【文章內(nèi)容簡介】 量中的重要信息。 PID 回路指令 PID 指令（如圖 24）中的 TBL 是回路表的起始地址 ， LOOP 是回路的編號 （ 0~7） 。不同的 PID 指令不能使用相同的回路編號。 功能：用回路表中的輸入信息和組態(tài)信息，進行 PID 運算。 回路表的起始地址 TBL： VB； 回路號 LOOP： 0～ 7 的常數(shù)。 圖 24PID 指令 PID 調(diào)節(jié)時閉環(huán)模擬量控制的傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，其控制的原理基于式 21。 （ 21） 式中： M（ t） —— PID 回路的輸出，是時間的函數(shù)； Kc —— PID 回路的增益； e（ t） —— PID 回路的偏差（給定值與過程變量之差）； Mo —— PID 回路的初始值； 為了能讓數(shù)字計算機處理這個控制算式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值。將式 21 離散化，第 n 次采樣時控制器的輸出為： 錯誤 !未找到引用源。 （ 22） PIDEN T B LLO O PEN O O U T001 Mde ( t ) / dt )Tdte ( t )/T( e ( t )KM ( t ) DtIc ???? ?011 )( MeeKeKeKM nnDnj jIn????? ??? 11 基于 PLC 的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 25 所示，圖中虛線部分在 PLC 內(nèi)。 圖 25 PLC 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 S7200 的 PID 指令使用一個存儲回路參數(shù)的回路表，該表的長度為 36 個字節(jié)，包括回路的基本參數(shù)。 PID 控制回路的選擇 在許多控制系統(tǒng)中，只需要一種或兩種回路控制類型。例如，只需要比例回路或比例積分回路。通過設(shè)置常量參數(shù)，可選擇需要的回路控制類型。 如果不需要比例回路，但需要積分或微分回路，可把比例增益 Kc 設(shè)為 。 如果不需要積分回路，可以把積分時間 Ti 設(shè)為無窮大。即使沒有積分作用，積分相還是不為零，因為有初值 MX。 如果不需要微分回路，可以把微分時間 Td 置為零。 表 21 PID 回路表： 參數(shù) 偏移地址 數(shù)據(jù)格 式 I/O 類型 描述 過程變量 PVn 給定值 SPn 輸出值 Mn 增益 Kc 采樣時間 Ts 積分時間 Ti 微分時間 Td 上一次積分值 MX 上一次過程變量 PVn1 0 4 8 12 16 20 24 28 32 雙字，實數(shù) 雙字，實數(shù) 雙字，實數(shù) 雙字，實數(shù) 雙字，實數(shù) 雙字，實數(shù) 雙字，實數(shù) 雙字，實數(shù) 雙字，實數(shù) I I I/O I I I I I/O I/O 過程變量， ～ 給定值， ～ 輸出值， ～ 比例常數(shù)，正、負 單位為 s，正數(shù) 單位為 min，正數(shù) 單位為 min，正數(shù) 積分相前值， ～ 最近一次 PID 變量值 執(zhí)行機構(gòu) 被控對象敏感元件)( tM )( tc)( tpvPID 控制器 D / AA / Dnsp ne nM?npv 12 建立液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 單容液位控制系統(tǒng)控制框圖如下圖 26 所示： 其中 A/D 轉(zhuǎn)換、 PID 調(diào)節(jié)、 D/A 轉(zhuǎn)換等運算都是在 PLC 內(nèi)部執(zhí)行，同時為上位機提供可用的數(shù)據(jù)，用以顯示。上位機也可對相應(yīng)的地址進行賦值，來設(shè)定相關(guān)參數(shù)。 圖 26 單容液位系統(tǒng)控制框圖 硬件組成 液位控制系統(tǒng)組成部分由硬件和軟件兩部分組成，硬件有水槽、擴散硅壓力變送器、電動調(diào)節(jié)閥、 S7200 PLC 及模擬量擴展模塊 EM23預(yù)裝有組態(tài)王的 PC。 （ 1）水槽裝置（被控對象） 水槽有一個入水口，一個出水口，一個壓力引水口。水槽用擋板分隔為若干部分，使可調(diào)節(jié)擋板兩邊的液位互相流動，形成類似于連通器的形式，以至使得引壓槽內(nèi)的壓力變化相對穩(wěn)定，從而使壓力變送器采集到得數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確，減小了對 PID 運算的擾動量。 （ 2 擴散硅差壓變送器， 壓力變送器的主要參數(shù)，擴散硅壓力變送器輸出4mA～ 20mA 信號。 （ 3） 電動執(zhí)行器（ 變頻器 ） （ 4） 西門子 S7200 PLC 及擴展模塊 EM231， EM232—— 主要進行數(shù)據(jù)采集、A/D 轉(zhuǎn)換、 PID 運算、 D/A 轉(zhuǎn)換。 （ 5） 水泵 向水槽供水提供原動力 . 控制方法及實現(xiàn)的功能 單容上水箱液位 PID 控制結(jié)構(gòu)示意圖如 27 所示。 壓力變送器上位機監(jiān)控A / D轉(zhuǎn)換D / A轉(zhuǎn)換進行 P ID 調(diào)節(jié)電磁調(diào)節(jié)閥控制流量V 103V 104QV 102P LCLT103QV 116QV 105QV 102LG104M 101FV101QV 101PWP 101L 1 NM1 ~MSP 13 圖 27 單容上水箱液位 PID 單回路控制示意圖 系統(tǒng)檢測點清單如表 22 所示。 表 22 單容上水箱液位調(diào)節(jié)閥 PID 單回路控制檢測點清單 序號 位號或代號 設(shè)備名稱 用途 原始信號類型 工程量 1 2 FV101 LT103 電動調(diào)節(jié)閥 壓力變送器 閥位控制 上水箱液位 2～ 10VDC 4～ 20mADC AO AI 0～ 100％ 注： 為了使系統(tǒng)監(jiān)控方便，最終信號全部為 210V 信號。 水介質(zhì)由泵 P102 從水箱 V104 中加壓獲得壓力，經(jīng)由調(diào)節(jié)閥 FV101 進入水箱V103，通過擋板 QV116 回流至水箱 V104 而形成水循環(huán)；其中，水箱 V103 的液位由LT103 測得，用調(diào)節(jié)擋板 QV116 的開啟程度來模擬負載的大小。本論文為定值自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)， FV101 為操縱變量， LT103 為被控變量，采用 PID 調(diào)節(jié)來完成。 手 /自動無擾切換 所謂手 /自動無擾切換就是在進行手動到自動或自動到手動的切換時，無須由人工進行手動輸出控制信號與自動輸出控制信號之間的對位 平衡操作，就可以保證切換時不會對執(zhí)行器機構(gòu)的現(xiàn)有位置產(chǎn)生擾動。 S7200 PID 回路沒有內(nèi)裝模式控制，只有在使能位進入 PID 方框時才執(zhí)行 PID 計算。因此，循環(huán)執(zhí)行 PID 計算時存在“自動”模式；不執(zhí)行 PID 計算時存在“手動”模式。 PID 指令有一個使能位記錄位，與計數(shù)器指令類似。該指令使用該記錄位檢測 0 至 1 使能位轉(zhuǎn)換，當(dāng)檢測到這種轉(zhuǎn)換時，將執(zhí)行一系列運算，提供從手動控制到自動控制的順利轉(zhuǎn)變。為了順利轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣幽Ｊ娇刂?，在轉(zhuǎn)換至自動控制之前由手動控制的輸出值必須作為 Mn 寫入回路表中對應(yīng)Mn 的地址中。 PID 指令 對回路表中的數(shù)值執(zhí)行下列運算，以確保檢測到 0 至 1 使能位轉(zhuǎn)換時從手動控制順利轉(zhuǎn)換成自動控制： 14 1）使設(shè)定值（ ） 等于進程變量（ ）； 2）使上一次進程變量（ ）等于進程變量（ ）； 3）使輸出初始值（ MX）等于輸出值（ ）。 軟件設(shè)計 軟件設(shè)計主要包括兩部分內(nèi)容： 第一：組態(tài)軟件的使用，創(chuàng)建一個單容液位控制畫面，畫面的主要內(nèi)容有：水箱的控制，主要實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換、 D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的歸一化與 PID 算法。 第二：通過 STEP 7Micro/ 編寫 PLC 程序 ；實現(xiàn)可編程邏輯控制器對液位的控制，主要實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換、 D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的歸一化與 PID 算法。 PID 回路輸入變量的轉(zhuǎn)化與標(biāo)準(zhǔn)化 PID 回路有兩個輸入量，即給定值（ SP）與過程變量（ PV）。在實際應(yīng)用中，給定值（ SP）與過程變量（ PV）均為實際數(shù)值，其大小、范圍和工程單位可能不同。將這些實際數(shù)值用于 PID 指令之前，必須將其轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)化小數(shù)表示法。方法如下： 第一步是將實際值從 16 位整數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)，然后將小數(shù)數(shù)值表示轉(zhuǎn)換成~ 之間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。 轉(zhuǎn)化公式如式 23 (23) 式中 Rnorm—— 工程實際的歸一化值； Rraw —— 工程實際值的實數(shù)形式值，未歸一化處理； Offset—— 調(diào)整值。標(biāo)準(zhǔn)化實數(shù)又分為單極性（以 為起點在 和 之間變化）和雙極性（圍繞 上下變化）兩種。對于單極性 Offset 為 ，雙極性 Offset 為 ；由于擴散硅壓力變送器的輸出信號為 4mA~20mA，也就是說 PID 最小輸入值為4，那么對應(yīng)的調(diào)整值 為 6400。 Span —— 值域大小，可能的最大值減去可能的最小值，單極性為 32，000（典型值），雙極性為 64， 000（典型值）。由于調(diào)整值不為 0，在系統(tǒng)中 Span=320216400=25600。 PID 采樣輸入值 AIW0 由整數(shù)轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)，然后減去調(diào)整值 Offset（ 6400），再由雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為實數(shù)除以值域（ 25600），即為工程實際的歸一化值，梯形圖如圖 28所示。 nSP nPV1?nPVnPVn?? ?? ?O f f e s t/ S p a nRR r a wn o r m ?? 15 回路輸出轉(zhuǎn)換成按工程量標(biāo)定的整數(shù)值 回路輸出值一般是控制變量，也是一個標(biāo)準(zhǔn)化實數(shù)運行的結(jié)果。這一結(jié)果同樣也要用程序?qū)?其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的 16 位整數(shù)，然后周期性的傳送到 AQW 輸出，用以驅(qū)動模擬量的負載（電動調(diào)節(jié)閥）。這一過程，是給定值或過程變量的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換的逆過程。 圖 28 輸入模擬量的數(shù)值轉(zhuǎn)換 把回路輸出轉(zhuǎn)換成工程量標(biāo)定的實數(shù)，公式 24 所示。 （ 24） 式中 Rscal—— 按工程量標(biāo)定的實數(shù)格式的回路輸出； Mn—— 回路輸出的歸一化實數(shù)值； 這一過程可以用下面的梯形圖完成，如圖 29。 圖中 VD416 為回路輸出值。其中主要用到得指令是：運算指令、轉(zhuǎn) 換指令、傳遞指令等。 ? ? Sp a nO f f e s tMR ns c a l ??? 16 圖 29 輸出轉(zhuǎn)換成按工程量標(biāo)定值 液位控制系統(tǒng) PLC 程序設(shè)計 S7200 液位控制系統(tǒng)框圖如圖 210 所示，虛線部分在 PLC 內(nèi)部。 圖 210 PLC 液位閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 編寫程序并進行調(diào)試 在 PID 指令框中輸入的表格（ TBL）起始地址為首地址，回路表分配八十個字節(jié)。S7200 的 PID 指令引用一個包含回路參數(shù)的回路表，此表起初的長度為 36 個字節(jié)。在增加了 PID 自動調(diào)諧后，回路表現(xiàn)已擴展到 80 個字節(jié)， PID 回路表 如表 21 所示。 液位控制系統(tǒng) PLC 設(shè)計流程圖如圖 211 所示 （ 1）主程序（ main） 主程序要完成任務(wù)有： 1）調(diào)用輸入子程序（ SBR0），進行采集 PV 信號，同時設(shè)定 SP 值； 2）調(diào)用初始化子程序（ SBR_1），在 PLC 運行的第一個掃描周期，完成 PID 參數(shù)初始化，開始進行 PID 計算； 3）調(diào)用子程序（ SBR_2），將 PID 計算結(jié)果送出，是電動調(diào)節(jié)閥動作； 執(zhí)行機構(gòu) 被控對象敏感元件)( tM )( tc)( tpvPID 控制器 D / AA / Dnsp ne nM?npv開 始數(shù) 據(jù) 采 （ A I W O ）并 歸 一 化 處 理定 時 中 斷P I D 計 算手 動 / 自 動轉(zhuǎn) 換 為 工 程 量輸 出手 動 調(diào) 節(jié)手 動自 動 17 圖 211 PLC 程序流程圖 （ 2）輸入模擬量的數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序（ SBR_0） 用 EM235 測量的模擬值，在 PLC 中 PID 單極性值域范圍為 0～ 32021，而 PLC中的 PID 回路表 PV 值的范圍為 ～ 的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，所以要利用 PID 指令，必須將工程實際值標(biāo)準(zhǔn)化。并且進一步轉(zhuǎn)換為上位機可以顯示的數(shù)值（百分制）。梯形圖如圖 212 所示。 （ 3）參數(shù)初始化子程序（ SBR_1） 參數(shù)初始化子程序是初始化 PID 參數(shù)，同時使能定時中斷 0，設(shè)置定時中斷