基于S7300PLC流量前馈反馈闭环过程控制系统.docx

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基于S7300PLC流量前馈反馈闭环过程控制系统

1引言………………………………………………………………12基于S7-300PLC流量前馈/反馈闭环过程控制系统硬件方案计………2

2.1流量前馈/反馈闭环系统硬件系成………………………2

2.2流量前馈/反馈闭环系统硬件系统电气接线图设计…………………33S7-300PLC流量前馈/反馈闭环过程控制系统设计…………………3

3.1流量前馈/反馈闭环系统控制原理……………………………3

3.2流量前馈/反馈闭环系统PLC硬件组态论述………………………3

3.3流量前馈/反馈闭环系统控制程序流程图论述………………………5

3.4流量前馈/反馈闭环系统控制程序功能设计…………………………6

4流量前馈/反馈闭环系统上位监控系统设计……………8

4.1S7-300与WINCC建立通讯连接……………………………………8

4.2流量前馈/反馈闭环系统数据词典论述……………………………8

4.3流量前馈/反馈闭环系统工艺图形组态…………………………9

4.4流量前馈/反馈闭环系统历史趋势组态………………………10

4.5流量前馈/反馈闭环系统实时趋势组态……………………11

4.6流量前馈/反馈闭环系统数据报表组态……………………………12

5流量前馈/反馈闭环系统调试及结果分析……………………………125.1系统调试及结果分析……………………………………………12

5.2结果分析与总结…………………………………………………13

结束语…………………………………………………………………14

附录：

带功能注释的源程序………………………………………………15

1引言

设计S7-300PLC流量前馈/反馈闭环过程控制系统,实现S7-300作为主站控制器，主从站通过PROFIBUS-DP实现通讯连接，实现主-从站的数接收与发送。

主程序OB1功能：

系统启动、停止和复位：

定时中断子程序OB35，每100ms进入中断程序一次，通过功能块FC105，FC106处理模拟量数字量间转换，采用FB41作为PID模块。

设计一个手动输出量LMN的控制器，控制电动执行器阀门开度为70%，提供流量2前馈信号。

反馈控制器设计：

反馈控制器为流量内给定量700升，整定PID参数、量程上/下限、过程量采集、控制量输出等功能。

死区设定为5%。

采用FC105块实现实时读取模拟量SM331模块的流量反馈量，并进行流量物理量刻度转换，送入PID木块FB41的过程量输入端

通过循环中断，定时用FB41的PID算法功能块，实时计算控制量LMN输出

采用FC106块把PID模块输出的控制量转换为标准的数字量，送入模拟量输出模块SM332，作为电动机执行器输入信号，来控制阀门开度

数据块DB定义参数，并作为背景数据存储

系统有总启动、停止按钮操作功能

同时，系统要求无超调量，稳态误差3%，加前馈扰动能克服

采用WICC上位监控软件，设计出流量前馈/反馈的上位机监控系统，包括建立通信、数据变量组态、工艺图形组态、数据组态与显示、趋势组态与显示、报表组态与显示等功能。

2系统总体方案设计

2.1硬件系统组成

该系统由计算机、S7-300PLC控制器、电动执行器，流量监测器组成。

计算机在系统中作为上位监控，PLC为控制层，发送控制命令，电动执行器为被控对象。

如图2.1。

图2.1硬件系统结构图

2.2硬件系统电气接线图设计

系统连接全部采用寄存器方式，按下开始按钮，启动控制，输入PID参数及给定量，电动执行器自动调整阀门开度，自动PID调节，输入手动给定量后，系统自动调整，按下停止后，系统停止运行。

。

实现了流量前馈/反馈闭环过程控制。

电气接线图如图2.2。

图2.2电气接线图

3、流量前馈/反馈闭环过程控制系统设计

3.1流量前馈/反馈闭环过程控制原理论述

前馈/反馈控制油前馈干扰通道和反馈干扰通道组成，前馈控制位开环，按照干扰大小开控制的，反馈控制为闭环，按照误差大小来控制的，前馈干扰可以加在反馈控制器的给定端，也可以加在反馈控制器的输出端，本系统前馈扰动量为流量2，反馈控制量为管路1流量1,PLC控制器或上位机给定流量，流量变送器实时检测管路1流量信号，并反馈到PLC控制器的模拟输入模块，与流量给定SP进行比较，根据偏差按PID控制算法计算实时控制量，通过模拟量输出模块输出控制信号，来控制调节阀的开度，从而实现调节管路1的流量1,。

流量2干扰加在PLC控制器的输出端，需要一个PLC比较控制器，来实现流量的前馈/反馈控制系统。

图3.1控制原理图

3.2PLC硬件组态论述

PLC硬件组态分为两部分：

1主站S7-300的硬件组态，如图3.2；

图3.2主站硬件组态

3.3控制程序流程图及其论述

1、启动系统，开始后进入系统，按下运行后，输入PID参数，输入手动给定量，系统自动运行PID计算，自动调节

2、信号量程范围：

1.电动执行器供电电源：

220VADC②输入信号：

4~20Ma③阀门开度：

0~100%

2.流量变送器供电电源：

24VDC②输入反馈信号4~20mADC③流量：

0~2500升

3.S7-300PLC控制器模拟输入4~20mADC②模拟输出信号：

4~20mADC

③ＰＬＣ数字量信号：

0~２７６４８　　④ＰＬＣ控制量LMN：

0~100%

图3.3控制程序流程图

3.4程序功能实现

流量前馈/反馈闭环过程控制系统，可以通过读取变量表VAT与数据块DB的数据和写数据到变量表与共享数据块的方法来调试系统，这种方法可以较好地掌握系统的当前运行状态，可以更好地进行控制调节。

变量表中有流量的给定值、实时反馈量、PID参数等，这些数据一一对应共享数据块的数据，另外还有两控制器的手动或自动控制状态值与系统运行状态值，这些参数由M寄存器的值反应出来。

系统变量表图如图3.4.1所示。

图3.4.1定义变量

背景数据块1中有主流量的给定值、实时反馈量与PID参数等，另外还有PID控制器的手动或自动控制状态值与控制量输出参数等系统。

如图3.4.2。

图3.4.2背景数据块1

背景数据块2中手动量的给定值、没有PID参数控制。

如图3.4.3所示。

图3.4.3系统背景数据块2

4流量前馈/反馈闭环过程控制系统上位监控系统设计

4.1建立通讯

PC与S7-300PLC是通过MPI（MultiPointInterface）通讯方式进行数据传输的。

上位机装载了MPI通讯卡——CP5611，如图4.1。

图4.1建立通讯

4.2数据词典论述

在上位系统建立好通讯连接后，要在“变量管理”中建立好自己的数据词典。

流量前馈/反馈闭环过程控制系统建立的变量类型有32位浮点型和二进制类型两种。

其中创建的32位浮点型变量，设置地址属性为DB型，使它和300PLC中的共享DB数据块建立连接关系，并设置好变量的工程上下限为0—2500，建立的变量有主副流量的给定量、反馈量、控制量输出和PID参数等。

二进制类型变量分别设置地址属性为位内存和输出型，位内存型变量为按钮开关，包括启动和停止按钮，输出型变量为指示灯，包括电源、运行状态指示灯等。

系统数据词典如图4.2所示。

图4.2数据词典

4.3工艺图形组态以及运行论述

4.3.1组态运行论述：

创建流量前馈/反馈闭环过程控制系统的运行画面的工艺图形组态，首先要在图形编辑器中右键新建画面，给画面命名为“运行画面”。

插入静态文本框，起画面标题名为“基于S7—300PLC的流量前馈/反馈闭环过程控制系统”。

接着在旁边的工具栏中加入需要的元素组态，有按钮、指示灯、数据等。

插入动态文本框，创建显示的数据，包括主副流量的给定、实时反馈、控制量输出、比值系数和PID参数等。

创建的按钮有启动、停止、历史趋势、实时趋势、数据报表和返回主画面按钮。

启动、停止按钮连接300PLC中的I变量，控制系统启停。

在历史趋势、实时趋势和数据报表按钮中建立“鼠标连接”到历史趋势画面，可以切换到历史趋势画面、实时趋势画面和数据报表画面。

在返回主画面按钮中建立“鼠标连接”到主画面，可以切换到主画面。

最后用工具库中的各图形组态在画面中央绘制一个双闭环流量比值闭环控制系统的工艺图形组态。

系统运行画面工艺图形组态图如图4.3.1所示。

图4.3.1开始画面

点击“进入”按钮，显示图4.3.2所示的画面；

图4.3.2工艺画面

点击“启动”即可进入工作状态；输入PID参数，手动给定值

4.4历史趋势组态及运行论述

首先定义归档变量，选择归档，右键选择归档向导，编写归档名称，连接添加需要的相应变量，保存后创建，就完成了归档变量的创建，当中包括主副流量的给定量和实时反馈量。

创建“历史趋势”画面，写好画面名称后，在画面中插入历史趋势曲线图，双击设置历史趋势画面的数据源类型为归档变量。

最后创建一个返回按钮，连接到系统运行画面。

运行画面，显示出系统处于稳态的各变量的历史趋势曲线图。

系统历史趋势组态图如图4.4所示。

图4.4历史趋势曲线

4.5流量前馈/反馈闭环过程控制系统实时趋势组态

创建“实时趋势”画面，写好画面名称后，在画面中插入实时趋势曲线图，双击设置实时趋势画面，将数据源类型改为在线变量。

运行画面，显示出系统处于稳态的各变量的实时趋势曲线图。

系统实时趋势组态图:

如图4.5所示。

图4.5实时趋势

4.6流量前馈/反馈闭环过程控制系统数据报表组态

创建“数据报表”画面，写好画面名称后，在画面控件栏中插入数据报表，双击设置数据报表参数，将数据源类型改为归档变量，其中主要包括主副流量的给定量和实时反馈量。

最后创建一个返回按钮，连接到系统运行画面。

运行画面，显示出系统处于稳态的各变量的实时趋势曲线图。

可看到系统主流量的给定量为700，实时反馈量在700左右上下波动，稳态误差为3%左右，系统几乎没有超调量，在2%以内。

可知该流量前馈/反馈闭环过程控制系统的稳态与动态特性较好。

系统数据报表组态图如图4.6所示。

图4.6数据报表

5系统调试及结果分析

5.1系统调试过程及结果：

该系统是流量前馈/反馈闭环过程控制系统，流量为主要控制对象，前馈控制为扰动对象，流量的控制输出量作为给定量，因此它直接传递给PLC，一阶控制系统。

所以在现场调试中只要设置好量的控制参数，按合适的比例系数设置PID参数就行了。

流量前馈/反馈闭环过程控制系统很快达到稳态。

系统的流量给定值为700ml，稳态误差控制在3%左右，没有大的振荡，得出系统的稳态特性为很稳定。

5.2结果分析与总结：

问题：

1、编好的程序后，检查通电加给定量，但执行器不运行。

2、PID参数设定后没有效果没有很大改变。

解决：

1、对于问题1我们经过多次的检查程序无误后，排除程序问题后，发现是在设定变量表的时候，为把给定量设置成浮点型，导致执行器无法识别我们所给定的数据。

2、对于问题2，经过询问老师，以及查阅资料后，调整了PID的设定方法，总结了一下错误的原因是PID三个参数差距过于大，导致

系统早已经开始振荡。

经过调整后，大幅改善。

结束语

两个星期的课程设计结束了，通过了学习以及设计调试过程，我学会了通过S7—300的流量前馈/反馈闭环过程控制的设计，实现了以下技术功能。

（1）采用现场总线MPI（CP5611）通讯技术，实现了PC机与300PLC的通信。

（2）采用S7—300PLC编程，实现了对流量前馈/反馈闭环过程控制功能，

并可以通过变量VAT表和数据DB块实时发送系统流量控制命令和接收系统的流量的各实时变量参数的双向通信功能。

（3）采用WINCC设计系统的上位监控界面，实现了现场在监控界面上实时调节流量的PID控制参数和读取反馈回来的流量的控制输出量。

通过流量前馈/反馈闭环过程控制的设计，我对闭环过程控制与方法有了进一步地了解。

在实验过程中经过多次调试，熟悉了PID参数的调节方法。

同时学会了使用WINCC软件来设计上位监控系统，与300PLC通信，实时监控系统各变量或参数的状态与数值。

并对一个完整的过程控制系统的设计流程有了较为理性的认识。

同时，还要感谢我的指导老师，以及同组的伙伴孙竞远，在配合之下能够顺利的完成课程设计，并增进了团队感情。

这次课程设计结束后。

我要总结这次的经验教训，为以后跟好的学习工作做准备。

附录：

带功能注释的源程序