S7-200PLC的PID控制功能

【实例简介】
西门子200PLC的PID控制功能。闭环控制，比例，微分，积分算法
经验交流 妇何使用西门子S7-200PLC的PID控制功能? 微分时间设为0。 e. Sample Time(采样时间):是PID控制回路对反馈采样和 重新计算输出值的时间间隔。在向导完成后,若想要修改此数, 则必须返回向导中修改,不可在程序中或状态表中修改 注意:关于具体的PD参数值,每一个项目都不一样,需要 现场调试来定,没有所谓经验参数。 3)第三步:设定回路输入输出值 :蘇州 图6设定回路报警限幅值 为1。这些功能在选中了相应的选择框之后起作用。 渐!一 a使能低值报警并设定过程值(Pv报警的低值,此值为过程 值的百分数缺省值为0.10,即报警的低值为过程值的10%。此 值最低可设为0.01,即满量程的1% h使能高值报警并设定过程值(PV报警的高值,此值为过程 值的百分数,缺省值为090,即报警的高值为过程值的90%。此 图5设定PI输人输出参数 值最高叮设为100,即满量程的100% 在图5中,首先设定过程变量的范围 c,使能过程值(P模拟量模块错误报警并设定模块于CPU a.指定输人类型 连接时所处的模块位置。""就是第一个扩展模块的位置 ● Unipolar:单极性,即输入的信号为正,如0-10V或0 5)第五步:指定PD运算数据存储区 20mA等 ● Bipolar:双极性,输入信号在从负到正的范围内变化。如 输人信号为±10V、±5V等时选用 ●20% Offset:选用20%偏移。如果输入为4-20mA则选单 极性及此项,4mA是0-20mA信号的20%所以选20%偏移,即 4mA对应6400,20mA对应3200 b.反馈输入取值范围 在a设置为 Unipolar时,缺省值为0-3200,对应输 量程范围0-10或0-20mA等,输人信号为正 ●在a设置为 Bipolar时,缺省的取值为-32000+3200,0对 图7分配运算数据存储区 应的输入范围根据量程不同可以是±10V、±5V等 ●在a选屮20%Oset时,取值范围为6400-32000,不可改 PD指令(功能块)使用了一个120个字节的V区参数表来 变 进行控制回路的运算工作;除此之外,PID向导生成的输人瀚出 此反馈输入也可以是工程单位数值参见:设置给定-反馈量的标准化程序也需要运算数据存储区。需要为它们定义一个 的量程范围。 起始地址,要保证该地址起始的若千字节在程序的其它地方没 然后定义输出类型 有被重复使用。如果点击 'Suggest Address'",则向导将自动为你设 e. Output Type(输出类型)可以选择模拟量输出或数字量输定当前程序中没有用过的v区地址 岀。模拟量输出用来控制一些需要模拟量给定的设备,如比例 自动分配的地址只是在执行PD向导时编译检测到空闲地 阀变频器等,数字量输出实际上是控制输出点的通断状态按址。向导将自动为该参数表分配符号名,用户不要冉自已为这些 照一定的占空比变化,可以控制固态继电器(加热棒等) 参数分配符号名,否则将导致PID控制不执行。 d.选择模拟量则需设定回路输出变量值的范围,可以选择:序名及手/自动模式 6)第六步:定义向导所生成的PD初使化子程序和中断程 ● unipolar:单极性输出,可为0-10V或0-20mA等 ● Bipolar:双极性输出,可为正负10V或正负5V等 ●20%Osct:如果选中20%偏移,使输出为4-20mA e.取值范围 ●d为 Unipolar时,缺省值为0到32000 ●d为 Bipolar时,取值-32000到32000 ●d为20%Oset时,取值6400-3200,.不可改变 训的白 如果选择了开关量输出,需要设定此占空比的周期。 4)第四步:设定回路报警选项 向导提供了三个输出来反映过程值(PV的低值报警高值报 警及过程值模拟量模块错误状态。当报警条件满足时,输出置位 图8指定子程序中断服务程序名和选择手动控制 2009年11月第11册总第103册 87 经验交流 如何使用西门子S7-200PLC的PID控制功能? 向导已经为初使化子程序和中断子程序定义了敏省名,你变量表中,可以看到有关形式参数的解释和取值范围。 也可以修改成自己起的名字。 a.必须用SM00来使能PID,以保证它的正常运行 a.指定PID初使化子程序的名字 b此处输入过程值(反馈)的模拟量输入地址 b.指定PID中断子程序的名字 c.此处输入设定值变量地址(vDx),或者直接输入设定值 注意 常数,根据向导中的设定00-100,此处应输入一个00-1000 ①如果你的项目中已经存在一个PID配置,则中断程序名的实数例:若输入20,即为过程值的20%,假设过程值AIW0是 为只读,不可更改。因为一个项目中所有PID共用一个中断程量程为0-200度的温度值,则此处的设定值20代表40度(即 序,它的名字不会被任何新的PID所更改 200度的20%);如果在向导中设定给定范围为00-200.0,则此 ②PID向导中断用的是SMB34定时中断,在用户使用了处的20相当于20度 PID向导后,注意在其它编程时不要再用此中断,也不要向 d.此处用I0.0控制PID的手/自动方式,当⑩00为1时,为 SMB34中写入新的数值,否则PID将停止工作。 自动,经过PID运算从AQW0输出;当100为0时,PID将停止 c此处可以选择添加PD于动控制模式。在PD手动控制计算,AQw0输出为 ManualOutput(VD4)中的设定值,此时不要 模式下,回路输出由手动输出设定控制,此时需要写人手动控制另外编程或直接给AQWO赋值。若在向导中没有选择PID手动 输出参数一个00-10的实数,代表输出的0%-100%而不是直功能,则此项不会出现。 接去改变输出值 e.定义PID手动状态下的输出,从AQW0输出一个满值范 此功能提供了PID控制的手动和自动之间的无扰切换能力。围内对应此值的输出量。此处可输人手动设定值的变量地址 7第七步:生成PD子程序、中断程序及符号表等 (VDXx),或直接输入数。数值范围为00-1.0之间的个实数,代 旦点击完成按钮,将在你的项目中生成上述PID子程序、表输出范围的百分比。例:如输入0.5,则设定为输出的50%。若 中断程序及符号表等。 在向导中没有选择PD手动功能,则此项不会出现。 f.此处键人控制量的输出地址 改☆当高报警条件满足时,相应的输出置位为1,若在向导中 使能高报警功能,则此项将不会出现 h.当低报警条件满足时,相应的输出置位为1,若在向导中 The PD corhguahon wd Me paed sMB3-Y867ntDaaBlock 没有使能低报警功能,则此项将不会出现。 当模块出错时,相应的输出置位为1,若在向导中没有使 能模块错误报警功能,则此项将不会出现 调用PID子程序时,不用考虑中断程序。子程序会自动初始 化相关的定时中断处理事项,然后中断程序会自动执行 9)第九步:实际运行并调试PID参数 图9生成PID子程序中断程序和符号表等 没有一个P项目的参数不需要修改而能直接运行,因此 8)第八步:配置完PID向 需要在实际运行时调试PID参数。 需要在程序中调用向导生成的PID子程序(如下图) 查看 Data Block(数据块),以及 Symbol Table(符号表)相应的 中Sng PID符号标签的内容,可以找到包括PID核心指令所用的控制回 ]i table 路表,包括比例系数、积分时问等等。将此表的地址复制到 Statu 日[6 Timers Char(状态表)中,可以在监控模式下在线修改PID参数而不必停 t] Libraries 机再次做组态。参数调试合适后,用户可以在数据块中写入,也可 过时l‖ Subroutines 以再做一次向导,或者编程向相应的数据区传送参数。 E SBR O 15驶P|D向导编程与程序测试中常见问题 1)做完PID向导后,如何知道向导中设定值,过程值及PID 等参数所用的地址? 图10PID子程序 做完PD向导后可在 Symbol Table(符号表)中,查看PID 向导所生成的符号表(上例中为 PIDO SYMo,可看到各参数所用 Network 1 Netwok Title 的详细地址,及数值范围。在 Data block(数据块)中,查看PID Netork Comment 指令回路表的相关参数。如图所示 SMO.0 PIDO INIT EN 4、··6,1: b.AMWP∨ OutputjACW0 R d. I0.0 Auto_Manusl LQwAlarmf Q0 1 h ModuleErr-(2 图11调用P子程序 在用户程序中调用PID了程序时,可在指令树的 Prugraill Bock(程序块)中用鼠标双击由向导生成的PID子程序,在局部 图12PI数据块 88 一自动化信慰 AUTOMATION INFORMATION 经验交流 如何使用西门子S7-200PLC的PID控制功能? 2)做完PID向导后,如何在调试中修改PD参数? ●给定与反馈的物理意义一致 这取决于被控制的对象,如果是压力则给定也必须对应于 可以在 Status chart状态表)国中输入相应的参数地址 压力值;如果是温度,则给定也必须对应于温度 然后在线写入用户需要的PID参数数值,这样用户就可根据工 ●给定与反馈的数值范围对应 艺需要随时对PID参数、设定值等进行调整。 如果给定直接是摄氏温度值,则反馈必须是对应的摄氏温 3)PI已经调整合适,如何正式确定参数? 度值;如果反馈直接使用模拟量输入的对应数值,则给定也必须 可以在 Data block(数据块)屮直接写人参数 向反馈的数值范围换算。 4)做完PD向导后能否查看PD生成的子程疗,中断程序? 如果给定与反馈的换算有特定的比例关系也可以。如给定 PD向导生成的子程序,中断程序用户是无法看到的,也不也可以表示为以反馈的数值范围的百分比数值。 能对其进行修改。没有密码能够打开这些子程序,一般的应用也 给定与反馈的数值具体是什么数值,其取值范围究竟如何 没有必要打开查看。 完全取决于我们在使用"PD向导”编程时指定的给定与反馈的 5)PID参数有经验值吗? 数值范围。其中,反馈量的数值范围不能随便自己定义,而要取 每一个项目的PD参数都不样,没有经验参数,只能现场决于具体应用的模拟量输入模块。 调试获得。 6)PID向导生成的程序为何不执行? ●必须保证用SM00无条件调用PID0NT程序 ●在程序的其它部分不要再使用SMB34定时中断,也不要 对SMB34赋值 7)如何实现PID反作用调节? 在有些控制中需要PD反作用调节。例如:在夏天控制空调 制冷时,若反馈温度(过程值)低于设定温度,需要关阌,减小输 出控制(减少冷水流量等),这就是PD反作用调节(在PID正作 用中若过程值小于设定值,则需要增大输出控制)。若想实现 PID反作用调节,需要把PID回路的增益设为负数。对于增益为 图14在图中a处设置给定范围 0的积分或微分控制来说,如果指定积分时间微分时间为负值 则是反作用回路。 8)如何根据工艺要求有选择地投入PID功能? 可使用"手动/自动切换的功能。PID向导生成的PID功能 块只能使用SM0.0的条件调用。 PID Wizard中的给定-反馈设 置完成 PID Wizard组态后,会为每个PD回路生成-个子程序 PIDX INIT(x=0-7)。在用广程序中,必须使用SM00始终调 用这个子程序才能实现PID功能。下图是一个最简单的PID 子程序调用程序段: SMO.O PDo|N肝T 图15在图中b处设置反馈范围 EN 1.6PD应用实例 ????PVI Out lu??? 假定一个PID控制系统的控制对象是压力,反馈元件的测 量范围为0-16MPa反馈器件的信号经过变换,以0-20mA ????Setpoin" (或4-20mA)电流信号的形式输入到EM231模拟量输入模块 中。据此,我们可以按下表设置给定反馈的范围。 图13调用PID子程序(图形质量不好) 表 其中 PVI:过程反馈参数值的人口 反馈(单极性) 给定 Setpoint:给定参数值的入口 Output:PID调节器的输出值 实际物力量|模拟量输入值百分比物理工程单位形式 在这里给定反馈的入∏参数不是PD指令功能块所需要高限16MPa 32000 1000 n160 的00-1.0之间的实数,而可以是实际的反馈地址,或是其他变 量。例如,PVI可以是模拟量输入地址AIWO,也可以是存储器地 0(0-20mA) 低限 OMPa 0.0 0.0 址W100等; Setpoint则往往来自变量存储区,这样可以从人 640(420mA) 机操作界面(HMI)设备输入给定值。 注意 n为比例系数,为了精度高些可以设置n=10等等 对于PI控制系统来说,必须保证给定与过程反馈的一致性 在上面的例子中,反馈和绐定可以按照如下方法设置 2009年11月第11册总第103册 89 经验交流 如何使用西门子S7-200PLC的PID控制功能? b.当前的输出值指示显示当前使用的设定值、采样时间 PID参数值及显示当前的输出值和棒图 c可显示过程值、设定值及输出值的PID趋势图 H灯U 图16反馈范围设置 图19图形显示区 图19中: A.过程变量和设定值的取值范围及刻度 B.PID输出的取值范围及刻度 C.实际PC时间 D.以不同颜色表示的设定值、过程变量及输出的趋势图 等晓轻 d调节参数这里你可以: ●选择PID参数的显示:当前参数( Current)、推荐参数(Sug 图17给定范围设置 gested)、手动输入( Manual ●在Maua模式下,可改变PD参数,并按 Update PLC按 2P|D自整定 钮来更新PLC中的参数 21P|D自整定概念 ●启动PID自整定功能 新的S7-200CPU支持PID自整定功能,在STEP7- Micro′ 选择 Advanced高级)按钮进入高级参数设定 WINV4.0中也添加了PID调节控制面板。 e.当前的PID回路号这里你可以选择需要监视或自整定的 用户可以使用用户程序或PID调节控制面板来启动自整定PD回路 功能。在同一时间最多可以有8个PID回路同时进行自整定。 f时间选项设定这里你可以设定趋势图的时基,时基以分为 PID调节控制面板也可以用来手动调试老版本的(不支持PD自单位 整定)CPU的PID控制回路。 g图例颜色这里你可以看到趋势图中不同的颜色代表不同 用户可以根据工艺要求为调节回路选择快速响应、中速响的值的趋势 应、慢速响应或极慢速响应。PID自整定会根据响应类型而计算 h帮助按钮 出最优化的比例、积分微分值,并可应用到控制中。 iPID信息显示窗口 22PID调节控制面板 j关闭PID调节面板 STEP7- Micro/WINV4.0中提供了一个PD调节控制面板 要使用PID调节控制面板,PID编程必须使用PID向导完 可以用图形方式监视PID回路的运行,另外从面板中还可以启成。 动、停止自整定功能 23P|D自整定步骤 1)第一步: 在 PID Wizard(向导)中完成PID功能组态要想使用PID 自整定功能,PID编程必须用PD向导来完成 “iw 2)第二步: 打开PID调节控制面板,设置PD回路调节参数在 Miero WINV40在线的情况下,从主菜单Tols> PID Tune Control cd te Panel或点击进入PID调节控制面板中,如果面板没有被激活 所有地方都是灰色),可点击 Configure(配置按钮运行CPU 在PID调节面板的e区选择要调节的PID回路号,在d区 选择Mama(手动)调节PD参数并点击 Update(更新),使新参 Cck for Hp and support h 数值起作用,监视其趋势图,根据调节状况改变PID参数直至调 图18PID调节控制面板 节稳定。 在图8中: 为了使PID自整定顺利进行,应当做到: a.过程值指示 ●使PD调节器基本稳定,输出、反馈变化平缓,并且使反 显示过程变量的值及其棒图 馈比较接近给定 自测化信息 AUTOMATION ENFORMATION 经验交流 如何使用门子S7-200PC的PID控制功能 ●设置合适的给定值,使PID调节器的输出远离趋勢图的上 f.动态响应选项:根据回路过程(工艺)要求可选择不同的 下坐标轴,以免PID自整定开始后输出值的变化范围受限制。 响应类型:快速、屮速、慢速、极慢速 参见:手动调整PID回路参数 ●快速:可能产生超调,属于欠阻尼响应 3)第三步 ●中速:在产生超调的边缘,属于临界阻尼响应 在d区点击 Advanced(高级)按钮,设定PID自整定选项。如 ●慢速:不会产生任何超调,属于过阻尼响应 果不是很特殊的系统,也可以不加理会。 ●极慢速:不会产生任何超调属于严重过阻尼响应 Adv, 34HecPID Auto l unineFarammeters 用户在这里指定需要达到的系统控制效果,而不是对系统 限我装斜就 本身响应快慢的判断 g.设定完参数点击OK键回到PD调节控制面板的主画面 4)第四步 在手动将PD调节到稳定状态后,即过程值与设定值接近, 且输出没有不规律的变化,并最好处于控制范围中心附近。此时 可点击d区内的 Start auto tune按钮启动PID自整定功能,这时 按钮变为 Stop Auto Tune。这时只需耐心等待,系统完成自整定 后会自动将计算出的PID参数显示在d.区。当按钮再次变为 Start auto Tune时,表示系统已经完成了PD自整定。要使用 自整定功能,必须保证PI回路处于自动模式。开始自整定后, 给定值不能再改变 5)第五步 如果用户想将PD自整定的参数应用到当前PIC中,则只 需点击 Update PLC。 完成PID调整后,最好下载一次整个项目(包括数据块),使 图20设置PID自整定高级选项 新参数保存到CPU的 EEPROM中。 在此允许设定下列参数 24P|D自鳖定失败的原因 a.你可以选中复选框,让白整定来自动计算死区值和偏移值 1)PD输出在最大值与最小值之间振荡(曲线接触到坐标轴) 对于一般的PID系统,建议使用自动选择。 b. Hysteresis(滞回死区): Pv&SP 死区值规定了允许过程值偏离设定值的最大(正负)范围, 过程反馈在这个范围内的变化不会引起PID自整定调节器改变 输出,或者使PID自整定调节器"认为这个范围内的变化是由 于自已改变输出进行自整定调节而引起的。PID自整定开始后, 只有过程反馈值超出了该区域PID自整定调节器才会认为它对 输出的改变发生了效果。这个值用来减少过程变量的噪声对自 整定的千扰,从而更精确地计算出过程系统的自然振动频率。如 7111祁0!014的?5仰 果选用自动计算,则缺省值为2%。如果过程变量反馈干扰信号 图21PID输出振荡 较强(噪声大)自然变化范围就大,可能需要人为设置一个较大 解决方法:降低PID初始输出步长值( initial output step) 的值。但这个值的改变要与下面的偏差值保持14的关系。 2)经过一段时间后,PD自整定面板显示如下信息:"The c. Deviation(偏差) Auto Tune algorithm was aborted due to a zero-crossing walchdo 偏差值决定了允许过程变量偏离设定值的峰峰值。如果选 timeout"即自整定计算因为等待反馈穿越给定值的看门狗超时 择自动计算该值,它将是死区的4倍,即8%。 而失败 有些非常敏感的系统不允许过程量偏离给定值很多,也可 解决方法:确定在启动PID自整定前,过程变量和输出值已 以人工设置为比较小的值,但是要和上述"死区设置保持比例关经稳定。并检查 Watchdog Time的值,将其适当增大 系。这就是说,一个精度要求高的系统,其反馈信号必须足够稳 对于其它错误,可参考手册中表15-3中的错误代码的描 定 述 d. Initial Output Step(初始步长值):PID调节的初始输出值25如何获得一个稳定的PD回路 PD自整定开始后,PID自整定调节器将主动改变PID的输 在开始PD白整定调整前,整个PID控制回路必须工作在 出值,以观察整个系统的反应。初始步长值就是输出的变动第一相对稳定的状态。 步变化值以占实际输出量程的百分比表示。 稳定的PID是指过程变量接近设定值,输出不会不规则的 e. Watchdog Time(看门狗时间):过程变量必须在此时间(时变化,且回路的输出值在控制范围中心附近变化。问题与解决 基为秒内达到或穿越给定值,否则会产生看门狗超时错误。 方法 PD自整定调节器在改变输出后,如果超过此时间还未观察 1)PD输出总是输出很大的值,并在这一区间内调节变化 到过程反馈(从下至上或从上至下)穿越给定曲线,则超时。如果 产生原因: 能够事先确定实际系统响应非常慢,可以加长这个时间。 ●增益(Gain)值太高 2009年11月第11册总第103册 91 经验交流 如何使用西门子S7-200PC的PID控制功能? PE SP Ah E ·rm 2 30 盒30132 3恐 :113150+3280:010813013401 图22 图 PD扫描时间( sample time)太长(对于快速响应PID的回 路)解决方法:降低增益(Gain)值并且/或选择短一些的扫描时间 P↓SP 2)过程变量超过设定值很多(超调很大) 产生原因:积分时间( Integral time)可能太高解决方法:降低 积分时间 3得到一个非常不稳定的PID 产生原因: ●如果用了微分,可能是微分参数有问题 ●没有微分,可能是增益(Gain)值太高 图24 解次方法 ●根据回路调节特性将增益值降低,最低可从0,ⅹ开始逐渐 ●调整微分参数到0-1的范围内 增大往上调,直到获得稳定的PD。A (上接84页) 压位置随动系统等,这样,学生在学习专业课时相对比较容易 能力和自我更新知识的能力。 也能够运用控制原理解决适当的复杂对象 如在对《白动控制原理》的讲授过程中,我们始终围绕着系 另外,实验在教学中是一个很重要的环节,它可以培养学生 统的建模、分析、综合这条主线展开课程内容。然后对相关的内的动手能力和创新能力,并加深学生对所学理论知识的理解。因 容讲思路、讲方法、作比较,这样以点带面,举一反三,同时布置此,有必要强化实践环节将理论教学与实验、设计相结合提高 适当的习题强化对主线的认识,从而形成科学的思维方法。 学生专业素质和实践能力。 42积极互动,争取最佳效果 教学活动中教与学是相互依存的互动关系。如何调动学生5结束语 的学习积极性、自觉性和主动性,是教学效果好坏的关键问题。 课程建设、课程改革的首要任务是观念的改变。 在讲授这门课的绪论时,我们就强调《自动控制原理》是一门骨 作为高等院校的教师,我们必须要树立而向社会需要的高等教 干课程。这门课程学不好,后线一系列课程的学习将十分困难。育价值观树立知识和能力全面发展的高等教育质量观树立可持 在讲授中间也经常反复强调这门课的重要性,以提高学生的认续发展的高等教育发展观以此来指导我们对课程改革的探索。 识,激发学生的学习积极性 个后,我们将在巩固已有成绩的基础上,继续对《自动控制 在课堂教学中我们始终贯彻少而精的原则,尽量做到教原理》及相关课程进行更深入的改革和探索,以培养出更名更好 师少讲精讲,鼓励学生自学。对课程的重点内容进行课堂提问,的高素质建设人才。A 对带有普遍意义或难点的问题,积极展开课堂讨论。 此外针对不同程度的学生提出了不同的要求,鼓励学生多参考文献 阅读相关参考书,对程度较好的学生则希望他们多看优秀的原山]温守东关于加强高校主干课程和核心课程建设的思考教育探索 版英文教材。 教育探索编辑部.2003年第7期. 43改进答疑,学生齐步前进 2]徐心和薛定宇主编2000年中国自动化教育学会会议论文集UJ辽宁 针对学生基础参差不齐,部分基础差的学生学习比较吃力,而 丹东2000年11月14-17 这部分学生又往往不爱问问题的情况,采用答疑和质疑相结合的3]解怀仁面向21世纪的石化仪表自动化技术机世界仪表与自动化 方法,在课余答疑时间,对部分学生由教师向学生提问,了解学生 1999.14.Vol 学习情况,作进-一步辅导,使基础差的学生能起到较大提高。 4]薛兴昌钢铁工业自动化的现状和技术发展世界仪表与白动化(特 44适量习题,巩固课堂知识 辑)20019 习题的选取考虑到典型性、代表性,能举反三,通过习题5]缪学勤现场总线的最新进展自动化仪表20006 可以检查学生对所学内容的掌握程度。 6冷增祥自动化技术浅淡电工资讯,1998(1:28-38,66-86 「7]秦世引展示面向21世纪自动化新技术的IACJ]动化信息2000 4.5加强实践,巩固理论知识 (6)30-40 自动控制原理果程偏重于原理的阐述,为了提高学生对系 统的感性认识,调动学习的积极性针对不同的专业选取不同的作者简介 实际对象。如对自动化专业的学生举一些工业控制过程的对象,王琪男,成都电子机械高筹专科学校电气与电子工程系,洪师,二学 水位控制系统、转速与电流双閉环直流调速系统、晶闸管交流调硕士。专业方向:自动检测与控制技术。 自动亿信息 AUTOMATION INFORMATION 【实例截图】
【核心代码】