西門子PLC培訓(xùn)課件-PLC應(yīng)用技術(shù)（溫度控制技術(shù)）.ppt

1、,PLC應(yīng)用技術(shù),PLC溫度控制技術(shù),第四章 PLC溫度控制技術(shù),溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，如鋼鐵廠、化工廠、火電廠等鍋爐的溫度控制系統(tǒng)，電焊機(jī)的溫度控制系統(tǒng)等。鍋爐溫度是一個(gè)大慣性系統(tǒng)，一般采用PID調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。本章首先介紹溫度傳感器的使用和S7-300 PLC中塊的基本概念，然后對(duì)PID控制器的基本概念進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并結(jié)合一個(gè)水箱溫度控制系統(tǒng)的實(shí)例，詳細(xì)介紹S7-300 PLC中PID控制器的應(yīng)用。,41 溫度的采集,溫度采集和壓力、流量等一樣，是一種工業(yè)控制中最普及的應(yīng)用，它可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)過(guò)程中液體、蒸汽、氣體介質(zhì)和固體表面的溫度。常用的有熱電阻、熱電偶兩種方式，此外還

2、有非接觸型的紅外測(cè)溫等產(chǎn)品，一個(gè)典型的應(yīng)用例子是鋼鐵廠中的紅外測(cè)溫設(shè)備。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。,4.1.1 溫度傳感器與選型,溫度采集和壓力、流量等一樣，是一種工業(yè)控制中最普及的應(yīng)用，它可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)過(guò)程中液體、蒸汽、氣體介質(zhì)和固體表面的溫度。常用的有熱電阻、熱電偶兩種方式，此外還有非接觸型的紅外測(cè)溫等產(chǎn)品，一個(gè)典型的應(yīng)用例子是鋼鐵廠中的紅外測(cè)溫設(shè)備。這里我們主要介紹熱電阻和熱電偶。,1.熱電偶,工業(yè)熱電偶作為測(cè)量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，它可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)過(guò)程中不同范圍的溫度。若配接輸出4-20mA、0-10V等標(biāo)準(zhǔn)電流、電壓信號(hào)的溫度變

3、送器，使用更加方便、可靠。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室等短距離的應(yīng)用場(chǎng)合，可以直接把熱電偶信號(hào)引入PLC進(jìn)行測(cè)量。 熱電偶的工作原理是,兩種不同成份的導(dǎo)體,兩端經(jīng)焊接，形成回路，直接測(cè)量端叫工作端（熱端），接線端子端叫冷端，當(dāng)熱端和冷端存在溫差時(shí)，就會(huì)在回路里產(chǎn)生熱電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)；接上顯示儀表，儀表上就會(huì)指示所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)的對(duì)應(yīng)溫度值，電動(dòng)勢(shì)隨溫度升高而增長(zhǎng)。熱電動(dòng)勢(shì)的大小只和熱電偶的材質(zhì)以及兩端的溫度有關(guān)，而和熱電偶的長(zhǎng)短粗細(xì)無(wú)關(guān)。,1.熱電偶,根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，熱電偶有鎧裝式熱電偶、裝配式熱電偶、隔爆式熱電偶等種類。裝配式熱電偶由感溫元件（熱電偶芯）、不銹鋼保護(hù)管、接線盒以及各種用途的固定裝

4、置組成。鎧裝式熱電偶比裝配式熱電偶具有外徑小、可任意彎曲、抗震性強(qiáng)等特點(diǎn)，適宜安裝在裝配式熱電偶無(wú)法安裝的場(chǎng)合，它的外保護(hù)管采用不同材料的不銹鋼管，可適合不同使用溫度的需要，內(nèi)部充滿高密度氧化絕緣體物質(zhì)，非常適合于環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。隔爆式熱電偶通常應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體的場(chǎng)合，如果使用普通熱電偶極易引起氣體爆炸，則在這種場(chǎng)合必須使用隔爆熱電偶。,2.熱電阻,熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度測(cè)量元件。熱電阻是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。當(dāng)電阻值變化時(shí)，二次儀表便顯示出電阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量

5、精度是最高的。 鉑熱電阻根據(jù)使用場(chǎng)合的不同與使用溫度的不同，有云母、陶瓷、簿膜等元件。作為測(cè)溫元件，它具有良好的傳感輸出特性，通常和顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)儀以及其它智能模塊或儀表配套使用，為它們提供精確的輸入值。若做成一體化溫度變送器，可輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或0-10V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，使用起來(lái)更為方便。,2.熱電阻,熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅。此外，現(xiàn)在已開(kāi)始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。 根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，熱電阻也有鎧裝式熱電阻、裝配式熱電阻、隔爆式熱電阻等種類，與熱電偶類似。 鉑電阻的工作原理是，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨溫度變化而變化，且電阻與

6、溫度的關(guān)系即分度特性符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。分度號(hào)Pt100的含義為在0時(shí)的名義電阻值為100，目前使用的一般都是這種鉑熱電阻。此外還有Pt10、Pt200、Pt500和Pt1000等鉑熱電阻，Cu50、Cu100的銅熱電阻等。,2.熱電阻,本章將要介紹的水箱溫度控制系統(tǒng)，傳感器采用Pt100鉑熱電阻，型號(hào)WZP-035，測(cè)量溫度范圍0-300。表4-1列出了范圍為0-100的Pt100鉑熱電阻的溫度和電阻值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。,表4-1,4.1.2 模擬量模塊與選型,模擬量模塊包括模擬量輸入模塊SM331、模擬量輸出模塊SM332和模擬量輸入/輸出混合模塊SM334。對(duì)模擬量輸入模塊SM331，可選擇的輸入

7、信號(hào)類型有電壓型、電流型、電阻型、熱電阻型、熱電偶型，而模擬量輸出模塊SM332提供有電壓和電流兩種類型的信號(hào)輸出。有的CPU模塊集成了這些信號(hào)輸入輸出功能，如S7-300的CPU313C模塊（訂貨號(hào)6ES7 313-5BE01-0AB0），不僅提供24路的DI輸入和16路的DO輸出，而且配置了5路模擬量輸入和2路模擬量信號(hào)輸出。,1.模擬量模塊的主要特性,表4-2、4-3列出了模擬量輸入模塊SM331的主要特性，更詳細(xì)的特性說(shuō)明請(qǐng)參閱相關(guān)技術(shù)文檔。,1.表4-3,表4-3 模擬量輸入模塊SM331的主要特性,1.表4-4,表4-4 模擬量輸出模塊SM332的主要特性,1.表4-5,表4-5

8、模擬量輸出/輸出混合模塊SM334的主要特性,2模擬量模塊的測(cè)量信號(hào)類型及測(cè)量范圍設(shè)定,由于模擬量輸入或輸出模塊提供有不止一種類型信號(hào)的輸入或輸出，每種信號(hào)的測(cè)量范圍又有多種選擇，因此必須對(duì)模塊信號(hào)類型和測(cè)量范圍進(jìn)行設(shè)定。一般采用STEP7軟件設(shè)定和量程卡設(shè)定兩種方法。 （1）通過(guò)STEP7軟件設(shè)定 以CPU313C模塊為例進(jìn)行設(shè)置。如上所述，CPU313C不僅是CPU模塊，而且提供了功能豐富的輸入輸出信號(hào)，其中模擬量輸入第0-3通道為電壓/電流信號(hào)輸入，第4通道為電阻/鉑電阻輸入，其設(shè)置在STEP7軟件中進(jìn)行，方法為： 在圖4-1所示的“HW Config”對(duì)話框中，雙擊“AI5/AO2”項(xiàng)

9、，打開(kāi)圖4-2的“Properties”屬性對(duì)話框，該對(duì)話框有“General”、“Addresses”、“Inputs”、“Outputs”四個(gè)選項(xiàng),選中“Inputs”項(xiàng)，畫面如圖4-2所示。,1.圖4-1,圖4-1 “HW Config”硬件組態(tài)對(duì)話框,1.圖4-1,對(duì)于第0-3通道，可在“Measurement type”中選擇電壓或電流輸入，在“Measuring range”中根據(jù)需要選擇測(cè)量范圍，對(duì)于電壓輸入有0-10V、10V兩種選擇，對(duì)于電流輸入有0-20mA、4-20mA、20mA三種選擇。第4通道為電阻/鉑電阻測(cè)量通道，有R-2L、RTD-2L兩種選擇，圖中測(cè)量類型已選為

10、RTD-2L，PT 100，用于測(cè)量傳感器為PT 100鉑熱電阻的溫度值。,1.圖4-2,圖4-2設(shè)置CPU313C模塊模擬量輸入信號(hào)的類型及量程,1.圖4-3,圖4-3設(shè)置CPU313C模塊輸出信號(hào)的類型及量程,1.圖4-3,用同樣的方法可對(duì)CPU313C模擬量輸出通道進(jìn)行設(shè)置，可以設(shè)置為電壓輸出或電流輸出，對(duì)于電壓輸出有0-10V、10V兩種選擇，對(duì)于電流輸出有0-20mA、4-20mA、20mA三種選擇，圖4-3中第0通道設(shè)置為電壓型，范圍+/-10V，第1通道設(shè)置為電流型，范圍4-20mA。 對(duì)于其它類型的模擬量輸入/輸出模塊，根據(jù)模塊的不同特性，其具體設(shè)置會(huì)各有特點(diǎn)，但其基本方法是一

11、樣的。,2模擬量模塊的測(cè)量信號(hào)類型及測(cè)量范圍設(shè)定,（2）配有量程卡的模擬量模塊的測(cè)量信號(hào)類型和測(cè)量范圍的設(shè)定配有量程卡的模擬量模塊，其量程卡在供貨時(shí)已插入模塊一側(cè)，如果需要更改量程，必須重新調(diào)整量程卡，以更改測(cè)量信號(hào)的類型和測(cè)量范圍。 量程卡可以設(shè)定為“A”、“B”、“C”、“D”四個(gè)位置，各種測(cè)量信號(hào)類型和測(cè)量范圍的設(shè)定在模擬量模塊上有相應(yīng)的標(biāo)記指示，可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整。 調(diào)整量程卡的步驟為： 用鑼絲刀將量程卡從模擬量模塊中松開(kāi)； 將量程卡按測(cè)量要求和范圍正確定位，然后插入模擬量模塊中。,3模擬值的表示,模擬值用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示，寬度為16位，符號(hào)總在最高位。模擬量模塊的精度最高為15

12、位，如果少于15位，則模擬值左移調(diào)整，然后才保存到模塊中。未用的低位填入“0”，如表4-6所示，表中標(biāo)有“x”的位為“0”或“1”。,表4-6 模擬值的精度表示,模擬值的精度表示,表4-7,電壓測(cè)量范圍10 V - 1V的模擬值表示,表4-8,電流測(cè)量范圍為0-20mA和4-20mA的模擬值表示,表4-9,標(biāo)準(zhǔn)Pt x100 RTD溫度傳感器的模擬值表示如表4-9所示以CPU313C模塊為例，模擬量精度為12位，由表4-6可知，十六位數(shù) 中最后三位為0，因此分辨率為08H。再由表4-9可知，對(duì)應(yīng)的溫度分辨率為0.8。 對(duì)于其它模擬量輸入信號(hào)的模擬值信號(hào)以及模擬量輸出信號(hào)的表示，參閱相關(guān)技術(shù)文檔

13、。,表4-9,表4-9 標(biāo)準(zhǔn)Pt x100 RTD溫度傳感器的模擬值表示,4.2 STEP 7中的塊（二）,STEP 7中的塊主要包括組織塊（OB）、功能（FC）、功能塊（FB）、系統(tǒng)功能（SFC）、系統(tǒng)功能塊（SFB）、背景數(shù)據(jù)塊（IDB）、共享數(shù)據(jù)塊（SDB），它們是一些獨(dú)立的程序或數(shù)據(jù)單元，在STEP 7 的Blocks文件夾下，如圖4-4所示。組織塊和功能在前面已作介紹，本節(jié)主要介紹后面五種塊。,圖4-4,圖4-4 STEP 7中的塊,4.2 .1 功能塊,功能塊FB（Function Block）與功能FC（Function）一樣，都是用戶自己編寫的程序模塊，可以被其它程序塊（OB、

14、FC、FB）調(diào)用，這與C語(yǔ)言中的函數(shù)非常類似，而且也有自己的參數(shù)。在FB中以名稱的方式給出的參數(shù)稱作形式參數(shù)（形參），在調(diào)用FB時(shí)給形式參數(shù)賦的具體值就是實(shí)際參數(shù)（實(shí)參）。 FB不同于FC的是，F(xiàn)B擁有自己的存儲(chǔ)區(qū)，即后面要介紹的背景數(shù)據(jù)塊，而FC沒(méi)有自己的存儲(chǔ)區(qū)。在調(diào)用任何一個(gè)FB時(shí)，都必須指定一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊。當(dāng)調(diào)用FB時(shí)，如果沒(méi)有傳送實(shí)參，則將使用背景數(shù)據(jù)塊中保存的值。,1FB的創(chuàng)建,創(chuàng)建一個(gè)FB的方法為：在Blocks目錄下的右側(cè)空白區(qū)域單擊右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“Insert New Object”-“Function Block”，如圖4-5所示，即插入了一個(gè)FB，這時(shí)彈出如圖

15、4-6所示的對(duì)話框，只要填入FB的名稱如FB1、輸入符號(hào)名和注釋，并選擇編程語(yǔ)言，如LAD，單擊OK，就完成了功能塊FB1的插入和屬性設(shè)置。,圖 4-5,圖4-5 在Blocks目錄下插入一個(gè)FB,圖 4-6,圖4-6 FB屬性設(shè)置對(duì)話框,圖 4-7,在Blocks目錄下雙擊FB1，打開(kāi)如圖4-7梯型圖編輯器畫面，右上半部分是變量聲明表，右下半部分是程序指令區(qū)，左邊是指令列表。變量聲明表示出了FB1的參數(shù)和變量類型設(shè)置界面，用于聲明本塊中專用的變量即局域變量，包括塊的形參和參數(shù)的屬性。通過(guò)設(shè)置IN（輸入變量）、OUT（輸出變量）和IN_OUT（輸入/輸出變量），聲明塊調(diào)用時(shí)的軟件接口（即形參）

16、。臨時(shí)變量（TEMP）在聲明后在局域數(shù)據(jù)堆棧中開(kāi)辟有有效的存儲(chǔ)空間。STAT（靜態(tài)變量）是FB特有的，是為配合使用背景數(shù)據(jù)塊而保留的空間。用戶在功能塊中聲明的變量，除臨時(shí)變量外，它們將自動(dòng)出現(xiàn)在功能塊對(duì)應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊中。,圖 4-7,圖4-7 FB編輯器界面,2變量的創(chuàng)建,在圖4-7中，變量聲明表左邊給出了該表的總體結(jié)構(gòu)，點(diǎn)擊某一變量類型，例如IN，在表的右邊將顯示出該類型變量的詳細(xì)信息，用戶可以在這里創(chuàng)建變量。如圖4-8所示，在IN類型中建立了Motor_On、Motor_Off、Motor_Timer三個(gè)變量，在OUT類型中建立了變量Motor_Working，在STAT類型中建立了靜態(tài)變

17、量Delay_Time,在TEMP類型中建立了臨時(shí)變量Temp_Off，所有變量均作了注釋。,圖 4-8（1-2）,在變量聲明表中建立變量,圖4-8-1,圖4-8-2,圖 4-8（3-4）,在變量聲明表中建立變量,圖4-8-3,圖4-8-4,功能塊的說(shuō)明,下面是對(duì)圖4-8中所示功能塊5種類型變量的使用說(shuō)明： （1）IN（輸入變量）：由調(diào)用FB的塊提供的輸入?yún)?shù)； （2）OUT（輸出變量）：返回給調(diào)用FB的塊的輸出參數(shù)； （3）IN_OUT（輸入/輸出變量）：初值由調(diào)用FB的塊提供，被FB修改后返回給調(diào)用它的塊； （4）TEMP（臨時(shí)變量）：暫時(shí)保存在局域數(shù)據(jù)區(qū)中的變量，只在使用塊時(shí)使用臨時(shí)變量

18、，執(zhí)行完后不再保存臨時(shí)變量的數(shù)值。 （5）STAT（靜態(tài)變量）：在功能塊的背景數(shù)據(jù)塊中使用。關(guān)閉功能塊后，其靜態(tài)數(shù)據(jù)保持不變。功能FC沒(méi)有靜態(tài)變量。 需要注意的是，在變量聲明表中輸入各種參數(shù)時(shí)，不需要指定存儲(chǔ)器地址，只要選擇了各變量的數(shù)據(jù)類型，STEP7會(huì)自動(dòng)為所有局域變量指定存儲(chǔ)器地址。,3編制FB程序,在圖4-7 FB編輯器界面的右下半部分是程序指令區(qū)，用戶可以在這里輸入程序。以電機(jī)啟?？刂频墓δ軌KFB1為例，要求輸入啟動(dòng)信號(hào)后電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)為True，輸入停止信號(hào)并經(jīng)一定延時(shí)后電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)為False。功能塊中用到的各變量在圖4-8中都已建立。LAD程序如下所示：,Network(pg1)

19、,Network(pg2-3),3編制FB程序,在FB編輯器中編好的FB程序，可以在其它程序中進(jìn)行調(diào)用。圖4-9是在OB1中調(diào)用的一個(gè)實(shí)例，可以在圖形編輯器左側(cè)指令列表的“FB blocks”下找到“FB1 Motor Control”功能塊，把它直接拖到OB1程序編輯區(qū)中即可。注意要指定背景數(shù)據(jù)塊，這部分內(nèi)容在4.2.4背景數(shù)據(jù)塊中進(jìn)行講解。,圖4-9,FB的調(diào)用,422 系統(tǒng)功能,系統(tǒng)功能SFC（System Function）是預(yù)先編好的固化在S7系列CPU中的程序，是可供用戶程序調(diào)用的FC，因此稱為“系統(tǒng)功能”。與FC相同，SFC不具有存儲(chǔ)能力。通常SFC提供一些系統(tǒng)級(jí)的功能調(diào)用，如通

20、訊功能、時(shí)間功能、塊傳送功能等。 SFC與下面將要介紹的系統(tǒng)功能塊SFB的差別是，SFC沒(méi)有存儲(chǔ)功能。 各種具體的CPU支持的SFC是不同的，用戶可以通過(guò)查閱相關(guān)CPU技術(shù)文檔了解這方面的詳細(xì)信息和資料。,423 系統(tǒng)功能塊,系統(tǒng)功能塊SFB（System Function Block）與系統(tǒng)功能SFC一樣，是為用戶提供的固化在S7系列CPU操作系統(tǒng)中的FB。SFB作為操作系統(tǒng)的一部分，不占用戶程序空間。在用戶程序中可以調(diào)用這些塊，但用戶不能進(jìn)行修改。 與FB相同，SFB也是“具有存儲(chǔ)能力”的塊。用戶調(diào)用SFB時(shí)也必須為SFB生成背景數(shù)據(jù)塊，或指定背景數(shù)據(jù)塊名，由系統(tǒng)自動(dòng)生成背景數(shù)據(jù)塊。 SF

21、B提供一些系統(tǒng)級(jí)的功能調(diào)用，如PID功能塊SFB41、SFB42、SFB43。關(guān)于PID部分內(nèi)容將在本章后部分內(nèi)容中作詳細(xì)介紹，關(guān)于其它SFB，可通過(guò)查閱相關(guān)CPU技術(shù)文檔了解這方面的詳細(xì)信息和資料。,424 背景數(shù)據(jù)塊,S7系列PLC具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)塊功能。數(shù)據(jù)塊是用于存放執(zhí)行用戶程序所需變量的數(shù)據(jù)區(qū)，分為背景數(shù)據(jù)塊IDB（Instance Data Block）和共享數(shù)據(jù)塊SDB（Shared Data Block）。STEP 7按數(shù)據(jù)生成的順序自動(dòng)為數(shù)據(jù)塊中的變量分配地址。IDB是與FB相關(guān)聯(lián)的，只能用來(lái)被指定的FB訪問(wèn)，因此在創(chuàng)建IDB時(shí)，必須指定它所屬的FB，并且該FB必須已經(jīng)存在。在

22、調(diào)用一個(gè)FB時(shí)，也必須指明IDB的編號(hào)或符號(hào)。,1在Blocks目錄下創(chuàng)建背景數(shù)據(jù)塊IDB,背景數(shù)據(jù)塊IDB中的數(shù)據(jù)信息是自動(dòng)生成的，它們是FB變量聲明表中的內(nèi)容（不包括臨時(shí)變量TEMP），也即應(yīng)首先生成功能塊FB，然后生成它的的背景數(shù)據(jù)塊。功能塊FB建好后，創(chuàng)建背景數(shù)據(jù)塊的方法為： 在Blocks目錄下的右側(cè)空白區(qū)域單擊右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“Insert New Object”-“Data Block”插入一個(gè)DB，彈出如圖4-10所示的對(duì)話框。在“Name and type”中填入名稱為DB4、選擇背景數(shù)據(jù)塊“Instance DB”和上面已經(jīng)建立的功能塊“FB1”，單擊OK，即完

23、成背景數(shù)據(jù)塊的插入和屬性設(shè)置。,1在Blocks目錄下創(chuàng)建背景數(shù)據(jù)塊IDB,這時(shí)雙擊Blocks中已生成的DB4，可以看到DB4中已經(jīng)自動(dòng)生成了數(shù)據(jù)，如圖4-11所示。注意，DB4中的內(nèi)容與功能塊FB1變量聲明表中定義的內(nèi)容完全一致（臨時(shí)變量TEMP除外）。 可以對(duì)圖4-11中的參數(shù)進(jìn)行修改。背景數(shù)據(jù)塊有兩種顯示方式：數(shù)據(jù)顯示“Data View”方式和聲明表顯示“Declaration View”方式。點(diǎn)擊菜單View，若選中數(shù)據(jù)顯示方式“Data View”選項(xiàng)，可對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，如可把定時(shí)器的參數(shù)“Actual Value”改為1000mS；若選中聲明表顯示方式“Declaration

24、View”選項(xiàng)，則不能修改數(shù)據(jù).。,2調(diào)用FB時(shí)自動(dòng)創(chuàng)建背景數(shù)據(jù)塊IDB,除了按以上方法在Blocks文件夾中創(chuàng)建IDB，也可以在調(diào)用FB時(shí)自動(dòng)創(chuàng)建IDB。在圖4-9調(diào)用FB1時(shí)輸入背景數(shù)據(jù)塊名稱為DB5，而這時(shí)在Blocks目錄中并沒(méi)有名為DB5的背景數(shù)據(jù)塊，因此這時(shí)系統(tǒng)提示是否自動(dòng)創(chuàng)建背景數(shù)據(jù)塊，選擇自動(dòng)創(chuàng)建，則在Blocks目錄中就自動(dòng)創(chuàng)建了一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊FB5。雙擊把它打開(kāi)，并把定時(shí)器的參數(shù)“Actual Value”改為2000mS。其內(nèi)容如圖4-12所示。,圖 4-10,創(chuàng)建背景數(shù)據(jù)塊,圖 4-(11-12),背景數(shù)據(jù)塊DB4中的數(shù)據(jù),背景數(shù)據(jù)塊DB5中的數(shù)據(jù),圖4-13,一個(gè)FB

25、可以和多個(gè)背景數(shù)據(jù)塊相對(duì)應(yīng)，這非常適合于生產(chǎn)工藝相同但配方或生產(chǎn)過(guò)程不同的場(chǎng)合。如上例，背景數(shù)據(jù)塊DB4和DB5的定時(shí)器參數(shù)不同，調(diào)用背景數(shù)據(jù)DB5如圖4-9，調(diào)用背景數(shù)據(jù)DB4如圖4-13，兩者實(shí)現(xiàn)的電機(jī)停止延時(shí)控制過(guò)程是不一樣的。 需要注意的是，SFB雖然是由操作系統(tǒng)提供的，但其背景數(shù)據(jù)塊仍需由用戶生成?？梢圆捎蒙厦娼榻B的兩種方法之一。,圖 4-13,背景數(shù)據(jù)塊DB4的調(diào)用,425 共享數(shù)據(jù)塊,共享數(shù)據(jù)塊SDB存儲(chǔ)的是全局?jǐn)?shù)據(jù)，可被所有的OB、FC、FB讀取或?qū)?shù)據(jù)寫入到SDB。與IDB一樣，SDB中的數(shù)據(jù)是不會(huì)被刪除的，即具有數(shù)據(jù)保存功能，其數(shù)據(jù)的容量與具體的PLC有關(guān)。 SDB的生成步

26、驟與IDB基本相同。在Blocks目錄下的右側(cè)空白區(qū)域單擊右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“Insert New Object”-“Data Block”插入一個(gè)DB，彈出如圖4-14所示的對(duì)話框，在“Name and type”中填入名稱為SDB1，選擇Shared Data Block，則FB選項(xiàng)框自動(dòng)變灰不能選擇。,圖 4-14,創(chuàng)建共享數(shù)據(jù)塊SDB,說(shuō)明(1),雙擊SDB1，自動(dòng)打開(kāi)數(shù)據(jù)編輯器。共享數(shù)據(jù)塊與背景數(shù)據(jù)塊不同，數(shù)據(jù)不會(huì)自動(dòng)生成，變量名和數(shù)據(jù)類型必須一一輸入，地址則是自動(dòng)生成；為提高效率，也可以采用ARRAY等復(fù)雜數(shù)據(jù)類型。在菜單View中可采用 “Declaration Vie

27、w” 聲明表顯示和 “Data View” 數(shù)據(jù)顯示兩種方式顯示數(shù)據(jù)，分別如圖4-15和4-16所示。,說(shuō)明(2),聲明表顯示方式用于定義和修改共享數(shù)據(jù)塊中的變量，指定它們的名稱、類型和初值并可輸入注釋，STEP 7根據(jù)數(shù)據(jù)類型給出默認(rèn)的初值，用戶可以修改，地址由CPU自動(dòng)指定。圖中采用了數(shù)組ARRAY1.20，其創(chuàng)建方法為：先在“Name”列輸入名稱，再在“Type”中選擇ARRAY類型，在“”中輸入數(shù)組的大小，并在下一行緊接著選擇數(shù)據(jù)類型，如INT。 數(shù)據(jù)顯示方式下顯示聲明表中的全部信息和變量的實(shí)際值，用戶只能改變每個(gè)元素的實(shí)際值。復(fù)雜數(shù)據(jù)類型變量的元素如數(shù)組中的各元素用全名列出。在數(shù)據(jù)顯

28、示狀態(tài)下用菜單“Edit”下的“Inicialize Data Block”可使變量恢復(fù)為初始值。,圖 4-15,聲明表顯示方式下的共享數(shù)據(jù)塊SDB1,圖 4-16,數(shù)據(jù)顯示方式下的共享數(shù)據(jù)塊SDB1,426 工程數(shù)值換算功能FC105的應(yīng)用,工程數(shù)值換算功能FC105用來(lái)將一個(gè)輸入的整型值（例如模擬量I/O格式的整型值）轉(zhuǎn)換為實(shí)型值，在工程中具有廣泛的應(yīng)用。 FC105輸入輸出參數(shù)關(guān)系如表4-10。,表4-10,FC105輸入輸出參數(shù)關(guān)系,426 工程數(shù)值換算功能FC105的應(yīng)用,FC105的數(shù)值換算公式為： OUT=(FLOAT )IN -K1)/(K2-K1)*(HI_LIM-LO_LI

29、M )+LO_LIM 對(duì)雙極性，輸入值范圍為-27648到27648，對(duì)應(yīng)K1 =-27648，K2 =+27648， 對(duì)單極性，輸入值范圍為0到27648，對(duì)應(yīng)K1 =0，K2 =+27648。 圖4-17是用FC105進(jìn)行室溫溫度轉(zhuǎn)換的一個(gè)實(shí)例，參數(shù)設(shè)置如下： 采用單極性，即BIPOLAR=0 因此K1 =0，K2 =+27648.0 程序中設(shè)定HI_LIM =2764.8，LO_LLM =0 輸入信號(hào)IN來(lái)自CPU313C模塊的模擬量輸入第4通道，為鉑電阻輸入信號(hào)，采樣的是環(huán)境溫度值，數(shù)值為304，通過(guò)FC105變換后，得到實(shí)際溫度值為30.4。,圖4-17,用FC105進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換應(yīng)用

30、實(shí)例,43 PID控制原理,431 PID控制器基本概念 在過(guò)程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)選定比較簡(jiǎn)單，調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過(guò)程控制的典型對(duì)象“一階滯后純滯后”與“二階滯后純滯后”的控制對(duì)象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活（如可為PI調(diào)節(jié)，PD調(diào)節(jié)，等）。長(zhǎng)期以來(lái)，PID控制器被廣大科技人員及現(xiàn)場(chǎng)操作人員所采用，并積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。 PI

31、D控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量來(lái)進(jìn)行控制。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)、控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí),系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí),最適合采用PID控制技術(shù)。,431 PID控制器基本概念,1比例（P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 2積分（I）控制 在積分控制中,控制器的輸出

32、與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng),如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差的運(yùn)算取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大，使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，采用比例+積分(PI)控制器,可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。,431 PID控制器基本概念,3微分（D）控制 在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）

33、成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大的慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)

34、態(tài)特性。,432閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn),控制系統(tǒng)一般包括開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(Open-loop Control System)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒(méi)有影響，在這種控制系統(tǒng)中,不依賴將被控制量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)(Closed-loop Control System)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出,形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋,若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反,則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback)；若極性相同，則稱為正反饋。一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用

35、負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)?？梢?jiàn)，閉環(huán)控制系統(tǒng)性能遠(yuǎn)優(yōu)于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。,432閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn),PID就是應(yīng)用最廣泛的閉環(huán)控制器。如圖4-18所示系統(tǒng)是用于電廠化學(xué)水加藥系統(tǒng)的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，常用的有加氨、加聯(lián)氨、加磷酸鹽等多種方法。以加磷酸鹽進(jìn)行協(xié)調(diào)磷酸鹽處理的閉環(huán)控制系統(tǒng)為例，系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定值為期望的磷酸鹽指標(biāo)，閉環(huán)控制器的反饋值通過(guò)化學(xué)儀表（磷表）測(cè)得，并經(jīng)A/D變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；目標(biāo)設(shè)定值與磷表的反饋信號(hào)相減，其差送入PID控制器，經(jīng)比例、積分、微分運(yùn)算，得到疊加的一個(gè)數(shù)字量；該數(shù)字量經(jīng)過(guò)上限、下限限位處理后進(jìn)行D/A變換，輸出一個(gè)電流信號(hào)去控制加藥變頻器的輸入頻率，并進(jìn)而控制加藥電

36、機(jī)的轉(zhuǎn)速，以控制加藥泵的輸出流量。該系統(tǒng)的PID控制器一般采用PLC提供的專用模塊，也可以采用編程的方法（如PLC編程、高級(jí)語(yǔ)言編程或組態(tài)軟件編程等）生成一個(gè)數(shù)字PID控制器。同時(shí)，其它功能如A/D、D/A都由PLC實(shí)現(xiàn)，磷表的反饋信號(hào)直接送PLC采集，控制加藥變頻器的電流信號(hào)也由PLC送出，去控制加藥變頻器的頻率，進(jìn)而控制加藥泵的輸出量，從而達(dá)到控制磷酸鹽加藥量的目的。,圖4-18,電廠化學(xué)水加藥系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例,433 PID控制器的參數(shù)整定,PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性，確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器

37、參數(shù)整定的方法很多,概括起來(lái)有如下兩大類： 一是理論計(jì)算整定法。它主要依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接使用,還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。 二是工程整定法。它主要依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。這三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后的調(diào)整與完善。 現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID控制器

38、參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。,433 PID控制器的參數(shù)整定,連續(xù)系統(tǒng)PID控制器的輸出為：U(s)=K.(1+1/T1s+TDs)E(s) 增量式數(shù)字PID控制算式為： 其中， ，為采樣周期。 比例調(diào)節(jié)器對(duì)于偏差是及時(shí)反應(yīng)的，一旦偏差產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)。比例調(diào)節(jié)器雖然簡(jiǎn)單快速，但是對(duì)于具有自平衡性的控制對(duì)象存在靜差。加

39、大比例系數(shù)可以減小靜差，但過(guò)大的比例系數(shù)可能導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)蕩而處于閉環(huán)不穩(wěn)定狀態(tài)。 為了消除比例調(diào)節(jié)器中的殘存的靜差，可以在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)。積分時(shí)間大，則積分作用弱，反之積分作用強(qiáng)。積分時(shí)間越大，消除靜差越慢，但可以減小超調(diào)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但它的不足之處在于積分作用存在滯后特性，積分控制作用太強(qiáng)會(huì)使控制的動(dòng)態(tài)性能變差，以至于使系統(tǒng)不穩(wěn)定。,433 PID控制器的參數(shù)整定,加入積分調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，雖然減小了靜差，但是降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。加入微分環(huán)節(jié)，能敏感出誤差的變化趨勢(shì)，將有助于減小超調(diào)，克服系統(tǒng)震蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。它的缺點(diǎn)是對(duì)干擾同樣敏感，使系統(tǒng)抑制干擾的能

40、力降低。根據(jù)不同的控制對(duì)象適當(dāng)?shù)卣≒ID的三個(gè)參數(shù)，可以獲得比較滿意的控制效果。實(shí)踐證明，這種參數(shù)整定的過(guò)程，實(shí)際上是對(duì)比例、積分、微分三部分控制作用的折衷。但是，PID本質(zhì)上是一種線性控制器，并且上面討論時(shí)是忽略了純滯后時(shí)間的，實(shí)際系統(tǒng)中，如果（是純滯后時(shí)間，是系統(tǒng)總的慣性時(shí)間常數(shù)），用PID控制器的效果就不理想了。而實(shí)際工業(yè)對(duì)象具有較大的慣性和純滯后特性，以及其動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)部不確定性和外部干擾的不確定性，所有這些都給PID控制帶來(lái)了困難和復(fù)雜性。 一般來(lái)說(shuō)，要獲得滿意的控制性能，單純采用線性控制方式還是不夠的，還必須引進(jìn)一些非線性控制方式，采取靈活有效的手段，如變?cè)鲆?、智能積分、智能采

41、樣等多種途徑，主要依靠專家經(jīng)驗(yàn)、啟發(fā)式直觀判斷、直覺(jué)推理等智能控制方法，有利于解決系統(tǒng)控制中的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的矛盾?？梢哉f(shuō)智能PID賦予傳統(tǒng)PID以新的生命。,435 PID控制器的主要優(yōu)點(diǎn),PID控制器成為應(yīng)用最廣泛的控制器，它具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）PID算法蘊(yùn)涵了動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中過(guò)去、現(xiàn)在、將來(lái)的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。其中，比例（P）代表了當(dāng)前的信息，起糾正偏差的作用，使過(guò)程反應(yīng)迅速。微分（D）在信號(hào)變化時(shí)有超前控制作用，代表將來(lái)的信息。在過(guò)程開(kāi)始時(shí)強(qiáng)迫過(guò)程進(jìn)行，過(guò)程結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。積分（I）代表了過(guò)去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)

42、的靜態(tài)特性。此三種作用配合得當(dāng)，可使動(dòng)態(tài)過(guò)程快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確，收到良好的效果。 （2）PID控制適應(yīng)性好，有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)各種工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，都可在不同的程度上應(yīng)用。特別適于“一階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”和“二階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”的過(guò)程控制對(duì)象。 （3）PID算法簡(jiǎn)單明了，各個(gè)控制參數(shù)相對(duì)較為獨(dú)立，參數(shù)的選定較為簡(jiǎn)單，形成了完整的設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。,435 PID控制器的主要優(yōu)點(diǎn),（4）PID控制根據(jù)不同的要求，針對(duì)自身的缺陷進(jìn)行了不少改進(jìn)，形成了一系列改進(jìn)的PID算法。例如，為了克服微分帶來(lái)的高頻干擾的濾波PID控制，為克服大偏差時(shí)出現(xiàn)飽和超調(diào)的PID積分分離控制，為

43、補(bǔ)償控制對(duì)象非線性因素的可變?cè)鲆鍼ID控制，等。這些改進(jìn)算法在一些應(yīng)用場(chǎng)合取得了很好的效果。同時(shí)當(dāng)今智能控制理論的發(fā)展，又形成了許多智能PID控制方法。,44 PID指令及應(yīng)用,S7-300及400提供有PID控制功能塊來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制。STEP7提供了系統(tǒng)功能塊SFB41、SFB42、SFB43實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制，其中SFB41“CONT_C”用于連續(xù)控制，SFB42“CONT_S”用于步進(jìn)控制，SFB43“PULSEGEN”用于脈沖寬度調(diào)制，它們位于文件夾“LibrariesStandard LibraryPID Controller”中。位于文件夾“LibrariesStandard L

44、ibraryPID Controller”的FB41、FB41、FB43與SFB41、SFB42、SFB43兼容，F(xiàn)B58、FB59則用于PID溫度控制。它們是系統(tǒng)固化的純軟件控制器，運(yùn)行過(guò)程中循環(huán)掃描、計(jì)算所需的全部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在分配給FB或SFB的背景數(shù)據(jù)塊里，因此可以無(wú)限次調(diào)用。 本章以連續(xù)PID控制器SFB41模塊為例進(jìn)行詳細(xì)介紹。其它PID模塊的應(yīng)用是相類似的。 STEP 7的在線幫助文檔提供了各種PID功能塊應(yīng)用的幫助信息。,441 PID指令主要參數(shù)的意義,SFB41的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)及其意義說(shuō)明分別在表4-11、4-12中列出,表4-11,SFB41輸入?yún)?shù),表4-11-2,SF

45、B41輸入?yún)?shù),表4-11-3,SFB41輸入?yún)?shù),表4-12,SFB41輸出參數(shù),442 SFB41原理框圖,SFC41 CONT_C的控制原理框圖如圖4-19所示。,443 PID指令的使用注意事項(xiàng),1PID控制器的選取 PID控制器的性能和處理速度只與所采用的CPU的性能有關(guān)。對(duì)于任意給定的CPU，控制器的數(shù)量和每個(gè)控制器被調(diào)用的頻率是相互矛盾的。控制環(huán)執(zhí)行的速度，也即在每個(gè)時(shí)間單元內(nèi)操作值必須被更新的頻率決定了可以安裝的控制器的數(shù)量。對(duì)要控制的過(guò)程類型沒(méi)有限制，遲延系統(tǒng)（溫度、液位等）和快速系統(tǒng)（流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速等）都可以作為被控對(duì)象。 過(guò)程分析時(shí)應(yīng)注意：控制過(guò)程的靜態(tài)性能（比例）和動(dòng)態(tài)

46、性能（時(shí)間延遲、死區(qū)和重設(shè)時(shí)間等）對(duì)被控過(guò)程控制器的構(gòu)造和設(shè)計(jì)以及靜態(tài)（比例）和動(dòng)態(tài)參量（積分和微分）的維數(shù)選取有著很大的影響。準(zhǔn)確地了解控制過(guò)程的類型和特性數(shù)據(jù)是非常必要的。 控制器選取時(shí)應(yīng)注意：控制環(huán)的特性由被控過(guò)程或被控機(jī)械的物理特性決定，并且設(shè)計(jì)中可以改變的程度不是很大。只有選用了最適合被控對(duì)象的控制器并使其適應(yīng)過(guò)程的響應(yīng)時(shí)間，才能得到較高的控制質(zhì)量。不用通過(guò)編程就可以生成控制器的大部分功能（構(gòu)造、參數(shù)設(shè)置和在程序中的調(diào)用等），前提是必須已經(jīng)掌握STEP 7的編程基礎(chǔ)知識(shí)。,443 PID指令的使用注意事項(xiàng),2SFB41各子功能的詳細(xì)描述 （1）設(shè)定值的輸入 如圖4-19，設(shè)定點(diǎn)的值以

47、浮點(diǎn)數(shù)格式在SP_INT（內(nèi)部設(shè)定值）處輸入。 （2）過(guò)程變量的輸入過(guò)程變量即反饋值可以用兩種方法輸入： 一種中用PV-IN浮點(diǎn)數(shù)格式輸入過(guò)程變量，這時(shí)控制I/O輸入過(guò)程變量的開(kāi)關(guān)量PVPER_ON應(yīng)處于Off狀態(tài)。 另一種是從外設(shè)直接輸入I/O量到PV_PER，功能CRP_IN將從外設(shè)來(lái)的模擬量輸入模塊采樣的數(shù)字值PV_PER轉(zhuǎn)化成范圍在-100%100%之間的浮點(diǎn)數(shù)格式。這時(shí)控制I/O輸入過(guò)程變量的開(kāi)關(guān)量PVPER_ON應(yīng)處于On狀態(tài)。,443 PID指令的使用注意事項(xiàng),（3）外設(shè)輸入過(guò)程變量的值轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)格式 模擬量輸入模塊采樣的數(shù)字值的最大值為27648（十六進(jìn)制表示為6C00H），

48、功能CRP_IN根據(jù)下面的公式將PV_PER轉(zhuǎn)換為-100%100%之間的浮點(diǎn)數(shù)格式數(shù)值： CRP_IN的輸出= PV_PER*100/27648 （4）外設(shè)輸入過(guò)程變量值的標(biāo)準(zhǔn)化 功能PV_NORM根據(jù)下面的公式使CRP_IN的輸出標(biāo)準(zhǔn)化： PV_NORM的輸出 = ( CRP_IN的輸出) * PV_FAC + PV_OFF 式中，PV_FAC為過(guò)程變量的系數(shù)，PV_OFF為過(guò)程變量的偏移量，默認(rèn)值分別為1.0和0。它們用來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)程輸入的范圍。 如果內(nèi)部設(shè)定值SP_INT是有物理意義的，則通過(guò)上面的轉(zhuǎn)換就可將外設(shè)輸入過(guò)程變量（即反饋值）的值轉(zhuǎn)換為該物理值。圖4-19中PV為過(guò)程變量格式化后

49、的輸出值，它是一個(gè)中間變量。,443 PID指令的使用注意事項(xiàng),（5）誤差信號(hào)及死區(qū)處理 誤差是設(shè)定值點(diǎn)SP_INT和過(guò)程變量之間的差值。為了抑制由于控制量量化而引起的小擾動(dòng)，可將死區(qū)功能DEADBAND運(yùn)用在誤差信號(hào)上。如果將DEADB_W設(shè)為0，則死區(qū)將不起作用。 （6）PID運(yùn)算 在這里PID控制算法是位置式的，比例、積分和微分作用并聯(lián)并且可以通過(guò)開(kāi)關(guān)量P_SEL、I_SEL、D_SEL分別激活或取消激活。這樣就可以分別構(gòu)造P、PI、PD以及PID控制器，純積分控制或純微分控制也是可以的。 （7）手動(dòng)值控制 通過(guò)MAN_ON變量可以在手動(dòng)和自動(dòng)模式之間進(jìn)行切換。在手動(dòng)模式（MAN_ON=

50、1）下，操作值可以設(shè)定為一個(gè)手動(dòng)選擇值，積分器在內(nèi)部設(shè)定為L(zhǎng)MN（操作值）、LMN_P（比例操作值）、DISV（擾動(dòng)）， 微分器設(shè)定為0，并且在內(nèi)部進(jìn)行同步，這意味著當(dāng)轉(zhuǎn)換到自動(dòng)模式（MAN_ON=0）后，不會(huì)引起操作值的突然改變。,443 PID指令的使用注意事項(xiàng),（8）輸出限幅 利用功能LMNLIMIT可以將輸出值限定在所選擇的范圍內(nèi)，即上限值為L(zhǎng)MN_HLM，下限值為L(zhǎng)MN_LLM，輸出超界情況會(huì)在QLMN_HLM（超上限）和QLMN_LLM（超下限）信號(hào)輸出位上表現(xiàn)出來(lái)。 （9）控制器輸出值的格式化 功能LMN_NORM根據(jù)下面的公式將輸出限幅后的LMNLIMIT的輸出進(jìn)行格式化后輸出

51、LMN： LMN=LMNLIMIT的輸出LMN_FAC+LMN_OFF LMN_FAC為輸出系數(shù)，LMN_OFF為輸出偏移量，其默認(rèn)值分別為1.0和0。 （10）LMN控制器輸出值轉(zhuǎn)換為I/O格式的輸出值 功能CRP_OUT將浮點(diǎn)數(shù)格式的輸出值LMN根據(jù)下面的公式轉(zhuǎn)化成能直接輸出到外設(shè)I/O的值： LMN_PER= LMN100/27648 （11）前饋控制 擾動(dòng)可以作為前饋信號(hào)從DISV處輸入。,3PID參數(shù)的設(shè)定,PID調(diào)節(jié)器參數(shù)是根據(jù)控制對(duì)象的慣量來(lái)確定的。大慣量如大烘房的溫度控制，一般P可在10以上，I=3-10，D=1左右。小慣量如一個(gè)小電機(jī)帶一個(gè)水泵進(jìn)行壓力閉環(huán)控制，一般只用PI控

52、制，P=1-10，I=0.1-1，D=0，這些要在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行修正，主要是靠經(jīng)驗(yàn)及對(duì)生產(chǎn)工藝的熟悉，參考對(duì)測(cè)量值的跟蹤與設(shè)定值的曲線，從而調(diào)整P、I、D的大小。 下面具體說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟： （1）讓調(diào)節(jié)器參數(shù)的積分系數(shù)I=0，微分系數(shù)D=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，由小到大改變比例系數(shù)P，讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，觀察控制過(guò)程，直到獲得滿意的控制過(guò)程為止。 （2）取比例系數(shù)P為當(dāng)前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)I，同樣讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，直至得到滿意的控制過(guò)程。,3PID參數(shù)的設(shè)定,（3）積分系數(shù)I保持不變，改變比例系數(shù)P，觀察控制過(guò)程有無(wú)改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則

53、，將原比例系數(shù)P增大一些，再調(diào)整積分系數(shù)I，力求改善控制過(guò)程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)P和積分系數(shù)I為止。 （4）引入適當(dāng)?shù)奈⒎窒禂?shù)D，此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù)P和積分系數(shù)I。和前述步驟相同，微分系數(shù)的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過(guò)程滿意為止。 需要注意的是：仿真系統(tǒng)所采用的PID調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)的工業(yè)PID調(diào)節(jié)器有所不同，其各個(gè)參數(shù)之間是相互隔離的，因而互不影響，用其觀察調(diào)節(jié)規(guī)律十分方便。 經(jīng)驗(yàn)法實(shí)質(zhì)上是一種試湊法，它是在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的行之有效的方法，并在現(xiàn)場(chǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)驗(yàn)法簡(jiǎn)單可靠，但需要有一定的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，整定時(shí)易帶有主觀片面性。當(dāng)采用PID調(diào)節(jié)器時(shí)，由于有多個(gè)整定

54、參數(shù)，反復(fù)試湊的次數(shù)增多，因此增加了得到最佳整定參數(shù)的難度。,444 PID指令對(duì)溫度的控制編程,PID指令每隔一定時(shí)間運(yùn)行一次，其間隔時(shí)間根據(jù)工程運(yùn)行情況可作修改，一般放在定時(shí)循環(huán)中斷如OB35中調(diào)用。 （1）在啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的組織塊OB100中調(diào)用初始化值，程序如下： S DB2.DBX 0.0 /重啟動(dòng)PID，復(fù)位PID內(nèi)部參數(shù) R DB2.DBX 0.0 /進(jìn)入正常運(yùn)行 （2）在OB35中調(diào)用連續(xù)PID控制功能塊SFB41。OB35執(zhí)行的時(shí)間間隔即PID控制器運(yùn)行的周期，在CPU屬性設(shè)置對(duì)話框的循環(huán)中斷選項(xiàng)卡中設(shè)置，最大為10000ms，如圖4-20所示設(shè)置為1S。調(diào)用SFB41應(yīng)指定相應(yīng)

55、的背景數(shù)據(jù)塊，在OB35中插入SFB41時(shí)指定背景數(shù)據(jù)塊為DB2，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提問(wèn)是否創(chuàng)建該背景數(shù)據(jù)塊，選擇建立。 背景數(shù)據(jù)塊DB2的內(nèi)容如圖4-21。,圖4-20,定時(shí)循環(huán)中斷OB35屬性設(shè)置,圖4-21,背景數(shù)據(jù)塊DB2,圖4-22,OB35組織塊中插入SFB41并指定輸入?yún)?shù)，如圖4-22所示。,444 PID指令對(duì)溫度的控制編程,SP_INT設(shè)定為浮點(diǎn)數(shù)格式的溫度控制目標(biāo)值。由于模擬量模塊采集的是I/O格式的整型數(shù)，因此連接至PV_PER，將開(kāi)關(guān)PVPER_ON置為ON，這樣通過(guò)功能CRP_IN和PV_NORM就能直接將溫度采集的整型數(shù)值轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)格式的數(shù)值，該值即為PV，請(qǐng)參閱圖4-

56、19；也可以通過(guò)專門的功能如FC105進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換。,45 實(shí)訓(xùn)九：利用PID進(jìn)行溫度控制,451 溫度控制系統(tǒng)的控制要求 本溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)如圖4-23所示的實(shí)驗(yàn)水箱進(jìn)行恒溫控制，采用PID閉環(huán)控制方式。通過(guò)電磁閥SV1控制一路冷水進(jìn)、SV2控制一路熱水出，以加快水箱溫度的變化；攪拌電機(jī)M使水箱中水的溫度保持均勻，保證鉑電阻TS測(cè)溫的準(zhǔn)確；加熱器H用來(lái)加熱水溫，其工作功率受PID調(diào)節(jié)，具體地受雙向晶閘管的調(diào)節(jié)。當(dāng)水箱設(shè)備確定后，PID參數(shù)主要受進(jìn)出水流量、水箱水溫設(shè)定控制溫度、室溫等因素影響。,圖4-23,實(shí)驗(yàn)水箱溫度控制系統(tǒng),表4-13,表4-13實(shí)驗(yàn)水箱溫度控制系統(tǒng)符號(hào)描述,圖4-24

57、,系統(tǒng)PID閉環(huán)控制的原理圖見(jiàn)圖4-24，溫度設(shè)定值與鉑電阻測(cè)量的溫度反饋值之差（error）經(jīng)比例P、積分I、微分D運(yùn)算后，輸出一個(gè)模擬信號(hào)去控制加熱器工作。,系統(tǒng)PID閉環(huán)控制原理圖,453溫度控制系統(tǒng)的資源分配,本溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心是PLC及其PID自動(dòng)控制，其PLC配置為： 硬件：SIEMENS S7-300系列之CPU313C CPU，自帶24路DI/16DO/5AI/2AO。 軟件：STEP 7，V5.2。 根據(jù)圖4-25溫度控制系統(tǒng)所示，各控制元件對(duì)應(yīng)I/O變量的資源配置如表4-15。,圖4-25,溫度控制系統(tǒng)的電氣控制原理圖,圖中符號(hào)意義除表4-13已注外，其余如表4-14

58、。,表4-14,實(shí)驗(yàn)水箱溫度控制系統(tǒng)電氣控制原理圖符號(hào)描述,453溫度控制系統(tǒng)的資源分配,本溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心是PLC及其PID自動(dòng)控制，其PLC配置為： 硬件：SIEMENS S7-300系列之CPU313C CPU，自帶24路DI/16DO/5AI/2AO。 軟件：STEP 7，V5.2。 根據(jù)圖4-25溫度控制系統(tǒng)所示，各控制元件對(duì)應(yīng)I/O變量的資源配置如表4-15。,表4-15,溫度控制系統(tǒng)的I/O資源配置表,454 STEP7創(chuàng)建溫度控制項(xiàng)目,本節(jié)主要討論在STEP 7環(huán)境中創(chuàng)建上面的溫度控制項(xiàng)目，采用用戶定制的方法，項(xiàng)目名稱為ProTempCtr。 創(chuàng)建步驟如下： （1）打開(kāi)SIMATIC Manager管理器，如果已有項(xiàng)目，則用菜單“File”下的“Close”命令將其關(guān)閉。在菜單“File”下選擇“New”,打開(kāi)“New Project”對(duì)話框，在“Name”中輸入ProTempCtr，“Type”中選擇“Project”,“Storage location”中選擇所建工程的存放路徑例如D:TemCtr，如圖4-26所示。單擊OK退出該對(duì)話框。,圖4-26,創(chuàng)建溫度控制項(xiàng)目工程,454 STEP7創(chuàng)建溫度控制項(xiàng)目,（2）這時(shí)SIMATIC Manager中已生成一個(gè)空的項(xiàng)目。