基于s7-300plc的锅炉流量-温度前馈-反馈控制系统设计

基于s7-300plc的锅炉流量-温度前馈-反馈控制系统设计内容摘要：

制补偿要求不高，同时温度对象的传递函数难以求得，所以在实现前馈补偿时我们用的是静态前馈补偿。 3 控制算法实现基础 S7300PLC 系统 说明及组态 PLC 介绍 PLC 即可编程控制器，英文全称 是 Programmable logic Controller。 是 一种数字运算操作的 电子系统， 专为在工业环境应用而设计的。 它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算 ,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程 .PLC 是可编程逻辑电路，基于 SIEMENS S7300PLC 的锅炉流量 温度前馈 反馈控制系统设计 5 也是一种和硬件结合很紧密的语言。 模块式 PLC 由： CPU 模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块、编程设备等几个部分组成。 S7300PLC 说明 S7300PLC 基本介绍 本次设计我 们用的是德国西门子公司的 S7300 PLC。 西门子的 PLC 以极高的性能价格比，在国际、国内市场占有很大的份额，在我国的各行各业得到了广泛的应用。 S7300/400 属于模块式 PLC，主要由机架、 CPU 模块、信号模块（ SM）、功能模块（ FM）、接口模块（ IM）、通信处理器（ CP）、电源模块（ PS）和编程设备组成。 S7300 模块 说明 本次设计主要是涉及到温度、流量等模拟信号的采集，因此主要用到的是西门子的SM331 和 SM332 模块。 西门子的 SM331 和 SM332 模块有很多的型号，在选择时要考虑到需要 用到的模拟量通道的数量，模拟量采集需要的精度等一系列因素。 但是因为本次设计所用到的设备是往年已经准备好的所以这些我们不需要考虑。 这次设计用到的 SM331 模块订货号为： 6ES7 3317RD000AB0。 这个模块有 4 路模拟量输入通道。 可以接收 0~20mA 和 4~20mA 的电流信号，精度为 15 位。 所用到的SM332 模块订货号为： 6ES7 3325HD010AB0。 这个模块有 4 路模拟量输出通道。 可以输出 0~20mA 和 4~20mA 的电流信号，精度为 12 位。 （ 1） SM331 介绍 模拟量输入模块用 于将模拟信号转换为 CPU 内部处理用的数字信号，其主要组成部分是 A/D 转换器。 模拟量输入模块的输入信号一般是模拟量变送器输出的标准量程的直流电压、直流电流信号。 为了防止电磁干扰，模拟量模块可以分为带隔离和不带隔离的。 在设置模拟量输入模块时先要从硬件上设置各个通道对应的量程卡。 然后在组态时在属性对话框内设置测量范围和型 号。 图 3 为 SM331 属性设置。 模拟量输入 /输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟值用 16 位二进制补码（整数）来表示。 模拟量输入模块的模拟值与以百分数表示的模拟量之间的对应关系为双极性模拟量量 程（ 100%到 100%）分别对应于模拟值 27648 到 27648。 单极性对应于0 到 27648。 （ 2） SM332 介绍 模拟量输出模块 SM332 用于将 CPU 传送给它的数字转换为成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分是 D/A 转换器。 在模拟量输出组态时也需要选择输出类型和范围，如果不选择正确会使得执行器出现一些与控制信号不基于 SIEMENS S7300PLC 的锅炉流量 温度前馈 反馈控制系统设计 6 符的错误。 如图 4 所示在输出类型和输出范围两个选项上应该对应执行器选择。 例如我们设计中用到的调节阀应该用电流型 4~20mA 电流信号在选择时应该按图 4 所示来选择，否则 会出现执行器输入信号错误从而影响控制系统运行。 图 4 为 SM332 属性设置。 图 3 SM331 属性设置 图 4 SM332 属性设置 基于 SIEMENS S7300PLC 的锅炉流量 温度前馈 反馈控制系统设计 7 S7300 组织块说明 在设计中我们主要用到三个组织块 :OB1 OB100 和 OB35。 OB1 用于循环处理，是用户程序中的主程序。 操作系统在每一次循环中运行一次OB1。 OB100 程序在 CPU 执行暖启动时执行，且只执行一次，可用于变量的初始化。 OB35 是定时循环中断组织块，在 CPU 属性设置中可以设置它的中断周期如图 5 所示。 图 5 CPU 属性设置 S7300 功能块 说明 这次设计中需要用到 PID 调节功能以及控制加热丝，即 PID 的输出要控制开关量。 因此我们需要用到 FB41 和 FB43 模块。 S7300 的模拟量闭环控制功能主要涉及到 FB4 FB4 FB43 三个功能块。 其中FB41 用于连续控制， FB42 用于步进控制， FB43 用于脉冲宽度调制。 （ 1） FB41 模块说明。 FB41 模块的输出为连续变量。 可以作为单独的 PID 恒值控制器，或者在多闭环控制中实现级联控制、混合控制器和比例控制器。 控制器的功能基于模拟信号采样控制器的 PID 控制算法，如果需要的话， FB41 可以用脉冲发生器 FB43 进行扩展（本次设计就用到 FB43 做为扩展），产生脉冲宽度调制的输出信号，来控制比例执行机构的二级或三级控制器。 下面简单介绍一下 FB41 的几个常用参数。 MAN_ON:为 1 时控制循环将被中断，手动值被设置为操作值。 PV_IN:输入浮点格式的过程变量，此时数字量输入 PVPER_ON 应为 0。 SP_INT:内部设定值输入，取值范围177。 %或物理值。 基于 SIEMENS S7300PLC 的锅炉流量 温度前馈 反馈控制系统设计 8 P_SEL:为 1 时激活比例作用，反之禁止比例作用，默认值为 1。 I_SEL:为 1 时激活积分作用，反之禁止积分作用，默认值为 1。 D_SEL:为 1 时激活微分作用，反之禁止微分作用，默认值为 1。 DISV:扰动输入变量。 LMN:浮点格式的控制器输出值。 LMN_HLM:控制器输出上限值。 LMN_LLM:控制器输出下限值。 （ 2） FB43 模块说明。 FB43 模块为一个脉冲发生器通常与 PID 控制器配合使用，用脉冲输出来控制比例执行机构。 该功能一般 与连续控制器 FB41 一起使用， FB43 可以构建脉冲宽度调制的二级或三级 PID 控制。 FB43 通过调制脉冲宽度，将输入变量 INV（即 PID 控制器的输出量 LMN）转换为具有恒定周期的脉冲序列，该恒定周期时间 PER_TM 来设置， PER_TM 应与 CONT_C的采样周期 CYCLE 相同。 在这个模块中涉及到一个“采样比率”的问题，这个通过修改 P_B_TM 来设置采样比。 在 PER_TM 周期内的 P_B_TM 越小则采样频率越高，即控制精度越高。 下面介绍 FB43 几个常用的参数： MAN_ON:手动模式打开，可以手动设置输出信号。 INV:输入变量，即 FB41 输出的模拟量控制值 LMN。 PER_TM:周期时间，脉冲宽度调制的恒定周期，对应于 PID 控制器的采样时间。 P_B_TM:最小脉冲时间或最小断开时间，应不小于参数 CYCLE。 CYCLE:采样时间，规定了相邻两次块调用之间间隔的时间。 （ 3） FC105， FC106 功能的介绍。 在处理模拟量时，从变送器送过来的模拟信号经过 SM331 转换成 0~27648 之间的数值。 但是 FB41 处理这些数值之前需要经过一个量程转换将 0~27648 的数值转换成一个浮点数方能输入 FB41 进行处理。 在 处理后的数值输出给 SM332 之前也要经过一个变换。 在 STEP7 中我们可以用 FC105 和 FC106 来实现上述功能。 下面介绍一下这两个块的几个重要参数： IN:输入参数， FC105 可以是 PIW，也可以是整数格式的存储单元。 FC106 的可以 是 PID 运算的输出，也可以是浮点数格式的存储单元。 HI_LIM:输入参数，实数，工程单位量程上限。 LO_LIM:输入参数，实数，工程单位量程下限。 BIPOLAR:BOOL 量，输入值为 0 表示单极性，为 1 表示双极性。 RET_VAL:输出参数，返回值。 如果框中功能执行正常 ，输出值为 0，反之为 1. OUT:输出参数， FC105 的为浮点数，输出工程单位实数值。 FC106 的为整数，可直 基于 SIEMENS S7300PLC 的锅炉流量 温度前馈 反馈控制系统设计 9 接传送至 PQW 中。 当然，除去用以上两个模块外，我们也可以通过编程来实现量程之间的变换。 但为了方便起见我们在这次设计中直接用 FC105 和 FC106 直接运算。 S7300 系统存储区分类 S7300 系统存储区可分为一下几类。 （ 1）过程映像输入 /输出（ I/Q）。 过程映像输入在用户程序中的标识符。