基于S7-300的工業鍋爐PID控制

趙桂清

（聊城大學 東昌學院，聊城 252000）

基于S7-300的工業鍋爐PID控制

趙桂清

（聊城大學 東昌學院，聊城 252000）

0 引言

鍋爐能夠提供熱源，還可以作為動力源，為達到要求并保證鍋爐本體的安全、經濟的運行，鍋爐的控制系統就應具備很好的自動檢測功能、程序控制功能、保護功能等。考慮鍋爐工作系統是個復雜的生產系統，擾動源又比較多，為了保證供給外界達標的蒸汽并滿足負荷的運轉，對其工作過程中主要工藝參數必須實行嚴格的控制，在此論述基于S7-300的PID控制模塊調節設計。

1 SIMATIC S7-300簡介

在各種應用場合上，SIMATIC S7-300通用型可編程控制器均能適合自動化工程，它是一種中小型模塊化的PLC控制系統。CPU可以多種性能遞增，并且有豐富的帶有許多方便用戶功能的加擴展模塊，用戶就很容易的可以根據實際應用需要選擇合適的功能模塊。如果當前的任務規模需擴大并且變得更加復雜時，可以隨時調用附加模塊對PLC進行需求擴展。在我國，S7-300已經成為各種控制任務方便又經濟的解決方案，這是因為其具有模塊化、無排風扇結構、易于實現分布、易于用戶掌握等優點，能很好的滿足從小規模到中等規模的不同層次的控制需求[2]。

2 STEP7簡介

西門子系列PLC的CPU中運行有兩個程序，一個操作系統程序另一個是用戶程序。期中的用戶程序是由用戶在STEP7中生成的，然后將其下載到CPU[1]。Step 7是用于SIMATIC可編程邏輯控制器組態和編程的標準軟件包。通過Step7，用戶能夠進行系統配置和程序的編制與調試，也可以進行在線診斷PLC的硬件配置狀態，還可以控制PLC的通道狀態和PLC的運行狀態等。

其（Step7）用戶程序允許線性化編程、結構化編程和模塊化編程。此處的線性化編程是指整個可調用程序均都寫在OB1模塊中，這種方法僅在編寫簡單的程序并且只在需要較少存儲區域時才可以使用。目前普遍應用的結構化編程是將復雜的自動化任務分解成可以反映過程的工藝、功能或能夠反復使用的小任務.并且將對應的程序分別編在不同的程序模塊(OB，FC或FB中)[2]中。

根據上述分析及實際編程需要本文采用的是結構化編程模式，能夠實現對單一程序部分進行標準化，簡化程序組織，使程序修改變得更加容易，這樣，對于大規模的程序更容易被理解。在該編程模式中所使用的各程序塊的功能敘述為：

OBl：主循環程序，主要用來調用每個子程序，每個子程序中的報警操作同時也放在這里。

FC9：主要用來控制整個鍋爐在工作過程中的連鎖動作，其中的FC5功能塊進行的星-三角啟動的操作也放在該程序中調用。

FC2：用于對各模擬信號的轉換、修正和比較，各控制量相應的上、下限標志也在該程序中設置。

FC8：實現對蒸汽流量的計算，其執行過程中在對于飽和蒸汽的密度計算時調用FC7。

FC4：用于調節水位、轉速等，其中需要調用子程序FC3用于模擬量限幅。

FB41(CONT_C)：做為PID控制功能塊。

FB43(PULSEGEN)：做為脈沖輸出功能塊。

FB50(TUN_EC)：做為PID參數在線整定功能塊和FC1(LP_SCHED)的回路調度功能[3]。

在整個程序設計中，對水位、轉速等進行調節時，為FB41分別分配了DBl-DB5和DBl4共六個背景數據塊，同時,也為FB43分別分配了DB6和DBl5共兩個背景數據塊，同樣的為FB50也分配了DB50一個背景數據塊。其中在背景數據塊DB7、DB8、DB9中，分別存放著蒸汽流量計的壓力與密度對照表，對于其它的一些參數也都一一存放在不同的數據塊中。

比如，學完比例的知識后，教師為學生留下課后作業，將學校的平面示意圖畫出來。為了將這個作業完成，不僅要使用到比例的知識，還要學生自己測量學校各個部位的長寬，在圖紙上清晰地標注出各部位的位置。這種課后作業緊密聯系學生生活實際，囊括課堂所學的數學知識，還富有趣味性，激發出學生學習數學思想的積極性。待學生將學校平面圖畫出來后，教師可以讓學生通過課余時間制作沙盤，再次將平面圖立體展示出來，學生可以經歷思維過渡流程，讓學生接觸到數學的本質，實現學生全方位發展的目的。

圖1 FB41(CONT_C)控制框圖

3 PID控制模塊設計

在STEP7的標準程序庫中提供了PID控制功能塊。以誤差e和誤差變化量ec作為控制器的輸入變量，以滿足不同e和ec對控制器參數的不同要求而產生的。在鍋爐汽包水位控制系統中，輸入變量選擇為汽包水位的偏差值和偏差值的變化量ec，輸出變量選擇為PID參數的校正值 ，即Δkp，Δki和Δkdd。

利用STEP7進行項目的組態與編程，通過采用語句表編程方式編程實現PID控制算法。采集誤差信號和誤差變化量信號，將其轉化到語言變量的區域，采用離線計算的方式將算法規則制成數據查詢表，通過在線的方式查詢控制量輸出，將校正的PID參數值與基準值相加，獲得瞬時的PID參數值，最后進行相應的PID控制運算，運算所得控制量輸入到控制對象執行器。在PLC中，使用FB功能塊和DB數據塊來實現PID控制算法。只要在程序中調用PID功能塊，它相當于程序中的一個子程序。PID功能塊使用的一些數據和參數，可以在它的背景數據塊中進行設置或修改，只要對PID功能塊正確組態，就可完成一個回路的PID控制。在單閉環PID控制的基礎上，可以組合實現串級控制和前饋控制等復雜回路控制算法。

在Step7中集成了PID調節功能塊FB41、FB42和脈沖轉換功能塊FB43。FB41稱為連續控制的PID，用于控制連續變化的模擬量，與FB42的差別在于后者是離散型的，同時還提供了功能塊FB50（連續量）和FB51（開關量）以及調度功能塊FCl，主要是用于這些PID功能塊參數的在線整定，這樣也方便用戶調用其調節功能。接下來，在這里將對程序中所要用到的功能模塊作簡單介紹。

3.1 FB41(CONT_C)

FB41(CONT_C)在S7 PLC中用于控制連續輸入和輸出變量的工藝參數，參數在分配期間，用戶可以對PID控制器的子功能進行激活或者取消激活，以使控制器適合實際的工藝過程[4]。可以將控制器用作PID固定設定值控制器，或者在多回路中作級聯、混合或比率控制器。控制器的基本功能居于采樣PID控制算法，采樣控制器帶有一個模擬信號；如果需要的還可以擴展控制器的功能，增加一個脈沖生成器環節，以產生脈寬調制的輸出信號，用于帶有比例執行器的兩步或三步控制器。其控制框圖如圖1所示。

框圖中的SP、PV是指經過線性處理后的設定值與過程值，在“誤差信號處理”中經由控制死區來限定，交給“PID算法”來處理，其過程的輸出值經過和限幅和再次線性處理，以模擬量模板認可的字形式 (LMN_PER)或者實數的形式 (LMN)輸出。當然在處理過程中，也可以選擇手動模式，把設定的手動值作為控制器的輸出。

利用FB41實現串級PID控制的部分程序如圖2所示。

3.2 FB43 (PULSEGEN)

使用連續控制器FB41(CONT_C)與脈沖發生器FB43 (PULSEGEN)，可以實現一個固定設定值控制器，以產生開關量輸出，用于比例執行器，圖3說明了控制回路的基本信號順序。連續PID控制器CONT_C產生調節值LMN，它被脈沖發生器PULSEGEN轉換成脈沖-中斷信號QPOS_P或QNEG_P。在Step 7中的具體操作如圖4所示。

圖2 FB41實現PID控制的STL程序

圖3 基本信號控制回路圖

圖4 FB41與FB43的編程應用

3.3 FC1 (LP_SCHED)

在調用多個PID功能塊時FC1( LP_SCHED)顯得尤其重要，在彌補PLC中斷數量的不足時，它能有效地安排各PID功能模塊的取樣時間。如圖5的PID功能模塊通過LP_SCHED的調用過程。

3.4 FB50(TUN_EC)

FB50(TUN_EC)功能塊是西門子公司提供的，是能夠在線調節PID功能塊參數的功能模塊，它主要應用在對流量、液位、溫度等的控制系統中，此功能塊具有以下功能：

1）手動模式功能：能強制把PID控制器設為手動模式，并且將相關的手動參數傳遞給此功能塊。

2）預設輸出值功能：在對前期參數優化的基礎上，可以實現手動模式向自動模式穩定且快速的切換。

3）優化控制器功能：其具有對參數的初始識別、反向調節尋優、在線優化等功能。

4）跟隨設定點優化功能：包括控制器的結構分割、控制器的結構變更以及設定誤差的控制區。如果設定點變化時，則通過這些參數的設置會使控制器的響應加速。

圖5 PID功能塊通過LP_SHED的調用過程

5）恢復和保存控制器的優化參數：當對FB41 (CONT_C) 進行優化的時候，控制器的結構分割功能是不可以用的，只有在使用西門子的標準PID控制以及PID的控制模板時該項功能才可以使用。但是是能夠使用控制器的結構變更功能的，也就是說在參數調節的開始階段就進行增加比例值、取消積分功能的具體操作。若是接近了設定點，將會自動恢復到正常的PID控制結構上來。

當使用FB50 (TUN_EC)優化P功能塊的時候，將會有初始識別的一個操作過程。其執行過程就像控制器結構變更功能開始的階段一樣，總共經過四個操作階段，而獲得控制對象的信息并且優化控制器的相關連的參數。在此基礎上FB50(TUN_EC)就可以實現對PID功能塊進行在線優化的功能。在參數優化過程中，部分進程信息由FB50 (TUN_EC) 提供，其中包括是否檢測到優化曲線的拐點，根據這些信息用戶可以采取相應的措施，確保控制器始終以正確的參數進行系統控制。

至此有關STEP7標準程序中提供的PID控制模塊的調用設計完畢。程序監控會在下一階段繼續論述。

4 結束語

本文對S7-300作了簡單介紹，而后重點介紹了STEP7軟件包，采用了STEP7允許的結構化編程方式，使檢測、調試與修改變得容易；同時充分利用了Step 7的多個功能塊，重點PID功能塊、PID參數在線整定功能塊、PID回路調度功能塊等，對鍋爐的主要控制過程進行了設計，這樣就節約了硬件PID模塊的費用，而且對輸入、輸出信號增加了預處理與判斷。

[1]陸秀銀.基于S7-300的多電機神經網絡控制系統的研究[D].江蘇大學,2006,12.

[2]鄭鳳翼,張繼研.圖解S7-300/400系列PLC入門[M].北京:電子工業出版社 2009:257-260.

[3]高溥,孟建軍.電器控制基礎與可編程控制器應用教程[M].西安:西安電子科技大學出版社,2007:247-248.

[4]黃鴻年.PLC在鍋爐控制系統中的穩定性分析[J].民營科技,2009,4:21-22.

[5]莊濤.工業蒸汽鍋爐的自動化控制研究與實現[D].山東濟南:山東大學,2008.

Pid control for industrial boilers based on S7-300

ZHAO Gui-qing

介紹S7-300，后重點介紹STEP7軟件包，采用STEP7允許的結構化編程方式，使檢測、調試與修改變得容易。充分利用Step 7的多個功能塊，重點PID功能塊、PID參數在線整定功能塊、PID回路調度功能塊等，對鍋爐控制過程進行設計，事實證明節約了硬件PID模塊的費用。

STEP7；結構化編程；功能塊；PID功能塊

趙桂清（1977 -），女，山東聊城人，講師，碩士，主要從事計算機控制與仿真研究工作。

TP272

A

1009-0134(2011)5(上)-0024-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).09

2011-01-01