第四章 水箱的PID控制

01虛擬水箱控制系統(tǒng)搭建液位的手動調(diào)節(jié)液位的PID調(diào)節(jié)水箱的PID控制0203虛擬水箱系統(tǒng)搭建什么是虛擬水箱控制系統(tǒng)PLC控制器液位計進(jìn)水閥出水閥本項(xiàng)目采用FACTORYIO軟件提供的虛擬水箱代替實(shí)際居民樓屋頂水箱，使用西門子S7-1200PLC（CPU1212CDC/DC/DC）作為虛擬水箱的控制器，對水箱進(jìn)行液位控制。FACTORYI/OFACTORYI/O是一款蘊(yùn)含了工業(yè)系統(tǒng)搭建、PLC編程、PLC控制系統(tǒng)調(diào)試等技能訓(xùn)練的PLC交互式教學(xué)仿真軟件。FACTORYI/O提供超過20個典型的工業(yè)應(yīng)用場景讓您如身臨其境般地練習(xí)控制任務(wù)。創(chuàng)建虛擬水箱選擇LevelControl創(chuàng)建虛擬水箱創(chuàng)建后的虛擬水箱液位的手動調(diào)節(jié)液位傳感器液位傳感器是一種常見的測量液位位置的傳感器，它是將液位的高度轉(zhuǎn)化為電信號的形式進(jìn)行輸出。一般輸出的信號是電流4-20mA，0-20mA，或電壓0-5V，1-5V，0-10V等，通常電流型的是二線或四線制輸出，而電壓型的三線制輸出。液位獲取本項(xiàng)目所使用的液位傳感器為連續(xù)測量的液位傳感器，其固定在虛擬水箱上。它的量程為0-3000mm，輸出為電壓信號（0-10V）。如下圖程序所示為標(biāo)準(zhǔn)0-10V模擬量輸入信號對應(yīng)0-3000mm液位深度的量程換算示例。IO分配輸入信號輸出信號序號PLC輸入點(diǎn)信號名稱序號PLC輸出點(diǎn)信號名稱1I0.3FACTORYI/O(Running)1QW30進(jìn)水閥控制2IW30液位計數(shù)字量輸入2QW32出水閥控制PLC組態(tài)選用西門子S7-1200PLC(CPU1212CDC/DC/DC)、模擬量輸入模塊（4輸入）和模擬量輸出模塊（4輸出）程序編寫左圖為PLC的主程序，其中函數(shù)MHJ-PLC-Lab-Function-S71200為S7-PLCSIM和FACTORYI/O的通信連接函數(shù)，可在FACTORYI/O官網(wǎng)下載。虛擬水箱的配置與運(yùn)行驅(qū)動參數(shù)設(shè)置虛擬水箱的配置與運(yùn)行驅(qū)動參數(shù)設(shè)置虛擬水箱的配置與運(yùn)行選擇SiemensS7-PLCSIM虛擬水箱的配置與運(yùn)行配置PLC信息左圖所示：其中布爾輸入1個，偏移量為0；字輸入1個，字輸出2個，偏移量為30。虛擬水箱的配置與運(yùn)行配置好PLC信息的驅(qū)動虛擬水箱的配置與運(yùn)行連接：PLC仿真運(yùn)行后，點(diǎn)擊“連接”實(shí)現(xiàn)虛擬水箱和PLC的連接。驅(qū)動完成和PLC連接后，呈現(xiàn)如下圖所示狀態(tài)。運(yùn)行：點(diǎn)擊下圖所示紅色框內(nèi)的按鈕，啟動虛擬水箱仿真。虛擬水箱的配置與運(yùn)行虛擬水箱對應(yīng)出水閥門的開度18%，水箱以一定速度向外放水，其設(shè)置如下圖所示。PLC運(yùn)行調(diào)試在PLC監(jiān)控表如下圖設(shè)置進(jìn)水閥門的數(shù)值為10000，對應(yīng)虛擬水箱進(jìn)水閥的開度為36%，水箱則開始注水。然后設(shè)置出水閥的數(shù)值為5000。水箱液位調(diào)節(jié)液位的PID調(diào)節(jié)水箱液位的PID整定過程PID的控制方式PID仿真調(diào)節(jié)過程分析PLC變量與水箱控制器新建中斷組織塊，編寫PID程序設(shè)置PID指令相關(guān)參數(shù)PID自整定調(diào)節(jié)開啟PLC仿真，運(yùn)行虛擬水箱變量綁定參數(shù)設(shè)置PID調(diào)節(jié)編寫PID仿真開啟PID控制器參數(shù)使用PID控制器前，需要對其進(jìn)行組態(tài)參數(shù)設(shè)置，分為基本設(shè)置、過程值設(shè)置、高級設(shè)置等部分?；驹O(shè)置—控制器類型①為設(shè)定值、過程值選擇物理量和測量單位。②PID_Compact反作用時，可以勾選“反轉(zhuǎn)控制邏輯”。正作用是隨著PID控制器的偏差增大，輸出值增大；反作用是隨著PID控制器的偏差增大，輸出值減小。③要在CPU重啟后切換到“模式”(Mode)參數(shù)中保存的工作模式，請勾選“在CPU重啟后激活模式”。④Mode模式的設(shè)置類型選項(xiàng)，如精確調(diào)節(jié)、預(yù)調(diào)節(jié)等。基本設(shè)置—定義Input/Output參數(shù)定義PID過程值和輸出值的內(nèi)容，選擇PID_Compact指令的輸入、輸出變量的引腳和數(shù)據(jù)類型。過程值設(shè)置—過程值限值過程值限制設(shè)置界面如上圖所示，必須滿足過程值下限小于過程值上限。如果過程值超出限值，就會出現(xiàn)錯誤(ErrorBits=0001h)。過程值設(shè)置—過程值標(biāo)定過程值標(biāo)定設(shè)置界面如左圖所示，以下三點(diǎn)為相關(guān)設(shè)置的解釋：①當(dāng)且僅當(dāng)在Input/Output中輸入選擇為“Input_PER”時，才可組態(tài)過程值標(biāo)定。②如果過程值與模擬量輸入值成正比，則將使用上下限值對來標(biāo)定Input_PER。③必須滿足范圍的下限小于上限。高級設(shè)置—過程值監(jiān)視①過程值的監(jiān)視限值范圍需要在過程值限值范圍之內(nèi)。當(dāng)過程值超過或達(dá)到警告限值，相應(yīng)的InputWarning位變1，PID控制器的工作模式保持不變。②過程值超過過程值限值，Error變1，ErrorBits變0001，PID輸出報錯，切換工作模式。高級設(shè)置—輸出值限值①在“輸出值的限值”窗口中，以百分比形式組態(tài)輸出值的限值。無論是在手動模式還是自動模式下，都不要超過輸出值的限值。②手動模式下的設(shè)定值必須介于輸出值的下限與輸出值的上限之間的值。③如果在手動模式下指定了一個超出限值范圍的輸出值，則CPU會將有效值限制為組態(tài)的限值。④PID_Compact可以通過組態(tài)界面中輸出值的上限和下限修改限值。最廣范圍為-100.0到100.0，如果采用Output_PWM輸出時限制為0.0到100.0。高級設(shè)置—對錯誤的響應(yīng)①在PID_CompactV1時，如果PID控制器出現(xiàn)錯誤，PID會自動切換到“未激活”模式。在PID_CompactV2時，可以預(yù)先設(shè)置錯誤響應(yīng)時PID的輸出狀態(tài)。以便在發(fā)生錯誤時，控制器在大多數(shù)情況下均可保持激活狀態(tài)。②如果控制器頻繁發(fā)生錯誤，建議檢查Errorbits參數(shù)并消除錯誤原因。高級設(shè)置—手動輸入PID參數(shù)①啟用手動輸入后，在PID_Compact組態(tài)界面才可以修改PID參數(shù)②通過組態(tài)界面修改參數(shù)（此處修改的參數(shù)對應(yīng)工藝對象背景數(shù)據(jù)塊>Static>Retain>PID參數(shù)）需要重新下載組態(tài)并重啟PLC。建議直接對工藝對象背景數(shù)據(jù)塊進(jìn)行操作。③控制器結(jié)構(gòu)可在預(yù)調(diào)節(jié)和精確調(diào)節(jié)期間計算PID或者PI參數(shù)。PID_Compact調(diào)試面板①采樣時間：選擇調(diào)試面板測量功能的采樣時間；啟動：激活PID_Compact趨勢采集功能。②調(diào)節(jié)模式：選擇整定方式；啟動：激活調(diào)節(jié)模式。③實(shí)時趨勢圖顯示：以曲線方式顯示Setpoint（給定值），Input（反饋值），Output(輸出值)。④標(biāo)尺：更改趨勢中曲線顏色和標(biāo)尺中的最大/最小值。⑤調(diào)節(jié)狀態(tài)：顯示進(jìn)度條與調(diào)節(jié)狀態(tài)。當(dāng)調(diào)節(jié)完成后，整定出的參數(shù)會實(shí)時更新至工藝對象背景數(shù)據(jù)塊>Retain>PID參數(shù)中。PLCIO分配輸入信號輸出信號序號PLC輸入點(diǎn)信號名稱序號PLC輸出點(diǎn)信號名稱1I0.0Start（啟動）1Q0.0StartLight2I0.1Reset（復(fù)位）2Q0.1ResetLight3I0.2Stop（停止）3Q0.2StopLight4I0.3FACTORYI/O(Running)4QW30進(jìn)水閥控制5IW30液位計數(shù)字量輸入5QW32出水閥控制6IW32流量計數(shù)字量輸入6QW34液位設(shè)定值顯示7IW34液位值設(shè)定7QW36液位當(dāng)前值顯示PLC程序編寫添加中斷組織塊PLC程序編寫在中斷