基于FB41与FB43的夹套锅炉温度控制系统设计

基于FB41与FB43的夹套锅炉温度控制系统设计殷华文田金云（南阳理工学院电子与电气工程系，河南南阳，473004）摘要：在西门子FB41与FB43软模块平台下，设计了夹套锅炉温度控制系统。系统的硬件部分进行了设计；接着对FB41与FB43模块的算法进行了介绍并详细阐述了FB41与FB43组合在一起实现控制的过程，在此基础上，对程序进行了设计；最后通过改变给定值与干扰信号对系统进行了验证;结果表明：系统的输出能快速准确地跟踪给定信号，达到了良好的控制效果。关键词：PLC;FB41;FB43;温度;算法中图分类号：TP278文献标志码：BDesignofboilertemperaturecontrolsystembasedonFB41andFB43YinHua-wen,TianJin-yun(DepartmentofElectronicsandElectricalEngineeringNanyangInstituteofTechnology,HenanNanyang,China,473004)Abstract:TemperaturecontrolsystemofboilerwasdesignedbasedonFB41andFB43module.Firstthehardwaresystemwasdesigned;ThenthealgorithmofFB41andFB43wasintroduced,andtheprocessofelaboratingtogetherwithFB41andFB43torealizecontrolwasintroduced;Finallytheprogramwasdesigned;Onthisbasis,controlsystemwastestbysetvalueanddisturbancesignal;Resultsshowthat:thesystemoutputcantrackthesetsignalfastandaccurately,andthegoodcontroleffectwasachieved.Keywords:PLC;FB41;FB43;temperature;algorithm1.引言温度是工业对象中主要的被控参数之一[1]。PLC作为主流的自动化控制设备，使得其在过程控制领域扮演着越来越重要的角色。SIEMENSS7300/400系列PLC具有完善的过程控制软硬件产品，它配套的FB41PID软件和FB43PWM软件，功能完善，控制效果好。但是算法复杂，控制参数多（分别有35和14个参数），学习和使用比较难。由于大多数用户对于FB41和FB43软件模块的算法思想理解不够深入，参数意义不明确，致使在设计过程控制系统时存在障碍。本文以模拟夹套锅炉的温度控制系统设计为例，来说明如何使用FB41+FB43模块进行温度PID调节。.2.系统组成本系统以S7-300PLC作为控制器，控制对象为自制的小型模拟不锈钢夹套锅炉，其内胆容积25L，夹套容积23L。上位机一台，通过MPI通讯与PLC相连，实现对系统的操作与监控。温度传感器采用热电阻，信号经变送仪表输出标准信号接入PLC模拟量输入模块，在经FB41与FB43对信号运算处理后输出脉冲信号控制继电器的通断，从而控制加热丝的通电占空比以此来控制锅炉温度。系统的接线图如下(带防干烧联锁)：电加热锅炉信号变送端子柜控制站1JB1234RSTN加热丝红红红蓝模块力控6.1组态软件操作台通信电缆上位监控计算机HH52P继电器CJX2-124接触器～热电阻压力变送器（0-6Kpa)防干烧联锁仪表L250mm报警联锁温度变送仪表-图1锅炉温度控制回路接线图3.控制算法(1)FB41的算法FB41“CONT_C”是采用位置式PID算法思想设计的控制软件模块[3,4]。FB41的算法设计很完善，使用起来也很灵活。它的比例运算、积分运算（INT）和微商运算（DIF）是并行连接的，可以单独激活或取消。这就允许组态成P、PI、PD和PID控制器。它的积分分量可以清零、保持，这就方便实现抗积分饱和或积分分离。微分分量可以直接输出，也可以延迟衰减输出。FB41输出的是模拟量控制信号。FB41.CYCLE参数是PID控制的采样周期，也即PID的控制周期。即每一个控制周期，PID算法采样一次过程变量当前值，和设定值比较后，进行PID运算，输出控制值给执行器，产生相应的动作，完成一次控制过程。其算式如下[2,3]。)]}()([)()({)(0TkTekTeTTjTeTTkteKktUdkjiP为了保证准确有序的控制，PID运算应放在OB35定时中断服务程序中，若放在OB1主循环中是不合适的，因为主循环的扫描周期是不固定的，一般和FB41.CYCLE设置值不一致且相差较大，放在OB1中将使CYCLE设置失去意义。(2)FB43的算法FB43“PULSEGEN”称为脉冲宽度调制器，即PWM模块[3,4]。可以将输入变量“INV”（InputValue=PID控制器的调节输出LMN）转换为一个恒定周期的脉冲串，每个周期的脉冲宽度与输入变量成正比。①FB43.PER-TM：PERIODTIME（周期时间）脉冲宽度调制的恒定周期。②FB43.CYCLE：SAMPLINGTIME（采样时间）FB43模块的采样时间，也即PWM模块的调用周期。而FB43.PER-TM周期时间是若干个FB43.CYCLE采样时间之和。③FB43模块的算法程序不公开，但我们可以推测FB43模块中定时的实现是靠对时基信号的计数实现的。当把FB43模块放在OB35定时中断服务程序中时，时基信号就是OB35的定时中断时间，也就是FB43.CYCLE时间。如果定时中断时间是100ms，为了实现PER-TM=5s=5000ms的定时，FB43模块内部应设置计数器cnt1，计数器的初值应设置为5000ms/100ms=50。每个OB35周期调用一次FB43模块，对cnt1减一计数，直至为0，本PER-TM=5s周期结束，重装计数初值，开始下一个周期计数。所以cnt1是循环计数工作的。为了实现输出脉宽的控制，FB43模块内部应该另外设置计数器cnt2。例如当INV=30时，输出脉冲宽度=(30/100)*5000ms=1500ms,cnt2的计数初值设为1500ms/100ms=15，每个OB35周期调用一次FB43模块，对cnt2减一计数，直至为0，即实现QPOS为ON的输出脉宽控制。当cnt2计数值减为0时，QPOS端由ON状态转为OFF状态，直至本PER-TM周期结束。下一PER-TM周期，根据新的INV值，计算cnt2新的计数值，开始下一周期的控制。cnt2也是循环计数的，只是计数初值在每个FB43.PER-TM周期是可变的。④FB43.SYN_ON：SYNCHRONIZATIONON（同步接通）对于FB43模块，如果启动了自动同步，则当INV发生了改变后，为了尽快地反映这种变化，将重新启动一个新的PER-TM周期，这时应当把实现PER-TM周期控制的计数器cnt1清零并重装计数初值。而对于新的INV数值，重新计算输出脉冲宽度，清零计数器cnt2，装上新的脉冲宽度计数值，开始新的脉宽调制周期。如果INV变化了，并且对FB43模块的调用不在一个PER-TM周期的第1个或最后两个调用循环中，可以进行同步。如果INV的改变恰好赶在PER-TM周期中第一次或最后两次调用FB43模块时(这可通过检测cnt1的当前计数值来判断)，则不必为了同步而重新启动一个新的PER-TM周期，因为这时的输出脉宽就是按最新的INV值计算出来的。⑤“P_B_TM”，MINIMUMPULSE/BREAKTIME（最小脉冲/间隔时间）。PWM调节输出的执行设备往往是继电器、接触器、电磁阀等。中断时间“P_B_TM”，可以防止短促的开断时间，降低开关元件和执行机构的使用寿命。下图是在“P_B_TM”时间约束下的单极性PWM输入输出转换曲线。当PWM输出P_B_TM，直接按0值输出，亦即执行器不动作；当PWM输出PER-TM-P_B_TM，直接按100%输出，亦即执行器不断开。图2“P_B_TM”时间约束下的单极性PWM输入输出转换曲线(3)FB41与FB43的结合本控制系统中，由于对电加热丝的控制采用继电器/接触器作为执行器，所以FB41的模拟量输出信号须经FB43调制成占空比可调的脉冲信号才可以实现控制。图3FB41和FB43的联用PID调节的输出即FB41.LMN连接到FB43.INV端，经过FB43的脉宽调制，在FB43.QPOS输出端上将以SAMPLINGTIME的步长转换成脉冲宽度。脉冲的宽度正比于INV的大小。PWM脉冲发生器的采样时间和“CONT_C”控制器的采样时间之比决定了脉冲宽度调制的精度。①FB43.PER-TM：当FB41和FB43联用时，这相当于“CONT_C”控制器的控制周期，应该和FB41.cycle设置一样。②FB43.CYCLE：FB43模块的调用时间必须恒定，所以应该放在OB35定时中断中，并且OB35的中断周期设置应该和FB43.CYCLE一致。③FB41和FB43之间的时序配合。当把FB41和FB43都放在OB35中的时候，就产生了这样一个问题：由于FB41.cycle和FB43.cycle不一致，每次进入OB35中断服务程序FB43都应该执行一次，而FB41则不然。进入OB35中断服务程序（FB41.cycle/FB43.cycle）次，才执行一次FB41。这样就需要在OB35中断服务程序中由用户自主设置一个计数器，设为counter，初值设为（FB41.cycle/FB43.cycle），每次进入OB35，counter减一计数，减为0时，执行一次FB41。然后重装计数初值，开始下一个PID循环。本控制系统中，设置FB41.cycle=5000ms，FB43.cycle=100ms。脉冲调节的精度即是100ms，而100ms/5000ms即是脉冲调节的分辨率。FB41.cycle/FB43.cycle相当于调用FB41的衰减系数，直接实现了它们之间的同步。下图即是FB41和FB43的时序关系。图4FB41和FB43的时序关系④设置FB41.cycle时间的大小要根据控制系统的响应速度来设置。控制周期应该按比滞后时间、对象的时间常数小1-2个数量级来考虑。对于我们的控制过程来说，可以将对象全功率加热10分钟，然后计算温度每升高0.1℃需要的时间作为控制周期设置的依据。因为现场温度变送仪表的分辨率为0.1℃，在温度升高0.1℃的过程中，控制对象、传感器、调节器、执行器都执行了相应的一步或若干步动作，这些动作蕴含了控制系统各个环节的动态特性，所以将温度每升高0.1℃的时间作为控制周期选择的依据。以下是将锅炉内胆注满水后全速加热十分钟的温度变化情况：T:51.087℃——61.087℃t:15:34:12:023——15:37:15:066据此计算温度升高0.1℃所需时间为1.83s，所以应设置FB41.cycle=2s。由于对于25L的锅炉内胆来说，加热功率4.5kw相对较大，为了减少热惯性，所以实际设置FB41.cycle=5s。⑤在本控制系统中，设置“P_B_TM”=100ms，也即当PID调节结果小于2.0以下，PWM的调节输出QPOS在100ms以下时，这时继电接触器不动作。当PID调节结果大于98.0时，PWM的调节输出QPOS在4900ms以上时，继电接触器也不再断开。4.程序设计根据上述介绍，可以对系统的程序进行设计。程序主要包括三部分，分别是初始化程序、主程序、100ms中断服务程序，程序流程图如下。开始初始化PID控制周期，即把(FB41.CYCLE)定时计数器counter预装初值初始化FB41PID模块初始化FB43PWM脉宽调制模块结束初始化程序块（OB100）开始PID参数赋值：温度设定值P、I、D、控制周期等计数器counter对时基信号计数，产生5s