如果用西門(mén)子S7-200 SMART PLC實(shí)現(xiàn)PID控制，則需要掌握配置PID向?qū)?、調(diào)用子程序、創(chuàng)建狀態(tài)圖表測(cè)試程序、自整定PID參數(shù)等技能。昌暉儀表在本文詳細(xì)介紹西門(mén)子S7-200 SMART PID回路控制，如何配置PID向?qū)?？如何調(diào)用子程序？如何創(chuàng)建狀態(tài)圖表測(cè)試程序？如何自整定PID參數(shù)？

PID控制器是應(yīng)用最廣泛的閉環(huán)控制器，它根據(jù)給定值與被控變量實(shí)測(cè)值之間的偏差，按照PID算法計(jì)算出控制器的輸出量控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使被控量跟隨給定量進(jìn)行變化并使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，自動(dòng)消除各種干擾對(duì)控制過(guò)程的影響，其中P、I、D分別指比例、積分、微分。 

PID控制原理圖

在西門(mén)子S7-200 SMART中，PID控制功能通過(guò)PID指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。編程軟件STEP7-Micro/WIN SMART提供了PID向?qū)?，可以幫助用?hù)組態(tài)PID控制和生成PID子程序，方便快捷的完成PID控制編程任務(wù)，支持8路PID功能、自動(dòng)/手動(dòng)切換以及PID整定。
 
PID回路向?qū)?/span>

STEP7-Micro/WIN SMART還提供了PID整定控制面板，允許以圖形方式監(jiān)視PID回路行為，還可以啟動(dòng)、停止自整定功能。下面我們來(lái)進(jìn)行S7-200 SMART PID回路控制的使用練習(xí)：利用PID向?qū)Ь帉?xiě)程序，使溫度保持在給定值，并對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定。

PID整定控制面板

任務(wù)描述。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)備中利用溫度變送器將0-100℃的溫度轉(zhuǎn)換為0-10V的電壓信號(hào)，送到擴(kuò)展模塊EM AM06的模擬量輸入通道2。加熱器用Q1.6輸出的PWM脈沖來(lái)控制。需要說(shuō)明的是，EM AM06將模擬量輸入0-10V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，對(duì)應(yīng)數(shù)字范圍為0-27648，傳送到S7-200 SMART CPU的AI存儲(chǔ)器中。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)描述

硬件組態(tài)。打開(kāi)編程軟件STEP7-Micro/WIN SMART創(chuàng)建新項(xiàng)目，在項(xiàng)目樹(shù)中雙擊CPU打開(kāi)，根據(jù)實(shí)際配置CPU選擇SR40，擴(kuò)展模塊EM0選擇AM06，啟用模塊電源報(bào)警。單擊模擬量輸入節(jié)點(diǎn)下的通道2，通道地址為AIW20，類(lèi)型組態(tài)為電壓，范圍選擇+/-10V，平滑采用默認(rèn)的4個(gè)周期，啟用超出上限報(bào)警和超出下限報(bào)警，單擊確定按鈕完成硬件組態(tài)。

硬件組態(tài)

配置PID向?qū)?。在工具菜單功能區(qū)單擊PID按鈕打開(kāi)PID回路向?qū)?duì)話框，選擇要組態(tài)的回路，最多可組態(tài)8個(gè)回路，這里我們選擇回路0。

選擇回路0

在左側(cè)的樹(shù)視圖中單擊回路0節(jié)點(diǎn)，在此定義回路名稱(chēng)。單擊參數(shù)節(jié)點(diǎn)，在此設(shè)置回路參數(shù)，如果不需要比例作用，增益設(shè)置為0.0，如果不需要積分作用，積分時(shí)間設(shè)置為無(wú)窮大值INF，如果不需要微分作用，微分時(shí)間設(shè)置為0.0，采樣時(shí)間是PID控制回路對(duì)反饋采樣以及重新計(jì)算輸出值的時(shí)間間隔，這里我們均采用默認(rèn)值，后面在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行自整定。

設(shè)置回路參數(shù)

單擊輸入節(jié)點(diǎn)，在此指定回路過(guò)程變量的標(biāo)定方式，根據(jù)外接模擬量輸入情況，類(lèi)型選擇単極型，標(biāo)定選項(xiàng)中設(shè)置過(guò)程變量范圍0到27648，對(duì)應(yīng)回路設(shè)定值范圍0.0到100.0，該值是給定值占過(guò)程變量量程的百分比，在本例中也可以認(rèn)為是工程量溫度值。

設(shè)置輸入?yún)?shù)

點(diǎn)擊輸出節(jié)點(diǎn)，在此指定回路輸出的標(biāo)定方式，根據(jù)外接輸出信號(hào)類(lèi)型選擇數(shù)字量，循環(huán)時(shí)間即PWM輸出的周期，采用默認(rèn)值0.1秒。

設(shè)置輸出參數(shù)

單擊報(bào)警節(jié)點(diǎn)，在此設(shè)定回路報(bào)警選項(xiàng)，啟用下限報(bào)警、上限報(bào)警、模擬量輸入錯(cuò)誤報(bào)警，指定報(bào)警上下限值以百分比表示，以及模擬量輸入模塊連接到PLC的位置。

報(bào)警參數(shù)設(shè)置

單擊代碼節(jié)點(diǎn)，在此自定義向?qū)傻淖映绦蚝椭袛喑绦虻拿Q(chēng)，選擇添加PID的手動(dòng)控制，當(dāng)處于手動(dòng)模式時(shí)不執(zhí)行PID計(jì)算，回路輸出由程序控制。單擊存儲(chǔ)器分配節(jié)點(diǎn)，PID向?qū)橥瓿蒔ID運(yùn)算需要120個(gè)字節(jié)的位存儲(chǔ)器，為其指定起始地址，要保證程序中沒(méi)有使用這些存儲(chǔ)器，單擊建議按鈕向?qū)⒆詣?dòng)設(shè)定當(dāng)前程序中未用的位存儲(chǔ)器，這里我們采用VB0為起始地址。

添加PID手動(dòng)控制

單擊組件節(jié)點(diǎn)，在此列出了PID向?qū)傻慕M件，包括一個(gè)初始化PID的子程序、一個(gè)用于循環(huán)執(zhí)行PID功能的中斷程序、一個(gè)120個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)頁(yè)以及一個(gè)符號(hào)表，單擊生成按鈕完成PID向?qū)渲?，向?qū)傻捻?xiàng)目組件添加到了項(xiàng)目中。

項(xiàng)目組件列表

查看向?qū)傻捻?xiàng)目組件。在項(xiàng)目樹(shù)中展開(kāi)程序塊下的向?qū)募A，雙擊初始化PID子程序打開(kāi)，該子程序是加密的，可以查看相關(guān)的子程序調(diào)用說(shuō)明，變量表列出了子程序的接口參數(shù)定義，編程調(diào)用時(shí)可參考。雙擊PID功能中斷子程序打開(kāi)，該中斷子程序也是加密的，請(qǐng)注意PID向?qū)褂昧硕〞r(shí)中斷0，編程時(shí)不能再使用此中斷，否則會(huì)引起PID運(yùn)行錯(cuò)誤。

查看項(xiàng)目組件

展開(kāi)符號(hào)表下的向?qū)募A，雙擊PID符號(hào)表打開(kāi)，在此可以查看PID回路相關(guān)參數(shù)的符號(hào)及地址信息，不可更改，編程時(shí)可參考。展開(kāi)數(shù)據(jù)塊下的向?qū)募A，雙擊PID數(shù)據(jù)頁(yè)打開(kāi)，該數(shù)據(jù)頁(yè)是加密的，在此可以查看PID回路的PID算法相關(guān)參數(shù)，這樣PID向?qū)Ь团渲猛瓿闪恕?br />
PID符號(hào)表

在編程軟件STEP7-Micro/WIN SMART的指令樹(shù)中，展開(kāi)調(diào)用子例程文件夾，選擇初始化PID向?qū)ё映绦蛲戏诺街鞒绦蛑?，該子程序有多個(gè)接口參數(shù)，切換到該子程序窗口，程序注釋中指出需要在每個(gè)掃描周期使用SM0.0從主程序中調(diào)用該子程序，變量表給出有關(guān)接口參數(shù)的含義和取值范圍。

拖放初始化PID向?qū)ё映绦?/span>

回到主程序窗口，使能端插入一個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)，輸入地址SM0.0，過(guò)程變量參數(shù)處輸入模擬量輸入地址AIW20，設(shè)定值參數(shù)處輸入VD200，Auto_Manual處輸入M0.0，ManualOutput處輸入50.0，表示用M0.0控制自動(dòng)與手動(dòng)模式。配置PID向?qū)r(shí)我們已經(jīng)設(shè)置回路為數(shù)字量輸出，因此手動(dòng)模式時(shí)PID輸出占空比為百分之五十，如果配置向?qū)r(shí)沒(méi)有添加PID手動(dòng)控制，這兩項(xiàng)不會(huì)出現(xiàn)。|

設(shè)置參數(shù)地址

Output處輸入Q1.6，用PWM輸出驅(qū)動(dòng)加熱裝置，HighAlarm、LowAlarm、ModulError處輸入滿(mǎn)足高低限報(bào)警、模塊錯(cuò)誤報(bào)警條件時(shí)相應(yīng)的輸出標(biāo)志位，如果在配置向?qū)r(shí)沒(méi)有啟用這些報(bào)警功能，相應(yīng)的項(xiàng)也不會(huì)出現(xiàn)，這里我們分別輸入Q0.0、Q0.1、Q0.2。另外，打開(kāi)PID向?qū)傻姆?hào)表，查看各回路參數(shù)的詳細(xì)地址，從而可以使用程序、狀態(tài)圖表、或從HMI設(shè)備上修改PID參數(shù)值進(jìn)行編程調(diào)試，例如標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程變量的地址為VD0，如果想要得到實(shí)際工程量，需要編寫(xiě)程序轉(zhuǎn)換。

查看符號(hào)表

插入實(shí)數(shù)相乘指令，在IN1處輸入地址VD0，IN2處輸入100.0，OUT處輸入地址VD204，該指令把標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程變量轉(zhuǎn)化成了實(shí)際溫度值存放在VD204中。對(duì)使用的地址進(jìn)行符號(hào)定義，如下圖所示，這樣通過(guò)調(diào)用PID向?qū)傻淖映绦蚴箿囟缺３衷诮o定值的程序就編寫(xiě)完成了，最后，保存編譯項(xiàng)目。

編寫(xiě)程序

下面，我們來(lái)學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建狀態(tài)圖表并利用狀態(tài)圖表來(lái)測(cè)試程序。首先我們來(lái)看一下如何創(chuàng)建狀態(tài)圖表。

復(fù)制所需的數(shù)據(jù)地址

創(chuàng)建狀態(tài)圖表。從符號(hào)表復(fù)制所需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)地址粘貼到狀態(tài)圖表中，切換尋址顯示模式，設(shè)置合適的數(shù)據(jù)顯示格式，如圖所示，這樣就快速創(chuàng)建了狀態(tài)圖表，單擊保持按鈕保存項(xiàng)目。

將數(shù)據(jù)地址粘貼到狀態(tài)圖表中并切換尋址顯示模式

下載并測(cè)試。將項(xiàng)目下載到PLC中，將CPU置于RUN模式，在狀態(tài)圖表中持續(xù)監(jiān)視，可以看到當(dāng)前溫度為30度左右，PID控制處于手動(dòng)模式，加熱器按照百分之五十的PWM工作。

狀態(tài)圖表中監(jiān)視PID參數(shù)

溫度持續(xù)升高，將給定值設(shè)置為80度，PID控制改為自動(dòng)模式，溫度向設(shè)定值方向變化，自動(dòng)計(jì)算PID輸出。

PID設(shè)為自動(dòng)模式

修改PID控制參數(shù)，觀察控制器及被控變量狀態(tài)，實(shí)際調(diào)試時(shí)可以利用PID整定控制面板，以圖形方式來(lái)直觀查看，并自整定PID控制參數(shù)。

修改PID控制參數(shù)觀察控制器及被控變量狀態(tài)

接下來(lái)使用西門(mén)子S7-200 SMART PID整定控制面板自整定PID參數(shù)。首先我們介紹一下PID整定控制面板。左側(cè)選擇PID回路號(hào)，標(biāo)定區(qū)域顯示給定值、過(guò)程值、輸出值以及高低限，均以百分比顯示；圖形顯示區(qū)中用不同顏色的曲線顯示了給定值、過(guò)程值以及輸出值相對(duì)于時(shí)間的PID趨勢(shì)圖，其中過(guò)程值和給定值共用圖形左側(cè)的縱軸，輸出使用圖形右側(cè)的縱軸；采樣區(qū)域中采樣時(shí)間是執(zhí)行PID運(yùn)算的時(shí)間間隔，只能在PID向?qū)渲弥懈?，速率設(shè)置圖形顯示區(qū)所有顯示值的采樣更新速率，可以單擊暫停按鈕凍結(jié)圖形、單擊清除按鈕清除圖形；調(diào)節(jié)參數(shù)區(qū)域中顯示增益、積分、微分參數(shù)的當(dāng)前值，選擇啟用手動(dòng)調(diào)節(jié)后在計(jì)算值列可以直接修改PID參數(shù)，在自動(dòng)模式下單擊啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)自整定，自整定完成后單擊更新CPU按鈕將自整定計(jì)算出的PID參數(shù)寫(xiě)入到CPU中；狀態(tài)區(qū)域顯示自整定過(guò)程狀態(tài)。

PID整定控制面板

單擊選項(xiàng)按鈕打開(kāi)自整定參數(shù)設(shè)置的高級(jí)選項(xiàng)對(duì)話框，選中自動(dòng)計(jì)算值復(fù)選框，自整定將自動(dòng)計(jì)算滯后值和偏差值，不選中此項(xiàng)可以自行指定這些值；滯后值規(guī)定了允許過(guò)程值偏離設(shè)定值的最大正負(fù)范圍；偏差值決定了允許過(guò)程值偏離設(shè)定值的峰-峰值；初始輸出步就是輸出變化的第一步變化量，以實(shí)際輸出量程的百分比表示；看門(mén)狗時(shí)間規(guī)定過(guò)程變量必須在此時(shí)間內(nèi)達(dá)到或穿越設(shè)定值；動(dòng)態(tài)響應(yīng)字段中根據(jù)回路過(guò)程的控制要求可選擇不同的響應(yīng)類(lèi)型。

高級(jí)選項(xiàng)

自整定。要使用PID控制面板必須與CPU通信，用PID向?qū)渲蒙梢粋€(gè)PID回路，并將程序下載到CPU中，使CPU處于運(yùn)行模式，在狀態(tài)圖表中將給定值設(shè)為60度，PID控制改為自動(dòng)模式。

狀態(tài)圖表

在工具菜單功能區(qū)單擊PID控制面板按鈕，打開(kāi)PID整定控制面板對(duì)話框，選擇回路0，先啟動(dòng)手動(dòng)調(diào)節(jié)，輸入PID參數(shù)，如增益改為5.0，單擊更新CPU，使新輸入的參數(shù)值起作用，監(jiān)視趨勢(shì)圖，根據(jù)調(diào)節(jié)狀況改變PID參數(shù)直至調(diào)節(jié)穩(wěn)定，即過(guò)程值與設(shè)定值接近，且輸出沒(méi)有不規(guī)律的變化，并最好處于控制范圍中心附近，此時(shí)可將手動(dòng)調(diào)節(jié)改為自動(dòng)調(diào)節(jié)，即自整定。

手動(dòng)調(diào)節(jié)改為自動(dòng)調(diào)節(jié)

單擊選項(xiàng)按鈕，打開(kāi)自整定參數(shù)設(shè)置高級(jí)選項(xiàng)，這里我們不做修改，單擊啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)PID自整定功能，此時(shí)按鈕變?yōu)橥Ｖ?，觀察自整定過(guò)程狀態(tài)，這時(shí)只需耐心等待，系統(tǒng)完成自整定后會(huì)自動(dòng)將計(jì)算出的PID參數(shù)顯示出來(lái)。請(qǐng)注意，要使用自整定功能必須保證PID回路處于自動(dòng)模式，開(kāi)始自整定后，給定值不能再改變。

完成自整定

當(dāng)按鈕再次變?yōu)閱?dòng)時(shí)表示系統(tǒng)已經(jīng)完成了自整定，單擊更新CPU按鈕，將PID自整定參數(shù)應(yīng)用到PLC中。在狀態(tài)圖表中可以看到PID參數(shù)已經(jīng)更新為新的整定參數(shù)。

參數(shù)已改變

到此用S7-200 SMART PLC實(shí)現(xiàn)PID控制教程的內(nèi)容就結(jié)束了，歡迎大家對(duì)本教程提出寶貴意見(jiàn)。