【正文】 6ES7 3317KF020AB0，是具有 8 個模擬量輸入通道， 12 位 A/D 轉換精度 。其過程如圖 1 所示，控制系統(tǒng)回路的反饋通道中使用 J 型熱電偶檢測現(xiàn)場電加熱鍋爐水溫得到電壓 020mV 信號，送入 AI818 智能儀表，然后變送 420mA 標準直流電流信號 ， SM331 模擬量輸入通道檢測變送的標準直流電流 信號，經(jīng) A/D 轉換成對應的數(shù)字量（ 027648）送入 S7300 CPU參與 FB41“CONT_C”連續(xù)控制器 進行 PID 運算 ，輸出 的浮點數(shù)據(jù)，送入FB43“PULSEGEN”脈沖發(fā)生器進行單極性二級控制，得到脈沖信號來控制繼電器的通斷，實現(xiàn)對電加熱鍋爐的水溫的控制 。其中回路電流 I 的計算公式為 φUPI cos? (1) 額定電壓 輸入電流 功率損失 工作存儲器 裝載存儲器 緩沖 帶電池 DC24V 1000ma 8W 24KB 40KB(集成 ) 存在 是 基于語句表編程的溫度控制程序設計 4 式 1中， I為負載電流 (A)， P為功率 (W)， U為相電壓 (V）， cosφ為功率因數(shù)。 T I1 0 1T c1 0 1上 位 機組 態(tài) 軟 件A I M : S M 3 3 1A I 8 * 1 2 b i tT E R W : N O1 41 5D O M : S M 3 2 21 6 * D C 2 4 / 0 . 5 AT E R W : N O21M P I+2 4 V+繼 電 器A 1A 2L 1T 1L 2T 2 加 熱 絲接 觸 器78T I T1 0 1T E1 0 1A I 8 1 8 智 能 儀 表J 型 熱 電 阻C P U 現(xiàn) 場 控 制 站操 作 臺9 1 023藍紅871 0 5 A C 2 2 0 V1 0 61 0 5 A C 2 2 0 V1 0 6 圖 2 鍋爐水溫控制 系統(tǒng)的制回路接線圖 3 軟件設計和組態(tài) SIMATIC STEP 7 習慣上將 STEP 7 稱為編程軟件，西門子稱之為標準工具。 STEP 7 對于整個控制系統(tǒng)（包括 PLC、遠程 I/O、HMI、驅動裝置和通信網(wǎng)絡等）進行組態(tài)、編程和監(jiān)控。 基于語句表編程的溫度控制程序設計 5 圖 3 PLC 硬件組態(tài)畫面 SIMATIC WinCC 在設計思想上， SIMATIC WinCC 秉承西門子公司博大精深的企業(yè)文化理念，性能最全面、技術最先進、系統(tǒng)最開放的 HMI/SCADA 軟件是 WinCC 開發(fā)者的追求。通過 OPC 的方式， WinCC 還可以與更多的第三方控制器進行通訊 [5]。 WinCC 使用變量管理器來組態(tài)變量。 WinCC 與自動化控制系統(tǒng)間的通訊依靠通訊驅動程序來實現(xiàn)。 圖 4 變量管理器建立的變量組圖 變量記錄也稱為變量歸檔或者過程值歸檔，主要是用于獲取，處理和記錄工業(yè)設備的過程數(shù)據(jù)。組態(tài)的過程值歸檔如圖 5 所示。圖形編輯器是用于創(chuàng)建過程畫面并使其動態(tài)的編輯器，圖 6 為 WinCC 組態(tài)的過程畫面，包括趨勢畫面、過程值歸檔、I/O 域和控制按鈕的組態(tài)。等號右邊的 3 項分別是比例、積分、微分部分。需要較好的動基于語句表編程的溫度控制程序設計 7 態(tài)品質和較高的穩(wěn)態(tài)精度時，可以選用 PI 控制方式；若控制對象的慣性滯后較大時，應選擇 PID 控制方式 [7]。式子 (4)中的積分對應與圖 7 中曲線與坐標軸包圍的面積，一般用矩形積分來近似精確積分，每塊矩形的面積為 SS )( TnjTev 。當 ST 較小時，積分的誤差不大。除了專用的閉環(huán)控制模塊， S7300/400 也可以用 PID 控制功能塊來實現(xiàn) PID 控制。可以用其作為獨立的 PID 恒值控制器，其功能基于模擬信號采樣控制器的 PID 控制算法，若需要的話，可以用脈沖發(fā)生器進行擴展，產生脈沖寬度調制的輸出信號，來控制比例執(zhí)行機構的二級或三級控制器。 FB41“CONT_C”是采用位置式 PID 算法思想設計的控制軟件模塊。它的比例運算、積分運算（ INT）和微商運算（ DIF）是并行連接的，基于語句表編程的溫度控制程序設計 8 可以單獨激活或取消。它的積分分量可以清零、保持，這就方便實現(xiàn)抗積分飽和或積分分離。 圖 8 FB41“CONT_C”方框圖 FB43“PULSEGEN”脈沖發(fā)生器 被 控 對 象A / D 轉 換s p ( n )e v ( n )L M Nc ( t )p v ( t )p v ( n )C O N T _ CP I D 控 制 器測 量 元 件P U L S E G E NI N VQ N E G _ PQ P O S _ P執(zhí) 行 機 構 圖 9 PLC 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 FB43“PULSEGEN”脈沖發(fā)生器與 PID 調節(jié)器配合使用 (見圖 9)，用脈沖輸出來控制比例執(zhí)行機構。 PLC 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。每個周期輸出的 脈沖寬度與輸入變量 INV 成正比，PER_TM 與 FB43 的處理周期是不同的， “PER_TM”是 FB43 處理周期的若干倍 (見圖10)。 圖 10 脈寬調制波形圖 脈沖寬度調制簡稱為脈寬調制，設每個 PER_TM 周期調用 10 次 FB43，如果輸入變量為最大值的 30%，則前 3 次調用 (10 次調用的 30%)時脈沖輸出 QPOS_P 為 1 狀態(tài)。在這個例子中， “采樣比率 ”(調用 FB41 與 FB43 次 數(shù)之比 )為 1:10，因此控制值得精度為 10%，即輸入值 INV 只能映射為以 10% 為量化單位的脈沖輸出 QPOS_P 的占空比。例如調用 FB43 的次數(shù)增加為 100 次時，控制值的分辨率將達到 1%，一般分辨率不大于 5%為佳。 控溫程序的編寫 主程序 OB1 的編寫 語句表寫的控制程序中，在 OB1 編寫的程序中加入使控制系統(tǒng)既可以進行定值控溫又可以進行 溫度跟隨曲線動態(tài)產生的恒溫、升溫、恒溫的 程序控溫過程 ，同時又可以 進行定值控溫與程序控溫的自由切換，同時加入拐點控制作用的觸發(fā)條件 。 圖 11 為 溫度 時間曲線設置格式， 由圖可以看出， X 軸即時間軸，根據(jù)設定曲線的段數(shù)將 X 軸劃分為不同時間長度的時間段。這樣則 對于 AB 段 方程的求解，設定點 ),( 00 tcA 和設定點 ),( 11 tcB 的坐標便是已知的，根據(jù)方程兩點式求法， 可計算 AB 段的一線方程為 0001 01 c)t(x)t(t )c(cY AB ?????? (7) 而直線段 BC、 CD 的方程同樣方法得出。程序控溫算法流程圖如圖 12 所示。本算法同樣適用于任何其他相關控制系統(tǒng)，若如控制要求中有更多段升溫、恒溫或降溫過程，只需要在 FB1 在進行多次調用 FC1 即可。 圖 13 程序控溫功能塊 FB1 和功能 FC1 主程序 OB1的流程圖如圖 14。 對于 PID算法和 PWM算法，可以直接調用 SIEMENS STEP 7 平臺中有專用 的 PWM算法模塊 FB43“PULSEGEN”脈沖發(fā)生器 和 PID 算法模塊 FB41“CONT_C”連續(xù)控制器，但是對于 FB41“CONT_C”連續(xù)控制器來說，并加入對其 PID 控制規(guī)律的改進過程。 中 斷 結 束否執(zhí) 行 周 期 性中 斷 O B 5手 動 賦 值程 序 控 溫 賦 值減 計 數(shù) 1 0 0 次每 5 s 觸 發(fā)一 次 M 1 . 3定 值 控 溫 觸 發(fā)M 2 . 5調 用 F B 4 1調 用 F B 4 3拐 點 控 制M 1 . 3 = 1 ？M 2 . 3 = 1 ？開 始D B 1 . D B X 0. 0 = 1 ?初 始 化 F B 4 1復 位 一 次 Q 4 . 2M 1 . 5 = 1升 溫 段 積 分限 幅 及 P I D 參數(shù) 賦 值是是積 分 清 零拐 點 控 制輸 出 死 區(qū)M 2 . 4 = 1 或M 2 . 5 = 1 ？是是是否否否否復 位 Q 4 . 2復 位 L M NE R = 5 ？是否M 1 . 5 = 0M 1 . 5 = 0 且M 2 . 5 = 1 ?輸 出 上 限 圖 15 中斷服務程序流程圖 初始化程序 OB100 的編寫 OB100 稱為暖啟動，主要是來執(zhí)行初始化程序的，當系統(tǒng)上電后初始化一些參數(shù)和狀態(tài)，使系統(tǒng)達到一個想要的就緒狀態(tài)。 基于語句表編程的溫度控制程序設計 13 執(zhí) 行 初 始 化程 序 OB100對 雙 字 MD0和 MD28賦 值 0程 序 結 束復 位 復 位 圖 16 初始化程序流程圖 5 溫度對象數(shù)學模型測試和 控制規(guī)律測試 溫度對象的數(shù)學模型測試 電加熱鍋爐水溫散熱較慢，為開環(huán)非自衡環(huán)節(jié)，并且溫度對象有較大的滯后，所以把溫度對象等效為一階積分加純滯后環(huán)節(jié)，故傳遞函數(shù)為 τseT G(s)=i?s1 (8) 式 8 中STi1為一階積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)， se?? 為純滯后環(huán)節(jié)，輸入的階躍信號為 sK R(s)= (9) 故開環(huán)階躍響應為 s2 τesT KG(s)R(s)C (s)i?? (10) 拉氏反變換為時域函數(shù)為 τ)t(tTK(t) i ?? (11) 其中 τ)δ(t? 為脈沖函數(shù)，會使階躍響應延遲一段時間。 如圖 17 所示為開環(huán)控制原理圖，鍋爐內水位高度為 165mm，加熱絲功率為 ，F(xiàn)B43 “PULSEGEN”脈沖輸出模塊周期時間為 5s，把 FB41 “CONT_C” 連續(xù)控制模塊切換到手動模式，手動設定一個值送給 FB43 “PULSEGEN” 脈沖輸出模塊來控制輸出脈沖，控制加熱絲的加熱與否。 被 控 對 象給 定 值執(zhí) 行 機 構（ 繼 電 器 / 接 觸 器 ）調 節(jié) 器水 溫 圖 17 溫度開環(huán)系統(tǒng)原理圖 溫度對象在不同的溫度區(qū)間具有不同的對象特性，本實驗測試的為 28℃ 51℃ 溫度區(qū)間的溫度對象特性，如圖 18 所示是觀察加熱 10 分鐘時，繼電器同開度分別為 40%、60%、 80%、 100%的響應曲線（不含滯 后時間）。綜合四組結果得：滯后時間為 ， iT 為 ℃ 。同時 為了總結溫度對象的 PID 控制規(guī)律，分別用 P、 PI、 PD、 PID 和改進后的 PID 控制規(guī)律同時對鍋爐水溫進行升高 10℃ 的定值控溫控制和程序控溫的控制過程。 圖 19 比例作用 P 調節(jié)控制曲線圖 （ 1）定值溫控 比例作用 P=12，系統(tǒng)超調小于 ℃ ，穩(wěn)態(tài)誤差小于 ℃ ，調節(jié)時間 11min 左右。在第一溫變拐點系統(tǒng)有一小 段滯后時間，約 60s 左右，但是在系統(tǒng)慣性作用下第二溫變拐點超調似乎很小，是由于被小幅度的曲線穿越抵消了系統(tǒng)慣性所致。 PD 調節(jié)控制規(guī)律 當控制器接通 PD 作用時，由于微分作用的是阻礙被控量的變化，所以在參數(shù)整定時，加入微弱的微分作用的同時要放大比例作用 P[11]，控制結果如圖 20 所示。 基于語句表編程的溫度控制程序設計 16 圖 20 比例微分作用 PD調節(jié)控制曲線圖 （ 2）程序溫控 比例作用 P=119，微分作用 D=3，系統(tǒng)的最大穿越幅度 ℃ ，超調量小于 ℃ ，穩(wěn)態(tài)誤差小于 ℃ 。 整體調節(jié)效果好于單獨的比例作用，并且縮短了調節(jié)時間。 PI 調節(jié)控制規(guī)律 當控制器接通 PI 作用時，由于積分部分與誤差對時間的積分成正比，微弱的積分作用經(jīng)過長時間累加，積分分量會維持在較大的輸出值 ，如果調節(jié)時間足夠長的話，積分分量輸出可能會達到 100，淹沒 P 作用，所以在 PI 參數(shù)整定時，要把比例作用 P 變弱的同時加微弱的積分作用， 控制結果如圖 21 所示。由于 P 作用減小的同時，調節(jié)時間變長，最后積分作用累加輸出值較大，以致系統(tǒng)受到干擾影響較大，同一組整定的參數(shù)，上午調節(jié)效果較好，下午便不合適。系統(tǒng)的超調量小于 ℃ ，穩(wěn)態(tài)誤差小于 ℃ ，由于第一溫變點約 60s 左右的滯后時間，使系統(tǒng)產生偏差，積分作用不斷累加為較大值輸出系統(tǒng)后偏差、輸出較小，這樣加熱便產生滯后，以至于進一步產生較大偏差，積分進一步累加為較大值，使系統(tǒng)產生較大的穿越幅度。 圖 21 比例積分作用 PI調節(jié)控制曲線圖 雖然積分有消除余差的作用，但從整體的控制效果和抗干擾程度來看，曲線的