S7-300_PLC中程序控温算法设计毕业设计.doc
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1、南阳理工学院本科生毕业设计(论文)S7-300 PLC中程序控温算法设计 Temperature Control Algorithm DesignBased on S7-300 PLC总 计: 48 页表 格: 9 个插 图: 37 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计(论文)S7-300 PLC中控温程序算法设计Temperature Control Algorithm DesignBased on S7-300 PLC学 院(系): 电子与电气工程学院 专 业: 自动化 学 生 姓 名: 学 号: 104091020035 指 导 教 师(职称): ) 评 阅 教 师: 完 成
2、 日 期: 南阳理工学院 Nanyang Institute of TechnologyS7-300 PLC中程序控温算法设计S7-300 PLC中程序控温算法设计自动化专业 摘 要 温度控制是最重要的过程控制之一,有些温度控制过程要求按照一定的升温、保温、降温曲线控制温度。西门子S7-300 PLC中FB41 PID控制模块有双极性输出功能,但是该模块不具有程序控温功能。本设计在FB41 PID控制模块的基础上进行的, 自主设计的程序控温算法实现了夹套锅炉的程序控温。主要包括多段温度设置曲线程序设计,升-保-降温度段控制规律的研究和控制参数的设置。温度曲线设置采用温度-时间格式算法,本段温度
3、设定与上段温度设定的差值,除以本段设置时间得到温度曲线斜率,以定时中断模块OB35中断时间作为设置时间的时间刻度,进行线性运算,产生设定值曲线。温度曲线设置程序输出值作为FB41模块的给定值进行PID运算,正极性PID输出配合脉宽调制实现时间比例加热控制,负极性PID输出调节夹套冷却水流量实现降温控制。对升-保-降温度段选用不同控制规律和参数设置实现了程序控温,达到控温精度0.1 ,实现了设计任务。 关键词 温度;双极性; PID;FB41 Temperature Control Algorithm esign Based on the S7-300 PLCAutomation Special
4、ty GAO shiyuAbstract: Temperature control is one of the most important process control, Some temperature control process is base on ramp rate of heating up,keeping and cooling.Siemens S7-300 PLC FB41 PID control module has dual polarity output function,but the module has no program control temperatu
5、re function.This design is based on FB41 PID control module, the independent design temperature process control algorithm realize the clip set of boiler temperature control of the program.Mainly includes multistage temperature setting curve program design, study about heating up,keeping,cooling temp
6、erature control law and preferences.Setting temperature curve is by temperature-time format algorichm, the d-value is between setting temperature and last-setting temperature , this period time is divided by d-value between setting temperature and last-setting temperature ,then get the temperature c
7、urve slope. scope multiplied time get setting value curve by linear operation. Setting value is as given value of FB41 for PID operation. Positive polarity PID output and pulse width modulation realize time-proportion heating control, negative polarity PID output realize cooling control by adjusting
8、 cool water flow in clip setting. To rise-keep-cool temperature period drop choose different control laws and parameter setting and realize the program temperature control, the precision is to 0.1 and realize the design task.Key words: Temperature; Bipolar; PID ; FB41目 录1 引言12 项目软硬件构建设计12.1 项目硬件构建12
9、.1.1 温度传感器12.1.2 变送器22.1.3 磁力驱动泵22.1.4 电磁调节阀22.1.5西门子MM440变频器22.1.6 HH52P小型控制继电器32.1.7交流接触器32.1.8 压力液位变送器32.1.9 S7-300PLC32.2 项目软件介绍32.2.1 SIMATIC STEP7软件32.2.2 wincc软件组态43 控温算法构建63.1 双极性控制实现83.1.1 “CONT_C“ SFB41连续控制模块83.1.2 SFB43 脉冲输出模块103.1.3“SCALE“ FC105数值转换功能103.1.4“UNSCALE“ FC106 取消标定值功能113.2 多
10、段斜率控温的实现123.2.1多段斜率控温的设计思路123.2.2多段斜率控温的适应性143.2.3多段斜率双极性控温算法程序流程图144设计调试分析15.温度对象特点15.2不同控制规律结果分析174.2.1 P控制规律现象分析174.2.2 PI控制规律现象分析184.2.3 PD控制规律现象分析194.2.4 PID控制规律现象分析204.3总结分析21结束语22参考文献23附录24致谢4849S7-300 PLC中程序控温算法设计-控温算法设计1 引言PLC是主流的自动化控制器,现在还广泛用于过程控制。由于现在PLC普遍具有模拟量处理技术和PID调节能力,使得PLC在过程控制领域扮演着
11、越来越重要的角色。PID是过程控制中最基本、最常用、最重要的控制算法。SIEMENSS7300/400系列PLC具有完善的过程控制软硬件产品,STEP 7软件中配有PID软件功能模块1。温度控制是最重要的过程控制之一,而有些温度控制过程对升降温斜率有要求,即按照一定的升温、保持、降温曲线控制温度。能够实现加热冷却双极性控制的PID算法可以实现设定值曲线控制,在工程实际中有很多应用。2 项目软硬件构建设计2.1 项目硬件构建 本次毕业设计主要通过温度传感器检测锅炉水温,经智能仪表做温度变送器,传递4-20mA标准信号,经西门子sm331模拟量输入模块输入,经CPU模块进行PID运算后,通过是sm
12、332模拟量输出模块或者sm322数字量模块输出4-20m标准信号或者数字信号,来控制调节阀的开度或继电器的状态,从而控制夹套降温和锅炉内胆加热丝加热。控温程序的处理主要应用西门子的step7软件来完成,上位机的监控由wincc组态软件来完成。2.1.1 温度传感器夹套使用的是铂电阻(Pt100)温度传感器,内胆选用铜电阻(Cu50)温度传感器,实物图如下图1所示,测温范围2见表1。金属铂Pt100(R0=100)具有电阻温度系数大,感应灵敏;电阻率高,元件尺寸小;电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系;在测温范围内,物理、化学性能稳定,长期复现性好,测量精度高,最常用的一种温度检测器;铜电阻(
13、Cu50)温度传感器为避免因连接导线的电阻随外界温度变化而更降低测温精度时,应采用三线制,接线方法如图2所示:表1 传感器技术指标名称分度号测量范围误差铂电阻温度传感器Pt100-200850(0.10+0.017t)名称分度号测量范围误差铜电阻温度传感器Cu50-50150(0.10+0.017t)图1温度传感器接线图 2.1.2 变送器AI818型智能仪表硬件采用了先进的模块化集成设计,具备功能模块主要有:辅助输入、主输出、报警、辅助输出及通讯。仪表的输入方式可自由设置为常用各种热电偶、热电阻和线性电压(电流)。用于恒压供水时,作为控制器使用,输出电流信号送给西门子变频器MM440,接收压
14、力仪表PE的反馈信号,内部运用PID调节,促使压力信号稳定。作为温度变送器时,AI818仪表使用变送和显示功能,具体的参数设计如下:HIAL:99.99; LOAL:0; Ctrl:0;Run:0或1;Sn=20(内胆)或21(外胆),其他参数保持默认设置,接收温度传感器的信号,经自身内部运算,显示实时温度,同时也把信号传送到PLC模拟量输入模块SM331。2.1.3 磁力驱动泵型号:20CQ-12p 流量为3m/h,对于设计要求来说,在1m/h左右已足够用。 扬程为12m,对于从下水箱抽水到内胆里,供水压力足够使用。 驱动功率为0.37kw ,节能实惠。转速为02900r/min,可以高速旋
15、转,速度调节范围广。工作电压区间为0380V ,此电压由西门子变频器MM440输出提供,工作区域也比较宽。2.1.4 电磁调节阀型号:QSTP_16K 公称通径为DN20mm,完全可以满足供水流量要求。公称压力为1.6Mpa,供水压力最大为1.5 Mpa,工作在安全范围内。信号传递为4-20mA DC,可由PLC的模拟量输出模块SM332提供,控制调节开度的大小。上下行程共16mm,从全开到全闭或从全闭到全开需要的时间比较长,故尽可能不使其做大动作,否则耗时费力。2.1.5西门子MM440变频器MICROMASTER 440属于通用型变频器,驱动功率配比范围为0.12kW - 250kW,完全
16、可以驱动0.5hp的磁力驱动泵。输入电源为三相交流电,输出直接供给电机,接法均为三相四线制,动力电有一定的危险性,接线端子务必密封性良好,以防触电事故的发生。它具有过流、欠压等跳闸保护,并有指示灯显示其工作状态或故障类型。它的控制输入为智能仪表提供的420mA电流信号,其输出为0380V AC送给磁力驱动泵。2.1.6 HH52P小型控制继电器HH52P小型控制继电器输入由PLC数字量输出模块的一个点提供24V DC,它的通断用来控制交流接触器的,单接点型,插入式,两常开,两常闭,额定电流5 A,适用于日常交流电,具有体积小、重量轻、开闭容量大、可靠性高、寿命长等特点2.1.7交流接触器接触器
17、是一种适用于在低压配电系统中远距离控制、频繁操作交、直流主电路及大容量控制电路的自动控制开关电器。选用接触器主要考虑因素有:根据电路中负载电流的种类,接触器主触头的额定电压,额定电流,控制电路要求确定吸引线圈工作电压和辅助触点容量。设计中选用 CJX2-124(LC1-D)型交流接触器适用于交流50 Hz或60 Hz,电压至660 V、电流至95 A的电路中。2.1.8 压力液位变送器压力液位变送器可以显示液位,输入为两线制24V DC,输出为420mA。接线图如下图2所示:图2两线制接线图2.1.9 S7-300PLCS7-300PLC电源模块的输入用220AC的单相三线制,即一火一零一地线
18、。CPU 315-2DP的电源为5VDC,内存为128K。数字量输入、输出各16个点,模拟量输入、输出各4个通道,已满足设计需求,其中模拟量输入模块具有12位精度并且是智能防爆型的。2.2 项目软件介绍2.2.1 SIMATIC STEP7软件SIMATIC STEP7作为一个平台可以集成各种控制设备的软件,使不同设备以及西门子PLC站点具有相同的数据库,所有设备的编程、配置、调试、数据路由以及通信工作只需在STEP7中就可以完成3,从而实现一个项目中所有控制任务的集成。可以在上位机中完成硬件组态,配置通讯地址,程序编制下载,在线仿真,在线连接,故障检测等操作。硬件组态如图3:图3硬件组态画面
19、2.2.2 wincc软件组态(1)变量管理:图4变量组态画面4(2)画面编辑器:主画面,报警画面,报表记录,温度设置画面,趋势画面5图5画面目录图6主画面图7报警画面图8报表记录图9温度设置画面图10趋势画面3 控温算法构建本设计控温算法的设计,主要分为两大部分,都在OB35中断中进行。一是双极性的实现,即FB41控制器的输出值大于零时,输出数字量,控制继电器吸合,加热电路导通,对内胆进行加热。控制器输出值小于零时,输出模拟量控制阀门的开度,从而控制夹套循环水的流量,实现降温目的。第二部分为多段斜率曲线的实现,即设定值的曲线变化的实现。首先对一些算法变量中的动态变量进行初始化清零,然后判断当
20、前的段数N是否等于设定段数Number,等的话回第一段循环执行,不等执行下一段,调用斜率算法块FB1,将Cn-1送入last_t,Cn送入set_t,Tn送入load_tim,进行运算,输出一个时间刻度的变化量,通过OB35的时间基准进行四则运算,输出一个SP的值。最后,将输出的SP值,送入FB41的设定值端,进行PID运算。另外,手自动的选择在OB1中完成,FB43和FB41的时间配合以及调用时间逻辑,通过调用FB3实现。简单流程示意如图11,图11简单流程示意3.1 双极性控制实现本项目中的双极性为加热冷却双极性。其过程如图12,现场锅炉内胆温度通过温度传感器采集,经sm331模拟量输入模
21、块,送入控制器经FB41运算,运算结果限定范围为-100100。当输出为正值时调用PWM功能块FB43,生成一定占空比的脉冲波,经sm322数字量输出模块输出状态ON/OFF,控制继电器的吸合断开,从而控制加热丝电路对内胆进行加热。当输出为负值时调用模拟量转换功能FC106,经sm332模拟量输出模块输出4-20mA标准信号控制电磁阀的开度,从而控制锅炉夹套冷却水流量达到降温目的。图12双极性控制信号流程示意图3.1.1 “CONT_C“ SFB41连续控制模块西门子300/400PID模块FB41是基于增量型PID控制算法6。由控制原理知识我们得到PID的传递函数如式1 (1)模拟量PID控
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- S7 300 _PLC 程序 算法 设计 毕业设计
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