西门子伺服电机1FL6042-1AF61-2LA1

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适应性，而且PID控制器的结构典型、程序设计简单、工程上易于实现、参数调整方便。本文以西门子公司S7-200 PLC为例介绍PLC在PID闭环控制系统中的应用。

2 PLC实现PID控制的方式

用PLC对模拟量进行PID控制大致有如下几种方法：

(1)使用PID过程控制模块：这种模块的PID控制程序是PLC厂家设计的，并放在模块中，用户使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便。

(2)使用PID功能指令：它是用于PID控制的子程序，与模拟量输入／输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制的效果，但价格便宜得多。如S7-200的PID指令。

(3)用自编的程序实现PID闭环控制：在没有PID过程控制模块和功能指令的情况下，仍希望采用某种改进的PID控制算法，此时用户需要自己编制PID控制程序。

本文以西门子S7-200 PLC为例，说明PID控制的原理及PLC的PID功能指令的使用及控制功能的实现。

3 PLC PID控制器的实现

3.1 PID控制器的数字化

PLC的PID控制器的设计是以连续的PID控制规律为基础，将其数字化，写成离散形式的PID方程，再根据离散方程进行控制程序的设计。

在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图1所示。图1中sp(t)是给定值；pv(t)为反馈量；c(t)为系统的输出量，PID控制器的输入／输出关系如式(1)所示：



式中：M(t)为控制器输出；Mo为输出的初始值；e(t)=sp(t)-pv(t)为误差信号；Kc为比例系数；T1为积分时间常数，TD为微分时间常数。等号右边**项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差的积分和微分成正比。如果取其中的1项或2项，可以组成P，PD或PI控制器。


设采样周期为TS，系统开始运行的时刻为t=0，用矩形积分来近似精确积分，用差分近似精确微分，将式1离散化，第n次采样时控制器的输出如式(2)所示：



式中：en-1为第n-1次采样时的误差值；K1为积分系数；KD为微分系数。

基于PLC的闭环控制系统如图2所示，图中虚线部分在PLC内，spn，pvn，en，Mn分别为模拟量sp(t)，pv(t)，e(t)，M(t)在第n次采样的数字量。在许制系统中，可能只需要P，I，D中的1种或者2种控制类型。例如，可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路控制类型进行选择。



3.2 输入输出变量的转换

PID控制有输入量2个：给定值sp和过程变量pv。给定值通常是固定值，过程变量通常是经过A／D转换和计算后得到的被控量的实测值。给定值和过程变量都是和被控对象有关的值，对于不同的系统，它们的大小、范围与工程单位有很大的不同。应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前，必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。同样，对于PID指令的输出，在将其送给D／A转换器之前，也需要进行转换。

3.2.1  回路输入的转换

首先，将给定值或A／D转换后得到的整数值由16位整数转换为浮点数，可以用下面的程序实现这种转换：



然后，将实数进一步转换成0.0～1.0之间的标准数，可用式3对给定值及过程变量进行标准化：

式中：RNorm为标准化实数值；RRaw为标准化前的值；offset为偏移量，对单极性变量为0.0，对双极性变量为0.5；Span为取值范围，等于变量的较大值减去较小值，单极性变量的典型值为32 000，双极性变量的典型值为64 000。

下面的程序将上述转换后得到的AC0中的双极性数(其中span=64 000)转换为0.0～1.0之间的实数的转换程序为：



3.2.2  回路输出的转换

回路输出即PID控制器的输出，它是标准化的0.0～1.0之间的实数。将回路输出送给D／A转换器之前，必须转换成16位二进制数，这一过程是将pv与sp转换成标准化数值的逆过程。

用下面的式(4)将回路输出转换为实数：



式中，RScal是回路输出对应的实数值；Mn是回路输出标准化的实数值。

将回路输出转换为对应的实数的程序为：



将代表回路输出的实数转化为16位整数的指令为：   


4 PID指令及其回路表

S7-200的PID指令如图3所示。

指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路编号。编译时如果指令*的回路表起始地址或回路号超出范围，CPU将生成编译错误(范围错误)，引起编译失败。PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查，应保证过程变量、给定值等不超限。回路表如表1所示：   
过程变量与给定值是PID运算的输入值，在回路表中他们只能被PID指令读取而不能改写。每次完成PID运算后，都要更新回路表内的输入值Mn，它被限制在0.0～1.0之间。
如果PID指令中的算术运算发生错误，特殊存储器位SM 1.1(溢出或非法数值)被置为1，并将中止PID指令的执行，想要这种错误，在下一次执行PID运算之前，应改变引起运算错误的输入值，而不是更新输出值。
5 PID指令编程举例
温度控制是工业生产过程中很重要的一种控制。温度控制系统一般具有大惯性、大延时的特点。在工业控制中，难以建立温度系统的精确数学模型，而应用模拟或数字式PID闭环控制往往能获得较好的控制精度。
本例采用PID控制器，温度给定值经标准化处理后为0.8，选取控制器参数初值为：Kc=0.2，Ts=0.05 s，TI=20 min，TD=10 min。控制程序如下：
6 结  语
本文针对西门子S7-200 PLC在PID闭环控制系统中的应用，介绍PID数字控制器的原理、实现方法和编程实例。需要指出的是，PID控制算法具有很强的灵活性，根据被控对象特点的不同，可以使用PI控制、PD控制、PID控制等多种形式，从而达到更好的控制效果。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的结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力

200属于小型机，300属于中型机，小型机也是多功能机，将所有功能结合在一起，它的控制规模为大512点，CPU的运算处理速度不及中大型机快，小型机多为整体式的，扩展模块多可加8块，适用于小型设备，性价比高；中大型机结构是模块化的，多可加300多块扩展模块，中大型机硬件较贵，成本高，但其运算处理速度快，有很强的通信功能，主要应用于中大型生产线，如行业，造纸行业，钢铁行业，汽车生产线，大型*空调，污水处理等，中国的中大型机以西门子的300和400为主，西门子的产品性能稳定，网络通信功能强大，程序简单，性价比高。 

硬件区别1

主要地区别就是S7-300/400更模块化了，S7-200系列是整体式的，CPU模块、I/O模块和电源模块都在一个模块内，称为CPU模块；而S7-300/400系列的，从电源，I/O，CPU都是单独模块的。但是这么说容易让人误解200系列不能扩展，实际上200系列也可以扩展，只不过买来的CPU模块集成了部分功能，一些小型系统不需要另外定制模块，200系列的模块也有信号、通信、位控等模块。

2

200系列的对机架没有什么概念，称之为导轨；为了便于分散控制，300/400系列的模块装在一根导轨上的，称之为一个机架，与*机架对应的是扩展机架，机架还在软件里反映出来。

3

200系列的同一机架上的模块之间是通过模块正上方的数据接头的；而300/400则是通过在底部的U型总线连接器连接的。

4

300/400系列的I/O输入是接在前连接器上的，前连接器再接在信号模块上，而不是I/O信号直接接在信号模块上，这样可以更换信号模块而不用重新接线。

5

300/400系列的CPU带有profibus（profibus是一种化．开放式．不依赖于设备生产商的现场总线标准）接口。

 

软件区别1

200系列用的STEP7-Micro/WIN32软件；300/400使用的是STEP7软件，带了Micro和不带的区别是相当的明显的。

2

200系列的编程语言有三种--语句表（STL）、梯形图（LAD）、功能块图（FBD）；300/400系列的除了这三种外，还有结构化控制语言（SCL）和图形语言（S7 graph）。

3

300/400软件大的特点就是提供了一些数据块来对应每一个功能块（ Block-FB），称之为Instance。

4

300/400再也不能随意的自定义Organization Block、sub-routine和Interrupt routine了，现在OB1惟我*尊了，没事系统只能调用它了，其它的什么东东则变成了FB－ Block和FC－，其它的也是预定义成了系统的了，System的S给它们（SFB、SFC）定义了自己的身份。

5

300/400中提供了累加器（ACCU）和状态字寄存器、诊断缓冲区