加热炉前馈反馈系统文档格式.docx
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2.2.3西门子公司的S7系列PLC7
2.2.4CPU的选型8
2.2.5I/O模块的选型8
2.2.6电源模块的选型9
2.3系统各部分硬件选型9
2.3.1温度传感器的选择10
2.3.2温度变送器的选择10
2.3.3流量计与压力变送器的选择10
2.4软件设计方案11
2.4.1STEP7编程软件的简介11
2.4.2系统控制方案的选择11
2.4.3加热炉前馈-反馈系统控制流程图12
2.4.4PID控制及其控制算法13
2.5程序的编写15
3WinCC组态与仿真20
3.1新建工程20
3.2建立Wincc与PLC的通信连接21
3.3创建供料系统的过程画面25
3.3.1创建画面25
3.3.2仿真结果27
结束语33
致谢35
参考文献36
附录37
1.完整程序37
2.整体仿真画面42
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,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。
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。
PLC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:
图3.1加热炉的前馈-反馈控制系统
加热炉出口温度θ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用。
通过带便燃料油来消除进料流量对加热炉出口温度θ的影响。
同时反馈控制温度调节器(TC)获得温度变θ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θ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、具有丰富的I\O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,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A\D或D\A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A\D转换后的二进制数字量,与PLC的I\O总线连接。
模拟量输出模块D\A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I\O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。
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I\O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0.1µ
S,字指令为0.2µ
S,整数指令运算时间为2µ
S,浮点运算时间为3µ
S。
.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
默认设置
A
电压:
<
=±
1000mV
热电阻:
150Ω,300Ω,600Ω,Pt100,Ni100热电阻偶:
N,E,J,K各型热电偶得各种测量方法
电压/±
B
10V
C
电流:
20mA(4线变送器)
电流(4线)/±
20mA
D
4~20mA(2线变送器)
电流(4线)/4~20mA
(2)模拟量输出的选型
模拟量输出模块SM332也是有多种规格型号,在这里采用有4通道的4*12位SM332,4*12位SM332有4个通道,每个通道都可以单独编程为电压输出或电流输出,输出精度12位,模块对CPU背板总线和负载电压都有光电隔离。
2.2.6电源模块的选型
PS307是西门子公司为S7-300专配的24VDC电源。
PS307系列模块除输出电流不同外(有2A,5A,10A三种),其工作原理和各种参数都一样。
在组建S7—300应用系统时,考虑每块模块的电流耗量和功率损耗是非常必要的,所有S7—300模块使用的S7—300背板总线提供的总电流不能超过1.2A。
本系统选择PS3075A电源模块可以满足要求。
2.3系统各部分硬件选型
系统的控制部分PLC的各模块的选型已在前面阐述,这里不再多做介绍,下面介绍前馈-反馈控制系统在加热炉系统应用到的其他硬件。
2.3.1温度传感器的选择
温度是工业生产过程中最常见、最基本得参数之一。
任何化学反应和物理变化都与温度有关。
热电偶温度计在工业生产过程中的应用极为广泛,利用金属的热电效应实现测温功能。
它具有测温精度高,在小范围内热电动势与温度基本呈单值、线性关系、稳定性和浮现性较好,测温范围宽,响应时间较快等特点。
热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来实现对温度的测量的,当测量温度低于150°
C的温度时,由于热电偶的热电动势很小,故常用热电阻测量温度。
热电阻温度计最大的特点是性能稳定、测量精度高、测温范围宽,同事还不需要冷端温度补偿,一般可在-270~900°
C范围内使用。
本设计的加热炉设置的温度不超过100°
C,选择温度传感器为Pt100热电阻,量程为0~100℃
2.3.2温度变送器的选择
要实现温度的自动控制,则需要配用温度变送器。
DDZ-Ⅲ型变送器是一种将被测的各种参数(温度、压力等)变换成统一的标准信号(DC4~20mA或DC1~5V)的仪表,其输出送显示一边或调节器实现对温度的显示或自动控制。
DDZ-Ⅲ型温度变送器有热电偶温度变送器、热电阻温度变送器、直流毫伏变送器三中品种。
DDZ-Ⅲ型温度变送器主要特点有;
1)采用了线性继承电路,提高了仪表的可靠性、稳定性及各项技术性能。
2)在热电偶和热电阻温度变送器中采用了线性化电路,使变送器的输出电流或电压信号和被测温度(输入信号)成线性关系。
3)线路中采用了安全火花防爆措施,故可用于危险场所中的温度测量变松。
这里由于温度测量部件选用了热电阻温度计,所以温度变送器就选择热电阻温度变送器。
2.3.3流量计与压力变送器的选择
流量是指单位时间内通过管道某一截面的物料数量,即瞬时流量。
本设计中选用比较常用的差压流量计,它是根据节流原理利用流体流经节流装置(如孔板)时所产生的压力差来测量流量的。
这里压力变送器,选择差压(压力)变送器,其主要用于测量液体、气体或蒸汽的压力、差压、流量、液位等的过程参量,并将其转换成标准的统一信号DC4~20mA电流输出,以便实现自动检测和自动控制。
2.4软件设计方案
2.4.1STEP7编程软件的简介
STEP7是用于SIMATICS7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件,需要安装、运行在使用Windows操作系统的计算机上。
STEP7支持三种编程模式:
LAD(梯形图)、FBD(功能块图)、STL(语句表)。
使用STEP7V5.3开发开发一个工程,可以分为6个步骤:
建立一个项目、通信设置、硬件组态和参数设置、程序编写与下载、程序调试与组态通信。
一个完整的项目建立好了,用西门子公司提供的仿真软件S7-PLCSIM来代替PLC硬件调试用户程序,利用次仿真软件,不需要连接任何PLC硬件,以后的监控/测试均与在一台真正的S7-PLC中的监控/测试一样,从而提高用户程序的质量和降低费用。
2.4.2系统控制方案的选择
根据图3可以得到以下两种控制系统框图,PID为PLC内部的PID模块CONT_C
图3.1使用一个PID调节器
图3.2使用两个PID调节器
图4的控制系统框图中只利用一个PID调节器,因此这个PID既是前馈作用的补偿器,又是反馈作用的调节器,虽然在程序编写上比较简洁,PID需将三个外来数据进行计算才能得出输出结果,会令扰动量不能得到及时的补偿,使系统出现震荡,使温度不能得到很好的控制。
图5中利用两个PID调节器作用于阀门,进行燃料油流量的控制。
反馈调节器(PID)为主调节器,前馈补偿器(P)为副调节器,当
(扰动)发生变化时,副调节器迅速动作,改变阀门开度,调节燃料油的流量,温度变化较小;
主调节器的任务是校正温度,使稳态时的温度等于给定值。
主调节器的输出信号作为副调节器的给定值,两者相互独立,相互的影响小。
所以本设计中选用如图3.2所示的控制系统框图来编写控制程序。
2.4.3加热炉前馈-反馈系统控制流程图
加热炉的前馈-反馈控制内,先写好程序之后将程序下载到PLC中,在监控画面中对设定值进行设定,同时,温度变送器将炉内温度计检测到的温度值转换成4~20mA的电流值,PLC里的模拟量输入模块SM331将电流值转换成PLC内的数据值,4~20mA的电流值对应PLC里的数据量为0~27648。
设定值与实际值的差值为
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