第5章S71200PLC的PID工藝功能

第5章S7-1200PLC的PID工藝功能1第一頁，共三十六頁。5.1模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)——組成

調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象測量變送sp(t)e(t)M(t)c(t)pv(t)+-2第二頁，共三十六頁。5.1模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)——變送器的選擇

變送器分為電流輸出型和電壓輸出型。電壓輸出型變送器具有恒壓源特性，輸入阻抗很高。如果變送器距離PLC較遠(yuǎn)，通過線路間的分布電容和分布電感產(chǎn)生的干擾信號(hào)電流，在模塊的輸入阻抗上將產(chǎn)生較高的干擾電壓。例如1A干擾電流在10M輸入阻抗上將產(chǎn)生10V的干擾電壓信號(hào)，所以遠(yuǎn)處傳送模擬量電壓信號(hào)時(shí)抗干擾能力很差。電流輸出型變送器具有恒流源的性質(zhì)，內(nèi)阻很大，輸入阻抗較小(例如250)。線路上的干擾信號(hào)在模塊的輸入端阻抗上產(chǎn)生的干擾電壓很低，所以模擬量電流信號(hào)適合于遠(yuǎn)程傳送。3第三頁，共三十六頁。5.1模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)——負(fù)反饋

閉環(huán)控制必須保證系統(tǒng)是負(fù)反饋，如果系統(tǒng)接成了正反饋，將會(huì)失控，被控量會(huì)往單一方向增大或減小，給系統(tǒng)的安全帶來極大的威脅。閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋極性與很多因素有關(guān)，例如因?yàn)榻泳€改變了變送器輸出電流或輸出電壓的極性，或改變了位移傳感器(編碼器)的安裝方向，都會(huì)改變反饋的極性?？梢杂孟率龇椒▉砼袛喾答伒臉O性：在調(diào)試是斷開D/A轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的連線，在開環(huán)狀態(tài)下運(yùn)行PID控制程序?？刂破髦杏蟹e分環(huán)節(jié)，因?yàn)榉答伇粩嚅_了，不能消除余差，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓會(huì)向一個(gè)方向變化。這時(shí)如果接上執(zhí)行器，能減小誤差，則為負(fù)反饋，反之為正反饋。4第四頁，共三十六頁。5.1模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)——PID控制的優(yōu)點(diǎn)

不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性使用方便5第五頁，共三十六頁。5.2PID控制器的數(shù)字化

PID調(diào)節(jié)器D/A被控對(duì)象測量元件sp(n)e(n)M(n)c(t)pv(t)+-執(zhí)行機(jī)構(gòu)變送器A/DM(t)pv(n)PLC周期性地執(zhí)行PID控制程序，執(zhí)行的周期稱為采用周期Ts。6第六頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令

S7-1200使用PID_Compact指令來實(shí)現(xiàn)PID控制，該指令的背景數(shù)據(jù)塊稱為PID_Compact工藝對(duì)象。PID控制器具有參數(shù)自調(diào)節(jié)功能和自動(dòng)、手動(dòng)模式。PID控制器連續(xù)地采集測量的被控制變量的實(shí)際值(簡稱為實(shí)際值或輸入值)，并與期望的設(shè)定值比較，根據(jù)得到的誤差，計(jì)算輸出，使被控變量盡可能快地接近設(shè)定值或進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。7第七頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——生成一個(gè)新項(xiàng)目1/2

添加一個(gè)PLC設(shè)備，將硬件目錄中的AO信號(hào)板托到CPU中，設(shè)置其輸出為10V電壓：8第八頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——生成一個(gè)新項(xiàng)目2/2

集成的模擬量輸入的0號(hào)通道的量程為默認(rèn)的010V：9第九頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——生成循環(huán)中斷組織塊

調(diào)用PID_Compact的時(shí)間間隔稱為采樣時(shí)間，為了保證精確的采樣時(shí)間，用固定的時(shí)間間隔執(zhí)行PID指令，在循環(huán)中斷OB中調(diào)用PID_Compact指令。建立循環(huán)組織塊OB200，設(shè)置循環(huán)時(shí)間間隔為300ms。10第十頁，共三十六頁。打開任務(wù)卡的“擴(kuò)展指令”窗口的PID文件夾，將其中的“PID_Compact”指令拖放到OB200中，將默認(rèn)的背景數(shù)據(jù)塊的名稱改為PID_DB。5.3PID_Compact指令——調(diào)用PID_Compact指令

1/211第十一頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——調(diào)用PID_Compact指令

2/2在程序塊的文件夾中生成名為“PID_Compact”的功能塊FB1130，生成的背景數(shù)據(jù)塊PID_DB在項(xiàng)目樹的文件夾“工藝對(duì)象”中。12第十二頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——PID_Compact指令的模式

1/21)未激活模式PIDCompact工藝對(duì)象被組態(tài)并首次下載到CPU后，PID控制器處于未激活(Inactive)模式，此時(shí)需要在調(diào)試窗口進(jìn)行首次啟動(dòng)自調(diào)節(jié)。在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，或者點(diǎn)擊了調(diào)試窗口的“停止測量”按鈕，PID控制器將進(jìn)入未激活模式。選擇其他運(yùn)行模式時(shí)，活動(dòng)狀態(tài)的錯(cuò)誤被確認(rèn)。2)自動(dòng)調(diào)節(jié)模式打開PID調(diào)試窗口，可以選擇進(jìn)入首次啟動(dòng)自調(diào)節(jié)模式或運(yùn)行中自調(diào)節(jié)模式。13第十三頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——PID_Compact指令的模式

2/23)自動(dòng)模式在自動(dòng)模式，PIDCompact工藝對(duì)象根據(jù)設(shè)置的PID參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制。滿足下列調(diào)節(jié)之一時(shí)，控制器將進(jìn)入自動(dòng)模式：成功地完成了首次啟動(dòng)自調(diào)節(jié)和運(yùn)行中自調(diào)節(jié)的任務(wù)；在組態(tài)窗口中選中了“使用手動(dòng)PID參數(shù)設(shè)置”復(fù)選框4)手動(dòng)模式在手動(dòng)模式下，PID控制的輸出變量用手動(dòng)設(shè)置。滿足下列調(diào)節(jié)之一，控制器將進(jìn)入手動(dòng)模式：指令的輸入?yún)?shù)“ManualEnable”(啟用手動(dòng))為1狀態(tài)。在調(diào)試窗口選中了“手動(dòng)”復(fù)選框。14第十四頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——組態(tài)基本參數(shù)

1/2選中反作用控制器，用來保證負(fù)反饋選中“PID_Compact”指令，然后選中巡視窗口左邊的“基本參數(shù)”，在右邊窗口設(shè)置PID的基本參數(shù)。15第十五頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——組態(tài)基本參數(shù)

2/2選擇來自用戶程序或外設(shè)輸入“Tag_11”和“Tag_12”分別時(shí)IW64(CPU集成的模擬量輸入通道0)和QW80(1AO信號(hào)板的模擬量輸出)。16第十六頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——組態(tài)輸入標(biāo)定模擬量的實(shí)際值(或來自用戶程序的輸入值)為0.0%100.0%時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字為0.027648.0?？梢栽O(shè)置輸入的上限和下限，在運(yùn)行時(shí)一旦超過上限或低于下限，停止正常控制，輸出值被設(shè)置為0。17第十七頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——組態(tài)高級(jí)設(shè)置-輸入監(jiān)視為了設(shè)置PID的高級(jí)參數(shù)，打開項(xiàng)目樹中的文件夾“\PLC_1\工藝對(duì)象\PID_DB”，雙擊“組態(tài)”，打開PID_Compact對(duì)象；或者點(diǎn)擊PID_Compact指令右上角的圖標(biāo)，也可打開PID組態(tài)對(duì)話框。運(yùn)行時(shí)如果輸入值超過設(shè)置的上限值或低于下限值，指令的bool輸出參數(shù)“InputWarning_H”或“InputWarning_L”將變?yōu)?.18第十八頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——組態(tài)高級(jí)設(shè)置-PWM監(jiān)視該設(shè)置影響指令的輸出變量“Output_PWM”。PWM的開關(guān)量輸出受“PID_Compact”指令的控制，與CPU集成的脈沖發(fā)生器無關(guān)。19第十九頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——組態(tài)高級(jí)設(shè)置-輸出限制設(shè)置輸出變量的限制值，使手動(dòng)模式或自動(dòng)模式時(shí)PID的輸出值不超過上限和低于下限。用Output_PWM作PID的輸出值時(shí)，只能控制正的輸出變量。20第二十頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——組態(tài)高級(jí)設(shè)置-PID參數(shù)21第二十一頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——用PID指令設(shè)置參數(shù)可以在PID指令上直接輸入指令的參數(shù)，未設(shè)置(采用默認(rèn)值)的參數(shù)為灰色。點(diǎn)擊指令框下面向下的箭頭，將顯示更多的參數(shù)；點(diǎn)擊向上的箭頭，將不顯示指令中灰色的參數(shù)；點(diǎn)擊某個(gè)參數(shù)的實(shí)參，可以直接輸入地址或常數(shù)。22第二十二頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——PID指令的輸入變量參數(shù)名稱數(shù)據(jù)類型說明默認(rèn)值SetpointReal自動(dòng)模式的控制器設(shè)定值0.0InputReal作為實(shí)際值(即反饋值)來源的用戶程序的變量0.0Input_PERWord作為實(shí)際值來源的模擬量輸入W#16#0ManualEnableBool上升沿選擇手動(dòng)模式，下降沿選擇最近激活的操作模式FALSEManualValueReal手動(dòng)模式的PID輸出變量0.0ResetBool重新啟動(dòng)控制器，1進(jìn)入未激活模式，控制器輸出變量為0，臨時(shí)值被復(fù)位，PID參數(shù)保持不變FALSE23第二十三頁，共三十六頁。5.3PID_Compact指令——PID指令的輸出變量參數(shù)名稱數(shù)據(jù)類型說明默認(rèn)值ScaleinputReal經(jīng)比例縮放的實(shí)際值的輸出0.0OutputReal用于控制器輸出的用戶程序變量0.0Output_PERWordPID控制器的模擬量輸出W#16#0Output_PWMBool使用PWM的控制器開關(guān)輸出FALSESetpointLimit_HBool1時(shí)設(shè)定值的絕對(duì)值達(dá)到或超過上限FALSESetpointLimit_LBool1時(shí)設(shè)定值的絕對(duì)值達(dá)到或低于下限FALSEInputWarning_HBool1時(shí)實(shí)際值達(dá)到或超過報(bào)警上限FALSEInputWarning_LBool1時(shí)實(shí)際值達(dá)到或低于報(bào)警下限FALSEStateIntPID控制器的當(dāng)前運(yùn)行模式：04分別表示未激活、首次啟動(dòng)自調(diào)節(jié)、運(yùn)行中自調(diào)節(jié)、自動(dòng)、手動(dòng)模式16#0000ErrorDWord錯(cuò)誤信息：0沒有錯(cuò)誤；非0有1個(gè)或多個(gè)錯(cuò)誤，控制器進(jìn)入未激活模式24第二十四頁，共三十六頁。5.4用調(diào)試窗口整定PID控制器——調(diào)試窗口25第二十五頁，共三十六頁。5.4用調(diào)試窗口整定PID控制器——調(diào)試窗口的功能1)使用“首次啟動(dòng)自調(diào)節(jié)”功能優(yōu)化控制器；2)使用“運(yùn)行中自調(diào)節(jié)”功能優(yōu)化控制器，可以實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)節(jié)；3)用趨勢視圖監(jiān)視當(dāng)前的閉環(huán)控制；4)通過手動(dòng)設(shè)置控制器的輸出值來測試過程。26第二十六頁，共三十六頁。5.4用調(diào)試窗口整定PID控制器——基本操作1.用下拉式列表設(shè)置采樣時(shí)間2.PC與PLC建立好通信連接后，點(diǎn)擊“啟動(dòng)測量”，開始用趨勢圖記錄3.點(diǎn)擊“停止測量”，結(jié)束調(diào)試功能。可以用趨勢圖中的曲線來分析PID控制的效果。關(guān)閉調(diào)試窗口后，趨勢圖中的記錄被停止，記錄的數(shù)據(jù)被刪除。27第二十七頁，共三十六頁。5.4用調(diào)試窗口整定PID控制器——顯示模式Strip(連續(xù)顯示)：新的趨勢值從趨勢區(qū)的右邊進(jìn)入，較早的趨勢值移動(dòng)到趨勢區(qū)的最左邊位置，時(shí)間軸不能移動(dòng)。Scope(區(qū)域跳躍顯示，示波器圖)：新的趨勢值從趨勢區(qū)的左邊開始往右邊移動(dòng)，達(dá)到趨勢區(qū)的右邊緣時(shí)，監(jiān)控區(qū)往右移動(dòng)一個(gè)視圖寬度，時(shí)間軸上的時(shí)間值隨之而變。原有的趨勢曲線消失，新的趨勢值又從左邊出現(xiàn)。Sweep(滾動(dòng)顯示)：趨勢曲線固定不變，出現(xiàn)一根從左往右移動(dòng)的垂直線，直線左邊的背景色為白色，是新出現(xiàn)的趨勢值，直線右邊的背景色為淺綠色，是原來的趨勢值。垂直線移動(dòng)到最右邊后，返回最左邊，又往右移動(dòng)。時(shí)間軸不能移動(dòng)。Static(靜態(tài)區(qū)域顯示)：趨勢視圖的寫入被中斷，在后臺(tái)記錄新的趨勢值。顯示的是趨勢的歷史曲線，時(shí)間軸可以在整個(gè)記錄區(qū)間移動(dòng)。28第二十八頁，共三十六頁。5.4用調(diào)試窗口整定PID控制器——移動(dòng)坐標(biāo)軸與改變坐標(biāo)軸的比例可以將坐標(biāo)軸鎖死或解除閉鎖。拉伸或壓縮時(shí)間軸拉伸或壓縮左邊的設(shè)定值/輸入值軸和右邊的控制器輸出變量軸29第二十九頁，共三十六頁。5.4用調(diào)試窗口整定PID控制器——標(biāo)尺使用標(biāo)尺可以分析趨勢曲線上離散的值。垂直標(biāo)尺在趨勢區(qū)的最左邊，水平的標(biāo)尺在趨勢區(qū)的最上面。將鼠標(biāo)放在趨勢區(qū)的最左邊，光標(biāo)變?yōu)槿耸值男螤睿醋∈髽?biāo)左鍵，可以左右拖動(dòng)垂直標(biāo)尺。標(biāo)尺與3條曲線的交點(diǎn)處的垂直坐標(biāo)出現(xiàn)在交點(diǎn)附件標(biāo)尺的右邊。標(biāo)尺與趨勢區(qū)下邊緣的交點(diǎn)處出現(xiàn)標(biāo)尺所在處的時(shí)間值。可以用鼠標(biāo)拖放出多根垂直標(biāo)尺到趨勢區(qū)，最后拖放的標(biāo)尺是活動(dòng)的，用深色表示。其余的標(biāo)尺是不活動(dòng)的，用灰色顯示。點(diǎn)擊不活動(dòng)標(biāo)尺，可以將它變?yōu)榛顒?dòng)的標(biāo)尺。按住ALT后點(diǎn)擊標(biāo)尺，可以消除它。30第三十頁，共三十六頁。5.4用調(diào)試窗口整定PID控制器——首次啟動(dòng)自調(diào)節(jié)1/2該模式要求的調(diào)節(jié)：1)在循環(huán)中斷OB中調(diào)用“PID_Compact”指令；2)建立與CPU的在線連接，CPU在RUN模式；3)點(diǎn)擊“啟動(dòng)測量”，激活調(diào)試視圖的功能；4)未選中“手動(dòng)”復(fù)選框；5)設(shè)定值與實(shí)際值在組態(tài)的限制值之內(nèi)；5)設(shè)定值與實(shí)際值的差值大于50%。31第三十一頁，共三十六頁。5.4用調(diào)試窗口整定PID控制器——首次啟動(dòng)自調(diào)節(jié)2/2操作步驟如下：1)用單選框選中調(diào)試窗口的“優(yōu)化”區(qū)的“首次啟動(dòng)自調(diào)節(jié)”；2)點(diǎn)擊“首次啟動(dòng)自調(diào)節(jié)”，啟動(dòng)自調(diào)節(jié)，“狀態(tài)”域顯示當(dāng)前的步驟和可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，“進(jìn)度”域顯示當(dāng)前步驟的進(jìn)展。如果自調(diào)節(jié)沒有出錯(cuò)，PID的參數(shù)被優(yōu)化，將PID控制器切換到自動(dòng)模式，使用優(yōu)化的參數(shù)。上電和重新啟動(dòng)CPU時(shí)，優(yōu)化的參數(shù)被保持。32第三十二頁，共三十六頁。5.4用調(diào)試窗口整定PID控制器——運(yùn)行中自調(diào)節(jié)該模式要求的條件與首次啟動(dòng)自調(diào)節(jié)模式的基本相同，區(qū)別在于第6條改為設(shè)定值與實(shí)際值的差值小于50%。如果大于50%，應(yīng)先進(jìn)行首次啟動(dòng)調(diào)節(jié)，完成后自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)行中自調(diào)節(jié)。步驟：1)用單選框選中調(diào)試窗口的“優(yōu)化”區(qū)的“運(yùn)行中自調(diào)節(jié)”；2)點(diǎn)擊“啟動(dòng)自調(diào)節(jié)”，啟動(dòng)自調(diào)節(jié)。33第三十三頁，共三十六頁。5.4用調(diào)試窗口整定PID控制器——保存優(yōu)化的PID參數(shù)PID控制器在CPU內(nèi)優(yōu)化，如果想在下載項(xiàng)目數(shù)據(jù)時(shí)使用優(yōu)化的PID參數(shù)，可以將PID參數(shù)保存到項(xiàng)目中：1)建立計(jì)算機(jī)與CPU的在線連接；2)令CPU運(yùn)行在RUN模式；3)點(diǎn)擊“啟動(dòng)測量”，激活調(diào)試窗口的功能；4)點(diǎn)擊左下角的