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1、摘要可编程序控制器(PLC)是一种集自动化技术、计算机技术和通信技术为一体的高可靠性的工业计算机，应用很广泛，现在已经越来越成熟，小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品不断涌入市场。本设计主要是在西门子编程软件S7-300的基础上实现PLC的前馈反馈系统的设计，并通过具体的实例，即对加热炉温度的前馈反馈控制的实现来说明前馈反馈的具体流程。加热炉内的实时温度经过温度传感器、温度变送器将模拟量传送给PLC的模拟量输入模块，模拟量输入模块将模拟量转换成数字量送到PLC内部处理，再由模拟量输出模块将数字量转换为模拟量输出控制阀门的开度以达到炉内温度稳定的控制。本文研究的重点是如何用PLC以及Wi
2、nCC对现场的前馈-反馈控制系统进行控制的，如何将前馈-反馈控制系统得到的数据经过PLC后传送到上位机，用组态软件WinCC进行实时监控。经仿真运行后，本系统能实现控制要求。关键字：前馈-反馈控制；可编程控制器； WinCC;加热炉AbstractProgrammable Logic Controller (PLC) is a set of automation technology, computer technology and communication technology as one of the high reliability industrial computer，and P
3、LC is widely used. Now it is more and more mature，smaller quantities, more kinds ,lower cost and higher quality in the market. This design is abased on the programming software of Siemens to implement PLC-based feedforward-feedback control system. This design introduces an example to explain the pro
4、cedure of feedforward-feedback system. The example is that through temperature control in heating furnace which is used feedforward and feedback control system. Real-time temperature, inside the furnace, after the temperature sensors, temperature transmitters discovered will be sent to the analog in
5、put module of PLC. Analog input modules convert analog to digital, and sent the digital data to CPU of PLC to process. Then analog output modules convert digital to analog to control valve, so the system achieves a stable furnace temperature control. Focus of this study is about that how to use PLC
6、and WINCC to control feedforward-feedback system of on-scene, and how to make feedforward-feedback system convey the date to computer via PLC, then, using configuration software Wincc implement real-time monitoring.Keywords：feedforward-feedback；Programmable Logic Controller； WinCC；heating furnace目录1
7、 绪论11.1 国内外研究现状11.2 本课题研究内容及方法22 基于 PLC的双闭环流量比值控制系统设计32.1 系统的工艺流程32.2 控制系统的硬件选型42.2.1 PLC的发展及特点42.2.2 PLC的内部结构52.2.3 西门子公司的S7系列PLC72.2.4 CPU的选型82.2.5 I/O模块的选型82.2.6 电源模块的选型92.3 系统各部分硬件选型92.3.1 温度传感器的选择102.3.2 温度变送器的选择102.3.3 流量计与压力变送器的选择102.4 软件设计方案112.4.1 STEP 7编程软件的简介112.4.2 系统控制方案的选择112.4.3 加热炉前馈
8、-反馈系统控制流程图122.4.4 PID控制及其控制算法132.5 程序的编写153 WinCC组态与仿真203.1 新建工程203.2 建立Wincc与PLC的通信连接213.3 创建供料系统的过程画面253.3.1 创建画面253.3.2 仿真结果27结束语33致谢35参考文献36附录371.完整程序372.整体仿真画面42广西工学院2011届毕业论文 基于PLC的前馈-反馈控制系统的设计1 绪论1.1 国内外研究现状 现代社会要求生产厂商能对市场的需求做出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置
9、。PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。今天的P L C在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高， 成为工业控制领域的主要控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用 。PLC通过模拟量I/O模块实现模拟量与数字量之间的A/D, D/A 转换,并对模拟量进行闭环PID控制，可用PID子程序来实现，也可使用专用的P I D 模块 。P L C 的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、机械、冶金、电力等行业 。 PLC在最近几年非常广泛的用于各式各样的行业中，
10、为了进一步提高其在应用过程中各方面的能力，国内各公司及研究机构的研究人员不断的致力于研究这个领域。基于PLC的控制模式日趋成熟，黄干将总结了PLC的主要控制模式：1、顺序控制。 2、过程控制，过程控制的代表类型是开环控制与闭环控制，这种控制手段在台金、化工、锅炉控制等方面的应用效果都非常明显。3、运动控制。4、信息控制。5、远程控制。在过程控制中， 广西机电职业技术学院的罗邕生在基于PLC的基础上对液位进行反馈串级控制，并采用组态软件实现动态数据显示和现场设备的实时监控，取得良好效果。国外的PLC控制系统比国内的更加成熟，计算机技术的新成果更多地应用于可编程控制器的设计和制造上会有运算速度更快
11、 、存储容量更大、智能更强的品种出现。伴随着计算机网络的发展 ，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向 。目前的计算机集散控制系统DCS (Distributed Control System) 中已有大量的可编程控制器应用。PLC+DCS（分布式计算机控制系统）结合，采用集散控制多台PLC分担了系统功能，并将危险性分散，人机界面友好、操作方便，并通过输入设备对工艺过程进行控制和调节，确保生产过程的安全可靠、高质高效。但由于此系统常应用在复杂的造
12、纸等行业，DCS需要测量的模拟量信号较多，且现成干扰打，稳定性及精确度都不高，在一些相对简单一些的工业过程中应用这种控制系统显然不大合适。而对于PLC的前馈控制系统、反馈控制系统或前馈-反馈控制系统来说，就更加容易实现。本文主要研究前馈反馈控制方式，这种控制方式的优点是：既有前馈控制对主要扰动进行补偿，又有闭环负反馈消除其他的小的扰动。1.2 本课题研究内容及方法过程控制系统的分类可以分为：前馈控制系统、反馈控制系统、前馈-反馈控制系统。在工业生产过程中，引起被控参数变化的扰动是多种多样的。开环前馈控制的最主要的优点是能针对主要扰动及时迅速的克服其对被控参数的影响；对于余次要扰动，则利用反馈控
13、制予以克服，使控制系统稳定时能准确的是被控量控制在给定值上。本文主要研究的是基于PLC的基础上实现的前馈-反馈控制，即利用PLC的各种功能块对控制前馈-反馈的控制系统的输入输出，并对模拟信号和数字信号进行处理，将满足要求的数据送入PID控制模块进行相应处理，最后通过输出通道（模拟量输出模块）对现场实施控制；数字量的输出通过上位机的WinCC界面将控制信号通过CPU输出到数字量输出模块的端口来对现场进行控制。本文主要研究内容为：1、研究在PLC的基础上前馈-反馈控制系统的工作原理； 2、研究此控制系统软件设计方案及PLC的编程；3、整定PID控制参数，使控制系统达到理想的控制效果；4把工业生产过
14、程中复杂的环境考虑进去时，研究该系统的可行性，分析此类环境的应对方法。本设计主要研究方法为：通过西门子的PLC软件STEP7的功能模块编程对前馈-反馈控制系统的控制，以及应用组态软件WinCC对现场进行监控。前馈-反馈控制系统的调节器利用增量式PID控制算法，按照经验试凑的方法设定控制参数。2 PLC的前馈-反馈控制系统设计2.1 系统的工艺流程由于本设计的要求是设计基于PLC的前馈反馈控制系统，主要的侧重点在前馈反馈的控制系统，由于课题中没有给出直接的控制对象，本设计中，由于加热炉的炉温控制较适合应用前馈反馈控制系统，而且在专业课的学习中也学了一些相关的知识，因此本人对加热炉的炉温控制相对比
15、较熟悉，在此就以炼油装置上的加热炉的炉温为控制对象来实现前馈反馈控制系统的设计，控制器为西门子系列的PLC，利用其编程软件S7-300PLC来实现程序的编写，对系统进行控制。加热炉温度控制系统广泛应用于冶金、化工等工业生产过程中，加热炉的温度是生产工艺的一项重要指标， 温度控制是否精确直接影响产品的质量。根据产品不同的应用目的，将材料及其制品加热到相应的温度并保温，是生产工艺经常要认真对待的问题。热处理加热炉具有大惯性，纯滞后等非线性以及时变的特点，炉门的开关，加热的材料，环境温度以及煤气、 空气的压力等都影响着控制过程。在传统的PID控制中，PID控制参数难以确定，使PID控制器不能总是处于最佳状态，而且在控制过程中将发生大的超调，随着PLC技术的不断发展， 其各类过程控制模块功能的增强使它取得较好的控制效果，S7-300里的PID控制模块可以较好的实现对炉温的控制，提高了炉温的控制精度。 本设计中炼油装置上的加热炉温度的前馈-反馈控制系统为： 如下图：FFCFTTTTC0图 3.1 加热炉的前馈-反馈控制系统加热炉出口温度为被控量，燃料油流量为控制量。由于进料流量经常发生变化，因而对此主要扰动进行前馈控制。前馈
