S7300 PLC中自主設(shè)計(jì)雙極性溫控PID算法

1、S7-300 PLC中自主設(shè)計(jì)程序控溫PID算法Self-Design of Programming Temperature Control PID Algorithm in S7-300 PLC南陽(yáng)理工學(xué)院 殷華文摘 要本設(shè)計(jì)采用位置型算法思想，用梯形圖語(yǔ)言在西門子S7-300 PLC中自主編寫程序控溫PID算法程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)處，為了避免控制的延遲及超調(diào)，采用提前控制、變控制參數(shù)的方法。監(jiān)控結(jié)果顯示，本PID程序?qū)A套鍋爐水溫控制超調(diào)量較小，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.2。關(guān)鍵詞自主設(shè)計(jì)

2、、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

3、 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 algor

4、ithm 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

5、-design,position type PID algorithm,programming temperature control1引言在自動(dòng)化領(lǐng)域，大多數(shù)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(kāi)，給用戶正確使用帶來(lái)困難。另外一般的PID算法程序不具備程序控溫功能，無(wú)法直接對(duì)夾套鍋爐這樣的對(duì)象進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)就是在S7-300 PLC中自主設(shè)計(jì)程序控溫PID算法程序，實(shí)現(xiàn)了夾套鍋爐加熱冷卻雙極性控制。自主設(shè)計(jì)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(shù)基礎(chǔ)和方便條件。2控制對(duì)象和控制系統(tǒng)硬件配置本控制系統(tǒng)中被控對(duì)象是夾套鍋爐，鍋爐體高大

6、約500mm，內(nèi)膽和夾套容積均約為25升，內(nèi)膽裝有三組電加熱絲，功率為31.5 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?shī)A套鍋爐內(nèi)膽水溫為被控變量，進(jìn)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(jiàn)圖1所示。圖1 控制系統(tǒng)硬件配置和控制信息流程圖3控制算法程序設(shè)計(jì)3.1 溫度控制算法設(shè)計(jì)思想溫度對(duì)象具有大滯后、非線性和時(shí)變的特點(diǎn)，而且鍋爐水溫的加熱與冷卻又是兩個(gè)特點(diǎn)不同的控制過(guò)程，單純的PID控制很難達(dá)到控制要求，所以對(duì)升溫、保溫、降溫的不同階段要做相應(yīng)的控制設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)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)、輸出死區(qū)、輸出

7、限幅、積分分離、積分清零、控制帶等多種控制手段。對(duì)于設(shè)定值溫度控制采用固定PID參數(shù)，而程序曲線溫度控制采用變PID參數(shù)的方式，以達(dá)到相應(yīng)的控制效果。本算法在STEP 7中采用梯形圖（LAD）編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。圖2為雙極性PID功能塊FB2控制算法流程圖。FB2使用時(shí)需要背景數(shù)據(jù)塊DB2配合。 3.2 雙極性溫控程序設(shè)計(jì)FB2作為連續(xù)控制器只有在以固定時(shí)間間隔調(diào)用時(shí)，在控制塊中PID運(yùn)算的值才是正確的。具體控制時(shí)應(yīng)該在周期性中斷組織塊OB35中調(diào)用FB 2功能塊，并在CYCLE參數(shù)中輸入采樣時(shí)間。同時(shí)在OB35中編寫FB2的外部輔助控制程序，主要包括： 1 信號(hào)采集程序：分別使用模擬量輸入規(guī)范化塊

8、FC105采集模擬通道PIW288和PIW290的A/D數(shù)值，并轉(zhuǎn)換成鍋爐內(nèi)膽液位和鍋爐內(nèi)膽水溫的工程值。2 積分分離程序：設(shè)定控制帶亦即積分分離帶為-33，只有偏差在控制帶內(nèi)時(shí)才啟動(dòng)積分控制，防止積分過(guò)早飽和。 圖2 自主設(shè)計(jì)位置式PID算法程序流程圖3 積分清零程序：設(shè)定積分清零條件，當(dāng)積分清零條件滿足時(shí)I_ITL_ON置位，積分分量被設(shè)定為I_ITLVAL（設(shè)計(jì)中積分分量初始化值為0）值，實(shí)現(xiàn)積分分量清零，防止由于積分的延時(shí)效應(yīng)造成控制的滯后和超調(diào)。4 加熱、冷卻輔助控制程序：在恒溫控制階段，當(dāng)PID控制程序的輸出為0時(shí)，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

9、，維持水溫穩(wěn)定。在冷卻輸出小于最大冷卻輸出的25%時(shí)，冷卻輸出按25%輸出，防止冷卻水倒流。5 輸出操作程序：PID運(yùn)算輸出為L(zhǎng)MN。如果LMN值在0100之間，則加熱回路工作，加熱功率為L(zhǎng)MN%最大加熱功率；如果LMN在-1000之間，則冷卻回路工作，磁力驅(qū)動(dòng)泵供水流量為|LMN|*%最大供水流量。6 加熱、冷卻保護(hù)程序：在停止控制、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警等條件出現(xiàn)時(shí)，加熱、冷卻輸出值設(shè)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的功能包括：?jiǎn)⑼ID溫控程序、溫度設(shè)定值設(shè)置方式的切換、防按鍵抖動(dòng)等。溫度設(shè)定值設(shè)置方式的切換是

10、實(shí)現(xiàn)設(shè)定值控制和溫度曲線控制模式的切換。當(dāng)啟動(dòng)溫度曲線控制模式時(shí)，在OB1中調(diào)用溫度曲線設(shè)定值自動(dòng)發(fā)生程序功能塊FB1，根據(jù)OB1的執(zhí)行周期，周期性的刷新溫度設(shè)定值T_SP，并把數(shù)值送到FB2的SP_INT端，實(shí)現(xiàn)溫度曲線自動(dòng)設(shè)定。FB1主要參數(shù)是六個(gè)溫度點(diǎn)設(shè)定坐標(biāo)，在溫控PID程序運(yùn)行前只需設(shè)定六個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的六組參數(shù)即可，即時(shí)間坐標(biāo)軸的六個(gè)參數(shù)和溫度坐標(biāo)軸的六個(gè)參數(shù)，如圖3所示，在程序執(zhí)行期間根據(jù)時(shí)間的推移自動(dòng)勾勒出一條溫度設(shè)定值曲線，如圖4所示。溫度設(shè)定值的計(jì)算方法如公式1所示 （1）圖3 溫度點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)定 圖4 溫度設(shè)定曲線4溫度雙極性PID控制的監(jiān)控及運(yùn)行結(jié)果分析（1）設(shè)定值溫度控制：

11、鍋爐內(nèi)膽水的初始水溫40.1，第一階段水溫設(shè)定為40.0，第二階段設(shè)定為70.0，第三階段設(shè)定為60.0?？刂七^(guò)程中，PID參數(shù)一直設(shè)定為20、100、5，設(shè)定值溫控響應(yīng)曲線如圖6所示。 從監(jiān)控曲線上可以看出，在溫度設(shè)定值階躍為+30.0的情況下，其控制的結(jié)果能穩(wěn)定在69.870.4左右，超調(diào)量為0.5，沒(méi)有大的波動(dòng)，穩(wěn)態(tài)誤差為0.1，而且響應(yīng)速度較快。在溫度設(shè)定值階躍為-10.0的情況下，滯后時(shí)間為2min，其控制的結(jié)果能穩(wěn)定在58.860.2左右，超調(diào)量為3.0，穩(wěn)態(tài)誤差為0.03。 圖6 自主設(shè)計(jì)PID算法溫度設(shè)定值響應(yīng)曲線（2）程序曲線溫度控制：溫度曲線控制模式時(shí)，設(shè)置升溫段初始溫度

12、40 ，目標(biāo)溫度 85 ，升溫時(shí)間 30分鐘；保溫時(shí)間 20分鐘，降溫目標(biāo)溫度 55 ，降溫時(shí)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(shù)是不同的。PID參數(shù)設(shè)置如表1所示。程序溫控響應(yīng)曲線如圖7所示?？刂七^(guò)程控制周期KpTi(s)Td(s)升溫階段1s501005恒溫階段1s501005降溫階段1s5015015表1程序控溫時(shí)PID參數(shù)設(shè)置 圖7 程序控溫響應(yīng)曲線由程序曲線溫度控制響應(yīng)曲線可以看出各個(gè)階段的控制效果：升溫階段：系統(tǒng)的滯后時(shí)間為45s，升溫曲線和設(shè)定值曲線之間擬合度較好，幾乎沒(méi)有穿越現(xiàn)象，溫

13、度偏差在0.2內(nèi)。恒溫階段：幾乎沒(méi)有超調(diào)，穩(wěn)態(tài)誤差在0.2內(nèi)。降溫階段：開(kāi)始降溫曲線和設(shè)定值曲線之間有3次穿越，但是溫度偏差在1.2內(nèi)，最終保持在0.2的范圍內(nèi)。在1號(hào)溫度曲線拐點(diǎn)處，提前1min對(duì)加熱功率輸出限制不低于10%，以保證加熱絲能夠得到預(yù)熱，使得升溫滯后減小，實(shí)現(xiàn)了曲線拐點(diǎn)的擬合。在2號(hào)溫度曲線拐點(diǎn)處，提前1min啟動(dòng)限幅輸出帶,降低加熱絲輸出功率。當(dāng)溫度偏差在1-2范圍時(shí)，輸出功率70%，當(dāng)溫度偏差在0.5-1時(shí)，輸出功率30%。這樣階梯減少輸出功率，實(shí)現(xiàn)了2號(hào)曲線拐點(diǎn)的鈍化。在3號(hào)溫度曲線拐點(diǎn)處，提前5min對(duì)冷卻輸出限制不低于40%，以保證提前打開(kāi)冷卻泵，避免了冷卻水注入滯后

14、，實(shí)現(xiàn)了曲線拐點(diǎn)的擬合。在4號(hào)溫度曲線拐點(diǎn)處 5結(jié)論本算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在西門子S7-300 PLC自編PID算法程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)夾套鍋爐水溫的雙極性控制，控制超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差在0.2以內(nèi)。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(shè)定值變化，調(diào)節(jié)值的穩(wěn)定性得到很大改善。但是升降溫的曲線拐點(diǎn)擬合控制時(shí)是靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)提前加熱或提前冷卻的，沒(méi)能達(dá)到最好的效果，降溫階段由于冷卻水的注入時(shí)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(jié)合弱積分控制實(shí)現(xiàn)了曲線的較好擬合。參考文獻(xiàn)1 王樹(shù)青，戴連奎，于 玲過(guò)程控制工程化學(xué)業(yè)出版社，2011；5-6,30-582 于海生計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社.1010,101.3涂植英，陳今潤(rùn)自動(dòng)控制原理，第二版重慶大學(xué)出版社，2009;1-11,22-49設(shè)置升溫段初始溫度 30 ，目標(biāo)溫度 75 ，升溫時(shí)間 30分鐘；保溫時(shí)間 15分鐘，降溫目標(biāo)溫度 55 ，降溫時(shí)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(shù)設(shè)置如表1所示表1 程序控溫PID參數(shù)設(shè)置控制過(guò)程KpTi(s)Td(s)升溫階段8010015恒溫階段8010015降溫階段6015025程序溫控響應(yīng)曲線由程序曲線溫度控制響應(yīng)曲線可以看出各階段的控制效果：