基于S7300锅炉内胆水温的前馈反馈控制系设计组态.docx

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基于S7300锅炉内胆水温的前馈反馈控制系设计组态

基于S7300锅炉内胆水温的前馈反馈控制系设计（组态）

毕业设计（论文）

题目：

基于S7-300锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系设计（组态）

（英文）：

DesignofFeedforwardandFeedbackControlSystemsBasedonS7-300BoilerWaterTemperature（Configuration）

院别：

自动化学院

专业：

自动化

姓名：

肖奎

学号：

2010104843020

指导教师：

李虎山

日期：

2014年4月

基于S7-300锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统设计（组态）

摘要

温度是常见的过程参数之一，许多的生产过程都离不开对温度的控制，温度的控制往往是对加热和冷却的平衡，锅炉正是这样的系统，当加热大于冷却时整个系统升温；反之则降温；二者若是趋于相等就可以使温度趋于稳定。

若是采用单纯的反馈控制对锅炉内胆水温进行控制，由于流量变化快而温度控制滞后大就会导致系统的稳定性、快速性较差，不能取得理想的控制效果。

解决这个问题的办法就是加入对主要扰动流量的前馈补偿环节构成锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统，使得流量的变化能够迅速得到补偿，提高系统的响应速度。

近年来，可编程控制器（PLC）依托着可靠性高，抗干扰，功能强大等特点得到了广泛的运用，随着生产和编程的技术不断进步，越来越多的控制方式得以在PLC上实现。

本设计将围绕西门子S7-300PLC从前馈-反馈控制系统的介绍、PLC及测量变送仪表设备的选择、软件的展示及组态编程这三个方面来阐述锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统的设计，力求展示出前馈-反馈控制系统的特点。

通过本设计可以观测到前馈-反馈控制系统在以流量变化为主要扰动的情况下对锅炉内胆的水温可以取得较好的控制效果。

关键词：

前馈-反馈控制；PLC；温度

DesignofFeedforwardandFeedbackControlSystemsBasedonS7-300BoilerWaterTemperature（Configuration）

ABSTRACT

Temperatureisoneofthecommonprocessparameters,manyproductionprocessesareinseparablefromthetemperaturecontrol,temperaturecontrolisoftenthebalanceofheatingandcooling,theboilersystemissuchthatwhentheheatingtemperatureisgreaterthanthecoolingoftheentiresystem;otherwisecool;bothtendtobeequalifyoucanmakethetemperaturetostabilize.Ifusingasimplefeedbackcontroltocontrolthetemperatureoftheboilertank,duetorapidchangesinflowandtemperaturecontrolwillleadtoalargehysteresisstability,rapidpoorsystemcannotachievethedesiredcontroleffect.Tosolvethisproblemistoaddafeedforwardflowofformermajordisturbancefeedforwardcompensationconstitutesapartoftheinteriortemperatureoftheboiler-afeedbackcontrolsystem,makingchangesinflowcanbecompensatedquickly,improvetheresponsespeedofthesystem.

Inrecentyears,programmablelogiccontroller（PLC）relyingonhighreliability,interference,andpowerfulfeatureshavebeenwidelyused,withproductionandprogrammingtechnologyadvances,moreandmorecontroltothePLCachieved.ThisdesignwillfocusonSiemensS7-300PLCfeedforward-feedbackcontrolsystemintroduction,selectPLCtransmissioninstrumentsandmeasuringequipment,software,displayandprogrammingofthesethreeaspectstoelaborateboilerwatertankfeedforward-feedbackcontrolsystemdesign,andstrivetodemonstratefeedforward-feedbackcontrolsystemcharacteristics.Thisdesigncanbeseenthroughthefeedforward-feedbackcontrolsystemtoflowinthecaseofmajordisturbancesinthewatertankoftheboilercanachievebettercontroleffect.

Keywords:

Feedforwardandfeedbackcontrol;PLC;Temperature

1绪论1

2基本背景知识2

2.1前馈-反馈控制2

2.1.1前馈控制系统2

2.1.2前馈-反馈控制系统3

2.2设计任务分析4

3控制系统硬件6

3.1控制设备6

3.1.1PLC基本介绍6

3.1.2S7-300PLCCPU模块说明7

3.1.3S7-300PLC信号模块（SM）说明8

3.2测量变送设备9

3.2.1温度传感器、变送器9

3.2.2流量计9

4系统的设计过程10

4.1系统装置接线10

4.2模拟量信号采集11

4.3西门子Step7编程软件的简介11

4.4PLC程序的编写15

5组态的建立过程19

5.1组态软件介绍19

5.2组态的建立过程24

5.3控制参数的整定28

结语31

参考文献32

致谢33

1绪论

自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的显著标志和重要条件之一，自动化技术不仅可以把人们从繁琐重复的体力劳动或者不安全的工作环境中解放出来，而且能够扩展人类各种器官功能，极大地提高劳动生产率，对促进人类进步大有裨益。

因此，越来越多场合的自动化改造被提上了日程。

过程控制是生产过程自动化的简称，是自动化技术的重要组成部分。

过程控制是指针对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等工艺参数进行控制其中，温度是最常见的控制对象之一，具有特别的意义，例如在发酵过程中温度决定了酵母菌的繁殖速度及酿造物的质量；在水族馆中，水温会影响溶氧量和水生物的生长情况；在冶金行业里，温度更是决定制品纯度成色的重要因素。

但温度作为被控量的话不仅滞后大而且往往还存在着流量、液位等多种扰动，因此如何克服扰动实现稳定的温度控制是自动化工程师们努力研究的方向之一。

PLC即可编程控制器是一种专用工控机，它的存储器是可以进行编程的，在它的内部储存和执行各种指令如：

逻辑运算、顺序运算、计时计数等。

它支持数字量或者模拟量的输入或输出，可以控制多种生产过程。

本设计综合运用计算机、西门子S7-300PLC、水泵、温度检测、流量变送器、温度变送器、锅炉等设备综合使用了计算机及PLC编程、控制算法设计、过程控制技术、工控现场总线技术、电气线路设计等知识点在求是教仪上实现基于S7-300锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统。

抛砖引玉，力求展示出前馈-反馈控制系统的特点，为成为一名合格的自动化专业毕业生打下基础。

2基本背景知识

2.1前馈-反馈控制

2.1.1前馈控制系统

前馈控制，简称FFC（FeedForwardControl）是一种开环的控制方式，它能根据干扰量的变化补偿干扰量对被控量的影响，其特点是当扰动产生后，被控变量还未发生变化以前，就能根据扰动的大小进行控制，以补偿扰动产生的影响,在理想状态的前馈控制甚至可以实现无差补偿。

前馈控制的系统框图如图2.1所示：

图2.1前馈控制系统框图

图2.1上面那条支路为干扰通道支路，下面的支路是控制通道支路，因此，前馈控制系统的传递函数为：

（公式1.1）

当满足以下两式时系统对R干扰可以实现完全补偿：

所以可以求得前馈控制器的传递函数为：

（公式1.2）

根据公式1.2中的负号可以看出控制器的作用跟扰动的作用方向是相反的，起到了补偿扰动的作用。

按照对干扰进行补偿的特点不同，单纯的前馈控制系统又可以分为静态前馈控制和动态前馈控制两种。

静态前馈控制是指在足够稳定的工况下对扰动进行补偿，此时前馈控制器的输出和输入是一比例关系，而跟时间t没有关系；也就是说此时的前馈控制器传递函数Gff（s）是一个静态的系数Kf，故称为静态前馈控制。

与静态不同，动态前馈控制是指在任意的时刻乃至不同的状况下前馈控制器都能对扰动进行补偿，因此它的传递函数完全符合公式1.2；干扰经前馈控制器通道产生的输出与其经干扰通道产生的输出，二者大小特性一致但方向相反，相互抵消；这样的就是动态前馈控制方式。

下面是一些前馈控制区别于其他控制方式的特点：

1、克服干扰的响应速度快；前馈控制器在扰动产生的时刻马上就可以运算出补偿值，它的响应速度比通常比反馈控制要快。

2、面向专一对象使用；因为前馈控制器是为了补偿扰动通道输出而设计的，一种前馈控制器只针对一种扰动，如果要针对多个扰动就需要设计多个不同前馈控制器来实现。

3、是开环控制系统；根据其系统框图可以显然看出，在克服扰动后前馈控制系统并没有加入对输出结果的检验和校正环节，属于“开环”。

2.1.2前馈-反馈控制系统

由于单纯的前馈控制系统是开环控制系统，无法对输出结果进行检验和校正，但是我们的控制系统中往往不单只前馈控制器克服的那些扰动还有一些次要扰动，如果对每一个扰动都设计对应的前馈控制器往往会使得系统过于繁琐且经济成本太高，因此为了既经济又有较好的控制效果，保证输出结果的准确性我们引入了反馈控制系统组成前馈-反馈控制系统。

反馈系统是闭环控制系统，它引入了被控变量的变化作为输入量的参考依据，系统因此获得了一定的自适应能力。

总的来说，前馈-反馈控制系统综合了前馈和反馈的优点，系统中既有能够对主要扰动信号进行补偿的前馈控制，又存在反馈控制克服其它的扰动信号使系统趋于稳定，可以提高系统的整体响应速度。

2.2一般前馈-反馈控制系统的原理图

由前馈-反馈控制的概念及原理图可以知道系统中需要测量的信号主要由被控量跟扰动信号。

因此，前馈-反馈控制系统一般由以下环节构成：

1、扰动信号测量变送器：

对扰动信号进行测量并转换成标准的电信号；2、前馈控制器：

对扰动信号进行补偿；3、被控量测量变送器：

对被控量进行测量并转换成标准的电信号;4、反馈控制调节器：

对被控量进行调节；5、执行器和调节机构：

直接作用于扰动和被控量的设备；6、扰动通道对象：

扰动信号通过该通道对被调量产生影响；7、控制通道对象：

调节量通过该通道对被调量进行调节。

显然的是，前馈不管加在了哪个位置，都构成不了闭合回路，系统的特征式维持不变，也就是说前馈并没有影响到系统的稳定性；引入反馈控制后，前馈控制中的完全补偿条件也没有改变；我们可以在整定参数的时候利用到这两个特点。

2.2设计任务分析

图2.3锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统结构图

如图2.3就是锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统的实物结构图，既然要分析锅炉内胆锅炉内胆的水温，我们就要从水着手，循序渐进。

锅炉内胆和夹套的水都来自磁力泵的管道，夹套的水一直在流动起到带走一部分热量的作用因此又称为冷却水；锅炉内胆的水可以通过加热管进行加热，它的温度就是我们要控制的量。

由图2可以看出该温度主要由两个因素共同决定一个是水的流量，流量加大，温度降低；另一个是加热管的功率，功率加大，温度升高。

流量扰动我们设其为可测不可控的，加热管的功率可以通过三相SCR调压模块调节大小。

与一般前馈-反馈控制系统不同，基于S7-300的锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统的前馈调节器跟反馈调节器并不是分开的，而是都由S7-300PLC来实现的，因此我们可以得到锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统的系统框图：

图2.4锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统框图

由锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统的系统框图可以看出本次毕业设计的任务主要有：

1、连接系统硬件设备；2、编写PLC前馈与PID模块程序；3、绘制组态界面并建立连接；4、整定各项参数得出结论。

3控制系统硬件

3.1控制设备

3.1.1PLC基本介绍

可编程控制器最早起源于美国数字设备公司（DEC），它于1969研制出的世界上第一台成功应用于美国通用汽车公司（GM）生产线的可编程控制器。

但当时该控制器只具备进行逻辑运算的能力，所以称它为可编程逻辑控制器，简称为PLC（ProgrammableLogicController）。

70年代后期，随着计算机技术和微电子技术的迅猛发展，PLC从简单的开关量的逻辑控制扩展到了数字控制及生产过程控制领域，真正成为电子计算机工业控制装置，它被称作可编程控制器，简称PC（ProgrammableController）。

但是由于简称PC容易与个人计算机（PersonalComputer）混淆，所以人们习惯性仍用PLC作为可编程控制器的简称。

PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来的，继电器在控制系统中主要起两种作用：

1、逻辑运算；2、弱电控制强电，所以PLC在数学处理、顺序控制方面具有独特的优势。

PLC作为集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已经跃居至工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。

1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：

可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。

可编程控制器具有1、系统构成灵活，扩展容易；2、编程简单（采用简单明了的梯形图、逻辑图和语句表等编程语言）、使用方便，；3、对工作环境要求不高，抗干扰能力强，可靠性强等特点

PLC由于高可靠性而运用广泛，生产PLC的厂家也有很多，其中不乏西门子（SIMATIC），三菱（MitsubishiElectric），罗克韦尔（AB）等大公司，它们的产品规格性能，适用场合有大同小异的也有截然不同的，以西门子公司为例就有LOGO，200,300,400,1200等多个系列。

图3.1西门子S7-300系列模块图

本设计使用的正是德国西门子公司的S7-300系列PLC，S7-300PLC是模拟式中小型PLC，主要由机体框架、电源模块（PS）、CPU模块、信号模块（SM）、功能模块（FM）、接口模块（IM）、通信处理器（CP）和编程设备组成。

各个模块都是独立的，每个模块都具备一个总线连接器，用以插在各个模块的背后，可以通过U形总线把它们紧密固定在西门子S7-300的标准轨道上。

一条导轨共有11个槽号：

1号槽至11号槽，S7编程软件组态主架导轨硬件时，电源模块，CPU模块和接口模块分别置于导轨的1号槽、2号槽和3号槽上，其中4号槽至11号槽可以随意放置除电源模块、CPU模块和接口模块以外的其他模块。

3.1.2S7-300PLCCPU模块说明

PLC的CPU模块是该前馈-反馈控制系统的核心，负责整个系统的中央控制，程序的存储与执行，实现通信功能，并为U形总线提供5V的电源。

S7-300PLC的CPU有4种操作模式分别是：

STARTUP（启动）、RUN（运行）、HOLD（保持）和STOP（停机）。

目前S7-300的CPU模块大致可以分为以下几类：

1、紧凑型CPU：

CPU312C、CPU313C、CPU314C-2DP等。

2、标准型CPU：

CPU312、CPU313、CPU314、CPU315等。

3、革新的标准型CPU：

CPU312、CPU314、CPU315-2DP。

4、户外型CPU：

CPU312IFM、CPU314IFM等。

5、大容量高端型CPU：

CPU317-2DP、CPU318-2DP。

6、主/从接口安全型CPU：

CPU315F-2DP。

3.1.3S7-300PLC信号模块（SM）说明

信号模块（SM）又叫输入/输出模块（I/O模块），是CPU模块与现场输入输出原件和设备连接的桥梁，用户可以根据现场输入/输出设备来选择各种用途的I/O模块。

按输入输出量的不同信号模块又可以分为数字量模块和模拟量模块两类。

S7-300PLC常用的数字量模块有数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322和数字量输入/输出模块SM323：

数字量输入模块将现场过程送来的数字量电平转换成PLC的内部信号电平，SM321有四种型号可选：

直流16点输入、直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入。

数字量输出模块与数字量输入模块相反则是将PLC内部信号电平转换成现场过程所要求的控制信号电平。

按输出方式不同SM322又可以分为晶体管输出（直流输出模块）、可控硅输出（交流输出模块）、继电器触点输出（交直流两用输出模块）。

从响应速度来看，晶体管响应最快，继电器响应最慢；从安全隔离效果及应用灵活性来看，则是继电器触点输出型最佳。

数字量输入/输出模块SM323有两种类型：

一种带8个共地输入端和8个共地输出端，另一种带16个共地输入端和16个共地输出端，二者特性相同。

I/O额定负载电压为24VDC,输入信号“1”高电平为11～30V，信号“0”低电平为-3～+5V，I/O通过光耦与背板总线隔离，在额定输入电压下，输入延迟为1.2～4.8ms，此外输出还具有电子短路保护功能。

S7-300PLC常用的模拟量模块有模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332、模拟量输入/输出模块SM334：

模拟量输入（简称AI）模块SM331有三种规格型号，分别是8AI×12位模块、2AI×12位模块以及8AI×16位模块。

SM331主要由A/D转换部件、光电隔离部件、模拟切换开关、恒流源、逻辑电路和补偿电路等组成。

模拟量输出（简称AO）模块SM332有332-5HB01、332-5HD01、332-5HF00、332-7ND02四种分别支持2、4、8、4（同步模式）点的模拟量输出。

模拟量输入/输出模块SM334则有334-0CE01-0AA0、334-0KE00-0AB0两种，都是具有4模拟量输入，2模拟量输出；但是后者为电阻测量式（Pt100）。

3.2测量变送设备

3.2.1温度传感器、变送器

温度传感器（temperaturetransducer）是可以检测温度并将其转换为可用输出信号的仪器。

温度传感器是温度测量仪器的核心组成部分，品种繁多。

按照测量方式可分为接触式和非接触式两种类型；根据传感器的材料和电子元器件的特性也可以划分成两种类型即热电阻式和热电偶式。

Pt100铂热电阻温度传感器在-200～+420℃的测量精度非常高甚至是测温的基准元件，其抗振性耐温耐压特性也很出色，因此本设计装置中采用了Pt100铂热电阻温度传感器来检测锅炉内胆的水温。

温度变送器则是指将测温元件通常是传感器测量出来的温度信号经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的4～20mA电流信号的器件，在本设计中温度变送器将Pt100铂热电阻温度传感器测得的温度电阻信号转变成电流信号输出给控制器使用。

3.2.2流量计

流量计是用来测量流体流量的仪表，本设计装置的流量计有电磁流量计和涡轮流量计两种：

电磁流量计用以测量电动调节阀控制的动力支路，它的优点是零点比较稳定，抗干扰能力强，不受被测介质压力、温度、粘度、密度等物理参数变化的影响，反应灵敏，输出信号与流量成线性关系，量程比较宽。

电磁流量计的工作电压为220V，可以测量的流量范围是0～0.3m3/h，测量精度是1.0%，测量结果输出为4～20mA的直流电流。

两个涡轮流量计进行变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量的检测，涡轮流量计的优点是测量精度高，反应快。

其采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，可以测量的流量范围是0.1～0.6m3/h，测量精度为精度：

1.0%，结果输出也是4～20mA直流电流。

4系统的设计过程

4.1系统装置接线

图4.1控制系统结构设计图

根据前三章的内容，设计出的系统结构图如图4.1所示，运用学校实验室已有的求是教仪可以组建该系统，求是教仪实际上是将我们要用到的电源、PLC、三相SCR调压装置、变送器等装置的接线端子集成到了同一个界面上，我们可以直接在教仪上连接线路，组成系统。

下图为基于S7-300锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统的接线图：

图4.2硬件接线图

由图5.1可知，接线孔主要分为两类：

第一类是电源类，即三相电源输出孔、单相电源输出孔、各装置的电源输入孔；第二类是信号类，即4～20mA电流孔、RS485通讯线孔等。

接线时，一般先接各个设备的通讯线再接好电源线，由于各个孔的过流过载特性不同，在接线之前，一定要断开电源，检查无误才可以通电。

4.2模拟量信号采集

本次设计需采集的模拟量信号有锅炉内胆的温度以及锅炉夹套冷却水的流量。

模拟量信号的采集分为两个过程一个是测量一个是变送，锅炉内胆水的温度由温度传感器采集后经过温度变送器转换成成4～20mA的电流信号送入S7-300PLC的模拟量输入模块（SM331），同样的，流量信号也是转换成4～20mA的标准信号后才送入SM331模块。

在SM331模块中还涉及到了标度变换，它会将4～20mA的电信号转换成0～27648的整数，占用一个字大小的系统储存区。

4.3西门子Step7编程软件的简介

Step7是西门子（SIMATIC）的一款工业软件，它是针对于西门子可编程逻辑控制器（PLC）进行组态和编程的软件。

Step7提供了各种版本以适应不同的应用需求其中STEP7Micro/DOS、STEP7Micro/WIN是用于S7-200PLC