SIMATIC S7-1200 PID串级控制(以巧克力加热炉温度控制为例)

文章目录

  • 一、PID控制原理
  • 二、PID控制指令
    • 1.PID_Compact
    • 2.PID_3Step
    • 3.PID_Temp
    • 4.指令块功能对比
  • 三、PID控制示例
    • 1.调用并组态PID_Compact
    • 2.调用被控对象仿真块
    • 3.进行预调节
    • 4.进行精确调节
  • 四、串级控制
    • 1.调用并组态PID_Temp
    • 2.调用被控对象仿真块
    • 3.进行从控制器预调节加热
    • 4.进行从控制器预调节加热/制冷
    • 5.进行从控制器预调节制冷
    • 6.进行从控制器精确调节加热
    • 7.进行从控制器精确调节制冷
    • 8.进行主控制器预调节加热
    • 9.进行主控制器精确调节加热


一、PID控制原理

基于反馈控制理论,在工程实际中,应用最为广泛的比例、积分、微分控制,简称PID控制。
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PID具有以下优点:
1.原理简单实用方便;
2.适用性强,可以广泛应用在化工,冶金等领域;
3.控制品质对其被控对象特性的变化不大敏感;
4.对模型依赖性少,按PID控制进行工作的自动控制调节器早已商品化。
S7-1200的PID功能:
1.提供3个PID指令:PID_Compact、PID_3Step、PID Temp;
2.PID的调节回路数仅受程序大小及执行时间影响,没有具体数量限制;
3.支持抗积分饱和功能;
4.支持不同错误的响应。
5.PID_3Step、PID_Temp支持死区;
6.PID_Temp支持控制带;
7.PID Temp支持串级控制。

二、PID控制指令

1.PID_Compact

PID_Compact是连续的PID控制指令,支持模拟量或脉冲宽度调制(PWM)输出。
在这里插入图片描述
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引脚注释
Setpoint自动模式下的设定值
Input工程量反馈值
Input_PER模拟量反馈值(0~27648)
Disturbance扰动变量或预控制值
ManualEnable上升沿激活“手动”模式;下降沿激活由“Mode”指定的工作模式
ManualValue该值在手动模式下使用,用作 PID 输出值
ErrorAck确认错误
Reset重启控制器
ModeActivate上升沿激活由“Mode”指定的工作模式
Mode通过“ModeActivate”的上升沿激活的模式;0:未激活;1:预调节;2:精确调节;3:自动模式;4:手动模式
ScaledInput线性化输入
Output工程量输出
Output_PER模拟量输出(0~27648)
Output_PWM脉宽调制输出
SetpointLimit_H到达设定上限
SetpointLimit_L到达设定下限
InputWarning_H到达输入上限
InputWarning_L到达输入下限
State控制器当前操作模式
Error错误报警
ErrorBits报警信息

2.PID_3Step

PID_3Step是用于开关量信号控制的执行器;其输出用于模拟量和二进制阀门的控制;支持阀门的位置反馈和停止信号的检测;集成了电机转换时间的测量;支持死区控制。
在这里插入图片描述
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引脚注释
Setpoint自动模式下的设定值
Input工程量反馈值
Input_PER模拟量反馈值(0~27648)
Actuator_H阀门处于上端停止位时的数字位置反馈
Actuator_L阀门处于下端停止位时的数字位置反馈
Feedback阀门的位置反馈
Feedback_PER阀门的模拟位置反馈
Disturbance扰动变量或预控制值
ManualEnable上升沿激活“手动”模式;下降沿激活由“Mode”指定的工作模式
ManualValue在手动模式下指定阀门的绝对位置
Manual_UP1:即使正在使用 Output_PER 或位置反馈,阀门也打开。如果已达到上端停止位,则阀门将不再移动;0:如果正在使用 Output_PER 或位置反馈,则阀门移至 ManualValue。否则阀门不再移动
Manual_DN1:即使正在使用 Output_PER 或位置反馈,阀门也关闭。如果已达到下端停止位,则阀门将不再移动;0:如果正在使用 Output_PER 或位置反馈,则阀门移至 ManualValue。否则阀门不再移动
ErrorAck确认错误
Reset重新启动控制器
ModeActivate上升沿激活由“Mode”指定的工作模式
ScaledInput线性化输入
ScaledFeedback线性化位置反馈
Output_UP用于打开阀门的数字量输出值
Output_DN用于关闭阀门的数字量输出值
Output_PER模拟量输出值
SetpointLimit_H到达设定上限
SetpointLimit_L到达设定下限
InputWarning_H到达输入上限
InputWarning_L到达输入下限
State控制器当前操作模式
Error错误报警
ErrorBits报警信息
Mode通过“ModeActivate”的上升沿激活的模式;0:未激活;1:预调节;2:精确调节;3:自动模式;4:手动模式;6:转换时间测量;10:无停止位信号的手动模式

3.PID_Temp

PID_Temp转为温度控制而设计,支持加热和制冷控制;支持模拟量或脉冲宽度调制(PWM)输出;提供加热和制冷的自整定;带有抗积分饱和的级联控制功能;支持死区和控制带功能。
在这里插入图片描述
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引脚注释
Setpoint自动模式下的设定值
Input工程量反馈值
Input_PER模拟量反馈值(0~27648)
Disturbance扰动变量或预控制值
ManualEnable上升沿激活“手动”模式;下降沿激活由“Mode”指定的工作模式
ManualValue该值在手动模式下使用,用作 PID 输出值
ErrorAck确认错误
Reset重启控制器
ModeActivate上升沿激活由“Mode”指定的工作模式
Mode通过“ModeActivate”的上升沿激活的模式;0:未激活;1:预调节;2:精确调节;3:自动模式;4:手动模式
Master级联控制的接口,通过主控制器“PID_Temp_1”调用从控制器“PID_Temp_2”
Slave级联控制的接口,需要将主站Slave接口变量,在从站Master接口处调用
ScaledInput标定后的过程值
OutputHeat工程量加热输出
OutputCool工程量制冷输出
OutputHeat_PER模拟量加热输出
OutputCool_PER模拟量制冷输出
OutputHeat_PWM脉宽调制加热输出
OutputCool_PWM脉宽调制制冷输出
SetpointLimit_H到达设定上限
SetpointLimit_L到达设定下限
InputWarning_H到达输入上限
InputWarning_L到达输入下限
State控制器当前操作模式
Error错误报警
ErrorBits报警信息

4.指令块功能对比

指令PID_CompactPID_3StepPID_Temp
模拟量输出支持支持支持
PWM支持支持支持
加热/指令输出不支持不支持支持
死区不支持支持支持
控制带不支持不支持支持
串级控制不支持不支持支持
预调节支持支持支持
精确调节支持支持支持
抗积分饱和支持支持支持
执行器阀位反馈不支持支持不支持

三、PID控制示例

1.调用并组态PID_Compact

PID指令块需要在循环中断组织块中调用;
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在默认变量表中创建如下变量;
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将变量连接到PID_Compact指令块的对应引脚;
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组态PID_Compact;
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过程值标定功能只有在Input/Output参数选择Input_PER或Out_PER时,才会启用;
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2.调用被控对象仿真块

PID仿真块的库文件“LSim”可在西门子工业在线支持官网下载;
PID仿真块的库文件
关于添加全局库的方法,以及更多全局库文件的下载,见以下链接;
在 TIA Portal 中,如何打开、编辑和升级全局库
调用下载好的仿真块,并连接如下变量;
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3.进行预调节

首先进行预调节,预调节用于确定对输出值跳变的过程响应,并搜索拐点。
要求:
1.设定值-过程值>(过程值上限值-过程值下限值)×30%;
2.设定值-过程值>设定值×50%;
3.PID控制器处于手动、未激活或者自动模式。
打开PLC仿真器,下载程序,双击打开调试界面;
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为满足预调节的要求,给定Setpoint一个设定值,在程序段中修改操作数,我们设置为90;
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点击Start进行预调节。

4.进行精确调节

预调节结束后,点击上传PID参数,将PID参数上传至CPU中,然后启动精确调节;
精确调节:使过程值出现恒定受限的振荡,并根据此振荡的幅度和频率为操作点调节PID参数;
要求:
1.控制器工作在操作点;
2.不希望有扰动。
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精确调节结束后,点击上传PID参数,将PID参数上传至CPU中。
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四、串级控制

  • 多个PID控制回路相互嵌套,形成级联控制;
  • 主控制器的输出值作为从控制器的设定值,最外层从控制器的输出值应用于执行器;
  • 可以迅速纠正控制系统中发生的扰动,显著降低扰动对受控变量的影响;
  • 从控制器回路以线性形式发挥作用。因此,这些非线性扰动对受控变量的负面影响可得到缓解。

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以巧克力加热炉温度控制为例,将巧克力溶液的温度作为主控制器PID_Temp_1的反馈值Input,从上位机获得想要达到的巧克力溶液温度Setpoint,将水的温度作为从控制器PID_Temp_2的反馈值,将主控制器的输出OutputHeat作为从控制器的输入Setpoint,将从控制器的输出OutputHeat用于水温控制,从而通过水温控制巧克力溶液的温度达到设定值。

1.调用并组态PID_Temp

调用两次PID_Temp功能块,分别作为主控制器PID_Temp_1和从控制器PID_Temp_2,必须先调用主控制器,再调用从控制器,并连接变量;
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PID_Temp_1组态过程如下所示:
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注意:只有在作为从控制器的时候,才可以“激活制冷”;
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勾选“控制器为主站”,这里从站数量为1,最大可支持255个从站;
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PID_Temp_2组态过程如下所示:
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在“输出的基本设置”选项卡中,加热/制冷方法可选择“切换加热/制冷的PID参数”,此时加热和制冷分别自整定;当加热和制冷的变化曲线基本一致时,可以选择“加热/制冷的制冷系数”,此时制冷的PID参数由加热的PID参数乘以设置的制冷系数得到。这里我们选择“切换加热/制冷的PID参数”;
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2.调用被控对象仿真块

仿真块下载链接已在上文给出,连接对应变量,同时,将水温反馈值赋值给巧克力溶液温度反馈值。
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3.进行从控制器预调节加热

预调节常规要求:
1.ManualEnable = FALSE,Reset = FALSE;
2.PID_Temp处于“未激活”、“手动模式”或“自动模式”;
3.设定值与过程值均处于组态的限定范围内。
预调节加热要求:
1.设定值-过程值>(过程值上限值-过程值下限值)×30%;
2.设定值-过程值>设定值×50%;
3.设定值大于过程值。
因为要进行串级调试,故在进行主控制器自整定之前,需要进行从控制器自整定,但从控制器的设定值是主控制器的输出值,无法手动修改,此时,可以用调试面板中的设定替代值作为从控制器的设定值。
打开PID_Temp_2的调试面板,点击测量面板的start按钮,调节模式选择预调节加热,勾选控制器的在线状态面板里的Subst.Setpoint,设定一个满足预调节加热要求的数值,这里设置为80.0,然后点击旁边的闪电按钮,发送给PLC,最后点击调节面板的Start按钮,开始预调节加热。
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调节状态显示系统已调节表示预调节加热完成。
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4.进行从控制器预调节加热/制冷

要求同预调节加热。
此例程本步骤省略。

5.进行从控制器预调节制冷

预调节制冷要求:
1.已成功执行了“预调节加热”或“预调节加热/制冷”;
2.设定值-过程值<(过程值上限值-过程值下限值)×5%。
调节模式选择预调节制冷,点击调节面板的Start按钮,开始预调节制冷。
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6.进行从控制器精确调节加热

精确调节常规要求:
1.控制回路已稳定在工作点;
2.不能被干扰;
2.PID_Temp处于“未激活”、“手动模式”或“自动模式”;
3.设定值与过程值均处于组态的限定范围内。
精确调节加热要求:
1.Heat.EnableTuning = True;激活加热自整定
2.Cool.EnableTuning = False;不激活制冷自整定
3.PidOutputSum>0.0。如果此条件不满足,则需要在精确调节加热前增加制冷偏移量
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调节模式选择精确调节加热,调节偏移量此时不需要设置,点击调节面板的Start按钮,开始精确调节加热。
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系统调节完毕后,点击上传PID参数。
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7.进行从控制器精确调节制冷

精确调节制冷要求:
1.Heat.EnableTuning = False;不激活加热自整定
2.Cool.EnableTuning = True;激活制冷自整定
3.PidOutputSum<0.0。如果此条件不满足,则需要在精确调节制冷前增加加热偏移量
调节模式选择精确调节制冷,调节偏移量此时不需要设置,点击调节面板的Start按钮,开始精确调节制冷。
在这里插入图片描述
系统调节完毕后,点击上传PID参数。
在这里插入图片描述

8.进行主控制器预调节加热

在程序块中,手动修改PID_Temp_1的设定值Setpoint,这里设置为80.0;
打开PID_Temp_1的调试面板,可以看到:
在这里插入图片描述
所以将从控制器PID_Temp_2调试面板中的“Subst.Setpoint”取消勾选;
点击PID_Temp_1测量面板的start按钮,调节模式选择预调节加热,点击调节面板的Start按钮,开始预调节加热。
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9.进行主控制器精确调节加热

调节模式选择精确调节加热,点击调节面板的Start按钮,开始精确调节加热;
在这里插入图片描述
系统调节完毕后点击上传PID参数。
在这里插入图片描述
更改PID_Temp_1的设定值Setpoint,若系统可以较为准确地调节温度值,则说明此系统的PID参数较为合适,下载程序即可。

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