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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。前馈控制系统、反馈控制系统-摘要可编程序控制器(PLC)是一种集自动化技术、计算机技术和通信技术为一体的高可靠性的工业计算机，应用很广泛，现在已经越来越成熟，小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品不断涌入市场。本设计主要是在西门子编程软件S7-300的基础上实现PLC的前馈反馈系统的设计，并通过具体的实例，即对加热炉温度的前馈反馈控制的实现来说明前馈反馈的具体流程。加热炉内的实时温度经过温度传感器、温度变送器将模拟量传送给PLC的模拟量输入模块，模拟量输入模块将模拟量转换成数字量送到PLC内部处理
2、，再由模拟量输出模块将数字量转换为模拟量输出控制阀门的开度以达到炉内温度稳定的控制。本文研究的重点是如何用PLC以及WinCC对现场的前馈-反馈控制系统进行控制的，如何将前馈-反馈控制系统得到的数据经过PLC后传送到上位机，用组态软件WinCC进行实时监控。经仿真运行后，本系统能实现控制要求。关键字：前馈-反馈控制；可编程控制器；WinCC;加热炉AbstractProgrammableLogicController(PLC)isasetofautomationtechnology,computertechnologyandcommunicationtechnologyasoneofthehi
3、ghreliabilityindustrialcomputer，andPLCiswidelyused.Nowitismoreandmoremature，smallerquantities,morekinds,lowercostandhigherqualityinthemarket.ThisdesignisabasedontheprogrammingsoftwareofSiemenstoimplementPLC-basedfeedforward-feedbackcontrolsystem.Thisdesignintroducesanexampletoexplaintheprocedureoffe
4、edforward-feedbacksystem.Theexampleisthatthroughtemperaturecontrolinheatingfurnacewhichisusedfeedforwardandfeedbackcontrolsystem.Real-timetemperature,insidethefurnace,afterthetemperaturesensors,temperaturetransmittersdiscoveredwillbesenttotheanaloginputmoduleofPLC.Analoginputmodulesconvertanalogtodi
5、gital,andsentthedigitaldatatoCPUofPLCtoprocess.Thenanalogoutputmodulesconvertdigitaltoanalogtocontrolvalve,sothesystemachievesastablefurnacetemperaturecontrol.FocusofthisstudyisaboutthathowtousePLCandWINCCtocontrolfeedforward-feedbacksystemofon-scene,andhowtomakefeedforward-feedbacksystemconveytheda
6、tetocomputerviaPLC,then,usingconfigurationsoftwareWinccimplementreal-timemonitoring.Keywords：feedforward-feedback；ProgrammableLogicController；WinCC；heatingfurnace目录1绪论11.1国内外研究现状11.2本课题研究内容及方法22基于PLC的双闭环流量比值控制系统设计32.1系统的工艺流程32.2控制系统的硬件选型42.2.1PLC的发展及特点42.2.2PLC的内部结构52.2.3西门子公司的S7系列PLC72.2.4CPU的选型82.
7、2.5I/O模块的选型82.2.6电源模块的选型92.3系统各部分硬件选型92.3.1温度传感器的选择102.3.2温度变送器的选择102.3.3流量计与压力变送器的选择102.4软件设计方案112.4.1STEP7编程软件的简介112.4.2系统控制方案的选择112.4.3加热炉前馈-反馈系统控制流程图122.4.4PID控制及其控制算法132.5程序的编写153WinCC组态与仿真203.1新建工程203.2建立Wincc与PLC的通信连接213.3创建供料系统的过程画面253.3.1创建画面253.3.2仿真结果27结束语33致谢35参考文献36附录371.完整程序372.整体仿真画面4
8、2-1绪论1.1国内外研究现状现代社会要求生产厂商能对市场的需求做出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置。PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主要控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。PLC通过模拟量I/O模块实现模拟量与数字量之间的A/D,D/A转换,并对模拟量进行闭环PID控制，可用PID子程序来实现，也可使用专用的PID模块。PL
9、C的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、机械、冶金、电力等行业。PLC在最近几年非常广泛的用于各式各样的行业中，为了进一步提高其在应用过程中各方面的能力，国内各公司及研究机构的研究人员不断的致力于研究这个领域。基于PLC的控制模式日趋成熟，黄干将总结了PLC的主要控制模式：1、顺序控制。2、过程控制，过程控制的代表类型是开环控制与闭环控制，这种控制手段在台金、化工、锅炉控制等方面的应用效果都非常明显。3、运动控制。4、信息控制。5、远程控制。在过程控制中，广西机电职业技术学院的罗邕生在基于PLC的基础上对液位进行反馈串级控制，并采用组态
10、软件实现动态数据显示和现场设备的实时监控，取得良好效果。国外的PLC控制系统比国内的更加成熟，计算机技术的新成果更多地应用于可编程控制器的设计和制造上会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS(DistributedControlSystem)中已有大量的可编程控制器应用。PLC+DCS（分布式计算机控制系统）结合，采用集散控制多台PLC分担了
11、系统功能，并将危险性分散，人机界面友好、操作方便，并通过输入设备对工艺过程进行控制和调节，确保生产过程的安全可靠、高质高效。但由于此系统常应用在复杂的造纸等行业，DCS需要测量的模拟量信号较多，且现成干扰打，稳定性及精确度都不高，在一些相对简单一些的工业过程中应用这种控制系统显然不大合适。而对于PLC的前馈控制系统、反馈控制系统或前馈-反馈控制系统来说，就更加容易实现。本文主要研究前馈反馈控制方式，这种控制方式的优点是：既有前馈控制对主要扰动进行补偿，又有闭环负反馈消除其他的小的扰动。1.2本课题研究内容及方法过程控制系统的分类可以分为：前馈控制系统、反馈控制系统、前馈-反馈控制系统。在工业生
12、产过程中，引起被控参数变化的扰动是多种多样的。开环前馈控制的最主要的优点是能针对主要扰动及时迅速的克服其对被控参数的影响；对于余次要扰动，则利用反馈控制予以克服，使控制系统稳定时能准确的是被控量控制在给定值上。本文主要研究的是基于PLC的基础上实现的前馈-反馈控制，即利用PLC的各种功能块对控制前馈-反馈的控制系统的输入输出，并对模拟信号和数字信号进行处理，将满足要求的数据送入PID控制模块进行相应处理，最后通过输出通道（模拟量输出模块）对现场实施控制；数字量的输出通过上位机的WinCC界面将控制信号通过CPU输出到数字量输出模块的端口来对现场进行控制。本文主要研究内容为：1、研究在PLC的基
13、础上前馈-反馈控制系统的工作原理；2、研究此控制系统软件设计方案及PLC的编程；3、整定PID控制参数，使控制系统达到理想的控制效果；4把工业生产过程中复杂的环境考虑进去时，研究该系统的可行性，分析此类环境的应对方法。本设计主要研究方法为：通过西门子的PLC软件STEP7的功能模块编程对前馈-反馈控制系统的控制，以及应用组态软件WinCC对现场进行监控。前馈-反馈控制系统的调节器利用增量式PID控制算法，按照经验试凑的方法设定控制参数。2PLC的前馈-反馈控制系统设计2.1系统的工艺流程由于本设计的要求是设计基于PLC的前馈反馈控制系统，主要的侧重点在前馈反馈的控制系统，由于课题中没有给出直接
14、的控制对象，本设计中，由于加热炉的炉温控制较适合应用前馈反馈控制系统，而且在专业课的学习中也学了一些相关的知识，因此本人对加热炉的炉温控制相对比较熟悉，在此就以炼油装置上的加热炉的炉温为控制对象来实现前馈反馈控制系统的设计，控制器为西门子系列的PLC，利用其编程软件S7-300PLC来实现程序的编写，对系统进行控制。加热炉温度控制系统广泛应用于冶金、化工等工业生产过程中，加热炉的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控制是否精确直接影响产品的质量。根据产品不同的应用目的，将材料及其制品加热到相应的温度并保温，是生产工艺经常要认真对待的问题。热处理加热炉具有大惯性，纯滞后等非线性以及时变的特点，炉门
15、的开关，加热的材料，环境温度以及煤气、空气的压力等都影响着控制过程。在传统的PID控制中，PID控制参数难以确定，使PID控制器不能总是处于最佳状态，而且在控制过程中将发生大的超调，随着PLC技术的不断发展，其各类过程控制模块功能的增强使它取得较好的控制效果，S7-300里的PID控制模块可以较好的实现对炉温的控制，提高了炉温的控制精度。本设计中炼油装置上的加热炉温度的前馈-反馈控制系统为：如下图：FFCFTTTTC0图3.1加热炉的前馈-反馈控制系统加热炉出口温度为被控量，燃料油流量为控制量。由于进料流量经常发生变化，因而对此主要扰动进行前馈控制。前馈控制器（FFC）将再变化时及时产生控制作
16、用。通过带便燃料油来消除进料流量对加热炉出口温度的影响。同时反馈控制温度调节器（TC）获得温度变的信息后，将按照一定的控制规律对燃料油产生控制作用。两个通道作用叠加的结果将使尽快回到给定值。在系统出现其他扰动时，如进料的温度、燃料油压力等变化时，由于这些信息未被引入前馈补偿器，故只能依靠反馈调节器产生的控制作用克服它们对被控温度的影响。2.2控制系统的硬件选型2.2.1PLC的发展及特点可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技
17、而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于PLC采用了“三机一体化一“的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求：再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱阻。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。早期的可编程序控制器,主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信
18、技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器与这些技术相融合，在工业生产中得到了广泛的应用。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强，硬件和软件方面都有了很大的进步。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点：可靠性高、具
19、有丰富的IO接口模块、采用模块化结构、编程简单易学、安装简单，维修方便。2.2.2PLC的内部结构PLC机硬件主要由中央处理单元(CPU)、存贮器、输入输出单元以及编程器、电源和智能输入输出单元等构成。PLC可分为以下几个部分：(1)中央处理单元(CPU)：中央处理单元是可编程控制的核心部件，它通过输入装置将外设的状态读入并按照用户程序去处理，根据处理结果通过输出装置去控制外设。中央处理器的功能是：CPU按系统程序所赋予的功能，、接收并存贮从编程器输入的用户程序和数据；CPU按扫描方式工作，从存贮器中逐条读取指令，并存入CPU内的指令寄存器中；指令寄存器的指令操作码进行译码，执行指令规定的任务
20、，产生相应的控制信号，启闭有关控制门电路，并根据运算结果更新有关标志和输出映像寄存器的内容，以实现输出控制、制表、打印或数据通讯；行系统诊断程序，诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。(2)存贮器：可编程控制器中存贮器主要用于存放系统程序、用户程序和数据。系统存贮器用以存贮制造厂家编写的系统程序。用户存贮器主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序是指使用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。此程序由使用者通过编程器输入到PLC机的CMOSRAM存贮器中，以便于用户随时修改。也可将用户程序存放在EEPROM中。为确保PLC机控制系统的可靠性，CMOSRAM存贮器有
21、预防电源掉电故障的铿电池保护措施，以防电源掉电后破坏它的存贮内容。数据存贮器用来存放PLC的数据。(3)输入输出模块：输入输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口。现场的输入信号，如压力、流量、温度、电压、电流等，都要通过输入模块送到PLC。由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接受的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。可编程控制器有多种输入输出模块，其类型有数字量输入输出模块和模拟量
22、输入输出模块。模拟量输入输出模块主要用来实现模拟量一数字量之间的转换，即AD或DA转换。由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入输出模块与PLC的中央处理器连接。模拟量输入模块AD转换后的二进制数字量，与PLC的IO总线连接。模拟量输出模块DA转换前的二进制数字量。现在标准量程的模拟电压主要是0-5伏和0-10伏两种，模拟电流主要是0-20mA和4-20mA两种。模拟量输入模块接收到标准量程的模拟电压或电流后，把它转换成8位、10位或12位的二制数字信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的
23、电压或电流输出信号，提供给执行机构。(4)扩展模块：当一个PLC中心单元的IO点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。(5)编程器：它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。显示一般用液晶显示器，主要的显示内容包括地址、数据、工作方式、指令执行情况及系统工作状态等。键盘有单功能键和双功能键，在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键，以选择其中一种方式工作。PLC的软件可分为系统软件和用户程序两大部分：(1)系统软件：它又包括基本控制单元软件和编程软件两部分。另外，一些特殊功能模块也带有自己的操作系统软件。
24、通常，一个PLC机架只能容纳一定数量的模块插件，这种包含主机模块和部分IO模块的机架称为基本控制单元。基本控制单元软件主要功能为：进循环解释运行用户程序；集中进行输入信号的扫描和输出控制的更新编程器软件用来支持用户程序的输入，也可以用来监控用户程序的执行过程。当用户程序己装入PLC的存储器，编程器就可以被分离，基本控制单元将自动进入执行用户程序状态。(2)用户程序：这是用户应用PLC进行控制所需要编制的程序。目前，在PLC中普遍使用梯形图编程方法。2.2.3西门子公司的S7系列PLC德国的西门子公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMATICPLC在欧洲处于领先地位。1996年西门子
25、推出了S7系列产品，它包括小型PLCS7-200系列，中型PLCS7-300系列和大型PLCS7-400系列。S7系列PLC产品得性能和使用范围各不相同，但具有以下共同特点。（1）CPU芯片已经升级到Intel80486，甚至采用Pentium处理器。（2）采用模块化设计，能按搭积木舱室进行系统配置，功能扩展灵活方便。（3）有极快的处理速度，如S7-200和S7-300的扫描速度为0.37微秒/指令，S7-400的处理速度达到18ns。（4）有很强的网络功能，可用多个PLC连接成工业网络，构成完整的过程控制系统，既可实现总线联网，也可实现点对点通信。（5）允许使用相关的程序软件及工业通信网络软
26、件，编制工具更开放，人机界面十分友好。S7-300/400PLC是通用可编程控制器，它广泛地应用于自动化领域，涉及各个行业，可用于组件集中式或分布式结构的测控系统，重点在于为生产制造工程中的系统解决方案提供一个通用的自动化平台，性能优良，运行可靠。S7-300/400PLC主要模块有中央处理单元(CPU)模块、信号(SM)模块、通信(CP)模块、功能(FM)模块；辅助模块有电源(PS)模块、接口(IM)模块。每一个类模块都有各种不同的型号可以选择。CPU模块是PLC的核心，负责存储并执行用户程序，存取其他模块的数据，一般还具有某种类型的通信功能。信号模块用来传送数字量及模拟量信号。通信模块可提
27、供PROFIBUS、以太网等通信连接形式。功能模块有高速计数模块、温度和压力闭环控制模块。2.2.4CPU的选型CPU315-2DP工作存储器容量为128KB，装载存储器容量为8MB，处理数据的时间：位指令为0.1S，字指令为0.2S，整数指令运算时间为2S，浮点运算时间为3S。.定时器个数为256个，计数器个数为256个，位存储器容量为2KB，最大系统可以扩展到32个模块；数字量通道有16384个点，模拟量通道有1024个点；在功耗方面，CPU315-2DP相对其他的CPU，它的功耗较低，且各方面的技术要求都符合此设计的要求。2.2.5I/O模块的选型（1）模拟量输入模块的选型模拟量输入模块
28、SM331有两种规格型号。一种是8*12位模块，另一种是2*12位模块。前者是8通道的输入模块，后者是2通道的输入模块。本系统采用8通道的输入模块。S7-300模拟量模块的输入范围很宽，它可以直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。SM331每两个相邻的输入通道公用一个量程模块，构成一个通道。8*12位模块有8个输入通道，配4个量程模块，分成4个通道组。量程模块上方有A、B、C、D4个标记。当量程模块插入模块时，量程模块的标记与模块的标记一一对应。在没有使用STEP7工具重新初始化模拟量输入模块SM331时，8*12位SM331模块默认设定表如下：表一：量程模块的设定可选择的测量方式和范围默认
29、设置A电压：=1000mV热电阻：150,300,600,Pt100,Ni100热电阻偶：N,E,J,K各型热电偶得各种测量方法电压/1000mVB电压：=10V电压/10VC电流：SIMATICWinCCWindowsControl6.0菜单项。在WinCC工程管理器窗口中选择新建，弹出WinCC资源管理器，选择创建新项目类型，选择单用户类型。单击确定输入项目名称，项目选择项目路径，单击创建则一个新的工程就建立了，当指定了存放文件夹后，项目管理器在默认情况下为项目创建一个与项目名称相同的文件夹。图4.1创建新项目对话框3.2建立Wincc与PLC的通信连接使用WinCC来访问控制系统（PLC
30、）的当前过程值，则在WinCC与控制系统间必须组态一个通信连接。通信将由称作通道的专门的通信驱动程序来控制。WinCC有针对自动化系统SIMATICS7的专用通道。（1）添加一个通信驱动程序，右击浏览窗口中的“变量管理”，在快捷菜单中选择“添加新的驱动程序”，如下图所示。图4.2变量管理对话框（2）在添加新的驱动程序对话框中选择SIMATICS7ProtocolSuite.chn如下图4.3所示。图4.3添加驱动程序对话框（3）单击所添加进来的新的驱动程序前面的“+”号将显示当前驱动程序所有可用的通道单元，本系统选用PROFIBUS。右击PROFIBUS，选择“添加新的驱动程序连接”菜单项，在
31、随后打开的“连接属性”对话框中输入wendu作为逻辑连接名，,然后点击“属性”按钮，在连接参数设置中将插槽号改为2，因为在PLC的硬件设计中，CPU安装在机架的第二个插槽，然后点击确定。如下图4.4所示：图4.4a图4.4b与PLC的通信连接（4）确定好在WinCC监控画面中要用到的变量，然后在S7-300PLC的主界面“SIMATICManager”中点击前面的“+”号，找到S7程序，在右边窗口可以看到“符号”，双击“符号”，找到变量地址，这里主要是模拟量通道的地址，炉内实际温度AI0以及进料扰动AI1的地址，以及PID的地址。如图4.5所示：图4.5（5）WinCC中对PID的控制参数进行整定，