S7300400在模擬量閉環(huán)控制中的應(yīng)用

1、第四章 S7-300/400在模擬量閉環(huán)控制中的應(yīng)用第一節(jié) 閉環(huán)控制與PID調(diào)節(jié)器一、模擬量單閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成典型的模擬量單閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖9-1所示，圖中sp(n)為摸擬量設(shè)定值，pv(n)為檢測(cè)值。誤差ev(n) = sp(n) pv(n)。被控制量c(t)(如壓力、溫度、流量等)是連續(xù)變化的模擬量。大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求PLC輸出模擬信號(hào)mv(t)，測(cè)量元件檢測(cè)的值一般也為模擬量，而PLC的CPU只能處理數(shù)字量，所以需要對(duì)p (n)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換送入PLC中，PLC也要對(duì)mv（t）進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換送到執(zhí)行器中。圖9-1 典型的模擬量單閉環(huán)控制系統(tǒng)作為測(cè)量元件的變送器有電流輸出型和電壓輸出型

2、,，S7-300/400 的模擬量輸入模塊最大傳輸距離為200m。二、閉環(huán)控制反饋極性的確定在開環(huán)狀態(tài)下運(yùn)行PID 控制程序。如果控制器中有積分環(huán)節(jié)，因?yàn)榉答伇粩嚅_了，不能消除誤差， D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓會(huì)向一個(gè)方向變化。如果假設(shè)接上執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能減小誤差，則為負(fù)反饋，反之為正反饋。 以溫度控制為例，假設(shè)開環(huán)運(yùn)行時(shí)給定值大于反饋值，若D/A轉(zhuǎn)換器的輸出值不斷增大，如果形成閉環(huán)，將使用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度增大，閉環(huán)后溫度反饋值將會(huì)增大，使誤差減小，由此可判定系統(tǒng)是負(fù)反饋。 三、PID控制器的優(yōu)點(diǎn)(1) 不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。(2) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。(3) 有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。根據(jù)被控對(duì)

3、象的具體情況，可采用PID控制器的多種變化和改進(jìn)的控制方式，如PI、PD、帶死區(qū)的PID等。(4) 使用方便。現(xiàn)在很多PLC都提供具有PID控制功能的產(chǎn)品，使用簡(jiǎn)單方便。四、PID 控制器的數(shù)字化模擬量PID 控制器的輸出表達(dá)式為：需要較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和較高的穩(wěn)態(tài)精度時(shí)，可以選用PI；控制對(duì)象的慣性滯后較大時(shí)，應(yīng)選擇PID 控制方式。五、死區(qū)特性在PID 控制中的應(yīng)用在控制系統(tǒng)中，某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)如果頻繁動(dòng)作，會(huì)導(dǎo)致小幅振蕩，造成嚴(yán)重的機(jī)械磨損。從控制要求來說，很多系統(tǒng)又允許被控量在一定范圍內(nèi)存在誤差。帶死區(qū)的PID控制器（如圖9-2）能防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻繁動(dòng)作。當(dāng)死區(qū)非線性環(huán)節(jié)的輸入量（即誤差ev(

4、n)）的絕對(duì)值小于設(shè)定值B時(shí)，死區(qū)非線性的輸出量（即PID控制器的輸入量）為0，這時(shí)PID控制器的輸出分量中，比例部分和微分部分為0，積分部分保持不變，因此PID的輸出保持不變，PID控制器不起調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)。當(dāng)誤差的絕對(duì)值超過設(shè)定值時(shí)，開始正常的PID控制。圖9-2 PID的死區(qū)特性第二節(jié) 使用系統(tǒng)功能塊實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制S7-300/4000為用戶提供了功能強(qiáng)大、使用方便的模擬量閉環(huán)控制功能，來實(shí)現(xiàn)PID控制。系統(tǒng)功能塊SFB41SFB43用于CPU31x的閉環(huán)控制。SFB41“CONT_T” 用于連續(xù)PID 控制，SFB 42“CONT_S”（步進(jìn)控制器）用開關(guān)量輸出信號(hào)控制積分型

5、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥用伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來控制閥門的打開和關(guān)閉，基于PI 控制算法。SFB 43“PULSEGEN”（脈沖發(fā)生器）與連續(xù)控制器“CONT_C”一起使用，構(gòu)建脈沖寬度調(diào)制的二級(jí)（two step）或三級(jí)（three step）PID 控制器。 另外，安裝了標(biāo)準(zhǔn)PID控制（Standard PID Control）軟件包后，文件夾“Libraries Standard Libraries”中的FB41FB43用于PID控制，F(xiàn)B58和FB59用于PID溫度控制。FB41 FB43與SFB41SFB43兼容。本節(jié)主要介紹SFB41連續(xù)控制功能塊。一、設(shè)定值與過程變量的處理1設(shè)定值的

6、輸入設(shè)定值的輸入如圖9-3所示，浮點(diǎn)數(shù)格式的設(shè)定值（setpoint）用變量SP_INT（內(nèi)部設(shè)定值）輸入。2過程變量的輸入可以用兩種方式輸入過程變量（即反饋值）：（1） 用PV_IN（過程輸入變量）輸入浮點(diǎn)格式的過程變量，此時(shí)開關(guān)量PVPER_ON（外圍設(shè)備過程變量）應(yīng)用0狀態(tài)。（2） PVPER_ON（外圍設(shè)備過程變量）輸入外圍設(shè)備（I/O）格式的過程變量，即用模擬量輸入模塊產(chǎn)生的數(shù)字值作為PID控制的過程變量，此時(shí)開關(guān)量PVPER_ON應(yīng)為1狀態(tài)。3 外部設(shè)備過程變量轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)外部設(shè)備（即模擬量輸入模塊）正常范圍的最大輸出值（100.0%）為27648，功能CRP_IN將外圍設(shè)備輸入值

7、轉(zhuǎn)換為-100%+100%之間的浮點(diǎn)數(shù)格式的數(shù)值，CPR_IN的輸出（以%為單位）用下式計(jì)算：PV_R = PV_PER ×100/27648 4. 外部設(shè)備過程變量的標(biāo)準(zhǔn)化PV_NORM功能用下面的公式將CRP_IN的輸出PV_R格式化： PV_NORM的輸出 = PV_R × PV_FAC + PV_OFF式中，PV_FAC為過程變量的系數(shù)，默認(rèn)值為1.0；PV_OFF為過程變量的偏移量，默認(rèn)值為0.0。它們用來調(diào)節(jié)過程輸入的范圍。 如果設(shè)定值有物理意義，實(shí)際值（即反饋值）也可以轉(zhuǎn)換為物理值。圖9-3 SFB41設(shè)定值與過程變量的處理 二、PID控制算法 1誤差的計(jì)算與

8、處理 用浮點(diǎn)數(shù)格式設(shè)定值SP_INT減去轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)格式的過程變量PV（即反饋值），便得到負(fù)反饋的誤差。為了抑制由于控制器輸出量的量化造成的連續(xù)的較小的振蕩，用死區(qū)（Dead Band）非線性對(duì)誤差進(jìn)行處理。死區(qū)的寬度由參數(shù)DEAD_W來定義，如果DEAD_W設(shè)為0，表示死區(qū)被關(guān)閉。2控制器的結(jié)構(gòu)SFB41采用位置式PID算法，由比例運(yùn)算、積分運(yùn)算和微分運(yùn)算三部分并聯(lián)，可以單獨(dú)激活或取消它們，因此可將控制器組態(tài)為P、PI、PD、PID控制器。ID控制器很少使用。引入擾動(dòng)量DISV可以實(shí)現(xiàn)前饋控制。圖9-4為控制器的結(jié)構(gòu)圖，圖中GAIN為比例部分的增益或比例系數(shù)，TI和TD分別為積分時(shí)間常數(shù)和微

9、分時(shí)間常數(shù)。P_SEL： BOOL：比例選擇位：該位ON時(shí)，選擇P（比例）控制有效；默認(rèn)值為1。I_SEL： BOOL：積分選擇位；該位ON時(shí)，選擇I（積分）控制有效；默認(rèn)值為1。D_SEL ： BOOL：微分選擇位，該位ON時(shí)，選擇D（微分）控制有效；默認(rèn)值為0。LMN_P ：REAL：PID輸出中P的分量；（可用于在調(diào)試過程中觀察效果）。LMN_I ：REAL：PID輸出中I的分量；（可用于在調(diào)試過程中觀察效果）。LMN_D ：REAL：PID輸出中D的分量；（可用于在調(diào)試過程中觀察效果）。圖9-4 PID控制器的結(jié)構(gòu)圖SFB“CONT_C”有一個(gè)初始化程序，在輸入?yún)?shù)COM_RST（完全

10、重新起動(dòng)）設(shè)置為1 時(shí)該程序被執(zhí)行。在初始化過程中，如果I_ITL_ON（積分作用初始化）為1 狀態(tài)，將輸入I_ITLVAL 作為積分器的初始值。INT_HOLD 為1 時(shí)積分操作保持，積分輸出被凍結(jié)。三、控制器輸出值的處理4 控制器輸出值處理包括手動(dòng)/自動(dòng)模式的選擇、輸出限幅、輸出量的格式化處理以及輸出量轉(zhuǎn)換為外圍設(shè)備（I/O）格式。結(jié)構(gòu)圖如圖9-5所示。1手動(dòng)模式參數(shù)MAN_ON(手動(dòng)值ON)為1時(shí)是手動(dòng)模式，為0時(shí)是自動(dòng)模式。在手動(dòng)模式中，控制變量（即控制器的輸出值）被手動(dòng)選值的值MAN（手動(dòng)值）代替。在手動(dòng)模式時(shí)如果令微分項(xiàng)為0，將積分部分（INT）設(shè)置為L(zhǎng)MN LMN_P DISV,

11、 可以保證手動(dòng)到自動(dòng)的無擾切換，即切換時(shí)控制器的輸出值不會(huì)突變，DISV 為擾動(dòng)輸入變量。2輸出限幅LMNLIMIT（輸出量限幅）功能用于將控制器輸出值限幅。LMNLIMIT功能的輸入量超出控制器輸出值的上極限LMN_HLM時(shí)，信號(hào)位QLMN_HLM(輸出超出上限)變?yōu)?狀態(tài)；小于下極限值LMN_時(shí)，信號(hào)位QLMN_LLM（輸出超出下限）變?yōu)闋顟B(tài)。輸出量的格式化處理LMN_NORM（輸出量格式化）功能用下述公式來將功能LMNLIMIT的輸出量QLMN_LIM格式化：式中LMN是格式化后浮點(diǎn)數(shù)格式的控制輸出值；LMN_FAC為輸出量的系數(shù)，默認(rèn)值為1.0；LMN_OFF為輸出量的偏移量，默認(rèn)值為

12、0.0。它們用來調(diào)節(jié)控制器輸出量的范圍。5 輸出量轉(zhuǎn)換為外圍設(shè)備（I/O）格式控制器輸出值如果要送給模擬量輸出模塊中的D/A轉(zhuǎn)換器，需要用功能“CPR_OUT“轉(zhuǎn)換為外圍設(shè)備（I/O）格式的變量LMN_PER。轉(zhuǎn)換公式為：圖9-5 控制器輸出處理四、SFB41的參數(shù)（1）輸入?yún)?shù)COM_RST: BOOL: 重新啟動(dòng)PID：當(dāng)該位TURE時(shí)：PID執(zhí)行重啟動(dòng)功能，復(fù)位PID內(nèi)部參數(shù)到默認(rèn)值；通常在系統(tǒng)重啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行一個(gè)掃描周期，或在PID進(jìn)入飽和狀態(tài)需要退出時(shí)用這個(gè)位；MAN_ON： BOOL：手動(dòng)值ON；當(dāng)該位為TURE時(shí)，PID功能塊直接將MAN的值輸出到LMN，這可以在SFB41或FB41

13、框圖中看到；也就是說，這個(gè)位是PID的手動(dòng)/自動(dòng)切換位；PEPER_ON： BOOL：過程變量外圍值ON：過程變量即反饋量，此PID可直接使用過程變量PIW（不推薦），也可使用 PIW規(guī)格化后的值（常用），因此，這個(gè)位為FALSE；P_SEL： BOOL：比例選擇位：該位ON時(shí)，選擇P（比例）控制有效；一般選擇有效；I_SEL： BOOL：積分選擇位；該位ON時(shí)，選擇I（積分）控制有效；一般選擇有效；INT_HOLD BOOL：積分保持，不去設(shè)置它；I_ITL_ON BOOL：積分初值有效，I-ITLVAL（積分初值）變量和這個(gè)位對(duì)應(yīng)，當(dāng)此位ON時(shí)，則使用I-ITLVAL變量積分初值。一般當(dāng)發(fā)

14、現(xiàn)PID功能的積分值增長(zhǎng)比較慢或系統(tǒng)反應(yīng)不夠時(shí)可以考慮使用積分初值；D_SEL ： BOOL：微分選擇位，該位ON時(shí)，選擇D（微分）控制有效；一般的控制系統(tǒng)不用；CYCLE ： TIME：PID采樣周期，一般設(shè)為200MS；SP_INT： REAL：PID的給定值；PV_IN ： REAL：PID的反饋值（也稱過程變量）；PV_PER： WORD：未經(jīng)規(guī)格化的反饋值，由PEPER-ON選擇有效；（不推薦）MAN ： REAL：手動(dòng)值，由MAN-ON選擇有效；GAIN ： REAL：比例增益；TI ： TIME：積分時(shí)間；TD ： TIME：微分時(shí)間；DEADB_W： REAL：死區(qū)寬度；如果輸

15、出在平衡點(diǎn)附近微小幅度振蕩，可以考慮用死區(qū)來降低靈敏度；LMN_HLM： REAL：PID上極限，一般是100%；LMN_LLM： REAL：PID下極限；一般為0%，如果需要雙極性調(diào)節(jié)，則需設(shè)置為-100%；（正負(fù)10V輸出就是典型的雙極性輸出，此時(shí)需要設(shè)置-100%）；PV_FAC： REAL：過程變量比例因子PV_OFF： REAL：過程變量偏置值（OFFSET）LMN_FAC： REAL：PID輸出值比例因子；LMN_OFF： REAL：PID輸出值偏置值（OFFSET）；I_ITLVAL：REAL：PID的積分初值；有I-ITL-ON選擇有效；DISV ：REAL：允許的擾動(dòng)量，前饋

16、控制加入，一般不設(shè)置；2、常用輸出參數(shù)LMN ：REAL：PID輸出；LMN_P ：REAL：PID輸出中P的分量；（可用于在調(diào)試過程中觀察效果）LMN_I ：REAL：PID輸出中I的分量；（可用于在調(diào)試過程中觀察效果）LMN_D ：REAL：PID輸出中D的分量；（可用于在調(diào)試過程中觀察效果）第三節(jié) 基于PID調(diào)節(jié)的恒水位控制一、控制要求有一水箱可向外部用戶供水，用戶用水量不穩(wěn)定，有時(shí)大有時(shí)少。水箱進(jìn)水可由水泵泵入，現(xiàn)需對(duì)水箱中水位進(jìn)行恒液位控制，并可在0200mm（最大值數(shù)據(jù)可根據(jù)水箱高度確定）范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如設(shè)定水箱水位值為100mm時(shí)，則不管水箱的出水量如何，調(diào)節(jié)進(jìn)水量，都要求水箱

17、水位能保持在100mm位置，如出水量少，則要控制進(jìn)水量也少，如出水量大，則要控制進(jìn)水量也大。水箱示意圖如圖9-6所示。圖9-6 水箱示意圖二、控制思路因?yàn)橐何桓叨扰c水箱底部的水壓成正比，故可用一個(gè)壓力傳感器來檢測(cè)水箱底部壓力，從而確定液位高度。要控制水位恒定，需用PID算法對(duì)水位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。把壓力傳感器檢測(cè)到的水位信號(hào)420mA送入至S7-300 PLC中，在PLC中對(duì)設(shè)定值與檢測(cè)值的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出去調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)進(jìn)水量。水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速可由變頻器來進(jìn)行調(diào)速。三、硬件選型1、PLC及其模塊選型。PLC可選用S7-300(CPU 314 IFM) ， 314IFM

18、自身帶有4路模擬量輸入和2路模擬量輸出。2、變頻器選型。為了能調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩{(diào)節(jié)進(jìn)水量，特選擇西門子G110的變頻器。3、水箱對(duì)象設(shè)備， 如下圖9-7所示。圖9-7 PID實(shí)驗(yàn)用水箱設(shè)備四、電路連接1、主電路接線主電路接線如圖9-8所示。PLC和G110變頻器需用交流220V電源。圖9-8 主電路圖2、PLC輸入輸出信號(hào)接線PLC輸入輸出信號(hào)接線如圖9-9所示，主要包括PLC與傳感器和PLC與執(zhí)行器的接線。圖9-9 PLC的接線五、程序用到的FC與FB程序中除用到SFB41（或FB41）來實(shí)現(xiàn)PID控制功能以外，還用到FC105和FC106。FC105的功能是實(shí)現(xiàn)把傳感器經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)

19、據(jù)轉(zhuǎn)換成工程數(shù)據(jù)。FC106的功能是把PID運(yùn)算輸出的轉(zhuǎn)化為將要進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。1 FC105 FC105（SCALE功能）如圖9-10所示，SCALE功能接受一個(gè)整型值(IN)，并將其轉(zhuǎn)換為以工程單位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之間的實(shí)型值。將結(jié)果寫入OUT。圖9-10 FC105FC105的數(shù)值換算公式為：OUT=(IN -K1)/(K2-K1)×(HI_LIM-LO_LIM )+LO_LIM 對(duì)雙極性，輸入值范圍為-27648到27648，對(duì)應(yīng)K1 =-27648，K2 =+27648，對(duì)單極性，輸入值范圍為0到27648，對(duì)應(yīng)K1 =0，K2 =+27648。如果輸入整型值大于K2，輸出(OUT)將鉗位于HI_LIM，并返回一個(gè)錯(cuò)誤。如果輸入整型值小于K1，輸出將鉗位于LO_LIM，并返回一個(gè)錯(cuò)誤。 通過設(shè)置LO_LIM > HI_LIM可獲