以一个常数（本设计中为 100），结果为 MD26。FB41给水流量与汽包水位传递函数中的积分环节，其输出为MD52 。程序16使用FB100模拟受控对象给水流量和汽包水位传递函数中的惯性环节。输出结果为 MD56。然后将积分环节的结果MD52和惯性环节的结果MD56相加，得到结果MD60，作为给水流量得到的滚筒水位。程序部分17的作用是将得到的给水流量和蒸汽流量的结果MD0加到汽包水位作为主回路的反馈值，形成一个回路。4.2 模拟步骤（1）打开仿真软件PLCSIMS7-PLCSIM是一款功能强大且易于使用的S7-300仿真软件，可代替PLC硬件调试用户程序。打开仿真软