1、第第 5 章章S7-1200 PLC的的PID工艺功能工艺功能1第1页，共35页。5.1 模拟量闭环控制系统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()()()()cDinitialIde tM tKe te t dtTMTdt2第2页，共35页。5.1 模拟量闭环控制系统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。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
2、产生的干扰信号电流，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干扰电流在干扰电流在10M 输入阻抗上将产生输入阻抗上将产生10V的干扰电压信号，所以远处传送模的干扰电压信号，所以远处传送模拟量电压信号时抗干扰能力很差。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。线路上的干扰信号在模块的输入端阻抗上产生的干扰电
3、压很低，所以模拟量电流信号适合于远程传送。模拟量电流信号适合于远程传送。3第3页，共35页。5.1 模拟量闭环控制系统模拟量闭环控制系统负反馈负反馈 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，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。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器输出电流或输出电压的极性，或改变了位移传感
4、器(编码器编码器)的安装方的安装方向，都会改变反馈的极性。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转换器和执行机构转换器和执行机构之间的连线，在开环状态下运行之间的连线，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，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。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。4第4页，共35
5、页。5.1 模拟量闭环控制系统模拟量闭环控制系统PID控制的优点控制的优点 l不需要被控对象的数学模型不需要被控对象的数学模型l结构简单，容易实现结构简单，容易实现l有较强的灵活性和适应性有较强的灵活性和适应性l使用方便使用方便5第5页，共35页。5.2 PID控制器的数字化控制器的数字化 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()()nnCnIjinitialDnnjMK eKeMKee1()()nCnInDnnMK eK eMXKeePLC周期性地执行周期性地执行PID控制程序，执行的周期称为采用周期控制
6、程序，执行的周期称为采用周期Ts。6第6页，共35页。5.3 PID_Compact指令指令 S7-1200使用使用PID_Compact指令来实现指令来实现PID控制，该指令的背景数据块控制，该指令的背景数据块称为称为PID_Compact工艺对象。工艺对象。PID控制器具有参数自调节功能和自动、控制器具有参数自调节功能和自动、手动模式。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(简称为实际值或简称为实际值或输入值输入值)，并与期望的设定值比较，根据得到的误差，计算输出，使，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
7、快地接近设定值或进入稳态。被控变量尽可能快地接近设定值或进入稳态。7第7页，共35页。5.3 PID_Compact指令指令生成一个新项目生成一个新项目 1/2 添加一个添加一个PLC设备，将硬件目录中的设备，将硬件目录中的AO信号板托到信号板托到CPU中，设置其输出为中，设置其输出为 10V电压：电压：8第8页，共35页。5.3 PID_Compact指令指令生成一个新项目生成一个新项目 2/2 集成的模拟量输入的集成的模拟量输入的0号通道的量程为默认的号通道的量程为默认的0 10V：9第9页，共35页。5.3 PID_Compact指令指令生成循环中断组织块生成循环中断组织块 调用调用PI
8、D_Compact的时间间隔称为采样时间，为了保证精确的采样时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间，用固定的时间间隔执行PID指令，在循环中断指令，在循环中断OB中调用中调用PID_Compact指令。指令。建立循环组织块建立循环组织块OB200，设置循环时间间隔为，设置循环时间间隔为300ms。10第10页，共35页。打开任务卡的打开任务卡的“扩展指令扩展指令”窗口的窗口的PID文件夹，将其中的文件夹，将其中的“PID_Compact”指令拖放到指令拖放到OB200中，将默认的背景数据块的名称中，将默认的背景数据块的名称改为改为PID_DB。5.3 PID_
9、Compact指令指令调用调用PID_Compact指令指令 1/211第11页，共35页。5.3 PID_Compact指令指令调用调用PID_Compact指令指令 2/2在程序块的文件夹中生成名为在程序块的文件夹中生成名为“PID_Compact”的功能块的功能块FB1130，生成的，生成的背景数据块背景数据块PID_DB在项目树的文件夹在项目树的文件夹“工艺对象工艺对象”中。中。12第12页，共35页。5.3 PID_Compact指令指令PID_Compact指令的模式指令的模式 1/21)未激活模式未激活模式PID Compact工艺对象被组态并首次下载到工艺对象被组态并首次下载到
10、CPU后，后，PID控制器处控制器处于未激活于未激活(Inactive)模式，此时需要在调试窗口进行首次启动自调模式，此时需要在调试窗口进行首次启动自调节。节。在运行时出现错误，或者点击了调试窗口的在运行时出现错误，或者点击了调试窗口的“停止测量停止测量”按钮，按钮，PID控制器将进入未激活模式。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。选择其他运行模式时，活动状态的错误被确认。2)自动调节模式自动调节模式打开打开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。模式。13第13页，共35页。5.3
11、PID_Compact指令指令PID_Compact指令的模式指令的模式 2/23)自动模式自动模式在自动模式，在自动模式，PID Compact工艺对象根据设置的工艺对象根据设置的PID参数进行闭环控参数进行闭环控制。满足下列调节之一时，控制器将进入自动模式：制。满足下列调节之一时，控制器将进入自动模式：l 成功地完成了首次启动自调节和运行中自调节的任务；成功地完成了首次启动自调节和运行中自调节的任务；l 在组态窗口中选中了在组态窗口中选中了“使用手动使用手动PID参数设置参数设置”复选框复选框4)手动模式手动模式在手动模式下，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，
12、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：控制器将进入手动模式：指令的输入参数指令的输入参数“ManualEnable”(启用手动启用手动)为为1状态。状态。在调试窗口选中了在调试窗口选中了“手动手动”复选框。复选框。14第14页，共35页。5.3 PID_Compact指令指令组态基本参数组态基本参数 1/2选中反作用控制器，用来保证负反馈选中选中“PID_Compact”指令，然后选中巡视窗口左边的指令，然后选中巡视窗口左边的“基本参数基本参数”，在右边，在右边窗口设置窗口设置PID的基本参数。的基本参数。15第15页，共35页。5.3 PID_Compact指令指
13、令组态基本参数组态基本参数 2/2选择来自用户程序或外设输入“Tag_11”和和“Tag_12”分别时分别时IW64(CPU集成的模拟量输入通道集成的模拟量输入通道0)和和QW80(1AO信号板的模拟量输出信号板的模拟量输出)。16第16页，共35页。5.3 PID_Compact指令指令组态输入标定组态输入标定模拟量的实际值模拟量的实际值(或来自用户程序的输入值或来自用户程序的输入值)为为0.0%100.0%时，时，A/D转换转换后的数字为后的数字为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
14、限，停止正常控制，输出值被设置为控制，输出值被设置为0。17第17页，共35页。5.3 PID_Compact指令指令组态高级设置组态高级设置-输入监视输入监视为了设置为了设置PID的高级参数，打开项目树中的文件夹的高级参数，打开项目树中的文件夹“PLC_1工艺对象工艺对象PID_DB”，双击，双击“组态组态”，打开，打开PID_Compact对象；或者点击对象；或者点击PID_Compact指令右上角的指令右上角的 图标，也可打开图标，也可打开PID组态对话框。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输输出参
15、数出参数“InputWarning_H”或或“InputWarning_L”将变为将变为1.18第18页，共35页。5.3 PID_Compact指令指令组态高级设置组态高级设置-PWM监视监视该设置影响指令的输出变量该设置影响指令的输出变量“Output_PWM”。PWM的开关量输出受的开关量输出受“PID_Compact”指令的控制，与指令的控制，与CPU集成的脉冲集成的脉冲发生器无关。发生器无关。19第19页，共35页。5.3 PID_Compact指令指令组态高级设置组态高级设置-输出限制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设置输出变量的限制值，使手动模式或自动模式时P
16、ID的输出值不的输出值不超过上限和低于下限。超过上限和低于下限。用用Output_PWM作作PID的输出值时，只能控制正的输出变量。的输出值时，只能控制正的输出变量。20第20页，共35页。5.3 PID_Compact指令指令组态高级设置组态高级设置-PID参数参数21第21页，共35页。5.3 PID_Compact指令指令用用PID指令设置参数指令设置参数可以在可以在PID指令上直接输入指令的参数，未设置指令上直接输入指令的参数，未设置(采用默认值采用默认值)的参数的参数为灰色。为灰色。点击指令框下面向下的箭头，点击指令框下面向下的箭头，将显示更多的参数；将显示更多的参数；点击向上的箭头
17、，将不显示指令点击向上的箭头，将不显示指令中灰色的参数；中灰色的参数；点击某个参数的实参，可以直点击某个参数的实参，可以直接输入地址或常数。接输入地址或常数。22第22页，共35页。5.3 PID_Compact指令指令PID指令的输入变量指令的输入变量参数名称参数名称数据数据类型类型说说 明明默认值默认值SetpointReal自动模式的控制器设定值自动模式的控制器设定值0.0InputReal作为实际值作为实际值(即反馈值即反馈值)来源的用户来源的用户程序的变量程序的变量0.0Input_PERWord作为实际值来源的模拟量输入作为实际值来源的模拟量输入W#16#0ManualEnable
18、 Bool上升沿选择手动模式，下降沿选上升沿选择手动模式，下降沿选择最近激活的操作模式择最近激活的操作模式FALSEManualValueReal手动模式的手动模式的PID输出变量输出变量0.0ResetBool重新启动控制器，重新启动控制器，1进入未激活模进入未激活模式，控制器输出变量为式，控制器输出变量为0，临时值，临时值被复位，被复位，PID参数保持不变参数保持不变FALSE23第23页，共35页。5.3 PID_Compact指令指令PID指令的输出变量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
19、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_H Bool1时设定值的绝对值达到或超过上限FALSESetpointLimit_L Bool1时设定值的绝对值达到或低于下限FALSEInputWarning_H Bool1时实际值达到或超过报警上限FALSEInputWarning_L Bool1时实际值达到或低于报警下限FALSEStateIntPID控制器的当前运行模式：04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#0000ErrorDW
20、ord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24第24页，共35页。5.4 用调试窗口整定用调试窗口整定PID控制器控制器调试窗口调试窗口25第25页，共35页。5.4 用调试窗口整定用调试窗口整定PID控制器控制器调试窗口的功能调试窗口的功能1)使用使用“首次启动自调节首次启动自调节”功能优化控制器；功能优化控制器；2)使用使用“运行中自调节运行中自调节”功能优化控制器，可以实现最佳调节；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；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。通过手动设置控制器的输出值来测试过程。2
21、6第26页，共35页。5.4 用调试窗口整定用调试窗口整定PID控制器控制器基本操作基本操作1.用下拉式列表设用下拉式列表设置采样时间置采样时间2.PC与与PLC建立好通信连接后，点击建立好通信连接后，点击“启动测量启动测量”，开始用趋势图记录，开始用趋势图记录3.点击点击“停止测量停止测量”，结束调试功能。可以用，结束调试功能。可以用趋势图中的曲线来分析趋势图中的曲线来分析PID控制的效果。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。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。27第27页，共35页。5.4 用调试窗口整定用调试窗口整定PID控制器控制器显
22、示模式显示模式Strip(连续显示连续显示)：新的趋势值从趋势区的右边进入，较早的趋势值移动到：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。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：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，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。新的趋势值又从左边出现。S
23、weep(滚动显示滚动显示)：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：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。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：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
24、在整个记录区间移动。历史曲线，时间轴可以在整个记录区间移动。28第28页，共35页。5.4 用调试窗口整定用调试窗口整定PID控制器控制器移动坐标轴与改变坐标轴移动坐标轴与改变坐标轴的比例的比例可以将坐标轴锁死或解除闭锁。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时间轴拉伸或压缩左边的设定值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输入值轴和右边的控制器输出变量轴量轴29第29页，共35页。5.4 用调试窗口整定用调试窗口整定PID控制器控制器标尺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，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
25、，水平的标尺在趋势区的最上面。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。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
26、色显示。点击不活动标尺，可以深色表示。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。按住将它变为活动的标尺。按住ALT后点击标尺，可以消除它。后点击标尺，可以消除它。30第30页，共35页。5.4 用调试窗口整定用调试窗口整定PID控制器控制器首次启动自调节首次启动自调节 1/2该模式要求的调节：该模式要求的调节：1)在循环中断在循环中断OB中调用中调用“PID_Compact”指令；指令；2)建立与建立与CPU的在线连接，的在线连接，CPU在在RUN模式；模式；3)点击点击“启动测量启动测量”，激活调试视图的功能；，激活调试视图的功能；4)未选中未选中“手动手动”
27、复选框；复选框；5)设定值与实际值在组态的限制值之内；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设定值与实际值的差值大于50%。31第31页，共35页。5.4 用调试窗口整定用调试窗口整定PID控制器控制器首次启动自调节首次启动自调节 2/2操作步骤如下：操作步骤如下：1)用单选框选中调试窗口的用单选框选中调试窗口的“优化优化”区的区的“首次启动自调节首次启动自调节”；2)点击点击“首次启动自调节首次启动自调节”，启动自调节，启动自调节，“状态状态”域显示当前的步骤域显示当前的步骤和可能出现的错误，和可能出现的错误，“进度进度”域显示当前步骤的进展。域显示当前步骤的进展。如
28、果自调节没有出错，如果自调节没有出错，PID的参数被优化，将的参数被优化，将PID控制器切换到自动模式，控制器切换到自动模式，使用优化的参数。上电和重新启动使用优化的参数。上电和重新启动CPU时，优化的参数被保持。时，优化的参数被保持。32第32页，共35页。5.4 用调试窗口整定用调试窗口整定PID控制器控制器运行中自调节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条改为设条改为设定值与实际值的差值小于定值与实际值的差值小于50%。如果大于。如果大于50%，应先进行首次启动调节，完，应先进行首次启动调节，完
29、成后自动进行运行中自调节。成后自动进行运行中自调节。步骤：步骤：1)用单选框选中调试窗口的用单选框选中调试窗口的“优化优化”区的区的“运行中自调节运行中自调节”；2)点击点击“启动自调节启动自调节”，启动自调节。，启动自调节。33第33页，共35页。5.4 用调试窗口整定用调试窗口整定PID控制器控制器保存优化的保存优化的PID参数参数PID控制器在控制器在CPU内优化，如果想在下载项目数据时使用优化的内优化，如果想在下载项目数据时使用优化的PID参数，参数，可以将可以将PID参数保存到项目中：参数保存到项目中：1)建立计算机与建立计算机与CPU的在线连接；的在线连接；2)令令CPU运行在运行
30、在RUN模式；模式；3)点击点击“启动测量启动测量”，激活调试窗口的功能；，激活调试窗口的功能；4)点击左下角的点击左下角的 ，将当前激活的，将当前激活的PID参数上载到项参数上载到项目。目。34第34页，共35页。5.4 用调试窗口整定用调试窗口整定PID控制器控制器手动模式手动模式通过手动设置控制器的输出值来测试过程。操作步骤：通过手动设置控制器的输出值来测试过程。操作步骤：1)选中选中“当前值当前值”区的区的“手动手动”复选框，控制器输出与控制变量之间的连接复选框，控制器输出与控制变量之间的连接被断开，闭环控制最后的控制输出变量作为手动的控制器输出变量；被断开，闭环控制最后的控制输出变量作为手动的控制器输出变量；2)在在“Output”域输入以域输入以%为单位的希望的控制器输出变量的值；为单位的希望的控制器输出变量的值；3)点击点击“Output”域右边出现的按钮，控制器的输出变量被写入域右边出现的按钮，控制器的输出变量被写入CPU，并被立即激活。并被立即激活。PID控制器连续地监视实际值，如果实控制器连续地监视实际值，如果实际值超过限制，将在际值超过限制，将在“状态状态”域显示域显示出来，控制器将进入未激活模式。出来，控制器将进入未激活模式。35第35页，共35页。
