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    浔之漫智控技术(上海)有限公司

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  • 公司认证： 营业执照已认证
  • 企业性质：私营企业
    成立时间：2017
  • 公司地址： 上海市 松江区 永丰街道 上海市松江区广富林路4855弄52号3楼
  • 姓名： 聂航
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    6ES7231-0HF22-0XA0多库发货

  • 所属行业：电气 工控电器 DCS/PLC系统
  • 发布日期：2024-08-30
  • 阅读量：12
  • 价格：面议
  • 产品规格：模块式
  • 产品数量：1000.00 台
  • 包装说明：全新
  • 发货地址：上海松江永丰  
  • 关键词：西门子代理商,西门子一级代理商

    6ES7231-0HF22-0XA0多库发货详细内容

    6ES7231-0HF22-0XA0多库发货


    1  引言
    核电厂非放射性污水处理系统担负着收集并处理核岛各厂房和各区域的生活污水、常规岛各厂房和BOP各厂房的生活污水、地面冲洗污水及厂前区生活污水的任务。本文以某核电厂非放射性污水处理系统为例,应用Siemens S7-300系列PLC和智能检测仪表组成下位机,对现场设备进行实时监控。上位机采用WinCC组态软件,实现整个系统的画面监测、打印管理、参数设置和逻辑控制等功能。该PLC控制系统具有性高、控制性能优越、便于管理等优点。

    2  工艺流程及概述
    非放射性污水处理采用A/O生化处理和MBR膜生物处理相结合的处理方式。前置缺氧段,来达到生物脱氮目的。MBR膜生物反应池中设置浸没式膜生物反应器,达到出水直接回用的目的。
    主厂区及厂前区生活污水进入污水处理站,经自动机械格栅去除污水中的杂物(杂物排至平台小车内,定期清运),随后进入调节池,调节池对原水水质水量进行均化和调节(为防止池内污物沉积,池内设曝气管),调节池中设提升泵4台(3用1备,其中一期安装2台,1用1备)将污水提升至缺氧池。污水在缺氧池内进行脱氮处理,随后污水进入MBR膜生物反应池。为防止颗粒物堵塞MBR膜生物反应器,在污水进入缺氧池前设置毛发聚集器,在膜反应池前设置提篮式格栅。MBR膜生物反应池对污水进行生物加过滤处理,设置膜在线清洗装置,处理水经抽吸泵抽吸后进入回用水池。回用水池内设置变频供水泵,通过供水泵把中水输送到所需区域。MBR膜生物反应池的污泥排至污泥池,污泥池内上清液溢流至调节池,剩余污泥定期清运。调节池、缺氧池、MBR膜生物反应器、污泥池内设置曝气装置曝气,曝气装置由罗茨风机供气。所有仪表信号和主要设备运行信号在控制室显示,设备的控制可在控制室和就地控制柜分别操作。

    3  控制系统硬件设计
    3.1  设计原则
    核电厂非放射性污水处理自动控制系统应保证其具有高性和稳定性,因此应选择具有工业高抗干扰性能的软硬件设备;系统还应具有良好的扩展性和兼容性,并满足生产工艺对自动控制系统的各种要求;还要便于管理等[1]。
    3.2  控制系统硬件结构
    本工程采用Siemens S7-300系列PLC对全厂主要工艺设备进行监控,并通过现场仪表采集液位、流量、压力、温度等信号和设备运行状态信息,由PLC控制现场设备的启停以控制工艺参数。
    控制系统结构如图1所示,采用研华公司生产的两台工业计算机,1台操作员站,1台工程师站,采用TCP/IP通信协议;工程师站配置1台打印机,可以对生产过程中的报警及报表进行打印。PLC主要由处理器(CPU)、存储器、输入接口电路、输出接口电路、通信接口、内部电源等部分组成。PLC系统由CPU机架与I/O扩展机架组成。机架间由IM365接口模块实现内部通讯链接,如图1所示。

    处理器选择标准型CPU314,其主要技术参数为:工作存储器内置96KB,装载存储器是大8MB的可插拔存储卡MMC;数字量全部I/O点数为1024,模拟量全部I/O点数为256,大机架数为4,每个机架的模块数量多为8个;内置RS485接口,MPI连接数为12;CPU编程语言为STEP7 V5.2 SP1以上。负载电源模块PS用于将AC220V电源转换为DC24V电源,供CPU和I/O模块使用;选用PS307()型电源模块,其主要技术参数为:输入电压120V~230V,输出电压24VDC,输出电流,具有防短路和开路保护功能,可向总线提供电流1.2A。数字量输入模块采用SM321(16×24VDC);数字量输出模块采用SM322 (16×24VDC/0.);模拟量输入模块采用SM331(8×16位);模拟量输出模块采用SM332(4×12位),接口模块选用IM365。
    污水处理PLC自动控制系统配有在线式UPS不间断电源供电,负责给控制系统和仪表供电。采用山特CASTLE系列UPS,容量2KVA,电源备用时间30min。PLC机柜内每种类型的I/O测点都有不少于10%的备用量;同时机柜内留有10％的I/O模件插槽备用量;存贮器容量也考虑40%的备用量。
    现场测量及分析仪表主要有声波液位计、电缆浮球液位开关、电磁流量计、压力变送器、就地压力表、在线PH计、在线COD分析仪等。污水处理系统的现场仪表设计选型时应尽量选用、高稳定性、免维护或低维护的智能仪表,还应尽量选择非接触式、电磁式的传感器。由于污水处理中很多现场仪表在井下或露天环境,所以考虑防护手段。对于清洗、维护及换时拆卸的管道式安装仪表及其传感器,应在管道上设计安装旁通阀,以免在其换或发生故障时,需要停止工艺运行。另外,污水处理中仪表设计和工艺紧密结合,选取合适的测量或取样位置[2]。

    4  控制系统软件设计
    污水处理控制系统软件分为上位机WinCC软件和下位机PLC现场控制软件两部分。
    系统上位机运行bbbbbbS XP操作系统和WinCC V6.3组态软件,提供了数据、数据处理、流程控制、数据显示、过程报警和连锁、历史记录和报表以及数据查询、打印等控制和管理功能。
    图形界面包括两大部分:主画面和各个工艺阶段、参数曲线、报表、报警的分画面。主画面有各个厂房、设施设备和管道流向,分别用不同的颜色和形状表示,用来展示全部的工艺流程;分画面用来显示各个工艺阶段的详细参数和测量值,报表分画面用于打印和输出各个时段各个设备的历史数据,报警分画面用于设置报警级别和显示报警原因等用途[3],各个画面之间可以灵活地相互切换。
    WinCC提供了所有重要的通信通道,用于连接到SIMATIC S5/S7/505控制器的通信,以及如PROFIBUS-DP/FMS、DDE和OPC(用于过程控制的OLE)等非通道;也能以附加件的形式获得其他通信通道。由于所有的控制器制造商都为其硬件提供了相应的OPC服务器,因此实际上可以不受限制地将各种硬件连接到WinCC[4]。
    系统下位机PLC编程软件为STEP7 V5.3版,Siemens S7-300程序采用SIMATIC Manager的梯形图(LAD)与语句表(STL)两种编程语言相结合编写,实现整个污水处理工作流程的运行和监控。正常生产时,设备按照工艺要求的流程和顺序由PLC自动控制启停,PLC程序运行时立于上位机,即便上位机出现故障或关机,PLC程序仍可以继续完成相应的控制功能。当现场设备需要检修或出现故障时,技术人员在现场设备附近的就地控制箱中,将设备工作状态开关切换到手动模式,设备不再接受PLC的控制,但PLC仍会采集设备的启动、停止及故障信号用于显示。
    5  结束语
    该PLC控制系统日处理非放射性污水900吨,系统运行、故障率低、。由于软硬件均采用模块化结构,技术人员可以很方便地进行安装、调试和维护。提高了生产效率,降低了劳动强度,运行期间各项出水指标稳定,各方面性能都得到了厂方的。


    面向对象编程是计算机语言的一种的编程模式，在工业控制系统的PLC程序中也可以采用这种设计思想，虽然我们无法实现面向对象的很多特点如 “继承”，甚至于它根本就不具备面向对象编程语言的特点，但面向对象编程的基本概念就是类和类的实例（即对象），我们只需要使用这种概念就可以了。在计算 机编程中我们需要把一些事物抽象和归纳，才能编写类，而在工业控制系统中，控制对象如：电机，阀等等是很明显的控制类别，不需要抽象就可以很明显的针对它 们编写类，以下将会用到西门子的Step7编程语言和的Unity 编程语言来讲解PLC的面向对象编程。
    一、 实现方式
    在Step7中使用功能块（即FB）编程，一谈到此大家就会想到西门子提出的模块化编程，不错，就是这个模块化编程，但西门子提出的模块化、背景数据块、 多重背景等名词并不能让大家很明白的理解和使用这种的设计理念。如果大家从面向对象编程的角度去理解，则可以很好的理解这种设计模式。“FB块”被看 成“类”，它可以被看成是对相似的控制对象的代码归纳，如对MM440的变频器可以编写FB块:MtrMM440,这在面向对象编程中称为“类”，当需要 编程控制具体的电机时，可以给它分配一个背景DB块，在面向对象编程中称为类的实现（即创建类的实例：对象），当需要控制多个电机时，可以分配不同的背景 DB到这个FB块，即创建类的多个实例。Step7中有另外一种程序块，即FC块，以FC块为主的编程在西门子中称为结构化编程，这也可以类比于计算机编 程中的面向过程编程，即纯粹以函数为主体的编程。
    的Unity软件编程可以好的理解面向对象编程。它的DFB定义中包含输入/输出参数，私有/共有变量，以及代码实现，而这正是计算机的面向对象 编程中“类”的基本元素，而创建类的实例（对象）就像创建普通的“布尔”变量一样，只需在“Function Blocks”中定义这种“类”的变量即可。
    Step7和Unity都可以采用面向过程和面向对象编程方式，这两种编程方式的区别类似于计算机语言中的C语言和C++语言编程的区别。
    以下的讲解将会把Step7中的FB和Unity中的DFB称为“类”，Step7中的FB+背景DB以及Unity中DFB的实例称为“对象”。
    二、 面向对象编程架构
    以上讲解的是实现细节，而编程思想是建立在程序架构上的，不是某个局部使用了面向对象方式，则可以称之为这种编程就是面向对象编程。这种编程需要从以下方面着手：
    1、 电路设计的结构化。
    这里主要以自动线为主介绍，对于单机机床可以是它的简化结构，
    <1>、自动线层：这是层次，它拥有一个主PLC，对属于它下面的各区域控制
    <2>、工程层：拥有立的配送电系统，但没有PLC，只有分布式模块，由自动线控制。顾名思义，它有着较大的立性，可以作为一个单的工程项目设计和制造，当自动线比较小时，可以省略该层次。
    <3>、功能组层：根据工艺划分，将实现某一个工艺功能的区段设备划分为一个功能组，它隶属于工程层，当工程层被省略时，隶属于自动线层。
    面向对象编程并不一定要求使用以上的结构，但好的电气结构利于面向对象编程。
    2、 任何控制对象逻辑都在“类”中实现。
    为了做到这点，分析与控制对象相关的信息，譬如，对于一个电机，有以下相关的信息需要考虑：
    输入信息：
    <1>、电路保护信息，如电机的空气开关，热继电器等。
    <2>、功能保护信息，如运动电机的限位开关，风机的风压开关，油泵的油位开关等。
    <3>、启动和终止条件，以上的电路保护和功能保护都可能导致电机运转终止，复位也可能导致重启动，但这里的条件指的是正常运行的启动和终止条件，譬如顺序控制的流程步。
    <4>、控制模式：如手动和自动等。
    <5>、故障复位：通过复位信息，重新启动。
    输出信息：
    <1>、控制输出，如控制电机的主接触器。
    <2>、状态信息输出
    <3>、故障输出
    。。。
    状态储存信息：
    用于代码实现的中间变量以及可以被人机界面读出的状态变量等
    把以上信息都整合到一个类中，并尽量使类的参数标准化。不过，同编程语言还是曾在一些差别，针对Step7,应该遵循的标准是：程序结构由FC实现，对象控制由FB实现，如下的一种结构体系（其电气结构来自上面的介绍）：
    这只不过是一个粗略的PLC程序架构体系，好的架构应该完善和科学。
    3、 规划好数据结构
    数据结构的定义相当重要，并尽量统一这些结构，不要顾虑存储空间，当今的PLC内存足以容纳大量的数据。说明一点的是在Step7中尽量不要在类的外部定义数据结构(UDT),而是在类里面定义，虽然会造成不同类中同一结构的重复性定义，但却提高了类的立性。
    三、 优越性
    1、 标准化
    使用这种设计模式，可以将程序设计分为两个阶段，即标准库、基本架构开发，以及实际应用层面设计。其中标准库、基本架构是程序标准化的基础，而应用层 设计是针对具体的控制工程编程，这样可以把程序设计人员分成两类，一类是标准开发，由程序员负责，一类是应用设计（其中程序调试规划到应用设计），由 经过标准化培训的一般程序员完成，通过这种分配就可以解决中国工业自动化中面临的尴尬局面。传统的中国控制工业，一个程序设计由一个人完成，这样他还 负责现场调试，而拥有丰富经验的程序员一般是三十岁后，这时他已经成家，而显然长期出差对家庭不利，很多的程序员为了家庭考虑不得不改行，要么转到管 理岗位，要么去制造工厂搞设备维护，这是资源的严重流失。毫无疑问，使用以上的设计流程，我么可以让经验丰富的程序员搞标准库和架构的设计，而让刚踏入这 个行业的年轻人搞应用设计和调试，这不仅可以让老程序员继续他自己的工作，而不影响家庭，也可以让年轻的程序员参入现场调试，培养自己的经验，提高自己的 收入。
    这可能让某些人士担心，认为年轻的程序员可以参加现场的调试吗？可以肯定的是没有标准化支撑的程序不仅年轻的程序员编不出来，而且现场调试会问题多多。但有了好的标准化后，一年半以上工作经验的程序员就应该能够立面对自动线。
    PLC中的面向对象编程的就是黑匣子编程，针对Step7,我们使用FB去实现每一个对象的控制，控制逻辑、报警处理、信号交换全在FB中，对于应用 设计人员，不需要明白里面的代码实现，只需要了解该FB的功能以及如何使用好它就行，这样对于应用程序人员的编程能力要求大大降低，对于编程只不过是遵循 架构，拷贝代码，改变输入输出条件而已。
    那么调试呢？很多人认为使用FB编程的烦就是FB的多次调用后，根本无法诊断这些代码，从技术层面上讲确实如此，我们除了从背景DB上查看信息外， 是无法在它多次被调用后监控代码的，但我已说过，这是黑匣子编程，我们不需要诊断这些代码，只需要知道什么样的输入、什么样的参数设定导致什么样的输出就 行，代码的逻辑与功能好坏是由标准库开发人员负责的，这就要求标准开发人员需要对他设计的功能块在不同条件下进行不同的测试，保证无误，还需要编写完整、 详尽的功能说明文档，以便于应用设计人员了解这些块，标准架构并不是出来就一劳永逸的，针对千变万化的工程，它是需要不断完善和修订的，这也是一个工 程公司可以实实在在进行知识积累的地方。
    程序不仅需要给调试人员使用，而且用户（设备维护人员）也需要了解，如果把完整的标准库文档给用户，可能曾在技术外泄的可能，若不给，对他们诊断设备可能 曾在困难，这就需要标准人员制作另外一分文档，即设备维护文档，其知识的透漏以用户能够使用程序进行诊断为限。


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    工作原理：
    PLC是采用周期循环扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描，并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的。结合PLC的组成和结构分析PLC的工作原理容易理解。

    一个扫描周期主要可分为：
    （1）读输入阶段。 每次扫描周期的开始，先读取输入点的当前值，然后写到输入映像寄存器区域。在之后的用户程序执行的过程中，CPU访问输入映像寄存器区域，而并非读取输入端口的状态，输入信号的变化并不会影响到输入映像寄存器的状态，通常要求输入信号有足够的脉冲宽度，才能被响应。
     
    （2）执行程序阶段。 用户程序执行阶段，PLC按照梯形图的顺序，自左而右，自上而下的逐行扫描，在这一阶段CPU从用户程序的条指令开始执行直到后一条指令结束，程序运行放入输出映像寄存器区域。在此阶段，允许对数字量I/O指令和不设置数字滤波的模拟量I/O指令进行处理，在扫描周期的各个部分，均可对中断事件进行响应。
     
    （3）处理通信请求阶段。 是扫描周期的信息处理阶段，CPU处理从通信端口接收到的信息。
     
    （4）执行CPU自诊断测试阶段。在此阶段CPU检查其硬件，用户程序存储器和所有I/O模块的状态。
     
    （5）写输出阶段。每个扫描周期的结尾，CPU把存在输出映像寄存器中的数据输出给数字量输出端点（写入输出锁存器中），新输出状态。然后PLC进入下一个循环周期，重新执行输入采样阶段，周而复始。
    如果程序中使用了中断，中断事件出现，立即执行中断程序，中断程序可以在扫描周期的任意点被执行。
    如果程序中使用了立即I/O指令，可以直接存取I/O点。用立即I/O指令读输入点值时，相应的输入映像寄存器的值未被修改，用立即I/O指令写输出点值时，相应的输出映像寄存器的值被修改。


    1、干式变压器的PLC温控系统系统组成与工作原理 
        干式变压器的温控系统主要由5部分组成：传感器、A/D模块、PLC主机、输入输出模块及人机界面等，系统结构原理图如图1所示。在控制部分，选用SIEMENS的S7-300 PLC对采样信号进行快速、的处理，组态软件为SIMATIC STEP 7；选用SIEMENS的TP270 6’触摸式人机界面(HMI)对实时温度值和各种故障信息进行显示、记录，组态软件为SIMATIC ProTool V6.0。HMI和PLC之间采用MPI(多点)通讯方式，通过对HMI画面上所设元件属性和与PLC的数据交换地址的定义，实现HMI上相关元件对应的暂存器对PLC存储单元的读写。
    1.2 工作原理 
        干式变压器的运行和使用寿命与变压器运行温度的高低有着直接的关系，因此对变压器运行温度的实时监控十分重要。由传感器对变压器铁心和绕组的温度进行采样，所测温度信号经放大和A/D转换后送PLC，利用软件进行数据处理，处理后的数据送HMI进行实时显示。在HMI上设定风机自动启/停温度，PLC根据设定值，可自动启/停变压器所配备的冷却风机，对变压器进行降温。必要时还可通过触摸HMI上按钮，手动启停风机。在HMI上设置温报警及温跳闸温度限定值。当变压器绕组温度过高，过限定值时，PLC将输出绕组温报警信号和绕组温跳闸信号，并在HMI上显示出具体信息。在HMI上可进行手动消音，手动跳闸操作。记录各种报警信息及故障发生时的各相温度值，必要时，可在HMI上输入时间条件进行查询，并根据需要随时进行打印。该系统中的数据采集处理、风机运行和故障报警由PLC和HMI通过编制相应的软件来完成。 
     
        2、系统的软件设计 
        SIMATIC ProTool是西门子公司推出的组态软件，该软件由2部分组成：ProTool/Lite、ProTool或ProTool CS(组态系统)组态软件和用于过程可视化的运行系统软件(例如ProTool/Pro RT)。2个系统均可以在bbbbbbs98 SE、bbbbbbs Millenium、bbbbbbs2000和bbbbbbs NT 4.0操作系统上运行。该软件具有报警记录、报表打印、趋势曲线等多种功能，并支持除Siemens之外的三方制造商的通讯协议。本系统在其基础上进行了画面设计、通讯组态、报警设置、保护设计等一系列应用开发。 
        2.1 画面设计 
        触摸屏画面设计不仅要求能实现所有的控制功能(输入及显示参数、存储纪录、报警、打印等)，而且要简单明了，易于操作人员正确的执行操作。考虑系统所需监控的过程变量和实际功能，共组态了8组画面，下面介绍几个基本画面。 
     
        (1) 主画面 
        设计的监控主画面如图2所示。主画面的是温度的数据显示。上半部分采用纯数字方式对变压器三相的铁心温度及高、低压绕组温度进行实时显示；下半部分采用模拟显示方式，变压器的铁心温度和绕组温度。在程序运行时，各温度值可动态显示。主画面的右部为口令输入域和触摸操作区，此处各按钮需输入不同级别的口令方可进入。主画面的下部为权限的触摸操作区。操作人员通过触摸按钮，可以切换到各监控子画面，进一步掌握系统的工作情况，或进行参数设定与修改。 
    (2) 故障记录 
        每当有报警信号产生，都会在触摸屏界面上弹出报警消息窗口，同时报闪烁。将报警消息进行归档，再创建一画面组态消息视图，就可保存并显示系统运行以来的所有报警消息。提示报，报警产生的日期、时间，报警产生的原因，以及是否确认等信息。 
        (3) 数据记录 
        组态事件消息并归档，在每次产生报警时，对各相的铁心温度和绕组温度通过归档事件消息进行记录，以便将来查询。 
        (4) 温度实时趋势图 
        实时趋势图用于在线显示较慢而连续的过程变量。显示时，实时趋势在每个时间单位(时钟脉冲)内一次只从PLC读取一个趋势值，并添加至操作单元上显示趋势。该程序组态3组实时趋势，每组显示一相的高压绕组、低压绕组及铁心温度3个变量的曲线，每个变量每10s读取一次，曲线同时显示100点。 
        (5) 参数设定 
        在本画面中，操作员可以对风机的自动启/停温度，绕组温报警温度和绕组温跳闸温度进行设定，调整。进入该画面后，若软键盘10s内无动作，系统将自动返回主画面。 
        2.2 保护设计 
        ProTool允许用户使用口令来阻止其他未授权人员使用控件，从而增加系统的性。ProTool提供的口令级别从0到9。口令级0不需输入口令；口令级1至8，根据功能的重要性进行分配；如用户分配到口令级4，则可执行口令级0到4的功能。口令级9仅授权于系统管理员。针对管理和操作的需要，该系统中定义了系统管理员级即9级和操作员1级两级口令。对参数设定和手动跳闸功能需使用系统管理员级口令，其他操作，如消音、手动启/停风机、查看历史记录等，也要先输入口令进行登陆。输入口令，触摸“登陆”按钮，再触摸其他功能按钮，便可进入等于或该口令级别的子画面。子画面操作完毕返回主画面后，触摸“退出”按钮，则口令失效，再次进入子画面需重新输入口令。若没有触摸“退出”按钮，系统将在1min后自动撤销口令。 
     
        2.3 人机界面与PLC之间的通讯 
        西门子人机界面与PLC之间的通讯方式有3种：PPI(点到点)通讯方式，MPI(多点)通讯方式和PROFIBUSDP通讯方式。该温控系统中采用MPI(多点)通讯方式。 
        S7-300 PLC上有一标准化的MPI接口，它既是编程接口，又是数据通讯接口，使用S7协议(主要用于较近距离的数据通讯)。由于MPI接口是RS485结构，PLC与人机界面之间通过RS485线相连，其传输速率为187.5k波特率。一个MPI网可以有多个网络节点，其地址是在S7-300硬件组态中设置的。该系统中人机界面的MPI地址为“1”；CPU的MPI地址为“2”。 
        人机界面与过程之间通过PLC利用变量进行通讯。通常在PLC和操作单元之间交换的数据为过程数据。为此在组态中创建指向PLC上某个地址的变量。触摸屏从的地址中读取该数值并显示它。同样的，操作员可以在触摸屏上输入将被写入PLC上某个地址的数据。 
     
        3、结束语 
        在110kV干式变压器温控系统中将PLC和触摸显示屏结合在一起，并采用PLC和触摸屏的相应软件对各采样值进行控制、处理，在温度的实时显示、数据记录、报警等方面具有很大的优越性。操作人员不仅能方便的观察和掌握变压器的实时运行温度，还可根据报警消息，快速的排除故障。


    1. PID控制

        在工业控制中，PID控制（比例-积分-微分控制）得到了广泛的应用，这是因为PID控制具有以下优点：

        1）不需要知道被控对象的数学模型。实际上大多数工业对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。据日本统计，目前PID及变型PID 约占总控制回路数的左右。

        2）PID控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。

        3）有较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用各种PID控制的变种和改进的控制方式，如 PI、PD、带死区的PID、积分分离式PID、变速积分PID等。随着智能控制技术的发展，PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久的生命力。


    2. PLC实现PID控制的方法

    如图6-35所示为采用PLC对模拟量实行PID控制的系统结构框图。用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法：

    结构框图

        1）使用PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模块。

        2）使用PID功能指令。现在很多中小型 PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与A/D、D/A模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，价格却得多。

    3）使用自编程序实现PID闭环控制。有的PLC没有有PID过程控制模块和 PID控制指令，有时虽然有PID控制指令，但用户希望采用变型PID控制算法。在这些情况下，都需要由用户自己编制PID控制程序。


    3. FX2N的PID指令

    PID指令的编号为FNC88，如图6-36所示源操作数［S1］、［S2］、[S3]和目标操作数[D]均为数据寄存器D，16位指令，占9个程序步。［S1］和［S2］分别用来存放给定值SV和当前测量到的反馈值PV，［S3］~[S3]＋6用来存放控制参数的值，运算结果MV存放在［D］中。源操作数［S3］占用从［S3］开始的25个数据寄存器。

    PID指令是用来调用PID运算程序，在PID运算开始之前，应使用MOV指令将参数（见表6-3）设定值预先写入对应的数据寄存器中。如果使用有断电保持功能的数据寄存器，不需要重复写入。如果目标操作数[D]有断电保持功能，应使用初始化脉冲M8002的常开触点将其复位。

    表6-3  PID控制参数及设定


    PID指令可以同时多次使用，但是用于运算的[S3]、[D]的数据寄存器元件号不能重复。

        PID指令可以在定时中断、子程序、步进指令和转移指令内使用，但是应将［S3］＋7清零（采用脉冲执行的MOV指令）之后才能使用。

        控制参数的设定和 PID运算中的数据出现错误时，“运算错误”标志M8067为 ON，错误代码存放在D8067中。

        PID指令采用增量式PID算法，控制算法中还综合使用了反馈量一阶惯性数字滤波、不微分和反馈量微分等措施，使该指令比普通的PID算法具有好的控制效果。

        PID控制是根据“动作方向”（[S3]+1）的设定内容，进行正作用或反作用的PID运算。
        以上公式中：△MV是本次和上一次采样时PID输出量的差值，MVn是本次的PID输出量；EVn和 EVn-1分别是本次和上一次采样时的误差，SV为设定值；PVn是本次采样的反馈值，PVnf、PVnf-1和PVnf-2分别是本次、次和前两次滤波后的反馈值，L是惯性数字滤波的系数；Dn和Dn-l分别是本次和上一次采样时的微分部分；K p是比例增益，T S是采样周期，T I和T D分别是积分时间和微分时间，αD是不微分的滤波时间常数与微分时间TD的比值。

        4.PID参数的整定

        PID控制器有4个主要的参数K p、T I、T D和T S需整定，无论哪一个参数选择得不合适都会影响控制效果。在整定参数时应把握住PID参数与系统动态、静态性能之间的关系。

        在P（比例）、I（积分）、D（微分）这三种控制作用中，比例部分与误差信号在时间上是一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作用，具有调节及时的特点。比例系数K p越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数系统，K p过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。

        积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化。因此，积分部分可以稳态误差，提高控制精度，但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响。积分时间常数T I增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是稳态误差的速度减慢。

        微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节为及时，所以微分部分具有前和预测的特点。微分时间常数T D增大时，调量减小，动态性能得到改善，但是抑制高频干扰的能力下降。

        选取采样周期T S时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。为使采样值能及时反映模拟量的变化，T S越小越好。但是T S太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不宜将T S过小。




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