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1、第第 5 章章S7-1200 PLC的的PID工艺功能工艺功能1S7-1200PLC的PID工艺功能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)+-2S7-1200PLC的PID工艺功能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。如果变送器距离器距离PLC较远，通过线路间的分布电容和分布电感产生的干较远，通过线路间的分布电容和分布电感产
2、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。号，所以远处传送模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。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，所以模拟量电流信号适合于远程传送。生的干扰电压很低，所以模拟
3、量电流信号适合于远程传送。3S7-1200PLC的PID工艺功能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 闭闭环环控控制制必必须须保保证证系系统统是是负负反反馈馈，如如果果系系统统接接成成了了正正反反馈馈，将将会会失失控控，被被控控量量会会往往单单一一方方向向增增大大或或减减小小，给给系系统统的的安安全全带带来来极极大大的威胁。的威胁。闭闭环环控控制制系系统统的的反反馈馈极极性性与与很很多多因因素素有有关关，例例如如因因为为接接线线改改变变了了变变送送器器输输出出电电流流或或输输出出电电压压的的极极性性，或或改改变变了了位位移移传传感感器器(编编码码器器)的安装方向，都会改变反
4、馈的极性。的安装方向，都会改变反馈的极性。可可以以用用下下述述方方法法来来判判断断反反馈馈的的极极性性：在在调调试试是是断断开开D/A转转换换器器和和执执行行机机构构之之间间的的连连线线，在在开开环环状状态态下下运运行行PID控控制制程程序序。控控制制器器中中有有积积分分环环节节，因因为为反反馈馈被被断断开开了了，不不能能消消除除余余差差，D/A转转换换器器的的输输出出电电压压会会向向一一个个方方向向变变化化。这这时时如如果果接接上上执执行行器器，能能减减小小误误差，则为负反馈，反之为正反馈。差，则为负反馈，反之为正反馈。4S7-1200PLC的PID工艺功能5.1 模拟量闭环控制系统模拟量闭
5、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5S7-1200PLC的PID工艺功能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)PLC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程序，执行的周期称为采用周期Ts。6S7-1200PLC的PID工艺功能5.3 PID_Compact指令指令 S7-1200使使用用P
6、ID_Compact指指令令来来实实现现PID控控制制，该该指指令令的的背背景景数数据据块块称称为为PID_Compact工工艺艺对对象象。PID控控制制器器具具有有参参数数自自调调节节功功能和自动、手动模式。能和自动、手动模式。PID控控制制器器连连续续地地采采集集测测量量的的被被控控制制变变量量的的实实际际值值(简简称称为为实实际际值值或或输输入入值值)，并并与与期期望望的的设设定定值值比比较较，根根据据得得到到的的误误差差，计计算算输输出，使被控变量尽可能快地接近设定值或进入稳态。出，使被控变量尽可能快地接近设定值或进入稳态。7S7-1200PLC的PID工艺功能5.3 PID_Comp
7、act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，设中，设置其输出为置其输出为 10V电压：电压：8S7-1200PLC的PID工艺功能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：9S7-1200PLC的PID工艺功能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 调调用用PID_Compact的的时时间间间间隔隔称称为为采采样样时时间间，为为了了保
8、保证证精精确确的的采采样样时时间间，用用固固定定的的时时间间间间隔隔执执行行PID指指令令，在在循循环环中中断断OB中中调调用用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。10S7-1200PLC的PID工艺功能打打开开任任务务卡卡的的“扩扩展展指指令令”窗窗口口的的PID文文件件夹夹，将将其其中中的的“PID_Compact”指指令令拖拖放放到到OB200中中，将将默默认认的的背背景景数数据据块块的的名名称改为称改为PID_DB。5.3 PID_Compact指令指令调用调用PID_Compact指令指令 1/2
9、11S7-1200PLC的PID工艺功能5.3 PID_Compact指令指令调用调用PID_Compact指令指令 2/2在在程程序序块块的的文文件件夹夹中中生生成成名名为为“PID_Compact”的的功功能能块块FB1130，生成的背景数据块，生成的背景数据块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。12S7-1200PLC的PID工艺功能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工工艺艺对对象象被被组组态态并并首首次次下下载载到到CPU后后，PID控控制制器器处处于
10、于未未激激活活(Inactive)模模式式，此此时时需需要要在在调调试试窗窗口口进进行行首首次次启启动自调节。动自调节。在在运运行行时时出出现现错错误误，或或者者点点击击了了调调试试窗窗口口的的“停停止止测测量量”按按钮钮，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打开开PID调调试试窗窗口口，可可以以选选择择进进入入首首次次启启动动自自调调节节模模式式或或运运行行中自调节模式。中自调节模式。13S7-1200PLC的PID工艺功能5.3 PID_Compact指令指令
11、PID_Compact指令的模式指令的模式 2/23)自动模式自动模式在在自自动动模模式式，PID Compact工工艺艺对对象象根根据据设设置置的的PID参参数数进进行行闭闭环控制。满足下列调节之一时，控制器将进入自动模式：环控制。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在手手动动模模式式下下，PID控控制制的的输输出出变变量量用用手手动动设设置置。满满足足下下列列调调节之一，
12、控制器将进入手动模式：节之一，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。14S7-1200PLC的PID工艺功能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，用来保证负反馈选选中中“PID_Compact”指指令令，然然后后选选中中巡巡视视窗窗口口左左边边的的“基基本本参参数数”，在右边窗口设置，在右边窗口设置PID的基本参数。的基本参数。15S7-1200PLC的PID工艺功能5.3 PID_Compact指令指令组态
13、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”分分别别时时IW64(CPU集集成成的的模模拟拟量量输输入入通通道道0)和和QW80(1AO信号板的模拟量输出信号板的模拟量输出)。16S7-1200PLC的PID工艺功能5.3 PID_Compact指令指令组态输入标定组态输入标定模模拟拟量量的的实实际际值值(或或来来自自用用户户程程序序的的输输入入值值)为为0.0% 100.0%时时，A/D转换后的数字为转换后的数字为0.0 27648.0。可可以以设设置置输输入入的的上上限限和和下下限限，在在运运行行时时一一旦旦超超过过上上限限或或低低于于下下限，
14、停止正常控制，输出值被设置为限，停止正常控制，输出值被设置为0。17S7-1200PLC的PID工艺功能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为了了设设置置PID的的高高级级参参数数，打打开开项项目目树树中中的的文文件件夹夹“PLC_1工工艺艺对对象象PID_DB”，双双击击“组组态态”，打打开开PID_Compact对对象象；或或者者点点击击PID_Compact指指令令右右上上角角的的 图图标标，也也可可打打开开PID组组态态对对话框。话框。运运行行时时如如果果输输入入值值超超过过设设置置的的上上限限值值或或低低于于下下限限值值，指指令令的的bo
15、ol输出参数输出参数“InputWarning_H”或或“InputWarning_L”将变为将变为1.18S7-1200PLC的PID工艺功能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的的开开关关量量输输出出受受“PID_Compact”指指令令的的控控制制，与与CPU集集成成的脉冲发生器无关。的脉冲发生器无关。19S7-1200PLC的PID工艺功能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设置置输输出出变变量量的的限限制制值值，使使手
16、手动动模模式式或或自自动动模模式式时时PID的的输输出出值值不超过上限和低于下限。不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。20S7-1200PLC的PID工艺功能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21S7-1200PLC的PID工艺功能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)的的参数为灰色。参数为灰色。点点击击指指令令框框下下面面向
17、向下下的的箭箭头头，将显示更多的参数；将显示更多的参数；点点击击向向上上的的箭箭头头，将将不不显显示示指令中灰色的参数；指令中灰色的参数；点点击击某某个个参参数数的的实实参参，可可以以直接输入地址或常数。直接输入地址或常数。22S7-1200PLC的PID工艺功能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
18、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 Bool上升沿选择手动模式，下降沿选择上升沿选择手动模式，下降沿选择最近激活的操作模式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FALSE23S7-1200PLC的PID工艺功能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
19、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
20、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#0000ErrorDWord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24S7-1200PLC的PID工艺功能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25S7-1200PLC的PID工艺功能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
21、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。26S7-1200PLC的PID工艺功能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. 用用下下拉拉式式列列表表设置采样时间设置采样时间2. PC与与PLC建建立立好好通通信信连连接接后后，点点击击“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. 点点击击“停停止止测测量量”，结结束束调调试试功功能能。可可以以用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
22、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。27S7-1200PLC的PID工艺功能5.4 用调试窗口整定用调试窗口整定PID控制器控制器显示模式显示模式Strip(连连续续显显示示)：新新的的趋趋势势值值从从趋趋势势区区的的右右边边进进入入，较较早早的的趋趋势值移动到趋势区的最左边位置，时间轴不能移动。势值移动到趋势区的最左边位置，时间轴不能移动。Scope(区区域域跳跳跃跃显显示示，示示波波器器图图)：新新的的趋趋势势值值从从趋趋势势区区的的左左边边开开始始往往右右边边移移动动，达达到到趋趋势势区区的的右右边边缘缘时时，监监控控区区往往右右移移动动一一个个视视图图宽
23、宽度度，时时间间轴轴上上的的时时间值随之而变。原有的趋势曲线消失，新的趋势值又从左边出现。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。Sweep(滚滚动动显显示示)：趋趋势势曲曲线线固固定定不不变变，出出现现一一根根从从左左往往右右移移动动的的垂垂直直线线，直直线线左左边边的的背背景景色色为为白白色色，是是新新出出现现的的趋趋势势值值，直直线线右右边边的的背背景景色色为为浅浅绿绿色色，是是原原来来的的趋趋势势值值。垂垂直直线线移移动动到到最最右右边边后后，返返回回最最左左边边，又又往往右右移移动动。时时间间轴轴不不能移动。能移动。Static(静静态态区区域域显显示示)：趋趋势势
24、视视图图的的写写入入被被中中断断，在在后后台台记记录录新新的的趋趋势势值值。显显示的是趋势的历史曲线，时间轴可以在整个记录区间移动。示的是趋势的历史曲线，时间轴可以在整个记录区间移动。28S7-1200PLC的PID工艺功能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移动坐标轴与改变坐标轴的比例标轴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拉伸伸或或压压缩缩左左边边的的设设定定值值/输输入入值值轴轴和和右右边边的的控控制制器输出变量轴器输出变量轴29S7-1200PLC的PID工艺功能5.4 用调试窗口整定用调试
25、窗口整定PID控制器控制器标尺标尺使使用用标标尺尺可可以以分分析析趋趋势势曲曲线线上上离离散散的的值值。垂垂直直标标尺尺在在趋趋势势区区的的最最左边，水平的标尺在趋势区的最上面。左边，水平的标尺在趋势区的最上面。将将鼠鼠标标放放在在趋趋势势区区的的最最左左边边，光光标标变变为为人人手手的的形形状状，按按住住鼠鼠标标左左键键，可可以以左左右右拖拖动动垂垂直直标标尺尺。标标尺尺与与3条条曲曲线线的的交交点点处处的的垂垂直直坐坐标标出出现现在在交交点点附附件件标标尺尺的的右右边边。标标尺尺与与趋趋势势区区下下边边缘缘的的交交点点处处出出现标尺所在处的时间值。现标尺所在处的时间值。可可以以用用鼠鼠标标
26、拖拖放放出出多多根根垂垂直直标标尺尺到到趋趋势势区区，最最后后拖拖放放的的标标尺尺是是活活动动的的，用用深深色色表表示示。其其余余的的标标尺尺是是不不活活动动的的，用用灰灰色色显显示示。点点击击不不活活动动标标尺尺，可可以以将将它它变变为为活活动动的的标标尺尺。按按住住ALT后后点点击击标标尺尺，可以消除它。可以消除它。30S7-1200PLC的PID工艺功能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，
27、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”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%。31S7-1200PLC的PID工艺功能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)点点击击“首首次次启启动动自自调调节节”，启
28、启动动自自调调节节，“状状态态”域域显显示示当当前前的步骤和可能出现的错误，的步骤和可能出现的错误，“进度进度”域显示当前步骤的进展。域显示当前步骤的进展。如如果果自自调调节节没没有有出出错错，PID的的参参数数被被优优化化，将将PID控控制制器器切切换换到到自自动动模模式式，使使用用优优化化的的参参数数。上上电电和和重重新新启启动动CPU时时，优优化化的的参数被保持。参数被保持。32S7-1200PLC的PID工艺功能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该模模式式要要求求的的条条件件与与首首次次启启动动自自调调节节模模式式的的基基本本相相同同，区区
29、别别在在于于第第6条条改改为为设设定定值值与与实实际际值值的的差差值值小小于于50%。如如果果大大于于50%，应应先进行首次启动调节，完成后自动进行运行中自调节。先进行首次启动调节，完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。33S7-1200PLC的PID工艺功能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控控制制器器在在CPU内内优优化化，如如果果想想在在下下载载项项目目数数据据时时使
30、使用用优优化化的的PID参数，可以将参数，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)点点击击左左下下角角的的 ，将将当当前前激激活活的的PID参参数上载到项目。数上载到项目。34S7-1200PLC的PID工艺功能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)选选中中“当当前前值值”区区
31、的的“手手动动”复复选选框框，控控制制器器输输出出与与控控制制变变量量之之间间的的连连接接被被断断开开，闭闭环环控控制制最最后后的的控控制制输输出出变变量量作作为为手手动动的的控控制器输出变量；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)点点击击“Output”域域右右边边出出现现的的按按钮钮，控控制制器器的的输输出出变变量量被被写写入入CPU，并被立即激活。，并被立即激活。PID控控制制器器连连续续地地监监视视实实际际值值，如如果果实实际际值值超超过过限限制制，将将在在“状状态态”域域显显示示出出来来，控控制制器器将将进进入入未未激激活活模式。模式。35S7-1200PLC的PID工艺功能
