基于PLC的PID多點溫度的控制的系統(tǒng)

1、-. z.基于PLC的PID多點溫度的控制的系統(tǒng)摘要：本設(shè)計闡述了利用西門子S7-300 PLC 擴展模擬量采集模塊SM331和模擬量輸出模塊SM332通過PID閉環(huán)控制四點溫度的智能控制系統(tǒng)。運用梯形圖編寫下位PLC程序，并用上位組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)置參數(shù)，實現(xiàn)對加熱系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)及對溫度的保持。本系統(tǒng)的實用性很強，穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度良好，程序開發(fā)容易，可以適應(yīng)農(nóng)業(yè)或工業(yè)生產(chǎn)中恒溫系統(tǒng)的需求。Abstract: This design describes the use of Siemens S7-300PLC e*tended analog acquisition module and the a

2、nalog output module of SM331SM332via PID closed-loop control to four point temperature intelligent control system. Application of ladder diagram to prepare lower PLC program, and the configuration software ( King ) set parameters, to achieve the automatic adjustment of heating system and temperature

3、 keeping. This system is very practical, good stability, accuracy, easy to program development, agricultural or industrial production thermostat system requirements.關(guān)鍵詞：PLC 組態(tài)王 PID控制 恒溫系統(tǒng)前 言20世紀(jì)70年代，誕生了兩種改變整個世界及商業(yè)管理模式的計算機。產(chǎn)生于1976年的蘋果II型，是世界上最早得到廣泛使用的微型計算機。當(dāng)今價值數(shù)十億美元的個人計算機產(chǎn)業(yè)就是從這個當(dāng)初由兩名年輕人在車庫里成立的小公司衍生而來

4、的。 另外一類計算機，是由Richard Morley在1972年創(chuàng)造的，如今稱之為可編程邏輯控制器PLC。它最初并沒有像個人計算機那樣得到名稱上的廣泛認(rèn)同，但是卻給制造業(yè)帶來了同樣意義重大的沖擊。PLC通常被稱為工廠級別的個人計算機。第一章 PLC的起源及開展1.1PLC起源1968年美國通用汽車公司提出取代繼電器控制裝置的要求； 1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司研制出了第一臺可編程邏輯控制器PDP14 ，在美國通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這是第一代可編程邏輯控制器，稱Programmable，是世界上公認(rèn)的第一臺PLC。 1969年，美國研制出世界第一臺

5、PDP-14； 1971年，日本研制出第一臺DCS-8； 1973年，德國研制出第一臺PLC； 1974年，中國研制出第一臺PLC。1.2PLC開展20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程邏輯控制器，使可編程邏輯控制器增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。此時的可編程邏輯控制器為微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個人計算機開展起來后，為了方便和反映可編程控制器的功能特點，可編程邏輯控制器定名為Programmable Logic ControllerPLC。 20世紀(jì)70年代中末期，可編程邏輯控制器進入實用化開展階段，計算機技術(shù)已全面

6、引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 20世紀(jì)80年代初，可編程邏輯控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 20世紀(jì)80年代至90年代中期，是可編程邏輯控制器開展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，可編程邏輯控制器逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在*些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 20

7、世紀(jì)末期，可編程邏輯控制器的開展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個時期開展了大型機和超小型機、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程邏輯控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。1.3當(dāng)前溫度控制系統(tǒng)的開展?fàn)顩r 近年來，我國以信息化帶動的工業(yè)化的方式正在蓬勃開展，溫度已成為工業(yè)對象控制中一種重要的參數(shù)，特別是在冶金、化工、機械等各類工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反響爐等。由于爐子的種類及原理不同，因此，所采用的加熱方式及燃料也不同，如煤氣、天然氣、油、電等。對于不同的生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，選用的燃料，控制方案也有所不同。其控

8、制方式有直接數(shù)字控制DDC,推斷控制，預(yù)測控制，模糊控制Fuzzy，專家控制E*pert Control,魯棒控制Robust Control,推理控制等。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷開展，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)不能滿足高精度、高速度的控制要求。如接觸器溫度控制儀表，其主要缺點是溫度波動大，由于主要通過控制接觸器的通段時間比例來改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近年來快速開展了多種先進的溫度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度，不但是控制變得簡便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的本錢，提高了生產(chǎn)效率。第二章 P

9、LC的根本概念以及組成2.1PLC根本概念可編程邏輯控制器Programmable Logic Controller，PLC，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。2.2PLC組成根本構(gòu)造可編程邏輯控制器實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件構(gòu)造根本上與微型計算機一樣，根本構(gòu)成為：電源 可編程邏輯控制器的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此，可編程邏輯控制器的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動

10、在+10%(+15%)*圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去 中央處理單元(CPU) 中央處理單元(CPU)是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及戒備定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)可編程邏輯控制器投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)存放器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)

11、或輸出存放器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停頓運行。 為了進一步提高可編程邏輯控制器的可靠性，近年來對大型可編程邏輯控制器還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使*個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 輸入輸出接口電路 1現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是可編程邏輯控制器與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。 2現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)存放器、選通電路和中斷請求電路集成，作用可編程邏輯控制器通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控

12、制信號。 功能模塊 如計數(shù)、定位等功能模塊。 通信模塊第三章 PLC硬件及軟件3.1PLC硬件介紹 設(shè)備選型選擇S7-300系列CPU 313C-2 DP；模擬量采集模塊選擇SM331；模擬量輸出模塊選擇SM332。設(shè)備參數(shù)CPU313C-2 DP:數(shù)字輸入16路數(shù)字輸出16路三個計數(shù)器外觀如圖3-1所示圖3-1 CPU 313C-2 DP外觀圖模擬量采集模塊SM331：4路模擬量輸入4-20mA模擬量輸出模塊SM332：4路模擬量輸出4-20mA3.2PLC安裝及使用說明如圖3-2為S7-300安裝圖圖3-2 S7-300安裝圖模擬量模塊一個通道占一個字地址。從IB256開場，給每一個模 擬

13、量模塊分配8個字。S7-300 CPU介紹：1模塊診斷功能 可以診斷出以下故障：失壓，熔斷器熔斷，看門狗故障，EPROM、 RAM故障。 模擬量模塊共模故障、組態(tài)/參數(shù)錯誤、斷線、上下溢出。 2過程中斷 數(shù)字量輸入信號上升沿、下降沿中斷，模擬量輸入超限，CPU暫 停當(dāng)前程序，處理OB40。3狀態(tài)與故障顯示LED SF系統(tǒng)出錯/故障顯示，紅色：CPU硬件故障或軟件錯誤時亮。 BATF電池故障，紅色：電池電壓低或沒有電池時亮。 DC 5V5V電源指示，綠色： 5V 電源正常時亮。 FRCE強制，黃色：至少有一個I/O被強制時亮。 RUN運行方式，綠色：CPU處于RUN狀態(tài)時亮；重新啟動 時以2 H

14、z的頻率閃亮； HOLD單步、斷點狀態(tài)時以0.5Hz的頻 率閃亮。 STOP停頓方式，黃色：CPU處于STOP，HOLD狀態(tài)或重新啟動時常亮。 BUSF總線錯誤，紅色。4模式選擇開關(guān)1RUN-P(運行-編程)位置：運行時還可以讀出和修改用戶程序，改變運行方式。 2RUN (運行)位置：CPU執(zhí)行、讀出用戶程序，但是不能修改用戶程序。 3STOP停頓位置：不執(zhí)行用戶程序，可以讀出和修改用戶程序。 4MRES去除存儲器：不能保持。將鑰匙開關(guān)從STOP狀 態(tài)搬到MRES位置，可復(fù)位存儲器，使CPU回到初始狀態(tài)。 復(fù)位存儲器操作：通電后從STOP位置扳到MRES位置，STOPLED熄滅1s，亮1s，再

15、熄滅1s后保持亮。放開開關(guān)，使它回到STOP 位置，然后又回到MRES，STOPLED 以2Hz的頻率至少閃動3s，表示正在執(zhí)行復(fù)位，最后STOPLED一直亮。 3.3PLC模擬量接線圖模擬量SM331接線圖如圖3-3所示圖3-3模擬量輸入模塊圖3-4 SM331 模擬量輸入模塊的模擬值雙極性圖3-5 SM331 模擬量輸入模塊的模擬值單極性模擬量SM332接線圖如圖3-6所示圖3-6圖3-3模擬量輸出模塊3.4 S7-300編程軟件 S7-300編程軟件介紹S7-300編程軟件為西門子STEP7西門子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)立可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使

16、用梯形圖邏輯、功能塊圖和語句表進展編程操作。 在常規(guī)功能之外還具備以下的特點: DK 3964 R/RK 512 等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議已經(jīng)集成到控制器內(nèi)，不需要額外驅(qū)動 MPI 接口集成 modem 支持: 內(nèi)置modem 功能，可進展遠程編程、診斷或數(shù)據(jù)傳輸 編程不需 MPI 轉(zhuǎn)換器，直接通過PC上的 RS232 口 現(xiàn)場總線通訊功能. 控制器功能中已集成了Profibus DP Master / Slave, Profibus FMS 和 LONWorks. 利用web server進展監(jiān)控. 儲存 HTML 網(wǎng)頁、圖片、PDF 文件等到控制器里供通用瀏覽器查看 擴展操作系統(tǒng)功能 如保護技術(shù)秘密，防

17、止被非法查看或復(fù)制 用Siemens 原裝Step7編程 直接運行Step7程序，毋需轉(zhuǎn)換 兼容普遍使用的編程環(huán)境，使用熟悉的編程測試功能 用STL, LAD, FBD編程 使用Siemens工程工具，監(jiān)視修改變量，程序狀態(tài)等 一樣指令集 (Siemens S7-300 和S7-400系列) 一些特殊功能，如 串口通訊、計數(shù)等可在系統(tǒng)功能 (SFCs)中編輯 最新版本：STEP 7 V11 STEP 7 中的編程語言 梯形圖、語句表和功能塊圖是3 種根本編程語言，可以相互轉(zhuǎn)換。1 順序功能圖(SFC) ：STEP 7 中的S7 Graph 2 梯形圖(LAD) 直觀易懂，適合于數(shù)字量邏輯控制。

18、能流(Power flow)與程序執(zhí)行的方向。 3. 語句表(STL)：功能比梯形圖或功能塊圖強。 4功能塊圖(FBD)：LOGO ！系列微型PLC 使用功能塊圖編程。 5構(gòu)造文本(ST)：STEP 7 的S7 SCL 構(gòu)造化控制語言符合EN61131-3 標(biāo)準(zhǔn)。 SCL 適合于復(fù)雜的公式計算、復(fù)雜的計算任務(wù)和最優(yōu)化算法，或管理大量的數(shù)據(jù)等。6S7 HiGraph 編程語言 圖形編程語言 S7 HiGraph 屬于可選軟件包，它用狀態(tài)圖state graphs來描述異步、非順序過程的編程語言。 7S7 CFC 編程語言 可選軟件包CFCContinuous Function Chart，連續(xù)功

19、能圖用圖形方式連接程序庫中以塊的形式提供的各種功能。 8編程語言的相互轉(zhuǎn)換與選用 在 STEP 7 編程軟件中，如果程序塊沒有錯誤，并且被正確地劃分為網(wǎng)絡(luò)，在梯形圖、功能塊圖和語句表之間可以轉(zhuǎn)換。如果局部網(wǎng)絡(luò)不能轉(zhuǎn)換，則用語句表表示。 語句表可供喜歡用匯編語言編程的用戶使用。語句表的輸入快，可以在每條語句后面加上注釋。設(shè)計高級應(yīng)用程序時建議使用語句表。 梯形圖適合于熟悉繼電器電路的人員使用。設(shè)計復(fù)雜的觸點電路時最好用梯形圖。 功能塊圖適合于熟悉數(shù)字電路的人使用。 S7 SCL 編程語言適合于熟悉高級編程語言例如PASCAL 或C 語言的人使用。 S7 Graph，HiGraph 和CFC 可供

20、有技術(shù)背景，但是沒有PLC 編程S7 Graph 對順序控制過程的編程非常方便，HiGraph 經(jīng)歷的用戶使用。適合于異步非順序過程的編程，CFC 適合于連續(xù)過程控制的編程。PID控制4.1 PID算法在過程控制中，按偏差的比例P、積分I和微分D進展控制的PID控制器亦稱PID調(diào)節(jié)器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)的選定比擬簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象一階滯后純滯后與二階滯后純滯后的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，構(gòu)造改變靈活PI

21、、PD、。PID控制算法目前大致分為三種，分別是：增量式算法，位置式算法，微分先行。 這三種PID算法雖然簡單，但各有特點，根本上能滿足一般控制的大多數(shù)要求。 PID增量式算法離散化公式： u(t)= kp*(e(t)-e(t-1)+ki*e(t)+kd*(e(t)-2e(t-1)+e(t-2)對于增量式算法，可以選擇的功能有：(1) 濾波的選擇可以對輸入加一個前置濾波器，使得進入控制算法的給定值不突變，而是有一定慣性延遲的緩變量。(2) 系統(tǒng)的動態(tài)過程加速在增量式算法中，比例項與積分項的符號有以下關(guān)系：如果被控量繼續(xù)偏離給定值，則這兩項符號一樣，而當(dāng)被控量向給定值方向變化時，則這兩項的符號相

22、反。 由于這一性質(zhì)，當(dāng)被控量接近給定值的時候，反號的比例作用阻礙了積分作用，因而防止了積分超調(diào)以及隨之帶來的振蕩，這顯然是有利于控制的。但如果被控量遠未接近給定值，僅剛開場向給定值變化時，由于比例和積分反向，將會減慢控制過程。 為了加快開場的動態(tài)過程，我們可以設(shè)定一個偏差*圍v，當(dāng)偏差|e(t)|= 時，則不管比例作用為正或為負，都使它向有利于接近給定值的方向調(diào)整，即取其值為|e(t)-e(t-1)|，其符號與積分項一致。利用這樣的算法，可以加快控制的動態(tài)過程。(3) PID增量算法的飽和作用及其抑制在PID增量算法中，由于執(zhí)行元件本身是機械或物理的積分儲存單元，如果給定值發(fā)生突變時，由算法的

23、比例局部和微分局部計算出的控制增量可能比擬大，如果該值超過了執(zhí)行元件所允許的最大限度，則實際上執(zhí)行的控制增量將時受到限制時的值，多余的局部將喪失，將使系統(tǒng)的動態(tài)過程變長，因此，需要采取一定的措施改善這種情況。 糾正這種缺陷的方法是采用積累補償法，當(dāng)超出執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行能力時，將其多余局部積累起來，而一旦可能時，再補充執(zhí)行。4.1.2 PID位置算法離散公式： u(t)=u(t-1)+ u(t)其中，u(t)=kp(e(t)-e(t-1)+ki*e(t)+kd*(e(t)-2e(t-1)+e(t-2)對于位置式算法，可以選擇的功能有： a、濾波：同上為一階慣性濾波 b、飽和作用抑制：(1) 遇限削

24、弱積分法一旦控制變量進入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項的運算而停頓進展增大積分項的運算。具體地說，在計算Ui時，將判斷上一個時刻的控制量Ui-1是否已經(jīng)超出限制*圍，如果已經(jīng)超出，則將根據(jù)偏差的符號，判斷系統(tǒng)是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否將相應(yīng)偏差計入積分項。(2) 積分別離法在根本PID控制中，當(dāng)有較大幅度的擾動或大幅度改變給定值時， 由于此時有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項的作用下，往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)量和長時間的波動。特別是對于溫度、成份等變化緩慢的過程，這一現(xiàn)象將更嚴(yán)重。為此可以采用積分別離措施，即偏差較大的時，取消積分作用；當(dāng)偏差較小時才將積分作用投入。 另外積分別離的閾值應(yīng)

25、視具體對象和要求而定。假設(shè)閾值太大，達不到積分別離的目的，假設(shè)太小又有可能因被控量無法跳出積分別離區(qū)，只進展PD控制，將會出現(xiàn)殘差。 離散化公式： u(t) = q0e(t) + q1e(t-1) + q2e(t-2) 當(dāng)|e(t)|時 q0 = Kp(1+T/Ti+Td/T) q1 = -Kp(1+2Td/T) q2 = Kp Td /T 當(dāng)|e(t)|時 q0 = Kp(1+Td/T) q1 = -Kp(1+2Td/T) q2 = Kp Td /T u(t) = u(t-1) + u(t) 注：各符號含義如下 u(t); 控制器的輸出值。 e(t); 控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。 Kp;

26、 比例系數(shù)。 Ti; 積分時間常數(shù)。 Td; 微分時間常數(shù)。有的地方用Kd表示 T; 調(diào)節(jié)周期。 ; 積分別離閾值(3) 有效偏差法當(dāng)根據(jù)PID位置算法算出的控制量超出限制*圍時，控制量實際上只能取邊際值U=Uma*,或U=Umin,有效偏差法是將相應(yīng)的這一控制量的偏差值作為有效偏差值計入積分累計而不是將實際的偏差計入積分累計。因為按實際偏差計算出的控制量并沒有執(zhí)行。 微分先行PID算法當(dāng)控制系統(tǒng)的給定值發(fā)生階躍時，微分作用將導(dǎo)致輸出值大幅度變化，這樣不利于生產(chǎn)的穩(wěn)定操作。因此在微分項中不考慮給定值，只對被控量控制器輸入值進展微分。微分先行PID算法又叫測量值微分PID算法。我們這里使用的是S

27、7-300里提供的PID專用模塊FB41模塊，此模塊是西門子公司已經(jīng)寫好的高級PID算法功能模塊，我們直接拿來使用就好了。具體使用方法將在下一*詳細介紹。4.2 PID參數(shù)整定 比例系數(shù)p對系統(tǒng)性能的影響比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。Kp偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。Kp太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。Kp太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。Kp可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構(gòu)、傳感器以控制對象的特性決定的。如果Kc的符號選擇不當(dāng)對象狀態(tài)(pv值)就會離控制目標(biāo)的狀態(tài)(sv值)越來越遠，如果出現(xiàn)這樣的情況Kp的符號就一定要取反。積分控制Ti對系統(tǒng)性能的影響積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下

28、降，Ti小積分作用強會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。微分控制Td對系統(tǒng)性能的影響微分作用可以改善動態(tài)特性，Td偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短。Td偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長。只有Td適宜，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間。 PID常用調(diào)節(jié)口訣PID常用口訣: 參數(shù)整定找最正確，從小到大順序查，先是比例后積分，最后再把微分加，曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大，曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳，曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降，曲線波動周期長，積分時間再加長，曲線振蕩頻率快，先把微分降下來，動差大來波動慢，微分時間應(yīng)加長，理想曲線兩個波，前高后低4比1,一看二調(diào)多分析，調(diào)

29、節(jié)質(zhì)量不會低。PLC中PID控制5.1 設(shè)計中用到的功能塊功能塊OB35在西門子s7_300里已經(jīng)有專用的高級PID控制功能塊，這里我們直接使用這個功能塊來實現(xiàn)PID控制。S7-300 CPU可用的定時中斷組織模塊是OB35，在300站點的硬件組態(tài)中，翻開CPU屬性設(shè)置可以看到其它的中斷組織塊為灰色。OB35默認(rèn)的調(diào)用時間間隔為100ms 我們可以根據(jù)需要更改，定時*圍是1-60000毫秒(ms)。我們設(shè)置成200ms。在OB35中實現(xiàn)PID控制程序,OB35是一個以固定時間間隔循環(huán)執(zhí)行的組織塊，Hardware Config界面里可以設(shè)置間隔時間，而這也即是PID的采樣時間。應(yīng)該注意設(shè)置的間

30、隔值比OB35中程序運行時間長，否則會造成系統(tǒng)異常設(shè)置中斷時間間隔如下列圖5-1所示圖5-1 OB35中斷時間設(shè)定注意：設(shè)置的時間必須大于OB35中程序執(zhí)行所花費的時間。例如：如果中斷時間間隔為50ms而OB35中的程序花費的時間是70ms,則OB35中的程序還沒執(zhí)行完畢就產(chǎn)生第二次中斷，程序就會出錯，這顯然是我們不想看到的結(jié)果。正確設(shè)置：中斷時間間隔大于OB35中程序執(zhí)行完畢一次所需的時間 功能塊FB41 1FB41介紹經(jīng)過學(xué)習(xí)西門子S7-300PLC，我們可以使用模塊FB41來實現(xiàn)PID控制，F(xiàn)B41就相當(dāng)于我們常規(guī)儀表里的控制器，既然是PID控制器就應(yīng)該能夠設(shè)定P、I、D參數(shù)。即：比例度

31、、積分時間、微分時間。常規(guī)儀表的面板上可以更改PID參數(shù)，又有手動/自動切換按鈕等。今天我們要做的就是使用S7-300PLC 的FB41來實現(xiàn)PID控制。 FB41是一個功能塊，它所能實現(xiàn)的功能PID已經(jīng)由專業(yè)人員設(shè)計好，我們只要調(diào)用它，并根據(jù)我們的需要來更改相應(yīng)的參數(shù)即可使用。所以我們不用理會FB41是如何實現(xiàn)比例運算、積分運算、微分運算等等這些問題，只需要會調(diào)用就可以了。FB41相當(dāng)于一個子程序，它是用來實現(xiàn)PID運算的，我們只需要每隔一段時間去調(diào)用這一子程序就可以實現(xiàn)PID控制。所以我們在OB35里調(diào)用FB41就可以了，調(diào)用的頻率可以在屬性里面設(shè)置。前面已經(jīng)設(shè)置了為200ms。我們是在O

32、B35里調(diào)用FB41的所以在OB35里可以看到FB41的端口。因此可以直接在這些端口上直接設(shè)參數(shù)。如圖5-2所示圖5-2 FB41設(shè)置到這里有人會問，既然可以在OB35里面可以直接給FB41端口賦參數(shù)，為什么還要背景數(shù)據(jù)塊DB呢？ PLC在運行過程中會先檢查，用戶有沒有在OB35里給FB41的端口設(shè)參數(shù)，如果有就直接使用端口上的參數(shù)，如果沒有就到背景數(shù)據(jù)表里面去取參數(shù)。所以我們可以在兩個地方設(shè)置參數(shù)，在數(shù)據(jù)表里面參數(shù)只能是一個固定值，不能是一個變量，所以當(dāng)程序下載到PLC之后就不能更改數(shù)據(jù)表里面的參數(shù)了。給端口賦參數(shù)是一個變量，變量里面存有參數(shù)，當(dāng)我們需要改變參數(shù)只需要改變相應(yīng)的變量就只以了。

33、 結(jié)合兩種方法的優(yōu)缺點，我們可以同時在兩個地方設(shè)參數(shù)，有些參數(shù)不需要經(jīng)常改變的，我們就直接在DB里面設(shè)定。要經(jīng)常改變的參數(shù)就在FB41的端口上設(shè)定。2FB41背景數(shù)據(jù)塊參數(shù)設(shè)置 使用FB41作PID控制時，設(shè)置參數(shù)非常煩瑣，下面是單回路PID控制的參數(shù)設(shè)置實例，在表格第三列有的就是我們需要設(shè)置的，空白的我們就不用改變，按默認(rèn)值就可以了。如圖5-3所示圖 5-3 FB41 參數(shù)設(shè)置3FB41構(gòu)造原理框圖與詳解一個簡單的PID控制系統(tǒng)，如圖5-4右側(cè)所示，為了保證目標(biāo)值穩(wěn)定在設(shè)定值上，我們舉例說明使用一個單回路的PID控制來調(diào)節(jié)，從而到達目標(biāo)值穩(wěn)定的目的。 控制過程：傳感器實時檢測實際值，當(dāng)實際值

34、下降，低于給定值時，控制器輸出增大，使實際值快速回到給定值。我們最關(guān)心的三個量是：(1) 給定值(也叫設(shè)定值)(2) 測量值(也叫反響值)(3) 控制器輸出值而這三個量分別對應(yīng)FB41框圖里的(1) SP_INT(2) PV_IN或PV_PER即PV(3) LMN或LMN_PER具體看圖5-4可作比照圖5-4 FB41原理框圖注：由圖可知當(dāng)PVPER_ON為1時，測量值是取之于PV_PER的，而PV_PER是經(jīng)過格式化之后才與給定值進展比擬的。y1=PV_PER*100/27648y2=y1*PV_FAC+PV_OFF而 PV_FAC默認(rèn)值為1 PV_OFF默認(rèn)值值0所以當(dāng)我們沒有更改參數(shù)PV

35、_FAC和PV_OFF的值時,即按默認(rèn)值時y2=y1=PV_PER*100/276485.2模塊SM331模擬量采集及工程變換程序一個溫度檢測系統(tǒng)，假設(shè)溫度變送器的量程為0-100攝氏度，輸出4-20mA。使用S7-300的模擬量輸入模塊SM331采集，輸入模塊的量程設(shè)置為4-20mA,轉(zhuǎn)換后的模擬量值為0-27648。則在0-27648內(nèi)的任意一個模擬量值代表的溫度值是多少呢？在實際工程應(yīng)用中，常常遇到這樣的比例計算，可以先使用數(shù)學(xué)表達式把比例關(guān)系羅列出來，然后使用PLC的程序?qū)崿F(xiàn)這些運算即可。從數(shù)學(xué)角度：設(shè)實際電流值為y (y大于等于4，且小于等于20)，則：溫度變送器0-100量程對應(yīng)的

36、溫度值=(100-0)*(y-4)/(20-4)；輸入模塊的模擬值=(27648-0) *(y-4)/(20-4)；溫度變送器0-100量程對應(yīng)的溫度值=(100-0)*輸入模塊的模擬值/(27648-0)。采集及轉(zhuǎn)換程序如圖5-5所示圖5-5 模擬量采集及工程變換梯形圖5.3模塊SM332模擬量輸出及工程變換程序從數(shù)學(xué)角度：設(shè)輸出溫度為z，則：輸出電流值=z/(100-0)*(20-4)+4；輸出模塊的模擬值=z/(100-0)*(27648-0)；輸出及轉(zhuǎn)換程序如圖5-6所示圖5-6 模擬量輸出及工程變換梯形圖5.4 PID控制程序設(shè)計采用分四路采集并工程變換和四路輸出及工程變換，PID共

37、用FB41功能塊采集周期默認(rèn)為200ms。PID程序流程說明在設(shè)定好的采集周期下采集數(shù)據(jù)后，有PID專用功能塊FB41運算后輸出給指定對應(yīng)通道來到達調(diào)節(jié)目的。在程序中利用定時中斷OB35中斷周期為200ms調(diào)用功能塊FB41,采集變換局部放在主程序中，這樣可以中斷時間盡量最短，到達更高效率的運算調(diào)節(jié)。PID調(diào)節(jié)塊程序如圖5-7所示圖5-7 PID調(diào)節(jié)功能塊主要參數(shù)設(shè)置說明：1、MAN_ON:用一個bool量，如m0.0，為true則手動，為false則自動；2、cycle：T#100MS，這個值與ob35默認(rèn)的100ms一致；3、SP_INT：MD36,是hmi發(fā)下來的設(shè)定值，0100.0的*

38、圍，real型；4、PV_IN:md76，實際測量值，比方壓力，要從piw轉(zhuǎn)換為0100.0的量程；5、MAN:MD,op值，也就是手動狀態(tài)下的閥門輸出，real型，0100.0的*圍；6、GAIN:md116，PID的P啊，默認(rèn)寫12吧系統(tǒng)默認(rèn)是2，調(diào)試的時候再改7、TI：MW,PID的i啊.默認(rèn)寫T#30S吧，調(diào)試的時候改；8、DEAD_W：md160,死區(qū)，就是sp和pv的偏差死區(qū)，0100.0的*圍，默認(rèn)0，調(diào)試的時候改輸出：9、LMN:MD164，0100。其他參數(shù)參照圖5-3可以靈活設(shè)置第六章 上位機組態(tài)編程6.1 組態(tài)王軟件簡介組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它

39、以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應(yīng)性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次構(gòu)造。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接收理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進展設(shè)計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報警窗口、

40、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)功能。使用組態(tài)王軟件開發(fā)具有以下幾個特點: (1)實驗全部用軟件來實現(xiàn),只需利用現(xiàn)有的計算機就可完成自動控制系統(tǒng)課程的實驗,從而大大減少購置儀器的經(jīng)費。 (2)該系統(tǒng)是中文界面,具有人機界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點。對用戶而言,操作簡單易學(xué)且編程簡單,參數(shù)輸入與修改靈活,具有屢次或重復(fù)仿真運行的控制能力,可以實時地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線,能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實時趨勢曲線,這些很強的交互能力使其在自動控制系統(tǒng)的實驗中可以發(fā)揮理想的效果。 在采用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制應(yīng)用程序過程中要考慮以下三個方面: (1

41、)圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備。 (2)數(shù)據(jù),就是創(chuàng)立一個具體的數(shù)據(jù)庫,并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象的各種屬性,比方水位、流量等。 (3)連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設(shè)備的運行,以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令6.2 上位機組態(tài)編程實現(xiàn)功能實時監(jiān)測四個爐子的實際溫度可以設(shè)置參數(shù)，包括目標(biāo)參數(shù)、比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。主畫面如圖6-1所示圖6-1 溫度監(jiān)測與參數(shù)設(shè)置主畫面建立設(shè)備及變量1.建立設(shè)備在設(shè)備管理器的1上選擇新建,新建立備如圖6-2所示，依次選擇PLC、西門子、s7-300系列、MPI(電纜)后單擊下一步，為設(shè)備命名，這里命名為溫度控制，如圖6-3，地址窗口設(shè)置如圖6-4所示，其余都單擊下一步，直到完成。圖6-2建立設(shè)備步驟1圖6-3建立設(shè)備步驟2圖6-4建立設(shè)備步驟32.建立變量在數(shù)據(jù)詞典中雙擊新建，新建變量，如圖6-5所示圖6-5建立變量變量類型選擇I/O整形，存放器選擇M存放器，數(shù)據(jù)類型選擇SHORT，其余可根據(jù)每個變量實際情況靈活設(shè)置。 畫面編程新建畫面并命名后，編輯畫面，如圖6-6所示圖6-6 主畫面編輯圖到此，上位機組態(tài)根本完成，可以運行工程監(jiān)