FBFB夾套鍋爐溫度控制系統(tǒng)設計方案

1、基于FB41+FB43的夾套鍋爐溫度控制系統(tǒng)設計摘要：本文全面介紹了如何用SIEMENS S7 300 PLC搭建溫度控制系統(tǒng)的過程，重點介紹了STEP 7中FB41 PID模塊和FB43脈寬調(diào)制模塊的算法思想和參數(shù)設置，最后給出了控制結 果監(jiān)控曲線。1.引言溫度控制是重要的過程控制，PLC是主流的自動化控制器。由于現(xiàn)在PLC普遍具有模擬量處理技術和PID調(diào)節(jié)能力，使得PLC在過程控制領域扮演著越來越重要的角色。SIEMENS S7300/400系列PLC具有完善的過程控制軟硬件產(chǎn)品，STEP 7軟件中配有 PID軟件功能模塊。但是由于大多數(shù)用戶對于FB41 PID模塊和FB43脈寬調(diào)制模塊的

2、算法思想理解不夠深入，致使在設計過程控制系統(tǒng)時存在障礙。本文以模擬夾套鍋爐的溫度控制系統(tǒng)設計為例，來說明如何使用FB41+FB43模塊進行溫度PID調(diào)節(jié)。2.系統(tǒng)組成控制對象為自制的小型模擬不銹鋼夾套鍋爐，內(nèi)膽容積25L，夾套容積23L，三相電加熱絲接成星形連接?？刂葡到y(tǒng)用 S7-300 PLC作為控制器，將STEP 7中的FB41和FB43功能塊下載到 CPU315-2 DP中作為調(diào)節(jié)器?？刂葡到y(tǒng)的管道儀表流程圖如下：控制回路接線圖如下，系統(tǒng)加有防干燒連鎖。操作臺TE101執(zhí)行器TJB3456AD firii-TE血t：i上位監(jiān)控計算機端子柜3. FB41和FB43的算法思想和參數(shù)設置FB4

3、1 “CONT_C是采用位置式 PID算法思想設計的控制軟件模塊。 FB41的算法設計很 完善，使用起來也很靈活。它的比例運算、積分運算（INT）和微商運算（DIF）是并行連接的，可以單獨激活或取消。 這就允許組態(tài)成 P、PI、PD和 PID控制器。FB41輸出的是模擬 量控制信號。FB43 “PULSEGEN稱為脈沖寬度調(diào)制器，可以將輸入變量“ INV”（ = PID控制器的LMN 轉(zhuǎn)換為一個恒定周期的脈沖串， 每個周期的脈沖寬度與輸入變量成正比。本控制系統(tǒng)中，由于對電加熱絲的控制采用繼電器 /接觸器作為執(zhí)行器，所以FB41的模擬量輸出信號須經(jīng) FB43 調(diào)制成占空比可調(diào)的脈沖信號才可以實現(xiàn)

4、控制。COMT.CPULSEGEN圖16FB41和FB43都有幾個和控制周期有關的參數(shù)。如果不了解它們的算法思想，則不能正 確的使用它們。 FB41.CYCLE : PID采樣周期。采樣周期就是控制周期，即每一個控制周期，采樣一次過程變量當前值，和設定值比較后，進行 PID運算，輸出控制值給執(zhí)行器，產(chǎn)生相應的動作，完成一次控制過程。為了保證準確有序的控制，PID運算應放在 OB35定時中斷服務程序中。而放在 OB1主循環(huán)中是不合適的，因為主循環(huán)的掃描周期不是固定的，一般和 FB41.CYCLE設置值不一致，放在 0B1中將使CYCLE設置失去意義。 FB43.PER-TM PERIODTIME

5、（周期時間）脈沖寬度調(diào)制的恒定周期。當FB41和FB43聯(lián)用時，這相當于“ CONT_C控制器的采樣時間，應該和FB41.cycle設置一樣。脈沖發(fā)生器 的采樣時間-】和“ CONT_C控制器的采樣時間之比決定了脈沖寬度調(diào)制的精度。 FB43.CYCLE SAMPLINGTIME （采樣時間）即 FB43模塊的調(diào)用周期。FB43模塊的調(diào)用 時間也必須恒定，所以也應該放在OB35定時中斷中，并且 OB35的中斷周期設置應該和FB43.CYCLE一致。這個時間其實也是脈沖輸出的精度。PID調(diào)節(jié)的輸出即FB41.LMN連接到FB43.INV端，經(jīng)過FB43內(nèi)部的脈寬調(diào)制控制，在FB43.QPOS俞出

6、端上將以 SAMPLING TIME（在這里就是OB35的中斷周期即100ms）的步長轉(zhuǎn)換成脈沖寬度。脈沖的寬度正比于INV的大小，而FB43.PER-T M周期時間是若干個 FB43.CYCLE采樣時間之和。由于FB43模塊的算法程序不公開，但我們可以推測FB43模塊中定時的實現(xiàn)是靠對時基信號的計數(shù)實現(xiàn)的，時基信號就是OB35的定時中斷時間。在本控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)PER-TM=5s=5000ms的定時，F(xiàn)B43模塊內(nèi)部應該設置計數(shù)器cnt1，計數(shù)器的初值設置為5000ms/100ms=50。每個 OB35周期，cnt1減一計數(shù)，直至為 0,本PER-TM=5s周期結束，重 裝計數(shù)初值，開始

7、下一個周期計數(shù)。所以cnt1是循環(huán)計數(shù)工作的。為了實現(xiàn)輸出脈寬的控制， FB43模塊內(nèi)部應該另外設置計數(shù)器 cnt2。例如當INV=30 時，輸出脈沖寬度 =（30/100）*5000ms=1500ms, cnt2 的計數(shù)初值設為 1500ms/100ms=15,每 個OB35周期減一計數(shù)，直至為 0，即實現(xiàn)QPO詼ON的輸出脈寬控制。當cnt2計數(shù)值減為 0時，QPO喘由ON狀態(tài)轉(zhuǎn)為 OFF狀態(tài)，直至本PER-TM周期結束，亦即本PID周期調(diào)節(jié)結束。 下一周期，根據(jù)新的INV值，計算cnt2新的計數(shù)值，開始下一周期的控制。 FB41和FB43之間的時序配合。當把 FB41和FB43都放在OB

8、35中的時候，就產(chǎn)生 了這樣一個問題：由于FB41.cycle和FB43.cycle不一致，每次進入OB35中斷服務程序 FB43 都應該執(zhí)行一次，而 FB41則不然。進入 OB35中斷服務程序(FB41.cycle/FB43.cycle )次， 才執(zhí)行一次 FB41。這樣就需要在OB35中斷服務程序中由用戶自主設置一個計數(shù)器，設為counter，初值設為(FB41.cycle/FB43.cycle )，每次進入 OB35 counter 減一計數(shù)，減為 0時，執(zhí)行一次FB41。然后重裝計數(shù)初值，開始下一循環(huán)。FB43.SYN_ON SYNCHRONIZATION ONW步接通)如果啟動了自動

9、同步，則當INV發(fā)生了改變后，為了盡快地反映這種變化，將重新啟動一個新的脈沖輸出周期即PER-TM這時把實現(xiàn)PER-TM周期控制的計數(shù)器 cnt1清零并重裝計數(shù)初值。而對于新的INV數(shù)值，重新計算輸出脈沖寬度，清零計數(shù)器cnt2，裝上新的脈沖寬度計數(shù)值，開始新的脈寬調(diào)制周期。如果“INV ”變化，并且塊調(diào)用不在一個PER-TM周期的第1個或最后兩個調(diào)用循環(huán)中，可以進行同步。將重新計算脈沖寬度，并在下一個循環(huán)中輸出一個新的 PER-TM周期。如果INV的改變恰好趕在一個 PER-TM周期的第一個或最后 兩個調(diào)用循環(huán)中(這可通過檢測cnt1的當前計數(shù)值來判斷)，則不必進行同步，直接按正常 調(diào)節(jié)控制

10、。如果把FB41、FB43都放在 OB35中，用FB41.cycle/FB43.cycle 作為調(diào)用 FB41的衰減 系數(shù)，則直接實現(xiàn)了他們之間的同步。本控制系統(tǒng)中，設置FB41.cycle=5000ms ， FB43.cycle=100ms。脈沖調(diào)節(jié)的精度即是100ms,而100ms/5000ms即是脈沖調(diào)節(jié)的分辨率。下圖即是FB41和FB43的時序關系。iwv ion 10-MH)帥 |50§2一QPOS *1 Q”-PULSEGEN 砒 FER TM-' (=CONT C cycler圖17 設置FB41.cycle時間的大小要根據(jù)控制系統(tǒng)的響應速度來設置?？刂浦芷趹?/p>

11、按比滯后時間、對象的時間常數(shù)小1-2個數(shù)量級來考慮。對于我們的控制過程來說，將鍋爐內(nèi)膽注滿水后全功率加熱，取其中間的一段溫度變化過程。溫度上升段為51.087 C61.087 C,相應的加熱時間為 3mi n3s，據(jù)此計算溫度升高 0.1 C所需時間為1.83s, 所以可以設置 FB41.CYCLE=2s考慮接觸器不宜快速動作和加熱功率相對較大，實際設置FB41.CYCLE=5s因為現(xiàn)場溫度變送儀表的分辨率為0.1 C,在溫度升高0.1 C的過程中，控制對象、傳感器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器都執(zhí)行了相應的一步或若干步動作，這些動作蘊含了控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的動態(tài)特性，所以將溫度每升高 0.1 C的時間作為控

12、制周期選擇的基本依據(jù)。 “ P_B_TM, MINIMUMPULSE/BREAKTIME （最小脈沖/間隔時間）最小脈沖或最小間隔時間正確賦值最小脈沖或最小中斷時間“P_B_TM,可以防止短促的開斷時間，降低開關元件和執(zhí)行機構的使用壽命。&脈沖寬度圖234. 程序設計程序流程圖PLC程序流程圖初始化程序塊主程序塊100ms定時中斷服務(OB100( OB1程序塊(OB355. 控制結果本控制過程采用 PI調(diào)節(jié)，控制參數(shù)設置為：P=3.0, I=3min20s , D=0.0 , FB41.CYCLE=5s ,DEAD-W=0.5。初始設定值為 30C，然后設定值階躍為 40C，穩(wěn)定后夾套中加入冷卻水擾 動。下圖是控制系統(tǒng)實時響應曲線。由曲線可以看出，系統(tǒng)沒有超調(diào)，穩(wěn)態(tài)誤差<1C，能夠抑制擾動的影響。由于采用了抗積分飽和和積分分離技術，使得系統(tǒng)沒有超調(diào)。當溫度偏差進入1.5 C<|e| <2.0 C控制帶時，將積分分量初始化為0，防止積分飽和，同時在這個控制區(qū)