S71200PLC編程及應用第三版課件第7、8章

第7章精簡系列面板的組態(tài)與應用7.1精簡系列面板

1．人機界面

在控制領域，人機界面一般特指用于操作人員與控制系統(tǒng)之間進行對話和相互作用的專用設備。人機界面可以用字符、圖形和動畫動態(tài)地顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)和狀態(tài)，操作人員可以通過人機界面來控制現(xiàn)場的被控對象。此外，人機界面還有報警、用戶管理、數(shù)據(jù)記錄、趨勢圖、配方管理、通信等功能。

2．觸摸屏用戶可以在觸摸屏上生成滿足自己要求的觸摸式按鍵。觸摸屏使用直觀方便，易于操作?，F(xiàn)在的觸摸屏一般使用TFT液晶顯示器。

3．人機界面的工作原理首先需要用計算機上運行的組態(tài)軟件對人機界面組態(tài)。生成滿足用戶要求的畫面。組態(tài)結(jié)束后將畫面和組態(tài)信息編譯和下載到人機界面的存儲器中。在控制系統(tǒng)運行時，人機界面和PLC之間通過通信來交換信息，從而實現(xiàn)人機界面的各種功能。第7章精簡系列面板的組態(tài)與應用7.1精簡系列面板4.精簡系列面板精簡系列面板主要與S7-1200配套，它適用于簡單應用，有很高的性能價格比，有觸摸屏和功能可以定義的按鍵。第二代精簡面板有4.3in、7in、9in和12in的高分辨率64K色寬屏顯示器，支持垂直安裝，用TIA博途V13或更高版本組態(tài)。有一個RS-422/RS-485接口，一個RJ45以太網(wǎng)接口和一個USB2.0接口。采用TFT真彩液晶屏，64K色。RJ45以太網(wǎng)接口的通信速率為10M/100Mbit/s。

5．西門子的其他人機界面簡介高性能的精智系列面板有顯示器為4in、7in、9in、12in和15in的按鍵型和觸摸型面板，還有22in的觸摸型面板。支持多種通信協(xié)議，有PROFINET接口和USB接口。精彩系列面板SmartLineIE是與S7-200和S7-200SMART配套的觸摸屏，有7in和10in兩種顯示器，有以太網(wǎng)接口和RS-422/485接口。Smart700IE具有很高的性能價格比。移動面板可以在不同的地點靈活應用。MobilePanel177的顯示器為5.7in，MobilePanel277的顯示器有8in和10in兩種規(guī)格。此外還有8in的無線移動面板。4.精簡系列面板

6．博途中的WinCC簡介

STEP7內(nèi)含的WinCCBasic可以用于精簡系列面板的組態(tài)。TIA博途中的WinCCProfessional可以對精彩系列面板之外的西門子HMI組態(tài)，精彩系列面板用WinCClexible組態(tài)。7.2精簡系列面板的畫面組態(tài)7.2.1畫面組態(tài)的準備工作

1．添加HMI設備在項目視圖中生成一個名為“PLC_HMI”的新項目，CPU為CPU1214C。單擊“添加新設備”對話框中的“HMI”按鈕，去掉復選框“啟動設備向?qū)А钡墓矗砑右粔K4in的第二代精簡系列面板KTP400BasicPN。

2．組態(tài)連接單擊按下網(wǎng)絡視圖工具欄上的“連接”按鈕，設置連接類型為“HMI連接”。用拖拽的方法生成“HMI_連接_1”。6．博途中的WinCC簡介

3．打開畫面將自動生成的“畫面_1”的名稱改為“根畫面”。雙擊打開根畫面，可以用工作區(qū)下面的有%的下拉式列表來改變畫面的放大倍數(shù)。也可以用該按鈕右邊的滑塊快速設置畫面的顯示比例。單擊選中畫面，用巡視窗口中“背景色”選擇框設置畫面的背景色為白色。

4．對象的移動與縮放在畫面上生成一個按鈕，單擊選中該按鈕，按鈕四周出現(xiàn)8個小正方形。將鼠標的光標放到按鈕上，光標變?yōu)槭旨^圖形。按住鼠標左鍵并移動鼠標，可將按鈕移動到希望的位置。用鼠標左鍵單擊選中按鈕，選中某個角的小正方形，鼠標的光標變?yōu)?5的雙向箭頭，按住左鍵并移動鼠標，可以同時改變按鈕的長度和寬度。

用鼠標左鍵選中按鈕4條邊中點的某個小正方形，鼠標的光標變?yōu)樗交虼怪钡碾p向箭頭，按住左鍵并移動鼠標，可將選中的對象沿水平方向或垂直方向放大或縮小。7.2.2組態(tài)指示燈與按鈕

1．生成和組態(tài)指示燈指示燈用來顯示BOOL變量“電動機”的狀態(tài)。將工具箱的選項板“基本對象”中的“圓”拖放到畫面上希望的位置。用鼠標調(diào)節(jié)圓的位置和大小。3．打開畫面選中圓后選中巡視窗口的“外觀”，設置圓的邊框為默認的黑色，樣式為實心，寬度為3個像素點，填充色為深綠色，填充圖案為實心。選中巡視窗口的“布局”，可以微調(diào)圓的位置和大小。選中巡視窗口的“屬性>動畫>顯示”，雙擊“添加新動畫”，再雙擊出現(xiàn)的“添加動畫”對話框中的“外觀”。設置指示燈在PLC的位變量“電動機”的“范圍”值為0和1時，背景色分別為深綠色和淺綠色，對應于指示燈熄滅和點亮。選中圓后選中巡視窗口的“外觀”，設置圓的邊框為默認的

2．生成和組態(tài)按鈕按鈕用來將各種操作命令發(fā)送給PLC。將工具箱的“按鈕”圖標拖放到畫面上，用鼠標調(diào)節(jié)按鈕的位置和大小。單擊選中放置的按鈕，選中巡視窗口的“常規(guī)”，用單選框選中“模式”域和“標簽”域的“文本”，輸入按鈕未按下時顯示的文本為“起動”。如果選中復選框“按鈕‘按下’時顯示的文本”，可以分別設置未按下時和按下時顯示的文本。未選中它時，按下和未按下時按鈕上顯示的文本相同。選中巡視窗口的“外觀”，設置按鈕的背景色為淺灰色，文本色為黑色。選中巡視窗口的“布局”，如果選中復選框“使對象適合內(nèi)容”，將根據(jù)按鈕上的文本的字數(shù)和字體大小自動調(diào)整按鈕的大小。選中巡視窗口的“文本格式”，可以定義以像素點（px）為單位的文字的大小。字體為宋體，不能更改?？梢栽O置字形和附加效果。2．生成和組態(tài)按鈕

3．設置按鈕的事件功能選中巡視窗口的“屬性>事件>釋放”，單擊視圖右邊窗口的表格最上面一行，選擇“系統(tǒng)函數(shù)”列表中的函數(shù)“復位位”。單擊表中第2行，選中PLC的默認變量表中的變量“起動按鈕”。在HMI運行時按下該按鈕，將變量“起動按鈕”復位為0狀態(tài)。選中巡視窗口的“屬性>事件>按下”，用同樣的方法設置在HMI運行時按下該按鈕，執(zhí)行系統(tǒng)函數(shù)“置位位”。該按鈕為點動按鈕。選中組態(tài)好的按鈕，執(zhí)行復制和粘貼操作。放置好新生成的按鈕后選中它，設置其文本為“停止”，按下該按鈕時將變量“停止按鈕”置位，放開該按鈕時將它復位。3．設置按鈕的事件功能7.2.3組態(tài)文本域與I/O域1．生成與組態(tài)文本域?qū)⒐ぞ呦渲械奈谋居驁D標拖放到畫面上，單擊選中它，選中巡視窗口的“常規(guī)”，鍵入文本“當前值”?？梢栽凇俺Ｒ?guī)”屬性中設置字體大小和“適合大小”。在“外觀”對話框設置其背景色為淺藍色，填充圖案為實心，文本顏色為黑色。邊框的寬度為0（沒有邊框）。在“布局”對話框設置四周的邊距均為3，選中復選框“使對象適合內(nèi)容”。在“文本格式”屬性中設置字體的大小為16個像素點。選中畫面上的文本域，執(zhí)行復制和粘貼操作。放置好新生成的文本域后選中它，設置其文本為“預設值”，背景色為白色，其他屬性不變。2．生成與組態(tài)I/O域有3種模式的I/O域：

輸出域用于顯示PLC的變量的數(shù)值。

輸入域用于操作員鍵入數(shù)字或字母，并用PLC的變量保存它們的值。

輸入/輸出域同時具有輸入域和輸出域的功能。7.2.3組態(tài)文本域與I/O域?qū)⒐ぞ呦渲械腎/O域圖標拖放到畫面上文本域“當前值”的右邊，選中生成的I/O域。選中巡視窗口的“常規(guī)”，設置I/O域為輸出域，連接的過程變量為“當前值”。該變量的數(shù)據(jù)類型為Time（以ms為單位的雙整數(shù)時間值）。在“格式”域，采用默認的顯示格式“十進制”，設置“格式樣式”為有符號數(shù)s9999999，小數(shù)點后的位數(shù)為3。在“外觀”視圖設置IO域的單位為s（秒），畫面上I/O域的顯示格式為“+000.000s”，背景色為灰色?！安季帧薄拔谋靖袷健睂傩缘脑O置與文本域的相同。選中畫面上的I/O域，執(zhí)行復制和粘貼操作。放置好新生成的I/O域后選中它，單擊巡視窗口的“屬性>屬性>常規(guī)”，設置其模式為“輸入/輸出”，連接的過程變量為“預設值”，變量的數(shù)據(jù)類型為Time，屬性與前一個I/O域基本上相同，背景色為白色。將工具箱中的I/O域圖標拖放到畫面上文本域“當前值”7.3精簡系列面板的仿真與運行7.3.1PLC與HMI的集成仿真1.HMI仿真調(diào)試的方法WinCC的運行系統(tǒng)（Runtime）用來在計算機上運行用WinCC的工程系統(tǒng)組態(tài)的項目。在沒有HMI設備的情況下，可以用運行系統(tǒng)來對HMI設備仿真。有下列3種仿真調(diào)試的方法，本節(jié)主要介紹集成仿真。

（1）使用變量仿真器仿真如果手中既沒有HMI設備，也沒有PLC，可以用變量仿真器來檢查人機界面的部分功能。因為沒有運行PLC的用戶程序，這種仿真方法只能模擬實際系統(tǒng)的部分功能。

（2）使用S7-PLCSIM和運行系統(tǒng)的集成仿真用WinCC的運行系統(tǒng)對HMI設備仿真，用S7-PLCSIM對S7-300/400/1200/1500仿真。不需要HMI設備和PLC的硬件，接近真實控制系統(tǒng)的運行情況。

（3）連接硬件PLC的仿真如果有硬件PLC，在建立起計算機和S7PLC通信連接的情況下，用計算機模擬HMI設備的功能。這種仿真的效果與實際系統(tǒng)基本上相同。7.3精簡系列面板的仿真與運行2．PLC與HMI的變量表HMI的變量分為外部變量和內(nèi)部變量。外部變量是PLC中定義的存儲單元的映像，其值隨PLC程序的執(zhí)行而改變。HMI的內(nèi)部變量存貯在HMI設備的存儲器中，與PLC沒有連接關系，只有HMI設備能訪問內(nèi)部變量。內(nèi)部變量只有名稱，沒有地址。PLC的默認變量表中的“起動按鈕”和“停止按鈕”信號來自HMI畫面上的按鈕，用畫面上的指示燈顯示變量“電動機”的狀態(tài)。2．PLC與HMI的變量表在HMI默認的變量表中，將變量“電動機”和“當前值”的采集周期由1s改為100ms。單擊空白行的“PLC變量”列，可以用打開的對話框?qū)LC變量表中的變量傳送到HMI變量表。在組態(tài)畫面上的按鈕時，如果使用了PLC的變量表中的變量，該變量將會自動地添加到HMI的變量表中。在HMI默認的變量表中，將變量“電動機”和“當前值”3．PLC的程序組態(tài)CPU屬性時，設置MB1為系統(tǒng)存儲器字節(jié)，首次掃描時FirstScan（M1.0）的常開觸點接通，MOVE指令將變量“預設值”設置為10s。變量“預設值”和“當前值”的數(shù)據(jù)類型為Time。T1是TON的背景數(shù)據(jù)塊的符號地址?！癟1”.Q是TON的位輸出，定時器和“T1”.Q的常閉觸點組成了一個鋸齒波發(fā)生器，其當前值在0到其預設時間值PT之間反復變化。3．PLC的程序4．PLC與HMI的集成仿真雙擊Windows7的控制面板中的“設置PG/PC接口”，單擊“為使用的接口分配參數(shù)”列表框中的“PLCSIMS7-1200/S7-1500.TCPIP.1”，設置“應用程序訪問點”為“S7ONLINE(STEP7)-->PLCSIMS7-1200/S7-1500.TCPIP.1”。4．PLC與HMI的集成仿真選中項目樹中的PLC_1，單擊工具欄上的“開始仿真”按鈕，打開S7-PLCSIM。將程序下載到仿真CPU，仿真PLC自動切換到RUN模式。選中博途中的HMI_1站點，單擊工具欄上的“開始仿真”按鈕，起動HMI運行系統(tǒng)仿真器，出現(xiàn)仿真面板的根畫面。檢查畫面中的按鈕是否能控制指示燈。畫面上定時器的當前值應從0s開始不斷增大，等于預設值時又從0s開始增大。單擊畫面上“預設值”右側(cè)的的輸入/輸出域，用出現(xiàn)的數(shù)字鍵盤修改預設值。修改后當前值按新的預設值變化。7.3.2HMI與PLC通信的組態(tài)與操作本節(jié)以精智面板TP700和S7-1200的通信為例。

1．用HMI的控制面板設置通信參數(shù)

TP700通電，結(jié)束啟動過程后，屏幕顯示W(wǎng)indowsCE的桌面，屏幕中間是StartCenter。選中項目樹中的PLC_1，單擊工具欄上的“開始仿真”“Transfer”按鈕用于將HMI設備切換到傳輸模式?！癝tart”按鈕用于打開保存在HMI設備中的項目，并顯示啟動畫面。按下“Settings”按鈕，打開控制面板。雙擊“Transfer”按鈕，打開“TransferSettings”對話框。選中“Automatic”，采用自動傳輸模式。選中“Transferchannel”列表中的PN/IE。單擊“Properties”按鈕，打開網(wǎng)絡連接對話框。“Transfer”按鈕用于將HMI設備切換到傳輸模雙擊網(wǎng)絡連接對話框中的PN_X1（以太網(wǎng)接口）圖標，打開“‘PN_X1’Settings”對話框。用單選框選中“SpecifyanIPaddress”，由用戶設置PN_X1的IP地址。用屏幕鍵盤輸入IP地址和子網(wǎng)掩碼，“DefaultGateway”是默認的網(wǎng)關。設置好后按“OK”按鈕退出。雙擊網(wǎng)絡連接對話框中的PN_X1（以太網(wǎng)接口）圖標，

2．下載的準備工作設置好HMI的通信參數(shù)之后，用“設置PG/PC接口”對話框，設置應用程序訪問點為實際使用的計算機網(wǎng)卡和通信協(xié)議。設置計算機的以太網(wǎng)卡的IP地址為192.168.0.x，第4個字節(jié)的值x不能與別的設備相同，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。

3．將組態(tài)信息下載到PLC用以太網(wǎng)電纜、交換機或路由器連接好計算機、PLC、HMI和遠程I/O的以太網(wǎng)接口。選中項目樹中的PLC_1，下載PLC的程序和組態(tài)信息。下載結(jié)束后PLC被切換到RUN模式。

4．將組態(tài)信息下載到HMI

接通HMI的電源，單擊出現(xiàn)的啟動中心的“Transfer”按鈕，打開傳輸對話框，HMI處于等待接收上位計算機信息的狀態(tài)。選中項目樹中的HMI_1，下載HMI的組態(tài)信息。下載結(jié)束后，HMI自動打開初始畫面。

如果選中了圖7-23中的“Automatic”，在項目運行期間下載，將會關閉正在運行的項目，自動切換到“Transfer”運行模式，開始傳輸新項目。傳輸結(jié)束后將會啟動新項目，顯示啟動畫面。

5．驗證PLC和HMI的功能將用戶程序和組態(tài)信息分別下載到CPU和HMI后，用以太網(wǎng)電纜連接CPU和HMI的以太網(wǎng)接口。兩臺設備通電后，經(jīng)過一定的時間，面板顯示根畫面。檢驗HMI功能的方法與集成仿真基本上相同。2．下載的準備工作第8章S7-1200在模擬量閉環(huán)控制中的應用8.1

模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)與PID_Compact指令8.1.1模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)

1．模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)

被控量c(t)被傳感器和變送器轉(zhuǎn)換為標準量程的直流電流、電壓信號PV(t)，AI模塊中的A-D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換為多位二進制數(shù)過程變量PVn。SPn為設定值，誤差e(n)

=

SPn

PVn。AQ模塊的D-A轉(zhuǎn)換器將PID控制器的數(shù)字量輸出值Mn轉(zhuǎn)換為模擬量M(t)，再去控制執(zhí)行機構(gòu)。PID程序的執(zhí)行是周期性的操作，其間隔時間稱為采樣周期TS。

第8章S7-1200在模擬量閉環(huán)控制中的應用

2．閉環(huán)控制的工作原理

閉環(huán)負反饋控制可以使過程變量PVn等于或跟隨設定值SPn。假設實際溫度值c(t)低于給定的溫度值，誤差en為正，M(t)將增大，使執(zhí)行機構(gòu)（電動調(diào)節(jié)閥）的開度增大，進入加熱爐的天然氣流量增加，加熱爐的溫度升高，最終使實際溫度接近或等于設定值。

3．變送器的選擇AI模塊的電壓輸入端的輸入阻抗很高，微小的干擾信號電流將在模塊的輸入阻抗上產(chǎn)生很高的干擾電壓。遠程傳送的模擬量電壓信號的抗干擾能力很差。電流輸出型變送器具有恒流源的性質(zhì)，恒流源的內(nèi)阻很大。AI模塊的輸入為電流時，輸入阻抗位為280。干擾信號在模塊的輸入阻抗上產(chǎn)生的干擾電壓很低，模擬量電流信號適用于遠程傳送。

四線制電流輸出變送器有兩根電源線和兩根信號線。二線制變送器只有兩根外部接線，它們既是電源線，也是信號線，輸出4～20mA的信號電流。

2．閉環(huán)控制的工作原理5．閉環(huán)控制系統(tǒng)主要性能指標

系統(tǒng)進入并停留在穩(wěn)態(tài)值c(∞)上下±5%（或2％）的誤差帶內(nèi)的時間tS稱為調(diào)節(jié)時間。被控量c(t)從0上升，第一次到達穩(wěn)態(tài)值c(∞)的時間稱為上升時間tr。

穩(wěn)態(tài)誤差是指響應進入穩(wěn)態(tài)后，輸出量的期望值與實際值之差。4．閉環(huán)控制反饋極性的確定

調(diào)試時斷開AQ模塊與執(zhí)行機構(gòu)之間的連線，在開環(huán)狀態(tài)下運行PID控制程序。如果控制器有積分環(huán)節(jié)，因為反饋被斷開了，AQ模塊的輸出會向一個方向變化。這時如果假設接上執(zhí)行機構(gòu)，能減小誤差，則為負反饋，反之為正反饋。5．閉環(huán)控制系統(tǒng)主要性能指標4．閉環(huán)控制反饋8.1.2PID_Compact指令的算法與參數(shù)模擬量PID控制器輸出值的拉氏變換表達式為

式中，y為PID算法的輸出值；KP為比例增益；b為比例作用權(quán)重；w為設定值；x為過程值；s為自動控制理論中的拉普拉斯運算符；TI為積分作用時間；TD為微分作用時間；a為微分延遲系數(shù)；微分延遲T1=

aTD；c為微分作用權(quán)重。8.1.2PID_Compact指令的算法與參數(shù)S71200PLC編程及應用第三版課件第7、8章打開項目“1200PID閉環(huán)控制”。為了保證精確的采樣時間，在循環(huán)中斷OB30中調(diào)用PID_Compact指令，循環(huán)時間為300ms。背景數(shù)據(jù)塊的名稱為PID_DB。Setpoint是設定值，Input、Output是實數(shù)類型的輸入、輸出，Input_PER和IOutput_PER是模擬量外設輸入、輸出。打開項目“1200PID閉環(huán)控制”。為了保證精確的采參數(shù)State顯示PID控制器的當前工作模式，0~5分別是未激活，預調(diào)節(jié)，精確調(diào)節(jié)，自動模式，手動模式，帶錯誤監(jiān)視的替代輸出值。Error位為錯誤位，ErrorBits顯示處于未決狀態(tài)的錯誤消息。8.1.3PID_Compact指令的組態(tài)與調(diào)試

1．PID參數(shù)組態(tài)雙擊項目樹的“\工藝對象\PID_DB”文件夾中的“組態(tài)”，在工作區(qū)打開PID的組態(tài)窗口。在左邊窗口將“控制器類型”設置為“常規(guī)”，單位為%。對于PID輸出增大時被控量減小的設備（例如制冷設備），應勾選“反轉(zhuǎn)控制邏輯”復選框。如果勾選了“CPU重啟后激活Mode”復選框，CPU重啟后將激活圖中設置的自動模式。參數(shù)State顯示PID控制器的當前工作模式，0~選中巡視視圖左邊的“Input/Output參數(shù)”，Setpoint是設定值，Input是輸入值（即被控變量的反饋值），Output是輸出值。可以用各數(shù)值左邊的下拉式列表選擇數(shù)值來自指令或來自背景數(shù)據(jù)塊。用Input下面的下拉式列表選擇輸入值是來自用戶程序的Input，或是模擬量外設輸入Input_PER（模擬量），即直接指定模擬量輸入的地址。用Output下面的下拉式列表選擇輸出值為來自用戶程序的Output、Output_PWM或Output_PER。“過程值限值”采用默認的過程值上限（120.0%）和下限（0.0%）?！斑^程值標定”采用默認的比例，標定的過程值上、下限分別為0.0%和100.0%時，A-D轉(zhuǎn)換后對應的數(shù)字為0.0～27648.0。選中左邊窗口“高級設置”文件夾中的“過程值監(jiān)視”，可以設置輸入的上限報警值和下限報警值。選中巡視視圖左邊的“Input/Output參數(shù)”“PWM限制”用于設置PWM的最小接通時間和最小關閉時間?！拜敵鲋迪拗怠痹O置用于設置輸出變量的限制值。選中“PID參數(shù)”，勾選“啟用手動輸入”，可設置PID控制器參數(shù)?！癙WM限制”用于設置PWM的最小接通時間和最小關閉時

2．PID參數(shù)的調(diào)試雙擊項目樹的“\PLC_1\工藝對象\PID_DB”文件夾中的“調(diào)試”，打開PID調(diào)試窗口。2．PID參數(shù)的調(diào)試調(diào)試窗口被3根水平分隔條分隔為4個分區(qū)，可以用鼠標移動水平分隔條。將程序和組態(tài)數(shù)據(jù)下載到CPU。將采樣時間設置為0.3s。單擊“Start”按鈕，開始用曲線圖監(jiān)視PID控制器的設定值方波、標定的過程值和PID輸出。

單擊曲線圖工具欄上的按鈕，可以顯示或隱藏圖例，將圖例放在顯示屏的右上角或左上角。可以用曲線圖下面的表格修改曲線的顏色，隱藏或重新顯示Output曲線?？梢杂谩按怪笨s放選擇”和“水平縮放選擇”按鈕，對曲線圖的縱軸和橫軸進行比例縮放。“縮放選擇”對縱軸和橫軸同時進行比例縮放。“放大”按鈕和“縮小”按鈕同時對時間軸和數(shù)值軸的范圍進行放大或縮小。“顯示全部”按鈕按比例縮放可用數(shù)據(jù)的顯示屏，從而顯示完整的時間范圍和所有數(shù)值。該按鈕可以再次激活曲線的動態(tài)變化。單擊按下“移動視圖”按鈕，用鼠標左鍵按住曲線圖中的曲線可以移動它。調(diào)試窗口被3根水平分隔條分隔為4個分區(qū)，可以用鼠標移8.2PID參數(shù)的手動整定方法8.2.1PID參數(shù)的整定方法

1．PID參數(shù)與系統(tǒng)動靜態(tài)性能的關系

（1）比例增益PID控制器輸出中的比例部分與誤差成正比，增益KC太小，調(diào)節(jié)的力度不夠，使調(diào)節(jié)時間過長。增益過大，調(diào)節(jié)力度太強，造成調(diào)節(jié)過頭，使被控量來回震蕩，超調(diào)量過大。如果閉環(huán)系統(tǒng)沒有積分作用，單純的比例控制的穩(wěn)態(tài)誤差與增益成反比，很難兼顧動態(tài)性能和靜態(tài)性能。

（2）積分時間

積分對應于圖中誤差曲線e(t)與坐標軸包圍的面積）。一般用圖中的矩形面積之和來近似精確積分。

每次PID運算時，在原來的積分值的基礎上，積分作用增加一個與當前的誤差值成正比的微小部分。積分時間TI在積分項的分母中。

積分控制根據(jù)當時的誤差值，每個采樣周期都要微調(diào)PID的輸出。只要誤差不為零，積分項就會向減小誤差的方向變化，積分部分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差。8.2PID參數(shù)的手動整定方法每次PID運算時

積分有滯后特性，積分作用太強，會使系統(tǒng)的動態(tài)性能變差，超調(diào)量增大。積分作用太弱，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度太慢。積分一般與比例作用一起使用。

（3）微分時間

微分項與誤差的一階導數(shù)成正比，微分部分反映了被控量變化的趨勢。誤差增大時微分為正，反之為負。誤差變化越快，微分部分的絕對值越大。

在右圖中啟動過程的上升階段，被控量尚未超過其穩(wěn)態(tài)值，超調(diào)還沒有出現(xiàn)。但是因為被控量不斷增大，誤差e(t)不斷減小，控制器輸出量的微分分量為負，使控制器的輸出量減小，相當于減小了溫度控制系統(tǒng)加熱的功率，提前給出了制動作用，以阻止溫度上升過快。積分有滯后特性，積分作用太強，會使系統(tǒng)的動態(tài)性能變差

因此微分具有超前和預測的作用，適當?shù)奈⒎挚刂谱饔每梢詼p小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時間。

（4）采樣周期

確定采樣周期時，應保證在被控量迅速變化的區(qū)段有足夠多的采樣點數(shù)，不會丟失被采集的模擬量中的重要信息。

2．PID參數(shù)的整定方法在手動調(diào)節(jié)時，為了減少需要整定的參數(shù)，可以首先采用PI控制算法。如果超調(diào)量太大，經(jīng)過多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不穩(wěn)定，應減小增益、增大積分時間。如果階躍響應沒有超調(diào)量，但是被控量上升過于緩慢，過渡過程時間太長，應按相反的方向調(diào)整參數(shù)。如果消除誤差的速度較慢，可以適當減小積分時間。反復調(diào)節(jié)KP和TI，如果超調(diào)量仍然較大，可以加入微分，TD從0逐漸增大，反復調(diào)節(jié)KP、TI和TD。調(diào)節(jié)KP時，同時會影響到積分分量和微分分量的值。如果響應曲線第一次到達穩(wěn)態(tài)值的上升時間較長（上升緩慢），可以適當增大增益KP。如果因此使超調(diào)量增大，可以通過增大積分時間和調(diào)節(jié)微分時間來補償。

3．怎樣確定PID控制器的初始參數(shù)值因此微分具有超前和預測的作用，適當?shù)奈⒎挚刂谱饔每梢詾榱吮ＷC系統(tǒng)的安全，避免出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定或超調(diào)量過大的異常情況，在調(diào)試開始時應設置比較保守的參數(shù)，例如增益不要太大，積分時間不要太小。給出一個階躍給定信號后，觀察系統(tǒng)輸出量的波形。根據(jù)輸出波形提供的系統(tǒng)性能指標的信息，以及PID參數(shù)與系統(tǒng)性能的關系，反復調(diào)節(jié)PID的參數(shù)。8.2.2PID參數(shù)的手動整定實驗

1．使用模擬的被控對象的PID閉環(huán)控制程序例程“1200PID閉環(huán)控制”用名為“被控對象”的函數(shù)塊來模擬廣義被控對象，在OB30中調(diào)用PID_Compact指令和函數(shù)塊“被控對象”，實現(xiàn)閉環(huán)PID控制。被控對象的數(shù)學模型為3個串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)，其增益為GAIN，慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)分別為TIM1～TIM3。其傳遞函數(shù)為為了保證系統(tǒng)的安全，避免出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定或超調(diào)量過大的將某一時間常數(shù)設為0，可以減少慣性環(huán)節(jié)的個數(shù)。DISV是系統(tǒng)的擾動輸入值。OB1中定時器T1和T2組成方波振蕩器，T1的輸出位“T1”.Q的常開觸點的接通和斷開的時間均為30s。變量“設定值”是PID_Compact指令的浮點數(shù)設定值Setpoint的實參。設定值是幅值為20.0%和70.0%、周期為60s的方波。OB30中的FB“被控對象”的參數(shù)COM_RST的實參為FirstScan，首次掃描時將“被控對象”的輸出OUTV初始化為0。各時間變量是以ms為單位的實數(shù)。將某一時間常數(shù)設為0，可以減少慣性環(huán)節(jié)的個數(shù)。DIS

2．PID閉環(huán)控制的仿真實驗現(xiàn)在還不能對S7-1200的PID控制仿真，可以用例程“1500PID閉環(huán)控制”，實現(xiàn)對PID閉環(huán)控制的純軟件仿真。例程“1500PID閉環(huán)控制”與“1200PID閉環(huán)控制”除了CPU不同外，程序完全相同。后一個項目用于S7-1200的硬件實驗。兩種實驗的效果相同。

3．PID參數(shù)的手動調(diào)節(jié)打開“1500PID閉環(huán)控制”，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)和用戶程序下載到硬件PLC或仿真PLC后，PLC切換到RUN模式。打開PID調(diào)試窗口，隱藏PID輸出曲線。PID的初始參數(shù)如下：比例增益1.5，積分時間3s，微分時間0s，采樣時間0.3s，比例作用和微分作用的權(quán)重均為1.0，模式為PID控制器。打開調(diào)試窗口，將采樣時間設置為0.3s，單擊采樣時間右邊的“Start”按鈕，啟動測量過程。超調(diào)量大于20%，有多次震蕩。打開組態(tài)窗口的PID參數(shù)組態(tài)頁面，單擊“監(jiān)視所有”按鈕，切換到離線模式，將積分時間由3s改為8s。單擊該按鈕，啟動監(jiān)視，單擊“初始化設定值”按鈕，修改后的值下載到CPU。增大積分時間（減小積分作用）后，超調(diào)量減小到小于20%。打開組態(tài)窗口，將微分時間由0s改為0.1s。修改后的值被下載到CPU以后，超調(diào)量由接近20%減小到10%。2．PID閉環(huán)控制的仿真實驗將微分時間由0.1s增大到0.8s后下載到CPU。階躍響應的過程值的平均值曲線變得很遲緩，還疊加了一些較高頻率的波形。由此可見微分時間需要恰到好處，才能發(fā)揮它的正面作用。將微分時間恢復到0.1s，比例增益由1.5減小到1.0。減小比例增益后，超調(diào)量進一步減小，但是消除誤差的速度較慢。將積分時間由8s減小到3s，將修改后的值下載到CPU。消除誤差的速度加快，超調(diào)量不到10%，這是比較理想的響應曲線。將比例系數(shù)由1.0減小到0.3，將修改后的值下載到CPU后，響應曲線的上升速度太慢。應增大比例增益。

4．仿真系統(tǒng)的程序與實際的PID程序的區(qū)別對于工程實際應用，在例程“PID控制”的基礎上，程序應作下列改動：1）刪除OB30中的函數(shù)塊“被控對象”和OB1中產(chǎn)生方波給定信號的程序。2）實際的PID控制程序一般使用來自AI模塊的過程變量Input_PER，例如IW96。不用設置浮點數(shù)的過程變量輸入Input的實參。3）不用設置浮點數(shù)輸出Output的實參，Output_PER設為實際使用的AQ模塊的通道地址。4）如果需要切換自動/手動工作模式，參數(shù)ManualEnable應設置為切換工作模式的Bool變量。手動時該變量為1狀態(tài)，參數(shù)ManualValue是手動值的地址。將微分時間由0.1s增大到0.8s后下載到CPU。階8.3PID參數(shù)自整定PID_Compact具有參數(shù)自整定功能。自整定分為預調(diào)節(jié)和精確調(diào)節(jié)兩個階段。1．項目簡介“1200PID參數(shù)自整定”與項目“1200PID閉環(huán)控制”的程序結(jié)構(gòu)相同。PID_Compact指令和模擬被控對象的函數(shù)塊“被控對象”組成了PID閉環(huán)控制系統(tǒng)。在OB1中用I0.0使MD12中的設定值在0.0%和70%之間切換?？梢杂庙椖俊?500PID參數(shù)自整定”做仿真實驗。

2．預調(diào)節(jié)實驗

將用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)下載到硬件PLC或仿真PLC。在PID整定窗口設置PID的增益值為0.3，切換到PID調(diào)節(jié)窗口。設置“采樣時間”為0.3s，單擊采樣時間右邊的“Start”按鈕，啟動測量。設置調(diào)節(jié)模式為“預調(diào)節(jié)”。令I0.0變?yōu)?狀態(tài)，使設定值從0跳變到70%，立即單擊“調(diào)節(jié)模式”區(qū)的“Start”按鈕，啟動預調(diào)節(jié)。紅色的PID輸出值跳變?yōu)?0%左右的恒定值，過程變量按指數(shù)規(guī)律上升。預調(diào)節(jié)成功地完成后，狀態(tài)欄出現(xiàn)“系統(tǒng)已調(diào)節(jié)”的信息，誤差迅速趨近于0，過程變量和設定值曲線基本上重合。8.3PID參數(shù)自整定S71200PLC編程及應用第三版課件第7、8章3．精確調(diào)節(jié)實驗預調(diào)節(jié)結(jié)束后，設置調(diào)節(jié)模式為“精確調(diào)節(jié)”。單擊“調(diào)節(jié)模式”區(qū)的“Start”按鈕，啟動精確調(diào)節(jié)。經(jīng)過一段時間后，紅色的PID輸出曲線以方波波形變換，過程變量曲線在設定值水平線上下一定范圍內(nèi)波動。精確調(diào)節(jié)結(jié)束后，狀態(tài)欄出現(xiàn)“系統(tǒng)已調(diào)節(jié)”的信息。4．上傳PID參數(shù)精確調(diào)節(jié)成功完成后，單擊“上傳PID參數(shù)”按鈕，將CPU中的PID參數(shù)上傳到離線的項目中。令I0.0為0狀態(tài)，過程值下降到0以后，令I0.0為1狀態(tài)，使設定值由0跳變到70%，觀察過程變量的響應曲線和超調(diào)量。3．精確調(diào)節(jié)實驗S71200PLC編程及應用第三版課件第7、8章第7章精簡系列面板的組態(tài)與應用7.1精簡系列面板

1．人機界面

在控制領域，人機界面一般特指用于操作人員與控制系統(tǒng)之間進行對話和相互作用的專用設備。人機界面可以用字符、圖形和動畫動態(tài)地顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)和狀態(tài)，操作人員可以通過人機界面來控制現(xiàn)場的被控對象。此外，人機界面還有報警、用戶管理、數(shù)據(jù)記錄、趨勢圖、配方管理、通信等功能。

2．觸摸屏用戶可以在觸摸屏上生成滿足自己要求的觸摸式按鍵。觸摸屏使用直觀方便，易于操作?，F(xiàn)在的觸摸屏一般使用TFT液晶顯示器。

3．人機界面的工作原理首先需要用計算機上運行的組態(tài)軟件對人機界面組態(tài)。生成滿足用戶要求的畫面。組態(tài)結(jié)束后將畫面和組態(tài)信息編譯和下載到人機界面的存儲器中。在控制系統(tǒng)運行時，人機界面和PLC之間通過通信來交換信息，從而實現(xiàn)人機界面的各種功能。第7章精簡系列面板的組態(tài)與應用7.1精簡系列面板4.精簡系列面板精簡系列面板主要與S7-1200配套，它適用于簡單應用，有很高的性能價格比，有觸摸屏和功能可以定義的按鍵。第二代精簡面板有4.3in、7in、9in和12in的高分辨率64K色寬屏顯示器，支持垂直安裝，用TIA博途V13或更高版本組態(tài)。有一個RS-422/RS-485接口，一個RJ45以太網(wǎng)接口和一個USB2.0接口。采用TFT真彩液晶屏，64K色。RJ45以太網(wǎng)接口的通信速率為10M/100Mbit/s。

5．西門子的其他人機界面簡介高性能的精智系列面板有顯示器為4in、7in、9in、12in和15in的按鍵型和觸摸型面板，還有22in的觸摸型面板。支持多種通信協(xié)議，有PROFINET接口和USB接口。精彩系列面板SmartLineIE是與S7-200和S7-200SMART配套的觸摸屏，有7in和10in兩種顯示器，有以太網(wǎng)接口和RS-422/485接口。Smart700IE具有很高的性能價格比。移動面板可以在不同的地點靈活應用。MobilePanel177的顯示器為5.7in，MobilePanel277的顯示器有8in和10in兩種規(guī)格。此外還有8in的無線移動面板。4.精簡系列面板

6．博途中的WinCC簡介

STEP7內(nèi)含的WinCCBasic可以用于精簡系列面板的組態(tài)。TIA博途中的WinCCProfessional可以對精彩系列面板之外的西門子HMI組態(tài)，精彩系列面板用WinCClexible組態(tài)。7.2精簡系列面板的畫面組態(tài)7.2.1畫面組態(tài)的準備工作

1．添加HMI設備在項目視圖中生成一個名為“PLC_HMI”的新項目，CPU為CPU1214C。單擊“添加新設備”對話框中的“HMI”按鈕，去掉復選框“啟動設備向?qū)А钡墓?，添加一塊4in的第二代精簡系列面板KTP400BasicPN。

2．組態(tài)連接單擊按下網(wǎng)絡視圖工具欄上的“連接”按鈕，設置連接類型為“HMI連接”。用拖拽的方法生成“HMI_連接_1”。6．博途中的WinCC簡介

3．打開畫面將自動生成的“畫面_1”的名稱改為“根畫面”。雙擊打開根畫面，可以用工作區(qū)下面的有%的下拉式列表來改變畫面的放大倍數(shù)。也可以用該按鈕右邊的滑塊快速設置畫面的顯示比例。單擊選中畫面，用巡視窗口中“背景色”選擇框設置畫面的背景色為白色。

4．對象的移動與縮放在畫面上生成一個按鈕，單擊選中該按鈕，按鈕四周出現(xiàn)8個小正方形。將鼠標的光標放到按鈕上，光標變?yōu)槭旨^圖形。按住鼠標左鍵并移動鼠標，可將按鈕移動到希望的位置。用鼠標左鍵單擊選中按鈕，選中某個角的小正方形，鼠標的光標變?yōu)?5的雙向箭頭，按住左鍵并移動鼠標，可以同時改變按鈕的長度和寬度。

用鼠標左鍵選中按鈕4條邊中點的某個小正方形，鼠標的光標變?yōu)樗交虼怪钡碾p向箭頭，按住左鍵并移動鼠標，可將選中的對象沿水平方向或垂直方向放大或縮小。7.2.2組態(tài)指示燈與按鈕

1．生成和組態(tài)指示燈指示燈用來顯示BOOL變量“電動機”的狀態(tài)。將工具箱的選項板“基本對象”中的“圓”拖放到畫面上希望的位置。用鼠標調(diào)節(jié)圓的位置和大小。3．打開畫面選中圓后選中巡視窗口的“外觀”，設置圓的邊框為默認的黑色，樣式為實心，寬度為3個像素點，填充色為深綠色，填充圖案為實心。選中巡視窗口的“布局”，可以微調(diào)圓的位置和大小。選中巡視窗口的“屬性>動畫>顯示”，雙擊“添加新動畫”，再雙擊出現(xiàn)的“添加動畫”對話框中的“外觀”。設置指示燈在PLC的位變量“電動機”的“范圍”值為0和1時，背景色分別為深綠色和淺綠色，對應于指示燈熄滅和點亮。選中圓后選中巡視窗口的“外觀”，設置圓的邊框為默認的

2．生成和組態(tài)按鈕按鈕用來將各種操作命令發(fā)送給PLC。將工具箱的“按鈕”圖標拖放到畫面上，用鼠標調(diào)節(jié)按鈕的位置和大小。單擊選中放置的按鈕，選中巡視窗口的“常規(guī)”，用單選框選中“模式”域和“標簽”域的“文本”，輸入按鈕未按下時顯示的文本為“起動”。如果選中復選框“按鈕‘按下’時顯示的文本”，可以分別設置未按下時和按下時顯示的文本。未選中它時，按下和未按下時按鈕上顯示的文本相同。選中巡視窗口的“外觀”，設置按鈕的背景色為淺灰色，文本色為黑色。選中巡視窗口的“布局”，如果選中復選框“使對象適合內(nèi)容”，將根據(jù)按鈕上的文本的字數(shù)和字體大小自動調(diào)整按鈕的大小。選中巡視窗口的“文本格式”，可以定義以像素點（px）為單位的文字的大小。字體為宋體，不能更改?？梢栽O置字形和附加效果。2．生成和組態(tài)按鈕

3．設置按鈕的事件功能選中巡視窗口的“屬性>事件>釋放”，單擊視圖右邊窗口的表格最上面一行，選擇“系統(tǒng)函數(shù)”列表中的函數(shù)“復位位”。單擊表中第2行，選中PLC的默認變量表中的變量“起動按鈕”。在HMI運行時按下該按鈕，將變量“起動按鈕”復位為0狀態(tài)。選中巡視窗口的“屬性>事件>按下”，用同樣的方法設置在HMI運行時按下該按鈕，執(zhí)行系統(tǒng)函數(shù)“置位位”。該按鈕為點動按鈕。選中組態(tài)好的按鈕，執(zhí)行復制和粘貼操作。放置好新生成的按鈕后選中它，設置其文本為“停止”，按下該按鈕時將變量“停止按鈕”置位，放開該按鈕時將它復位。3．設置按鈕的事件功能7.2.3組態(tài)文本域與I/O域1．生成與組態(tài)文本域?qū)⒐ぞ呦渲械奈谋居驁D標拖放到畫面上，單擊選中它，選中巡視窗口的“常規(guī)”，鍵入文本“當前值”?？梢栽凇俺Ｒ?guī)”屬性中設置字體大小和“適合大小”。在“外觀”對話框設置其背景色為淺藍色，填充圖案為實心，文本顏色為黑色。邊框的寬度為0（沒有邊框）。在“布局”對話框設置四周的邊距均為3，選中復選框“使對象適合內(nèi)容”。在“文本格式”屬性中設置字體的大小為16個像素點。選中畫面上的文本域，執(zhí)行復制和粘貼操作。放置好新生成的文本域后選中它，設置其文本為“預設值”，背景色為白色，其他屬性不變。2．生成與組態(tài)I/O域有3種模式的I/O域：

輸出域用于顯示PLC的變量的數(shù)值。

輸入域用于操作員鍵入數(shù)字或字母，并用PLC的變量保存它們的值。

輸入/輸出域同時具有輸入域和輸出域的功能。7.2.3組態(tài)文本域與I/O域?qū)⒐ぞ呦渲械腎/O域圖標拖放到畫面上文本域“當前值”的右邊，選中生成的I/O域。選中巡視窗口的“常規(guī)”，設置I/O域為輸出域，連接的過程變量為“當前值”。該變量的數(shù)據(jù)類型為Time（以ms為單位的雙整數(shù)時間值）。在“格式”域，采用默認的顯示格式“十進制”，設置“格式樣式”為有符號數(shù)s9999999，小數(shù)點后的位數(shù)為3。在“外觀”視圖設置IO域的單位為s（秒），畫面上I/O域的顯示格式為“+000.000s”，背景色為灰色。“布局”“文本格式”屬性的設置與文本域的相同。選中畫面上的I/O域，執(zhí)行復制和粘貼操作。放置好新生成的I/O域后選中它，單擊巡視窗口的“屬性>屬性>常規(guī)”，設置其模式為“輸入/輸出”，連接的過程變量為“預設值”，變量的數(shù)據(jù)類型為Time，屬性與前一個I/O域基本上相同，背景色為白色。將工具箱中的I/O域圖標拖放到畫面上文本域“當前值”7.3精簡系列面板的仿真與運行7.3.1PLC與HMI的集成仿真1.HMI仿真調(diào)試的方法WinCC的運行系統(tǒng)（Runtime）用來在計算機上運行用WinCC的工程系統(tǒng)組態(tài)的項目。在沒有HMI設備的情況下，可以用運行系統(tǒng)來對HMI設備仿真。有下列3種仿真調(diào)試的方法，本節(jié)主要介紹集成仿真。

（1）使用變量仿真器仿真如果手中既沒有HMI設備，也沒有PLC，可以用變量仿真器來檢查人機界面的部分功能。因為沒有運行PLC的用戶程序，這種仿真方法只能模擬實際系統(tǒng)的部分功能。

（2）使用S7-PLCSIM和運行系統(tǒng)的集成仿真用WinCC的運行系統(tǒng)對HMI設備仿真，用S7-PLCSIM對S7-300/400/1200/1500仿真。不需要HMI設備和PLC的硬件，接近真實控制系統(tǒng)的運行情況。

（3）連接硬件PLC的仿真如果有硬件PLC，在建立起計算機和S7PLC通信連接的情況下，用計算機模擬HMI設備的功能。這種仿真的效果與實際系統(tǒng)基本上相同。7.3精簡系列面板的仿真與運行2．PLC與HMI的變量表HMI的變量分為外部變量和內(nèi)部變量。外部變量是PLC中定義的存儲單元的映像，其值隨PLC程序的執(zhí)行而改變。HMI的內(nèi)部變量存貯在HMI設備的存儲器中，與PLC沒有連接關系，只有HMI設備能訪問內(nèi)部變量。內(nèi)部變量只有名稱，沒有地址。PLC的默認變量表中的“起動按鈕”和“停止按鈕”信號來自HMI畫面上的按鈕，用畫面上的指示燈顯示變量“電動機”的狀態(tài)。2．PLC與HMI的變量表在HMI默認的變量表中，將變量“電動機”和“當前值”的采集周期由1s改為100ms。單擊空白行的“PLC變量”列，可以用打開的對話框?qū)LC變量表中的變量傳送到HMI變量表。在組態(tài)畫面上的按鈕時，如果使用了PLC的變量表中的變量，該變量將會自動地添加到HMI的變量表中。在HMI默認的變量表中，將變量“電動機”和“當前值”3．PLC的程序組態(tài)CPU屬性時，設置MB1為系統(tǒng)存儲器字節(jié)，首次掃描時FirstScan（M1.0）的常開觸點接通，MOVE指令將變量“預設值”設置為10s。變量“預設值”和“當前值”的數(shù)據(jù)類型為Time。T1是TON的背景數(shù)據(jù)塊的符號地址?！癟1”.Q是TON的位輸出，定時器和“T1”.Q的常閉觸點組成了一個鋸齒波發(fā)生器，其當前值在0到其預設時間值PT之間反復變化。3．PLC的程序4．PLC與HMI的集成仿真雙擊Windows7的控制面板中的“設置PG/PC接口”，單擊“為使用的接口分配參數(shù)”列表框中的“PLCSIMS7-1200/S7-1500.TCPIP.1”，設置“應用程序訪問點”為“S7ONLINE(STEP7)-->PLCSIMS7-1200/S7-1500.TCPIP.1”。4．PLC與HMI的集成仿真選中項目樹中的PLC_1，單擊工具欄上的“開始仿真”按鈕，打開S7-PLCSIM。將程序下載到仿真CPU，仿真PLC自動切換到RUN模式。選中博途中的HMI_1站點，單擊工具欄上的“開始仿真”按鈕，起動HMI運行系統(tǒng)仿真器，出現(xiàn)仿真面板的根畫面。檢查畫面中的按鈕是否能控制指示燈。畫面上定時器的當前值應從0s開始不斷增大，等于預設值時又從0s開始增大。單擊畫面上“預設值”右側(cè)的的輸入/輸出域，用出現(xiàn)的數(shù)字鍵盤修改預設值。修改后當前值按新的預設值變化。7.3.2HMI與PLC通信的組態(tài)與操作本節(jié)以精智面板TP700和S7-1200的通信為例。

1．用HMI的控制面板設置通信參數(shù)

TP700通電，結(jié)束啟動過程后，屏幕顯示W(wǎng)indowsCE的桌面，屏幕中間是StartCenter。選中項目樹中的PLC_1，單擊工具欄上的“開始仿真”“Transfer”按鈕用于將HMI設備切換到傳輸模式。“Start”按鈕用于打開保存在HMI設備中的項目，并顯示啟動畫面。按下“Settings”按鈕，打開控制面板。雙擊“Transfer”按鈕，打開“TransferSettings”對話框。選中“Automatic”，采用自動傳輸模式。選中“Transferchannel”列表中的PN/IE。單擊“Properties”按鈕，打開網(wǎng)絡連接對話框?！癟ransfer”按鈕用于將HMI設備切換到傳輸模雙擊網(wǎng)絡連接對話框中的PN_X1（以太網(wǎng)接口）圖標，打開“‘PN_X1’Settings”對話框。用單選框選中“SpecifyanIPaddress”，由用戶設置PN_X1的IP地址。用屏幕鍵盤輸入IP地址和子網(wǎng)掩碼，“DefaultGateway”是默認的網(wǎng)關。設置好后按“OK”按鈕退出。雙擊網(wǎng)絡連接對話框中的PN_X1（以太網(wǎng)接口）圖標，

2．下載的準備工作設置好HMI的通信參數(shù)之后，用“設置PG/PC接口”對話框，設置應用程序訪問點為實際使用的計算機網(wǎng)卡和通信協(xié)議。設置計算機的以太網(wǎng)卡的IP地址為192.168.0.x，第4個字節(jié)的值x不能與別的設備相同，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。

3．將組態(tài)信息下載到PLC用以太網(wǎng)電纜、交換機或路由器連接好計算機、PLC、HMI和遠程I/O的以太網(wǎng)接口。選中項目樹中的PLC_1，下載PLC的程序和組態(tài)信息。下載結(jié)束后PLC被切換到RUN模式。

4．將組態(tài)信息下載到HMI

接通HMI的電源，單擊出現(xiàn)的啟動中心的“Transfer”按鈕，打開傳輸對話框，HMI處于等待接收上位計算機信息的狀態(tài)。選中項目樹中的HMI_1，下載HMI的組態(tài)信息。下載結(jié)束后，HMI自動打開初始畫面。

如果選中了圖7-23中的“Automatic”，在項目運行期間下載，將會關閉正在運行的項目，自動切換到“Transfer”運行模式，開始傳輸新項目。傳輸結(jié)束后將會啟動新項目，顯示啟動畫面。

5．驗證PLC和HMI的功能將用戶程序和組態(tài)信息分別下載到CPU和HMI后，用以太網(wǎng)電纜連接CPU和HMI的以太網(wǎng)接口。兩臺設備通電后，經(jīng)過一定的時間，面板顯示根畫面。檢驗HMI功能的方法與集成仿真基本上相同。2．下載的準備工作第8章S7-1200在模擬量閉環(huán)控制中的應用8.1

模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)與PID_Compact指令8.1.1模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)

1．模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)

被控量c(t)被傳感器和變送器轉(zhuǎn)換為標準量程的直流電流、電壓信號PV(t)，AI模塊中的A-D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換為多位二進制數(shù)過程變量PVn。SPn為設定值，誤差e(n)

=

SPn

PVn。AQ模塊的D-A轉(zhuǎn)換器將PID控制器的數(shù)字量輸出值Mn轉(zhuǎn)換為模擬量M(t)，再去控制執(zhí)行機構(gòu)。PID程序的執(zhí)行是周期性的操作，其間隔時間稱為采樣周期TS。

第8章S7-1200在模擬量閉環(huán)控制中的應用

2．閉環(huán)控制的工作原理

閉環(huán)負反饋控制可以使過程變量PVn等于或跟隨設定值SPn。假設實際溫度值c(t)低于給定的溫度值，誤差en為正，M(t)將增大，使執(zhí)行機構(gòu)（電動調(diào)節(jié)閥）的開度增大，進入加熱爐的天然氣流量增加，加熱爐的溫度升高，最終使實際溫度接近或等于設定值。

3．變送器的選擇AI模塊的電壓輸入端的輸入阻抗很高，微小的干擾信號電流將在模塊的輸入阻抗上產(chǎn)生很高的干擾電壓。遠程傳送的模擬量電壓信號的抗干擾能力很差。電流輸出型變送器具有恒流源的性質(zhì)，恒流源的內(nèi)阻很大。AI模塊的輸入為電流時，輸入阻抗位為280。干擾信號在模塊的輸入阻抗上產(chǎn)生的干擾電壓很低，模擬量電流信號適用于遠程傳送。

四線制電流輸出變送器有兩根電源線和兩根信號線。二線制變送器只有兩根外部接線，它們既是電源線，也是信號線，輸出4～20mA的信號電流。

2．閉環(huán)控制的工作原理5．閉環(huán)控制系統(tǒng)主要性能指標

系統(tǒng)進入并停留在穩(wěn)態(tài)值c(∞)上下±5%（或2％）的誤差帶內(nèi)的時間tS稱為調(diào)節(jié)時間。被控量c(t)從0上升，第一次到達穩(wěn)態(tài)值c(∞)的時間稱為上升時間tr。

穩(wěn)態(tài)誤差是指響應進入穩(wěn)態(tài)后，輸出量的期望值與實際值之差。4．閉環(huán)控制反饋極性的確定

調(diào)試時斷開AQ模塊與執(zhí)行機構(gòu)之間的連線，在開環(huán)狀態(tài)下運行PID控制程序。如果控制器有積分環(huán)節(jié)，因為反饋被斷開了，AQ模塊的輸出會向一個方向變化。這時如果假設接上執(zhí)行機構(gòu)，能減小誤差，則為負反饋，反之為正反饋。5．閉環(huán)控制系統(tǒng)主要性能指標4．閉環(huán)控制反饋8.1.2PID_Compact指令的算法與參數(shù)模擬量PID控制器輸出值的拉氏變換表達式為

式中，y為PID算法的輸出值；KP為比例增益；b為比例作用權(quán)重；w為設定值；x為過程值；s為自動控制理論中的拉普拉斯運算符；TI為積分作用時間；TD為微分作用時間；a為微分延遲系數(shù)；微分延遲T1=

aTD；c為微分作用權(quán)重。8.1.2PID_Compact指令的算法與參數(shù)S71200PLC編程及應用第三版課件第7、8章打開項目“1200PID閉環(huán)控制”。為了保證精確的采樣時間，在循環(huán)中斷OB30中調(diào)用PID_Compact指令，循環(huán)時間為300ms。背景數(shù)據(jù)塊的名稱為PID_DB。Setpoint是設定值，Input、Output是實數(shù)類型的輸入、輸出，Input_PER和IOutput_PER是模擬量外設輸入、輸出。打開項目“1200PID閉環(huán)控制”。為了保證精確的采參數(shù)State顯示PID控制器的當前工作模式，0~5分別是未激活，預調(diào)節(jié)，精確調(diào)節(jié)，自動模式，手動模式，帶錯誤監(jiān)視的替代輸出值。Error位為錯誤位，ErrorBits顯示處于未決狀態(tài)的錯誤消息。8.1.3PID_Compact指令的組態(tài)與調(diào)試

1．PID參數(shù)組態(tài)雙擊項目樹的“\工藝對象\PID_DB”文件夾中的“組態(tài)”，在工作區(qū)打開PID的組態(tài)窗口。在左邊窗口將“控制器類型”設置為“常規(guī)”，單位為%。對于PID輸出增大時被控量減小的設備（例如制冷設備），應勾選“反轉(zhuǎn)控制邏輯”復選框。如果勾選了“CPU重啟后激活Mode”復選框，CPU重啟后將激活圖中設置的自動模式。參數(shù)State顯示PID控制器的當前工作模式，0~選中巡視視圖左邊的“Input/Output參數(shù)”，Setpoint是設定值，Input是輸入值（即被控變量的反饋值），Output是輸出值?？梢杂酶鲾?shù)值左邊的下拉式列表選擇數(shù)值來自指令或來自背景數(shù)據(jù)塊。用Input下面的下拉式列表選擇輸入值是來自用戶程序的Input，或是模擬量外設輸入Input_PER（模擬量），即直接指定模擬量輸入的地址。用Output下面的下拉式列表選擇輸出值為來自用戶程序的Output、Output_PWM或Output_PER?！斑^程值限值”采用默認的過程值上限（120.0%）和下限（0.0%）?！斑^程值標定”采用默認的比例，標定的過程值上、下限分別為0.0%和100.0%時，A-D轉(zhuǎn)換后對應的數(shù)字為0.0～27648.0。選中左邊窗口“高級設置”文件夾中的“過程值監(jiān)視”，可以設置輸入的上限報警值和下限報警值。選中巡視視圖左邊的“Input/Output參數(shù)”“PWM限制”用于設置PWM的最小接通時間和最小關閉時間?！拜敵鲋迪拗怠痹O置用于設置輸出變量的限制值。選中“PID參數(shù)”，勾選“啟用手動輸入”，可設置PID控制器參數(shù)。“PWM限制”用于設置PWM的最小接通時間和最小關閉時

2．PID參數(shù)的調(diào)試雙擊項目樹的“\PLC_1\工藝對象\PID_DB”文件夾中的“調(diào)試”，打開PID調(diào)試窗口。2．PID參數(shù)的調(diào)試調(diào)試窗口被3根水平分隔條分隔為4個分區(qū)，可以用鼠標移動水平分隔條。將程序和組態(tài)數(shù)據(jù)下載到CPU。將采樣時間設置為0.3s。單擊“Start”按鈕，開始用曲線圖監(jiān)視PID控制器的設定值方波、標定的過程值和PID輸出。

單擊曲線圖工具欄上的按鈕，可以顯示或隱藏圖例，將圖例放在顯示屏的右上角或左上角?？梢杂们€圖下面的表格修改曲線的顏色，隱藏或重新顯示Output曲線。可以用“垂直縮放選擇”和“水平縮放選擇”按鈕，對曲線圖的縱軸和橫軸進行比例縮放?！翱s放選擇”對縱軸和橫軸同時進行比例縮放?！胺糯蟆卑粹o和“縮小”按鈕同時對時間軸和數(shù)值軸的范圍進行放大或縮小?！帮@示全部”按鈕按比例縮放可用數(shù)據(jù)的顯示屏，從而顯示完整的時間范圍和所有數(shù)值。該按鈕可以再次激活曲線的動態(tài)變化。單擊按下“移動視圖”按鈕，用鼠標左鍵按住曲線圖中的曲線可以移動它。調(diào)試窗口被3根水平分隔條分隔為4個分區(qū)，可以用鼠標移8.2PID參數(shù)的手動整定方法8.2.1PID參數(shù)的整定方法

1．PID參數(shù)與系統(tǒng)動靜態(tài)性能的關系

（1）比例增益PID控制器輸出中的比例部分與誤差成正比，增益KC太小，調(diào)節(jié)的力度不夠，使調(diào)節(jié)時間過長。增益過大，調(diào)節(jié)力度太強，造成調(diào)節(jié)過頭，使被控量來回震蕩，超調(diào)量過大。如果閉環(huán)系統(tǒng)沒有積分作用，單純的比例控制的穩(wěn)態(tài)誤差與增益成反比，很難兼顧動態(tài)性能和靜態(tài)性能。

（2）積分時間

積分對應于圖中誤差曲線e(t)與坐標軸包圍的面積）。一般用圖中的矩形面積之和來近似精確積分。

每次PID運算時，在原來的積分值的基礎上，積分作用增加一個與當前的誤差值成正比的微小部分。積分時間TI在積分項的分母中。

積分控制根據(jù)當時的誤差值，每個采樣周期都要微調(diào)PID的輸出。只要誤差不為零，積分項就會向減小誤差的方向變化，積分部分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差。8.2PID參數(shù)的手動整定方法每次PID運算時

積分有滯后特性，積分作用太強，會使系統(tǒng)的動態(tài)性能變差，超調(diào)量增大。積分作用太弱，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度太慢。積分一般與比例作用一起使用。

（3）微分時間

微分項與誤差的一階導數(shù)成正比，微分部分反映了被控量變化的趨勢。誤差增大時微分為正，反之為負。誤差變化越快，微分部分的絕對值越大。

在右圖中啟動過程的上升階段，被控量尚未超過其穩(wěn)態(tài)值，超調(diào)還沒有出現(xiàn)。但是因為被控量不斷增大，誤差e(t)不斷減小，控制器輸出量的微分分量為負，使控制器的輸出量減小，相當于減小了溫度控制系統(tǒng)加熱的功率，提前給出了制動作用，以阻止溫度上升過快。積分有滯后特性，積分作用太強，會使系統(tǒng)的動態(tài)性能變差

因此微分具有超前和預測的作用，適當?shù)奈⒎挚刂谱饔每梢詼p小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時間。

（4）采樣周期

確定采樣周期時，應保證在被控量迅速變化的區(qū)段有足夠多的采樣點數(shù)，不會丟失被采集的模擬量中的重要信息。

2．PID參數(shù)的整定方法在手動調(diào)節(jié)時，為了減少需要整定的參數(shù)，可以首先采用PI控制算法。如果超調(diào)量太大，經(jīng)過多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不穩(wěn)定，應減小增益、增大積分時間。如果階躍響應沒有超調(diào)量，但是被控量上升過于緩慢，過渡過程時間太長，應按相反的方向調(diào)整參數(shù)。如果消除誤差的速度較慢，可以適當減小積分時間。反復調(diào)節(jié)KP和TI，如果超調(diào)量仍然較大，可以加入微分，TD從0逐漸增大，反復調(diào)節(jié)KP、TI和TD。調(diào)節(jié)KP時，同時會影響到積分分量和微分分量的值。如果響應曲線第一次到達穩(wěn)態(tài)值的上升時間較長（上升緩慢），可以適當增大增益KP。如果因此使超調(diào)量增大，可以通過增大積分時間和調(diào)節(jié)微分時間來補償。

3．怎樣確定PID控制器的初始參數(shù)值因此微分具有超前和預測的作用，適當?shù)奈⒎挚刂谱饔每梢詾榱吮ＷC系統(tǒng)的安全，避免出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定或超調(diào)量過大的異常情況，在調(diào)試開始時應設置比較保守的參數(shù)，例如增益不要太大，積分時間不要太小。給出一個階躍給定信號后，觀