采用S7-300 PLC与PROFIBUS现场总线技术实现新型PID控制算法

1、引言

在香烟过滤嘴生产线上，包含纸加热、预加热、缝喷嘴、胶水容器温度等6路温度信号。它们对温度的要求很高，要求温度保持在140℃左右的恒温状态。实践表明，常规的PID控制器因为超调量过大、易受环境的影响，不能满足实际要求。经过不断研究，人们提出了自校正PID控制器和基于模糊推理的自校正PID控制器设计方法。前一种方法需要在线辨识过程模型，计算量大；后一种方法的参数可校正范围过小。在该文中提出了一种新型PID控制算法。该算法计算量小，易于软件实现，在实践中取得了良好的控制效果。

2、系统介绍

系统由1台上位机和3台下位机组成。上位机使用KINGVIEW软件进行编程，实现了实时数据更新、历史曲线和实时曲线显示、报警、数据存储、查询和备份等功能。下位机使用了SIEMENS公司的S7－300 PLC。S7－300采用了模块化设计，在一块机架上可安装各种模块。每块机架板上最多可安装8个模块。若多于8个模块，就必须扩展另一块机架板。两块机架板之间的通讯通过安装通讯模块来实现。3台下位机分别控制装盘机HCF、过滤嘴成型机KDF2和开松上胶机AF2。总的控制点数为200多点。

Step7的PLC网络有以下几种：接口网络（MPI）、工业以太网、PROFIBUS现场总线网、TCP／IP协议网络等。该系统采用了PROFIBUS－DP现场总线网。现场的PLC把分散的数据采集上来，并通过PROFIBUS现场总线送到上位机。

3、新型PID控制算法的原理

图3—1中：yr是给定值，u是控制量，e是偏差，y是输出值。

图3—2中：a、b为所允许的最大误差范围。根据采样时刻的公式：

在每个采样时刻，采集到信号yk后，求出ek及ek。若控制信号是模拟量，根据系统控制原理和模糊控制方法，通过适当加大控制力度或减小控制力度（或提前增加阻尼），使系统输出量趋于给定值。在这里，控制对象是6路电烙铁，它只有上电和断电两种情况，故控制量是数字信号。当反馈值远大于给定值时，就停止加热。这时，输出值开始下降。当降到一定值时，为防止输出进一步下降，向相反方向偏离给定值，就及时开始加热。当反馈值远小于给定值时，就开始加热。这时，输出值开始上升。当上升到一定值时，为防止输出进一步上升，向相反方向偏离给定值，就及时停止加热。通过这种方法，可以使输出值在最短时间内达到给定值。具体处理方法如下（见图3—2）：

（1）在t1和t4阶段：若ek＜－a，则停止加热；若ek≥－a，即误差在允许范围内，此时，又分两种情况讨论：

a）当在t1阶段时，则开始加热。在这里提前加热，是为了防止输出量继续下降，反方向偏离给定，从而使输出维持在误差允许范围内；

b）当在t4阶段时，则维持原状态。

（2）在t2和t3阶段：若ek≥b，则开始加热；若ek＜b，即误差在允许范围内，此时，又分两种情况讨论：

a）当在t3阶段时，则停止加热。在这里提前停止加热，是为了防止输出量继续上升，反方向偏离给定，从而使输出维持在误差允许范围内；

b）当在t2阶段时，则维持原状态。

4、新型PID控制算法在S7－300 PLC中的软件实现

在S7－300 PLC中，使用了梯形图编程方法。在库中有3个与PID调节器相关的功能块FB41、FB42和FB43。FB41用于模拟PID调节器，FB42用于数字PID调节器，FB43是脉冲发生器，用于输出量为脉冲的PID调节器。在这里，因为输入量是温度信号，是模拟量，而输出又是开关量，所以调用了功能块FB41和FB43。新型PID算法的流程图如图4—1所示。

5、结束语

（1）该文使用的新型PID控制算法简单有效，易于软件实现，在工程应用中取得了显著效果。

（2）使用了PROFIBUS－DP现场总线技术，使得布线简单，数据传输速率高。

（3）使用了S7－300 PLC，使得系统工作稳定，抗干扰能力强，而且维修方便。

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