S7300 PLC中锅炉流量温度毕业论文.docx

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）学院：电子及电气工程学院专业：自动化学生：指导老师：完成日期2019年0月南阳理工学院本科毕业设计（论文）S7-300P1.C中锅炉流量-温度前馈反馈限制设计DesignofFeedforwardandFeedbackforBoilerWaterFlow-TemperatureControllingBasedonS7_300P1.C学院：电子及电气工程学院专业:自动化学生姓名:学号：1指导教师:评阅教师:完成日期:南阳理工学院NanyangInstituteofTechnologyS7-300P1.C中锅炉流量-温度前馈反馈限制设计自动化专业摘要:在夹套锅炉内胆水温度限制中，内胆水温为主限制对象，其本身具有较大的滞后，夹套冷却水是系统的主扰动量。因此点少量的流量扰动即会对内胆温度产生影响。由于流量为小惯性对象，流量扰动简洁测量而不易限制。正因为流量扰动的这个特性我们可以用前馈补偿来消退它对主控变量的影响。温度限制我们用S7-300P1.C中的FB41PID模块来限制,而前馈补偿叠加在PID运算中。再通过FB43将FB41的输出转换成时间比例脉冲从而限制加热丝，实现温度前馈反馈限制。1引言12任务分析及限制方案的选择21.1 前馈限制系统21.2 前馈反馈限制系统41.3 锅炉流量-水温前馈反馈限制系统分析及限制方案选择.43限制算法的实现基础和S7-300P1.C系统说明及组态53 .1P1.C介绍54 .2S7-300P1.C说明63.2.1S7-300P1.C基本介绍63.2.2S7-300模块说明63.2.3S7-300组织块说明73.2.4S7-300功能块说明83.2.5S7-300系统存储区分类103.2.6I/O模块的地址安排113.2.7STEP7简介123. 2.8力控组态软件简介124锅炉流量-水温前馈反馈限制系统的实现133.1 温度、流量模拟量信号采集133.2 S7-300P1.C程序的实现134.2 .1S7-300P1.C主程序的实现134.3 .2PID限制程序调试及监控164. 2.3前馈限制程序调试及监控18结束语18参考文献19附录20致谢错误!未定义书签.1引言在过程限制中温度限制应用相当广泛。往往在限制中还存在着多种扰动，例如流量、液位等。温度限制作为过程限制中的一个很重要的方而，由于其特别性始终以来都是一个限制难点。温度限制具有很大的滞后性，在限制中难以得到志向的效果。再加上各种扰动，温度限制已经不能光靠简洁的PID限制达到目标。在这种状况下我们往往就须要借助别的限制方式。前馈限制做为一种特别的限制规律就是在这种状况卜发展起来的。前馈限制是在扰动影响到被控对象之前就将其通过补偿消退掉。因此在这次设计中我们用前馈限制方式来克服流量的扰动使得温度限制精度更加精确。前馈限制限制算法我们往往用P1.C来实现。但是单纯的前馈往往不能很好的补偿干扰，主要是单纯前馈不存在被控变量的反馈，即对于补偿的效果没有检验的手段。反馈限制是依据被控量及给定值的偏差工作的,最终达到消退或减小偏差的目的，对各种扰动均有校正作用。但存在时滞问题，即从发觉偏差到实行更正措施之间有时间延迟现象，在进行更正的时候，实际状况可能已经有了很大的改变，而且往往是损失己经造成了。为了使限制系统能达到限制要求,在该系统中可综合反馈限制和前馈限制两者的优点，将两者结合起来运用，构成前馈反馈限制系统。将反馈限制不易克服的主要F扰进行前馈限制，这样，既发挥了前馈校正刚好的特点，又保持了反馈限制能克服多种干扰并对被控变量始终给及检验的优点。P1.C是一种特地为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采纳可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、依次运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，限制各种类型的机械或生产过程。本次设计综合和运用计算机、P1.C、温度传感器、流量传感器等对工业对象的夹套锅炉、管道进行限制，运用计算机编程、P1.C编程、限制算法设计、过程限制、工业现场总线技术、电气线路设计等学问和技术实现前馈反馈限制。首先由变频器、泵、压力传感器组成恒压供水系统，再由两个调整阀限制两个支路分别给锅炉的夹套和内胆供水，由P1.C、加热丝、温度传感器组成锅炉内胆水温反馈加热系统，流量传感器、P1.C、加热丝组成前馈补偿系统，从而组成前馈反馈限制系统。2任务分析及限制方案的选择2.1 前馈限制系统我们把依据干扰量的改变来补偿其对被控变量的影响，从而达到被控量完全不受干扰影响的限制方式称为前馈限制，简称FFC(FeedForwardControl)o很明显，这种限制是一种开环限制。其系统框图如图1所示。图1前馈限制系统框图系统传递函数如公式(】)例=GpD(三)+Glf(三)Gpc(三)F(三)(1)GPd(三)、GPC(三)分别为对象干扰通道及限制通道的传递函数。系统对干扰F实现完全补偿的条件是：当F(三)0,而仇三0由上两式可求得前馈限制器的传递函数为公式(2)(2)由上式可以看出前馈限制器的限制规律为对象的卜扰通道及限制通道的特性比，式,中的负号表示限制作用及干扰作用的方向相反。单纯的前馈限制系统依据对干扰补偿的特点，可分为动态前馈限制及静态前馈限制。（1）动态前馈限制当前馈限制作用力求在任何时刻均实现对干扰的补偿，通过合适的前馈限制规律的选择，使得干扰经过前馈限制器至被控量这一通道的动态特性及对象干扰通道的动态特性完全样，并使它们的符号相反，便可达到限制作用完全补偿干扰对被控变量的影响。此时前馈限制器的Gr（三）=-Gh（三）/GK（三）.（2）静态前馈限制在有些实际生产过程中，并没有动态前馈限制那样高的补偿要求,而只须要在稳定工况下实现对干扰量的补偿。此时，前馈限制器的输出量及输入两呈肯定比例关系，而刚好间因子t无关，前馈限制就成为静态前馈限制。则此时的Gff为一静态系数K,.以卜.列出前馈限制及反馈限制的一些不同：（1）前馈限制克服干扰比反馈限制刚好。前馈限制时依据干扰作用的大小进行限制的，如限制作用恰到好处，一般比反馈限制要刚好。（2）前馈限制属于“开环”限制系统。前馈限制系统是一个开环限制系统，这一点从某种意义上来说是前馈的不足之处。反馈限制由于是闭环系统，限制结果能够通过反馈获得检验，而前馈限制的效果并不通过反馈加以检验，因此前馈限制对被控对象的特性驾驭必需比反馈限制清晰，才能得到一个较合适的前馈限制作用。（3）前馈限制运用的是对象特性而定的“专用”限制踹。一般的反馈限制系统均采纳通用类型的PlD限制器，而前馈限制器是专用的限制器，对于不同的对象特性，前馈限制器的形式将是不同的。（4） 一种前馈限制作用只能克服一种干扰。由于前馈限制作用是按干扰进行工作的，而且整个系统是开环的,因此依据一种干扰设置的前馈限制只能克服这一干扰，而对于其他干扰，由于这个前馈限制器无法感受到，也就无能为力了。而反馈限制只能用一个限制回路就可克服多个干扰，所以说这一点也是前馈限制系统的i个弱点。2.2前馈反馈限制系统单纯的前馈往往不能很好的补偿干扰，存在着不少局限性，主要是单纯前馈不存在被控变量的反馈，即对于补偿的效果没有检验的手段。这样在前馈作用的限制结果并没有最终消退被控变量偏差时，系统无法得到这一信息而做进一步的校正。其次，由于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿他们对被控变量的影响，势必要设计多个前馈通道，这就增加了投资费用和维护工作量。因此，一个固定的前馈模型难以获得良好的限制品质。为了解决这局限性，使得我们的限制系统能达到限制要求，可以将前馈及反馈结合起来运用，构成所谓前馈反馈限制系统。在该系统中可综合两者的优点，将反馈限制不易克服的主要干扰进行反馈限制，这样，既发挥了前馈校正刚好的特点,又保持了反馈限制能克服多种干扰并对被控变量始终给及检验的优点，因而这种限制方式是过程限制中较有发展前途的限制方式。综上所述，前馈反馈限制系统的优点在于：（1）由于增加了反馈限制回路，大大简化了原有前馈限制系统。只需对主要的干扰进行前馈补偿，其他干扰可由反馈限制予以校正。（2）反馈回路的存在，降低了前馈限制模型的精度要求，为工程上实现比较简洁的通用型模型创建了条件。（3）负荷或工况改变时，模型特性也要改变，可由反馈限制加以补偿，因此具有肯定的自适应实力。2. 3锅炉流量-水温前馈反馈限制系统分析及限制方案选择本次设计针对的是锅炉内胆水温的限制。在设计中我们须要在内胆内注满水，水的温度做为我们的限制对象。锅炉外胆的循环水做为冷却水，并且使冷却水流量做为一个主要扰动信号，用前馈限制器来补偿流量扰动对对象的影响。在以往的试验中我们发觉温度对象的限制滞后比较大。并且由于试验条件有限外胆冷却水也不能保证温度恒定不变，所以我们在设计系统时也可以使内胆水流淌保持个动态平衡。这样使得对象的热惯性减小并使限制的滞后更小。很明显，在这个系统中外胆流量的改变将做为系统的主要扰动。我们默认为它是可测而不行控的，因此为了在流量扰动影响到内胆温度之前就将其消退就可以实行前馈补偿。而整个温度限制我们干脆可以做成一个温度单回路系统。前馈一反馈限制环节可由电磁流量传感器、计算机、接触器、加热器、组成前馈补偿系统，计算机、接触器、加热器、温度传感器组成反馈加热系统，即主要由计算机、接触器、加热器、电磁流量传感器、温度传感器组成前馈反馈限制系统。图2为前馈反馈限制系统方框图。图2前馈反馈限制框图其中前馈补偿和PID限制都由S7-300P1.C编程实现。由于对系统限制补偿要求不高，同时温度对象的传递函数难以求得，所以在实现前馈补偿时我们用的是静态前馈补偿。3限制算法的实现基础和S7-300P1.C系统说明及组态3. 1P1.C介绍P1.C即可编程限制器，英文全称是ProgrammablelogicControllero是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采纳类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,依次限制，定时，计数及算术操作等面对用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出限制各种类型的机械或生产过程.P1.C是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言。模块式P1.C由：CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块、编程设备等几个部分组成。3.2S7-300P1.C说明3.2.1 S7-300P1.C基本介绍本次设计我们用的是德国西门子公司的S7-300P1.C。西门子的P1.C以极高的性能价格比，在国际、国内市场占有很大的份额，在我国的各行各业得到了广泛的应用。S7-300/400属于模块式P1.C,主要由机架、CPU模块、信号模块(SM),功能模块(FM)、接口模块(IM),通信处理器(CP)、电源模块(PS)和编程设备组成。3.2.2 S7-300模块说明本次设计主要是涉及到温度、流量等模拟信号的采集，因此主要用到的是西门子的SM331和SM332模块。西门子的SM331和SM332模块有许多的型号，在选择时要考虑到须要用到的模拟量通道的数量，模拟量采集须要的精度等系列因素。但是因为本次设计所用到的设备是往年已经打算好的所以这些我们不须要考虑。这次设计用到的SM331模块订货号为：6ES733l-7RD0（三）AB0.这个模块有4路模拟量输入通道。可以接收0v20111A和420mA的电流信号，精度为15位。