S7-300 PLC中自主設計雙極性溫控PID算法.doc

1 S7 300S7 300 PLCPLC 中自主設計程序控溫中自主設計程序控溫 PIDPID 算法算法 Self Design of Programming Temperature Control PID Algorithm in S7 300 PLC 南陽理工學院 殷華文 摘摘 要要 本設計采用位置型算法思想 用梯形圖語言在西門子 S7 300 PLC 中自主編寫程序 控溫 PID 算法程序 實現對夾套鍋爐的升溫 保溫 降溫雙極性控制 算法中加入控制帶 偏差死區(qū) 輸出死區(qū) 輸出限幅 積分清零等多種控制手段 在溫度曲線拐點處 為了避 免控制的延遲及超調 采用提前控制 變控制參數的方法 監(jiān)控結果顯示 本 PID 程序對 夾套鍋爐水溫控制超調量較小 穩(wěn)態(tài)誤差小于 0 2 關鍵詞關鍵詞 自主設計 位置式 PID 算法 程序控溫 Abstract The design of PID programming module independently to control electric heating boiler and cooling bipolar based on Siemens S7 300 PLC The bipolar PID algorithm has used position type algorithm and a structured programming it can operate PID algorithm only when it ranges the deviation in the control so as to avoid integral saturation phenomenon it has applied dead time processing to the deviation Then in order to avoid the control delay and the overshoot it has used advanced control and variable parameter control method during the cooling process The control algorithm has introduced some control means such as the output dead the output limiting the integral reset and so on Monitoring results show that the PID program modules have targeted control to the temperature object smaller overshoot and the steady state error is less than 0 2 DEG c Key words self design position type PID algorithm programming temperature control 1 1 引言引言 在自動化領域 大多數 PLC DCS 控制器中都有 PID 算法程序 但是由于算法思想和 源程序不公開 給用戶正確使用帶來困難 另外一般的 PID 算法程序不具備程序控溫功能 無法直接對夾套鍋爐這樣的對象進行控制 本設計就是在 S7 300 PLC 中自主設計程序控溫 PID 算法程序 實現了夾套鍋爐加熱冷卻雙極性控制 自主設計算法程序 由于算法思想 和源程序是自知的 為算法研究和改造提供了技術基礎和方便條件 2 2 控制對象和控制系統(tǒng)硬件配置控制對象和控制系統(tǒng)硬件配置 本控制系統(tǒng)中被控對象是夾套鍋爐 鍋爐體高大約 500mm 內膽和夾套容積均約為 25 升 內膽裝有三組電加熱絲 功率為 3 1 5 KW 由可控硅控制 控制系統(tǒng)選用西門子 S7 300 PLC 做控制器 以夾套鍋爐內膽水溫為被控變量 進行升溫 保溫 降溫曲線控制 控制系統(tǒng)硬件配置和控制信息流程圖見圖 1 所示 模擬量輸 出通道1 可控硅 觸發(fā)器 可控硅 上位機 設定值 加熱絲鍋爐內膽 PLC內 CPU運算 模擬量輸 出通道2 變頻器磁力驅動泵鍋爐夾套 模擬量輸入通道 A D轉換 溫度傳感器 Pt100 電阻 100 可變 溫度 0 100 e k u k 0 u k 0 電流 0 20mA 觸發(fā) 時間 0 50 T s 輸出 等效電壓 加熱 功率 外部 擾動 0 380VAC0 4 5KW 供水流量 0 900L min 電壓頻率 0 50HZ 電流 0 20mA ym k ysp k T t n c 圖 1 控制系統(tǒng)硬件配置和控制信息流程圖 3 3 控制算法程序設計控制算法程序設計 3 13 1 溫度控制算法設計思想溫度控制算法設計思想 溫度對象具有大滯后 非線性和時變的特點 而且鍋爐水溫的加熱與冷卻又是兩個特 點不同的控制過程 單純的 PID 控制很難達到控制要求 所以對升溫 保溫 降溫的不同 階段要做相應的控制設計 本設計的雙極性 PID 算法程序采用位置式算法思想 在控制算法中引入了偏差死區(qū) 2 輸出死區(qū) 輸出限幅 積分分離 積分清零 控制帶等多種控制手段 對于設定值溫度控 制采用固定 PID 參數 而程序曲線溫度 控制采用變 PID 參數的方式 以達到相 應的控制效果 本算法在 STEP 7 中采用梯形圖 LAD 編程語言實現 圖 2 為雙極性 PID 功能塊 FB2 控制算法流程圖 FB2 使用時需要背景數據塊 DB2 配合 3 2 雙極性溫控程序設計雙極性溫控程序設計 FB2 作為連續(xù)控制器只有在以固定 時間間隔調用時 在控制塊中 PID 運算 的值才是正確的 具體控制時應該在周 期性中斷組織塊 OB35 中調用 FB 2 功 能塊 并在 CYCLE 參數中輸入采樣時 間 同時在 OB35 中編寫 FB2 的外部輔 助控制程序 主要包括 1 信號采集程序 分別使用模擬 量輸入規(guī)范化塊 FC105 采集模擬通道 PIW288 和 PIW290 的 A D 數值 并轉 換成鍋爐內膽液位和鍋爐內膽水溫的工 程值 2 積分分離程序 設定控制帶亦 即積分分離帶為 3 3 只有偏差 在控制帶內時才啟動積分控制 防止積 分過早飽和 圖 2 自主設計位置式 PID 算法程序流 程圖 3 積分清零程序 設定積分清零條件 當積分清零條件滿足時 I ITL ON 置位 積分 分量被設定為 I ITLVAL 設計中積分分量初始化值為 0 值 實現積分分量清零 防止由 于積分的延時效應造成控制的滯后和超調 4 加熱 冷卻輔助控制程序 在恒溫控制階段 當 PID 控制程序的輸出為 0 時 仍以 最大加熱功率的 5 輸出 使鍋爐的整體散熱速率與加熱速率盡量持平 維持水溫穩(wěn)定 在冷卻輸出小于最大冷卻輸出的 25 時 冷卻輸出按 25 輸出 防止冷卻水倒流 5 輸出操作程序 PID 運算輸出為 LMN 如果 LMN 值在 0 100 之間 則加熱回路 工作 加熱功率為 LMN 最大加熱功率 如果 LMN 在 100 0 之間 則冷卻回路工作 磁力驅動泵供水流量為 LMN 最大供水流量 6 加熱 冷卻保護程序 在停止控制 現場報警等條件出現時 加熱 冷卻輸出值設 定為 0 使加熱 冷卻回路停止工作 3 3 溫度控制系統(tǒng)的主控程序設計溫度控制系統(tǒng)的主控程序設計 溫度控制系統(tǒng)的主控程序放在主循環(huán)組織塊 OB1 中 主要實現的功能包括 啟停 PID 溫控程序 溫度設定值設置方式的切換 防按鍵抖動等 溫度設定值設置方式的切換是實現設定值控制和溫度曲線控制模式的切換 當啟動溫 度曲線控制模式時 在 OB1 中調用溫度曲線設定值自動發(fā)生程序功能塊 FB1 根據 OB1 的執(zhí)行周期 周期性的刷新溫度設定值 T SP 并把數值送到 FB2 的 SP INT 端 實現溫度 曲線自動設定 FB1 主要參數是六個溫度點設定坐標 在溫控 PID 程序運行前只需設定六個溫度點對 應的六組參數即可 即時間坐標軸的六個參數和溫度坐標軸的六個參數 如圖 3 所示 在 程序執(zhí)行期間根據時間的推移自動勾勒出一條溫度設定值曲線 如圖 4 所示 FB2溫度PID程序入口 偏差計算 ER SP PV 死區(qū)判斷 ER DEADB W ER ER 比例作用打開 LMN P GAIN ER 積分作用打開 積分作用保持 LMN I LMN I KI ER1 0 5 積分作用 初始化 LMN I LMN I LMN I ITLVAL 微分作用打開 LMN LMN P LMN I LMN D LMN D a LMN D KD 1 a ER 手動值打開 LMN MAN LMN LMN LMN LMN HLM LMN LMN LLM LMN LMN HLM LMN LMN LMN LMN DZ LMN LMNLMN 0 ER 0 否 是 是 是 否 是 其中 KI CYCLE TI KD TD CYCLE ER ER n ER n 1 ER1 ER n ER n 1 a LAG LAG CLCLE 結束 輸出限幅嗎 LMN I LMN I LMN I LMN I 是 是是 是 LMN P 0LMN I 0LMN D 0 是 否 否 否 否 否 否 否 否 是 否 是 3 溫度設定值的計算方法如公式 1 所示 1 654321n T T T tt t T SP 1n1nn 1nn 圖 3 溫度點坐標設定 圖 4 溫度設定曲線 4 4 溫度雙極性溫度雙極性 PIDPID 控制的監(jiān)控及運行結果分析控制的監(jiān)控及運行結果分析 1 設定值溫度控制 設定值溫度控制 鍋爐內膽水的初始水溫 40 1 第一階段水溫設定為 40 0 第二階段設定為 70 0 第三階段設定為 60 0 控制過程中 PID 參數一直設定為 20 100 5 設定值溫控響應曲線如圖 6 所示 從監(jiān)控曲線上可以看出 在溫度設定 值階躍為 30 0 的情況下 其控制的結 果能穩(wěn)定在 69 8 70 4 左右 超調量 為 0 5 沒有大的波動 穩(wěn)態(tài)誤差為 0 1 而且響應速度較快 在溫度設定 值階躍為 10 0 的情況下 滯后時間為 2min 其控制的結果能穩(wěn)定在 58 8 60 2 左右 超調量為 3 0 穩(wěn)態(tài)誤差為 0 03 圖 6 自主設計 PID 算法溫度設定值響應曲線 2 程序曲線溫度控制 程序曲線溫度控制 溫度曲線控制模式時 設置升溫段初始溫度 40 目標溫度 85 升溫時間 30 分鐘 保溫時間 20 分鐘 降溫目標溫度 55 降溫時間 20 分鐘 則升溫斜率為 1 5 min 降溫斜率也為 1 5 min 由于加熱冷卻滯后和慣性不一樣 所以不同控制階段 PID 參數是不同的 PID 參數設置如表 1 所示 程序溫控響應曲線如圖 7 所示 表 1 程序控溫時 PID 參數設置 圖 7 程序控溫響應曲線 由程序曲線溫度控制響應曲線可以看出各個階段的控制效果 升溫階段 系統(tǒng)的滯后時間為 45s 升溫曲線和設定值曲線之間擬合度較好 幾乎沒 有穿越現象 溫度偏差在 0 2 內 恒溫階段 幾乎沒有超調 穩(wěn)態(tài)誤差在 0 2 內 降溫階段 開始降溫曲線和設定值曲線之間有 3 次穿越 但是溫度偏差在 1 2 內 最 終保持在 0 2 的范圍內 在 1 號溫度曲線拐點處 提前 1min 對加熱功率輸出限制不低于 10 以保證加熱絲 控制過程控制周期KpTi s Td s 升溫階段1s501005 恒溫階段1s501005 降溫階段1s5015015 701101201050 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 第 二 溫度點 第三 溫 度點 第 四 溫度點 第 五 溫度點 第一 溫度 點 初始 溫 度點 4 能夠得到預熱 使得升溫滯后減小 實現了曲線拐點的擬合 在 2 號溫度曲線拐點處 提前 1min 啟動限幅輸出帶 降低加熱絲輸出功率 當溫度偏 差在 1 2 范圍時 輸出功率 70 當溫度偏差在 0 5 1 范圍時 輸出功率 50 當溫 度偏差在 0 1 0 5 時 輸出功率 30 這樣階梯減少輸出功率 實現了 2 號曲線拐點的鈍 化 在 3 號溫度曲線拐點處 提前 5min 對冷卻輸出限制不低于 40 以保證提前打開冷 卻泵 避免了冷卻水注入滯后 實現了曲線拐點的擬合 在 4 號溫度曲線拐點處 5 5 結論結論 本算法設計實現了在西門子 S7 300 PLC 自編 PID 算法程序實現對夾套鍋爐水溫的雙 極性控制 控制超調量小 穩(wěn)態(tài)誤差在 0 2 以內 在程序曲線溫度控制的升降溫階段 鍋 爐水溫能很好的跟隨設定值變化 調節(jié)值的穩(wěn)定性得到很大改善 但是升降溫的曲線拐點 擬合控制時是靠經驗來提前加熱或提前冷卻的 沒能達到最好的效果 降溫階段由于冷卻 水的注入時間延遲影響了控制效果 在升降溫階段主要采用 PD 控制規(guī)律 結合弱積分控 制實現了曲線的較好擬合 參考文獻參考文獻 1 王樹青 戴連奎 于 玲 過程控制工程 化學業(yè)出版社 2011 5 6 30 58 2 于海生 計算機控制系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社 1010 101 3 涂植英 陳今潤 自動控制原理 第二版 重慶大學出版社 2009 1 11 22 49 設置升溫段初始溫度 30 目標溫度 75 升溫時間 30 分鐘 保溫時間 15 分鐘 降 溫目標溫度 55 降溫時間 20 分鐘 則升溫斜率為 1 5 min 而降溫斜率為 1 min 不同控制階段 PID 參數設置如表 1 所示 表 1 程序控溫 PID 參數設置 程序溫控響應曲線 由程序曲線溫度控制響應曲線可以看出各階段的控制效