項(xiàng)目八S7-1200PLC在過(guò)程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用——任務(wù)準(zhǔn)備項(xiàng)目描述工業(yè)中的過(guò)程控制是指以溫度、壓力、流量、液位和成分等工藝參數(shù)作為被控變量的自動(dòng)控制。過(guò)程控制也稱實(shí)時(shí)控制，是計(jì)算機(jī)及時(shí)的采集檢測(cè)數(shù)據(jù)，按最佳值迅速地對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)，如數(shù)控機(jī)床和生產(chǎn)流水線的控制等。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（簡(jiǎn)稱PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(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)；而且它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活（如可改為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)。本章以S7-1200的PLC對(duì)模擬過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行液位、壓力、流量和溫度的測(cè)量及控制。知識(shí)點(diǎn)1PID參數(shù)的含義和整定方法

一、PID簡(jiǎn)介1、比例（P）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單、最常用的控制方式，如放大器、減速器和彈簧等。比例控制器能夠立即成比例的響應(yīng)輸入的變化量。但僅有比例控制時(shí)，系統(tǒng)輸出存在著穩(wěn)態(tài)誤差。2、積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出量是輸入量對(duì)時(shí)間的積累。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在靜態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是具有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。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)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)一步減少，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。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）成正比的關(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)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。知識(shí)點(diǎn)1PID參數(shù)的含義和整定方法

一、PID簡(jiǎn)介4、PID控制器的優(yōu)點(diǎn)PID控制器是應(yīng)用最廣的閉環(huán)控制器，這是因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：（1）不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)（3）有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性（4）使用方便5、PID參數(shù)的整定（1）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)未必能夠直接使用，還必須要通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。（2）是工程整定法。它主要是依賴于工程經(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)際中得到廣泛應(yīng)用。PID控制器參數(shù)的整定方法，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)控制器的參數(shù)進(jìn)行整定。知識(shí)點(diǎn)2PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PID閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如下圖所示，虛線部分在PLC內(nèi)。在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控制量c(t)（即系統(tǒng)的輸出量，例如壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等）是連續(xù)變化的模擬量，大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（例如直流調(diào)速裝置、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥或變頻器等）要求PLC輸出模擬量信號(hào)M(t)，而PLC的CPU只能處理數(shù)字量。c(t)首先被測(cè)量元件和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程（例如DC4～20mA和0～10V）的直流電流信號(hào)或直流電壓信號(hào)，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后得到與被測(cè)數(shù)字量成比例的PV(n)，CPU這時(shí)將它與設(shè)定的值SP(n)進(jìn)行比較，并按某種控制規(guī)律（如PID控制算法）對(duì)誤差值e(n)進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)D/A模塊轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)量程的電流信號(hào)或電壓信號(hào)M(t)，用來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)控制被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。知識(shí)點(diǎn)2PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一、PID控制算法PID控制器調(diào)節(jié)輸出，保證偏差（e）為零，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，偏差是給定值（SP）和過(guò)程變量（PV）的差。PID控制的原理基于以下公式：其中M（t）是PID回路的輸出，Kc是PID回路的增益，e是PID回路的編差（給定值與過(guò)程變量的差），是PID回路輸出的初始值。由于以上的算式是連續(xù)量，必須將連續(xù)量離散化才能在計(jì)算機(jī)中運(yùn)算，離散處理后的算式如下

知識(shí)點(diǎn)2PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

式中，是在采樣時(shí)刻n，PID回路的輸出的計(jì)算值：

是PID回路的增益，

是積分項(xiàng)的比例常數(shù)，是微分項(xiàng)的比例常數(shù)；

是采樣時(shí)刻n的回路的偏差值，是采樣n-1的回路的偏差值，是采樣時(shí)刻x的回路的偏差值；是PID回路輸出的初始值。設(shè)=0，再對(duì)以上算式進(jìn)行改進(jìn)和簡(jiǎn)化，得出如下計(jì)算PID輸出的算式。是第n采樣時(shí)刻的比例項(xiàng)值，是第n采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)的值，是第n采樣時(shí)刻微分項(xiàng)的值。知識(shí)點(diǎn)2PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

是第n采樣時(shí)刻的比例項(xiàng)值；是增益；中第n次采樣時(shí)刻的給定值；是第n次采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值。很明顯，比例項(xiàng)數(shù)值的大小和增益成正比，增益增加可以直接導(dǎo)致比例項(xiàng)的快速增加，從而直接導(dǎo)致的增加。式中，是增益；是回路的采樣時(shí)間；是積分時(shí)間；是第n次采樣時(shí)刻的給定值，是第n次采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值；是第n-1時(shí)刻的積分項(xiàng)（也稱為積分前項(xiàng)）。很明顯，積分項(xiàng)數(shù)值的大小隨著積分時(shí)間的減少而增加，的減小可以直接導(dǎo)致積分項(xiàng)數(shù)值的增加，從而直接導(dǎo)致的增加。知識(shí)點(diǎn)2PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

式中，增益；是回路采樣時(shí)間；是微分時(shí)間；是第n次采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值；是第

n-1次采樣時(shí)間的過(guò)程變量。很明顯，微分項(xiàng)的數(shù)值的大小隨著微分時(shí)間的增加而增加，的增加可以直接導(dǎo)致積分項(xiàng)數(shù)值的增加，從而直接導(dǎo)致的增加。關(guān)鍵點(diǎn)：式中是非常重要的。根據(jù)這幾個(gè)公式，：增益值增加可以直接導(dǎo)致比例項(xiàng)的快速增加，的減小可以直接導(dǎo)致積分項(xiàng)數(shù)值的增加，微分項(xiàng)數(shù)值的大小隨著積分時(shí)間的增加而增加，從而直接導(dǎo)致的增加，理解這一點(diǎn)，對(duì)于正確調(diào)節(jié)P、I、D三個(gè)參數(shù)是至關(guān)重要的。知識(shí)點(diǎn)2PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一、PID簡(jiǎn)介

PID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控制器的比例系統(tǒng)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，根據(jù)起來(lái)有如下兩大項(xiàng)：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)未必能夠直接使用，還必須要通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定法。它主要是依賴于工程經(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)際中得到廣泛應(yīng)用。PID控制器參數(shù)的整定方法，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)控制器的參數(shù)進(jìn)行整定。理想的PID響應(yīng)曲線如圖9-2所示。知識(shí)點(diǎn)2PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PID整定口訣：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查。先是比例后積分，最后再把微分加。曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大。曲線漂浮繞大彎，比例度盤往小扳。曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降。曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)。曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)。動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)。理想曲線兩個(gè)波，前高后低四比一。一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低。理想的PID整定曲線二、PID參數(shù)的整定圖9-2知識(shí)點(diǎn)3S7-1200中PID模塊調(diào)用及參數(shù)定義

S7-1200使用PID_Compact指令來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制，該指令的背景數(shù)據(jù)塊稱為PID_Compact技術(shù)對(duì)象。PID控制器具有參數(shù)自整定功能和自動(dòng)、手動(dòng)模式。PID控制器連續(xù)地采集測(cè)量的被控制變量的實(shí)際值（簡(jiǎn)稱為實(shí)際值或輸入值），并與期望的設(shè)定值（Setpoint）比較。根據(jù)得到的系統(tǒng)誤差，PID控制器計(jì)算控制器的輸出，使被控制變量盡可能快地接近設(shè)定值或進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。PID控制器的輸出值由以下3個(gè)分量組成：（1）與系統(tǒng)誤差成比例的比例分量（2）與系統(tǒng)誤差的積分成比例的積分分量（3）與系統(tǒng)誤差的變化率（微分）成比例的微分分量，系統(tǒng)誤差減小時(shí)，微分部分為負(fù)值。知識(shí)點(diǎn)3S7-1200中PID模塊調(diào)用及參數(shù)定義

一、生成一個(gè)新的項(xiàng)目

關(guān)鍵點(diǎn)：因?yàn)槌绦驁?zhí)行的掃描周期不相同，一定要在循環(huán)中斷里調(diào)用

PID指令。為保證以恒定的采樣時(shí)間間隔執(zhí)行

PID指令，必須在循環(huán)

OB中調(diào)用。知識(shí)點(diǎn)3S7-1200中PID模塊調(diào)用及參數(shù)定義

二、調(diào)用PID_Compact指令

知識(shí)點(diǎn)3S7-1200中PID模塊調(diào)用及參數(shù)定義

三、PID指令模式

1.未激活模式2.預(yù)調(diào)節(jié)模式3.精確調(diào)節(jié)模式4.自動(dòng)模式5.手動(dòng)模式6.帶錯(cuò)誤監(jiān)視的替代輸出值圖9-6PID調(diào)試窗口知識(shí)點(diǎn)3S7-1200中PID模塊調(diào)用及參數(shù)定義

四、組態(tài)基本參數(shù)

1.控制器類型默認(rèn)值為“常規(guī)”，設(shè)定值與實(shí)際值的單位為%。可以用下拉式列表選擇控制器類型為控制具體的物理量，例如轉(zhuǎn)速、壓力、流量等。被控量的單位隨之而變，設(shè)置如圖9-7所示。圖9-7控制器類型

知識(shí)點(diǎn)3S7-1200中PID模塊調(diào)用及參數(shù)定義

四、組態(tài)基本參數(shù)

2.反向調(diào)節(jié)3.控制器的輸入/輸出參數(shù)圖9-8定義Input/Output參數(shù)4.過(guò)程值設(shè)置圖9-9過(guò)程值的設(shè)置知識(shí)點(diǎn)3S7-1200中PID模塊調(diào)用及參數(shù)定義

四、組態(tài)基本參數(shù)

5.組態(tài)控制器的控制參數(shù)（1）過(guò)程值監(jiān)視（2）PWM限制（3）輸出值限制圖9-10設(shè)置過(guò)程監(jiān)控值設(shè)置，與過(guò)程值限對(duì)比圖9-11手動(dòng)PID參數(shù)設(shè)置知識(shí)點(diǎn)3S7-1200中PID模塊調(diào)用及參數(shù)定義

四、組態(tài)基本參數(shù)

6.用PID指令設(shè)置PID控制器的參數(shù)

圖9-12PID_Compact指令參數(shù)數(shù)據(jù)類型描述SetpointREAL自動(dòng)模式下的給定值InputREAL實(shí)數(shù)類型反饋值Input_PERWORD整數(shù)類型反饋值，可用于連接模擬量外設(shè)輸入ManualEnableBOOL0到1上升沿

="手動(dòng)模式"1到0下降沿

="自動(dòng)模式"ManualValueREAL手動(dòng)模式下的輸出值ResetBOOL復(fù)位控制器與錯(cuò)誤ScaledInputREAL當(dāng)前的輸入值OutputREAL實(shí)數(shù)類型輸出值Output_PERWORD整數(shù)類型輸出值Output_PWMBOOLPWM輸出SetpointLimit_HBOOL當(dāng)給定值大于高限時(shí)置SetpointLimit_LBOOL當(dāng)給定值小于低限時(shí)置InputWarning_HBOOL當(dāng)反饋值超過(guò)高限報(bào)警時(shí)置InputWarning_LBOOL當(dāng)反饋值低于低限報(bào)警時(shí)置StateINT控制器狀態(tài)0=Inactive,1=SUT,2=TIR,3=Automatic,4=ManualErrorDWordPID出錯(cuò)知識(shí)點(diǎn)4傳感器和模塊的使用

一、傳感器的使用

1.投入式液位傳感器主要參數(shù)：量程：0～2000米一體式

精度：0.25%FS外型尺寸長(zhǎng)約110mm,直徑26mm測(cè)量形式及范圍

0～1～200mH2O允許過(guò)載

2倍滿量程壓力

工作溫度

-20～60℃溫度補(bǔ)償

-10～60℃存儲(chǔ)溫度

-40～80℃

供電電源

15～36VDC(標(biāo)定電壓24VDC)圖9-13實(shí)物及接線圖知識(shí)點(diǎn)4傳感器和模塊的使用

一、傳感器的使用

2.渦輪流量計(jì)

主要參數(shù)：環(huán)境條件:溫度-10～+55℃，相對(duì)濕度5%～90%，大氣壓力86～106Kpa輸出信號(hào):脈沖頻率信號(hào)，低電平≤0.8V高電平≥8V供電電源:+12VDC、+24VDC（可選）信號(hào)傳輸線:STVPV3×0.3（三線制）傳輸距離:≤1000m信號(hào)線接口:內(nèi)螺紋M20×1.5防爆等級(jí):ExdIIBT6防護(hù)等級(jí):IP65

圖9-14實(shí)物及接線圖知識(shí)點(diǎn)4傳感器和模塊的使用

一、傳感器的使用

3.壓力變送器主要參數(shù)：供電電壓：DC24V(12V-32V)量程：-0.1～100MPa內(nèi)介質(zhì)溫度-40～°C至85°C補(bǔ)償溫度：-10～70°C最大工作壓力：兩倍量程輸出信號(hào)：4-20mA;1-5V;0-10Ma;0-20Ma;0-5V外殼防護(hù)：IP65綜合精度：0.1級(jí)、0.3級(jí)、0.5級(jí)可選圖9-15實(shí)物及接線圖知識(shí)點(diǎn)4傳感器和模塊的使用

一、傳感器的使用

4.溫度變送器具體參數(shù)：溫度測(cè)量范圍：-50～300℃輸出信號(hào)：4-20mA負(fù)載電阻：≤500Ω供電電源：24VDC功耗：≤1W基本誤差：0.2%～0.5%FS

圖9-16實(shí)物及接線圖知識(shí)點(diǎn)4傳感器和模塊的使用

一、模塊的使用

1.變頻器參數(shù)設(shè)定值說(shuō)明P00031設(shè)用戶訪問(wèn)級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)P00101快速調(diào)試P01000設(shè)置使用地區(qū)，0=歐洲，功率以KW表示，頻率為50HZP0304380電動(dòng)機(jī)額定電壓（V）P03050.18電動(dòng)機(jī)額定電流（A）P03070.12電動(dòng)機(jī)額定功率（KW）P031050電動(dòng)機(jī)額定頻率（HZ）P03111300電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速（r/min）P07002命令源信號(hào)由外部給定P07011DIN1ON接通正轉(zhuǎn)，OFF停止P10002頻率源信號(hào)由外部模擬電壓信號(hào)給定MM420（MICROMASTER420）系列變頻器是西門子公司的通用變頻器產(chǎn)品，屬于第2代通用變頻器。該項(xiàng)系統(tǒng)有多種型號(hào)，從單相電源電壓，額定功率120W到三相電源電壓，額定功率11KW可供用戶選用。例如，本套設(shè)備中所用的變頻器為單相220V電源電壓，額定功率750W的MM420機(jī)型，其外型尺寸為A型，采用基本操作板（BOP）為操作面板。知識(shí)點(diǎn)4傳感器和模塊的使用

一、模塊的使用

1.SM123