第5章S7-1200PLC的PID工艺功能

1第5章S7-1200PLC的PID工艺功能25.1模拟量闭环控制系统——组成调节器执行机构被控对象测量变送sp(t)e(t)M(t)c(t)pv(t)+-1()()()()cDinitialIdetMtKetetdtTMTdt35.1模拟量闭环控制系统——变送器的选择变送器分为电流输出型和电压输出型。电压输出型变送器具有恒压源特性，输入阻抗很高。如果变送器距离PLC较远，通过线路间的分布电容和分布电感产生的干扰信号电流，在模块的输入阻抗上将产生较高的干扰电压。例如1A干扰电流在10M输入阻抗上将产生10V的干扰电压信号，所以远处传送模拟量电压信号时抗干扰能力很差。电流输出型变送器具有恒流源的性质，内阻很大，输入阻抗较小(例如250)。线路上的干扰信号在模块的输入端阻抗上产生的干扰电压很低，所以模拟量电流信号适合于远程传送。45.1模拟量闭环控制系统——负反馈闭环控制必须保证系统是负反馈，如果系统接成了正反馈，将会失控，被控量会往单一方向增大或减小，给系统的安全带来极大的威胁。闭环控制系统的反馈极性与很多因素有关，例如因为接线改变了变送器输出电流或输出电压的极性，或改变了位移传感器(编码器)的安装方向，都会改变反馈的极性。可以用下述方法来判断反馈的极性：在调试是断开D/A转换器和执行机构之间的连线，在开环状态下运行PID控制程序。控制器中有积分环节，因为反馈被断开了，不能消除余差，D/A转换器的输出电压会向一个方向变化。这时如果接上执行器，能减小误差，则为负反馈，反之为正反馈。55.1模拟量闭环控制系统——PID控制的优点不需要被控对象的数学模型结构简单，容易实现有较强的灵活性和适应性使用方便65.2PID控制器的数字化PID调节器D/A被控对象测量元件sp(n)e(n)M(n)c(t)pv(t)+-执行机构变送器A/DM(t)pv(n)11()()nnCnIjinitialDnnjMKeKeMKee1()()nCnInDnnMKeKeMXKeePLC周期性地执行PID控制程序，执行的周期称为采用周期Ts。75.3PID_Compact指令S7-1200使用PID_Compact指令来实现PID控制，该指令的背景数据块称为PID_Compact工艺对象。PID控制器具有参数自调节功能和自动、手动模式。PID控制器连续地采集测量的被控制变量的实际值(简称为实际值或输入值)，并与期望的设定值比较，根据得到的误差，计算输出，使被控变量尽可能快地接近设定值或进入稳态。85.3PID_Compact指令——生成一个新项目1/2添加一个PLC设备，将硬件目录中的AO信号板托到CPU中，设置其输出为10V电压：95.3PID_Compact指令——生成一个新项目2/2集成的模拟量输入的0号通道的量程为默认的010V：105.3PID_Compact指令——生成循环中断组织块调用PID_Compact的时间间隔称为采样时间，为了保证精确的采样时间，用固定的时间间隔执行PID指令，在循环中断OB中调用PID_Compact指令。建立循环组织块OB200，设置循环时间间隔为300ms。11打开任务卡的“扩展指令”窗口的PID文件夹，将其中的“PID_Compact”指令拖放到OB200中，将默认的背景数据块的名称改为PID_DB。5.3PID_Compact指令——调用PID_Compact指令1/2125.3PID_Compact指令——调用PID_Compact指令2/2在程序块的文件夹中生成名为“PID_Compact”的功能块FB1130，生成的背景数据块PID_DB在项目树的文件夹“工艺对象”中。135.3PID_Compact指令——PID_Compact指令的模式1/21)未激活模式PIDCompact工艺对象被组态并首次下载到CPU后，PID控制器处于未激活(Inactive)模式，此时需要在调试窗口进行首次启动自调节。在运行时出现错误，或者点击了调试窗口的“停止测量”按钮，PID控制器将进入未激活模式。选择其他运行模式时，活动状态的错误被确认。2)自动调节模式打开PID调试窗口，可以选择进入首次启动自调节模式或运行中自调节模式。145.3PID_Compact指令——PID_Compact指令的模式2/23)自动模式在自动模式，PIDCompact工艺对象根据设置的PID参数进行闭环控制。满足下列调节之一时，控制器将进入自动模式：成功地完成了首次启动自调节和运行中自调节的任务；在组态窗口中选中了“使用手动PID参数设置”复选框4)手动模式在手动模式下，PID控制的输出变量用手动设置。满足下列调节之一，控制器将进入手动模式：指令的输入参数“ManualEnable”(启用手动)为1状态。在调试窗口选中了“手动”复选框。155.3PID_Compact指令——组态基本参数1/2选中反作用控制器，用来保证负反馈选中“PID_Compact”指令，然后选中巡视窗口左边的“基本参数”，在右边窗口设置PID的基本参数。165.3PID_Compact指令——组态基本参数2/2选择来自用户程序或外设输入“Tag_11”和“Tag_12”分别时IW64(CPU集成的模拟量输入通道0)和QW80(1AO信号板的模拟量输出)。175.3PID_Compact指令——组态输入标定模拟量的实际值(或来自用户程序的输入值)为0.0%100.0%时，A/D转换后的数字为0.027648.0。可以设置输入的上限和下限，在运行时一旦超过上限或低于下限，停止正常控制，输出值被设置为0。185.3PID_Compact指令——组态高级设置-输入监视为了设置PID的高级参数，打开项目树中的文件夹“\PLC_1\工艺对象\PID_DB”，双击“组态”，打开PID_Compact对象；或者点击PID_Compact指令右上角的图标，也可打开PID组态对话框。运行时如果输入值超过设置的上限值或低于下限值，指令的bool输出参数“InputWarning_H”或“InputWarning_L”将变为1.195.3PID_Compact指令——组态高级设置-PWM监视该设置影响指令的输出变量“Output_PWM”。PWM的开关量输出受“PID_Compact”指令的控制，与CPU集成的脉冲发生器无关。205.3PID_Compact指令——组态高级设置-输出限制设置输出变量的限制值，使手动模式或自动模式时PID的输出值不超过上限和低于下限。用Output_PWM作PID的输出值时，只能控制正的输出变量。215.3PID_Compact指令——组态高级设置-PID参数225.3PID_Compact指令——用PID指令设置参数可以在PID指令上直接输入指令的参数，未设置(采用默认值)的参数为灰色。点击指令框下面向下的箭头，将显示更多的参数；点击向上的箭头，将不显示指令中灰色的参数；点击某个参数的实参，可以直接输入地址或常数。235.3PID_Compact指令——PID指令的输入变量参数名称数据类型说明默认值SetpointReal自动模式的控制器设定值0.0InputReal作为实际值(即反馈值)来源的用户程序的变量0.0Input_PERWord作为实际值来源的模拟量输入W#16#0ManualEnableBool上升沿选择手动模式，下降沿选择最近激活的操作模式FALSEManualValueReal手动模式的PID输出变量0.0ResetBool重新启动控制器，1进入未激活模式，控制器输出变量为0，临时值被复位，PID参数保持不变FALSE245.3PID_Compact指令——PID指令的输出变量参数名称数据类型说明默认值ScaleinputReal经比例缩放的实际值的输出0.0OutputReal用于控制器输出的用户程序变量0.0Output_PERWordPID控制器的模拟量输出W#16#0Output_PWMBool使用PWM的控制器开关输出FALSESetpointLimit_HBool1时设定值的绝对值达到或超过上限FALSESetpointLimit_LBool1时设定值的绝对值达到或低于下限FALSEInputWarning_HBool1时实际值达到或超过报警上限FALSEInputWarning_LBool1时实际值达到或低于报警下限FALSEStateIntPID控制器的当前运行模式：04分别表示未激活、首次启动自调节、运行中自调节、自动、手动模式16#0000ErrorDWord错误信息：0没有错误；非0有1个或多个错误，控制器进入未激活模式255.4用调试窗口整定PID控制器——调试窗口265.4用调试窗口整定PID控制器——调试窗口的功能1)使用“首次启动自调节”功能优化控制器；2)使用“运行中自调节”功能优化控制器，可以实现最佳调节；3)用趋势视图监视当前的闭环控制；4)通过手动设置控制器的输出值来测试过程。275.4用调试窗口整定PID控制器——基本操作1.用下拉式列表设置采样时间2.PC与PLC建立好通信连接后，点击“启动测量”，开始用趋势图记录3.点击“停止测量”，结束调试功能。可以用趋势图中的曲线来分析PID控制的效果。关闭调试窗口后，趋势图中的记录被停止，记录的数据被删除。285.4用调试窗口整定PID控制器——显示模式Strip(连续显示)：新的趋势值从趋势区的右边进入，较早的趋势值移动到趋势区的最左边位置，时间轴不能移动。Scope(区域跳跃显示，示波器图)：新的趋势值从趋势区的左边开始往右边移动，达到趋势区的右边缘时，监控区往右移动一个视图宽度，时间轴上的时间值随之而变。原有的趋势曲线消失，新的趋势值又从左边出现。Sweep(滚动显示)：趋势曲线固定不变，出现一根从左往右移动的垂直线，直线左边的背景色为白色，是新出现的趋势值，直线右边的背景色为浅绿色，是原来的趋势值。垂直线移动到最右边后，返回最左边，又往右移动。时间轴不能移动。Static(静态区域显示)：趋势视图的写入被中断，在后台记录新的趋势值。显示的是趋势的历史曲线，时间轴可以在整个记录区间移动。295.4用调试窗口整定PID控制器——移动坐标轴与改变坐标轴的比例可以将坐标轴锁死或解除闭锁。拉伸或压缩时间轴拉伸或压缩左边的设定值/输入值轴和右边的控制器输出变量轴305.4用调试窗口整定PID控制器——标尺使用标尺可以分析趋势曲线上离散的值。垂直标尺在趋势区的最左边，水平的标尺在趋势区的最上面。将鼠标放在趋势区的最左边，光标变为人手的形状，按住鼠标左键，可以左右拖动垂直标尺。标尺与3条曲线的交点处的垂直坐标出现在交点附件标尺的右边。标尺与趋势区下边缘的交点处出现标尺所在处的时间值。可以用鼠标拖放出多根垂直标尺到趋势区，最后拖放的标尺是活动的，用深色表示。其余的标尺是不活动的，用灰色显示。点击不活动标尺，可以将它变为活动的标尺。按住ALT后点击标尺，可以消除它。315.4用调试窗口整定PID控制器——首次启动自调节1/2该模式要求的调节：1)在循环中断OB中调用“PID_Compact”指令；2)建立与CPU的在线连接，CPU在RUN模式；3)点击“启动测量”，激活调试视图的功能；4)未选中“手动”复选框；5)设定值与实际值在组态的限制值之内；5)设定值与实际值的差值大于50%。325.4用调试窗口整定PID控制器——首次启动自调节2/2操作步骤如下：1)用单选框选中调试窗口的“优化”区的“首次启动自调节”；2)点击“首次启动自调节”，启动自调节，“状态”域显示当前的步骤和可能出现的错误，“进度”域显示当前步骤的进展。如果自调节没有出错，PID的参数被优化，将PID控制器切换到自动模式，使用优化的参数。上电和重新启动CPU时，优化的参数被保持。335.4用调试窗口整定PID控制器——运行中自调节该模式要求的条件与首次启动自调节模式的基本相同，区别在于第6条改为设定值与实际值的差值