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西門(mén)子S7-1200 PID調節

一、           PID功能

1.       PID是用于對閉環(huán)過(guò)程進(jìn)行控制。PID控制適用于溫度，壓力，流量等物理量，是工業(yè)現場(chǎng)中應用最為廣泛的一種控制方式，其原理是，對被控對象設定一個(gè)給定值，然后將實(shí)際值測量出來(lái)，并與給定值比較，將其差值送入PID控制器，PID控制器按照一定的運算規律，計算出結果，即為輸出值，送到執行器進(jìn)行調節，其中的P,I,D指的是比例，積分，微分，是一種閉環(huán)控制算法。通過(guò)這些參數，可以使被控對象追隨給定值變化并使系統達到穩定，自動(dòng)消除各種干擾對控制過(guò)程的影響。

二、           S7-1200 PID控制器

1.       S7-1200 CPU提供了PID控制器回路數量受到CPU的工作內存及支持DB塊數量限制。嚴格上說(shuō)并沒(méi)有限制具體數量，但實(shí)際應用推薦客戶(hù)不要超過(guò)16路PID回路。可同時(shí)進(jìn)行回路控制，用戶(hù)可手動(dòng)調試參數，也可使用自整定功能，提供了兩種自整定方式由PID控制器自動(dòng)調試參數。另外STEP7 Basic還提供了調試面板，用戶(hù)可以直觀(guān)的了解控制器及被控對象的狀態(tài)。

2.       PID控制器結構

PID控制器功能主要依靠三部分實(shí)現，循環(huán)中斷塊，PID指令塊，工藝對象背景數據塊。用戶(hù)在調用PID指令塊時(shí)需要定義其背景數據塊，而此背景數據塊需要在工藝對象中添加，稱(chēng)為工藝對象背景數據塊。PID指令塊與其相對應的的工藝對象背景數據塊組合使用，形成完整的PID控制器。PID控制器結構如圖1。

圖1  PID控制器結構

3.       循環(huán)中斷塊可按一定周期產(chǎn)生中斷，執行其中的程序。PID指令塊定義了控制器的控制算法，隨著(zhù)循環(huán)中斷塊產(chǎn)生中斷而周期性執行，其背景數據塊用于定義輸入輸出參數，調試參數以及監控參數。此背景數據塊并非普通數據塊，需要在目錄樹(shù)視圖的工藝對象中才能找到并定義。

三、           S7-1200 PID Compact V2 指令介紹

PID 指令塊的參數分為兩部分，輸入參數與輸出參數。其指令塊的視圖分為擴展視圖與集成視圖，在不同的視圖下所能看見(jiàn)的參數是不一樣的，在集成視圖中可看到的參數為最基本的默認參數，如給定值，反饋值，輸出值等。定義這些參數可實(shí)現控制器最基本的控制功能，而在擴展視圖中，可看到更多的相關(guān)參數，如手自動(dòng)切換，模式切換等，使用這些參數可使控制器具有更豐富的功能。如圖2所示

圖2 PID 指令塊的集成視圖和擴展視圖

PID Compact 輸入輸出參數介紹

1.       PID_Compact V2 的輸入參數包括 PID 的設定值，過(guò)程值，手自動(dòng)切換，故障確認，模式切換和 PID 重啟參數，如表 1 所示。

表1：輸入參數

注意：如果使用 Reset 復位錯誤會(huì )重啟 PID 控制器，建議使用 ErrorAck 來(lái)復位錯誤代碼。

2.       PID_Compact V2 的輸出參數包括 PID 的輸出值（REAL、模擬量、PWM），標定的過(guò)程值，限位報警（設定值、過(guò)程值），PID 的當前工作模式，錯誤狀態(tài)及錯誤代碼，如表 2 所示。

表2：輸出參數

注意：

a)       若 PID 控制器未正常工作，請先檢查 PID 的輸出狀態(tài) State 來(lái)判斷 PID 的當前工作模式，并檢查錯誤信息。

b)       當錯誤出現時(shí) Error=1，錯誤離開(kāi)后 Error=0，ErrorBits 會(huì )保留錯誤信息。可通過(guò)編程清除錯誤離開(kāi)后 ErrorBits 保留的錯誤信息。

3.       PID_Compact V2 的輸入輸出參數 Mode 指定了 PID_Compact 將轉換到的工作模式，具有斷電保持特性，由沿激活切換工作模式，如表 3 所示。

表3.輸入輸出參數

注意：當 ManualEnable = TRUE，無(wú)法通過(guò) ModeActivate 的上升沿或使用調試對話(huà)框來(lái)更改工作模式。

4.       當PID出現錯誤時(shí)，通過(guò)捕捉 Error 的上升沿，將 ErrorBits 傳送至全局地址，從而獲得 PID 的錯誤信息，如表 4 所示。

表4.錯誤代碼定義

注意：如果多個(gè)錯誤同時(shí)處于待決狀態(tài)，將通過(guò)二進(jìn)制加法顯示 ErrorBits 的值。 例如，顯示 ErrorBits = 0003h 表示錯誤 0001h 和 0002h 同時(shí)處于待決狀態(tài)。

四、           S7-1200 PID Compact V2 組態(tài)步驟

1.       使用 PID 功能，必須先添加循環(huán)中斷，需要在循環(huán)中斷中添加 PID_Compact 指令。在循環(huán)中斷的屬性中，可以修改其循環(huán)時(shí)間

圖3 添加循環(huán)中斷后在屬性界面修改其循環(huán)時(shí)間

雙擊“添加新塊”----選擇“循環(huán)中斷塊”-----確定循環(huán)中斷時(shí)間-----點(diǎn)擊確定生成

因為程序執行的掃描周期不相同，一定要在循環(huán)中斷里調用 PID 指令。可右鍵循環(huán)中斷塊，進(jìn)入屬性更改其循環(huán)中斷時(shí)間。

注意：為保證以恒定的采樣時(shí)間間隔執行 PID 指令，必須在循環(huán) OB 中調用。

在“指令 > 工藝 > PID 控制 > Compact PID（注意版本選擇） > PID_Compact”下，將 PID_Compact 指令添加至循環(huán)中斷。

圖4在循環(huán)中斷中添加 PID_Compact 指令

2.       當添加完 PID_Compact 指令后，在項目樹(shù) > 工藝對象文件夾中，會(huì )自動(dòng)關(guān)聯(lián)出 PID_Compact_x[DBx]，包含其組態(tài)界面和調試功能。

圖5 PID_Compact 組態(tài)界面

3.       使用 PID 控制器前，需要對其進(jìn)行組態(tài)設置，分為基本設置、過(guò)程值設置、高級設置等部分

1)       基本設置

A.       基本設置--控制器類(lèi)型

a. 為設定值、過(guò)程值和擾動(dòng)變量選擇物理量和測量單位。

b. 正作用：隨著(zhù) PID 控制器的偏差增大，輸出值增大。 反作用：隨著(zhù)PID控制器的偏差增大，輸出值減小。PID_Compact 反作用時(shí)，可以勾選“反轉控制邏輯”；或者用負比例增益。

c. 要在 CPU 重啟后切換到“模式”(Mode) 參數中保存的工作模式，請勾選“在 CPU 重啟后激活模式”。

圖6. PID_Compact > 基本設置 > 控制器類(lèi)型

B.       基本設置--定義 Input/Output 參數

定義 PID 過(guò)程值和輸出值的內容，選擇 PID_Compact 輸入、輸出變量的引腳和數據類(lèi)型。

圖7. PID_Compact > 基本設置 > 定義 Input/Output

2)       過(guò)程值設置

A.       過(guò)程值設置--過(guò)程值限值必須滿(mǎn)足過(guò)程值下限<過(guò)程值上限。如果過(guò)程值超出限值，就會(huì )出現錯誤 (ErrorBits = 0001h)。

圖8.設置過(guò)程值限值

B.       過(guò)程值設置--過(guò)程值標定

a. 當且僅當在 Input/Output 中輸入選擇為 “Input_PER” 時(shí)，才可組態(tài)過(guò)程值標定。

b. 如果過(guò)程值與模擬量輸入值成正比，則將使用上下限值對來(lái)標定 Input_PER。

c. 必須滿(mǎn)足范圍的下限<上限。

圖9. 進(jìn)行過(guò)程值標定

3)       高級設置

A.       高級設置--過(guò)程值監視

a. 過(guò)程值的監視限值范圍需要在過(guò)程值限值范圍之內。

b. 過(guò)程值超過(guò)監視限值，會(huì )輸出警告。過(guò)程值超過(guò)過(guò)程值限值，PID輸出報錯，切換工作模式。

i.           當過(guò)程值超過(guò)或者達到警告限制，對應的InputWarning 位=1，PID控制器的工作模式保持不變。

ii.           當過(guò)程值超過(guò)設定值的限值，Error=1，ErrorBits=0001過(guò)程值超限。PID控制器的狀態(tài)會(huì )有所變化。

圖10.設置過(guò)程監控值設置，與過(guò)程值限對比

B.       高級設置-- PWM 限制

輸出參數 Output 中的值被轉換為一個(gè)脈沖序列，該序列通過(guò)脈寬調制在輸出參數 Output_PWM 中輸出。在 PID 算法采樣時(shí)間內計算 Output，在采樣時(shí)間 PID_Compact 內輸出 Output_PWM。

圖11.PID_Compact 的 PWM 輸出原理

a. 為最大程度地減小工作頻率并節省執行器，可延長(cháng)最短開(kāi)/關(guān)時(shí)間。

b. 如果要使用 “Output” 或 “Output_PER”，則必須分別為最短開(kāi)關(guān)時(shí)間組態(tài)值 0.0。

c. 脈沖或中斷時(shí)間永遠不會(huì )小于最短開(kāi)關(guān)時(shí)間。例如，在當前 PID 算法采樣周期中，如果輸出小于最短接通時(shí)間將不輸出脈沖，如果輸出大于（PID 算法采樣時(shí)間-最短關(guān)閉時(shí)間） 則整個(gè)周期輸出高電平。

d. 在當前 PID 算法采樣周期中，因小于最短接通時(shí)間未能輸出脈沖的，會(huì )在下一個(gè) PID 算法采樣周期中累加和補償由此引起的誤差。

最短開(kāi)/關(guān)時(shí)間只影響輸出參數 Output_PWM，不用于 CPU 中集成的任何脈沖發(fā)生器。

示例：PID_Compact 采樣時(shí)間=100ms；PID 算法采樣時(shí)間=1000ms；最短開(kāi)啟時(shí)間=200 ms（即已組態(tài)的最小接通脈沖為 PID_Compact 的 20%），若此時(shí) PID 輸出恒定為 15%。

則在第一個(gè)周期內不輸出脈沖，在第二個(gè)周期內將第一個(gè)周期內未輸出的脈沖累加到第二個(gè)周期的脈沖，依次輸出。如下圖所示。

圖12.PWM 最小開(kāi)/關(guān)時(shí)間影響示例圖

C.       高級設置--輸出值限值

a. 在“輸出值的限值”窗口中，以百分比形式組態(tài)輸出值的限值。 無(wú)論是在手動(dòng)模式還是自動(dòng)模式下，都不要超過(guò)輸出值的限值。

b. 手動(dòng)模式下的設定值 ManualValue，必須介于輸出值的下限 （Config.OutputLowerLimit） 與輸出值的上限 （ Config.OutputUpperLimit ）之間的值。

c. 如果在手動(dòng)模式下指定了一個(gè)超出限值范圍的輸出值，則 CPU 會(huì )將有效值限制為組態(tài)的限值。

d. PID_compact 可以通過(guò)組態(tài)界面中輸出值的上限和下限修改限值。最廣范圍為 -100.0 到 100.0，如果采用 Output_PWM 輸出時(shí)限制為 0.0 到 100.0 。

圖13.過(guò)程監控值設置和過(guò)程值限對比

D.       PID 組態(tài)高級設置_對錯誤的響應

根據錯誤代碼來(lái)分析錯誤原因。根據組態(tài)界面所設置的“對錯誤的響應”，不同錯誤的響應狀態(tài)也不一樣，如下表所示：

E.        高級設置--手動(dòng)輸入 PID 參數

a. 在 PID Compact 組態(tài)界面可以修改 PID 參數，通過(guò)此處修改的參數對應工藝對象背景數據塊 > Static > Retain > PID 參數。

b. 通過(guò)組態(tài)界面修改參數需要重新下載組態(tài)并重啟 PLC。建議直接對工藝對象背景數據塊進(jìn)行操作。

圖14.PID組態(tài)高級設置—手動(dòng)輸入PID參數

1.啟動(dòng)手動(dòng)輸入后，可以通過(guò)組態(tài)界面修改PID參數。

2.啟動(dòng)手動(dòng)輸入----修改參數-----重新下載組態(tài)----CPU:STOP-RUN

3.PID:預調節和精確調節期間計算PID參數

PI：預調節換熱精確調節期間計算PI參數。