西門子S7-1200 PLC應(yīng)用技術(shù)項目教程（第3版） 課件 窄屏 13.PID恒溫控制-LAD

1項目導(dǎo)入2項目分析3相關(guān)知識4項目拓展目錄項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制項目導(dǎo)入

某實驗設(shè)備的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，要求利用西門子S7-1200PLC實現(xiàn)恒溫控制：恒定的溫度數(shù)值由觸摸屏輸入，并在觸摸屏上顯示當(dāng)前的實際溫度值以及當(dāng)前實際溫度的動態(tài)曲線。如果當(dāng)前溫度超過一定范圍，則發(fā)出報警信號，并打開風(fēng)扇降溫。項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制項目分析實驗室的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)備示意圖，室內(nèi)溫度有溫度傳感器PT100檢測，PT100的測溫范圍為0~150°C，溫度變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換為4-20mA的電流，反饋給PLC的模擬量輸入模塊（本項目采用模擬量輸入信號板），PLC將采集的電流信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)化為實際溫度值，與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，通過PID控制，輸出到模擬量輸出信號模塊。要求模擬量模塊輸出電壓為0-5V，給加熱棒驅(qū)動電路。驅(qū)動電路采用0-5VPWM調(diào)節(jié)模塊，控制加熱棒的功率，形成溫度閉環(huán)控制。加熱棒的工作電壓24V,當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，打開風(fēng)扇散熱。項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制項目分析--溫度閉環(huán)控制示意圖模擬量輸出4-20mA電流模擬量輸入0-5V電壓模擬量輸出1-5V電壓項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--PID控制原理介紹項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制e（n）=SP（n）-PV(n)PID閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖相關(guān)知識--PID控制原理介紹1）比例（P）控制:比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系；2）積分（I）控制:在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系；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的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--1200PLC的PID指令項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制通過工藝對象調(diào)用PID_Compact指令通過擴(kuò)展的工藝指令調(diào)用PID_Compact指令相關(guān)知識--1200PLC的PID指令項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制參數(shù)數(shù)據(jù)類型說明SetpointRealPID控制器在自動模式下的設(shè)定值InputReal反饋值（過程值）Input_PERWord模擬量過程值（可選）ManualEnableBool上升沿，進(jìn)入手動模式；下降沿，進(jìn)入由Mode設(shè)定的工作模式ScaledInputReal標(biāo)定的過程值OutputReal輸出值Output_PERWord模擬量輸出值Output_PWMBool脈沖寬度調(diào)制的輸出值SetpointLimit_HBool設(shè)定值上限,為TRUE，達(dá)到設(shè)定值的絕對上限SetpointLimit_LBool設(shè)定值下限,為TRUE，達(dá)到設(shè)定值的絕對下限InputWarning_HBool反饋值已達(dá)到或超出警告上限InputWarning_LBool反饋值已達(dá)到或超出警告下限StateIntPID控制器的當(dāng)前操作模式。ErrorBool錯誤標(biāo)志位ErrorBitsDWord定義錯誤消息比例作用：優(yōu)點是調(diào)節(jié)迅速，減少誤差；缺點是存在靜差。比例增益KP太小，調(diào)節(jié)時間長，輸出變化慢，比例KP太大，超調(diào)量增加，甚至容易產(chǎn)生震蕩。積分作用：優(yōu)點是可以消除比例作用的靜差，缺點是導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。積分時間TI越小，積分作用越強(qiáng)，消除誤差時間越短，但同樣會引起超調(diào)量增大，積分時間TI越大，積分作用越弱，消除誤差時間太長，積分時間TI時間也要合適。微分作用：微分作用是誤差的一階導(dǎo)數(shù)，其作用是阻礙被控量的變化。改善系統(tǒng)動態(tài)性能，減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間，缺點是對噪聲干擾有放大作用，對系統(tǒng)抗干擾不利。項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--1200PLC的PID指令應(yīng)用舉例

S7-1200PLC控制直流電機(jī)，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速控制，直流電動機(jī)的空載轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分鐘，直流電動機(jī)采用PWM直流調(diào)速器調(diào)速，直流調(diào)速器輸出PWM脈寬調(diào)制信號，驅(qū)動直流電機(jī)調(diào)速。直流調(diào)速器的輸入電壓在0~5V之間，直流電機(jī)的工作電壓是24V。采用霍爾編碼器測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，假設(shè)電動機(jī)帶載運行時，轉(zhuǎn)速需恒定在800轉(zhuǎn)/分鐘。項目8電動機(jī)組的啟停控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例增量式霍爾編碼器，A/B正交相位90度信號雙路輸出，編碼器分辨率160P/R,利用PLC的高速計數(shù)器指令，將測得的脈沖轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速。假設(shè)使用高速計數(shù)器HSC1的測頻率功能，對應(yīng)的脈沖頻率在ID1000單元，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為如下公式項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例直流調(diào)速器的輸入電壓是0~5V，需要增加模擬量輸出模塊，采用SM1232信號模塊，對應(yīng)的訂貨號為：232-4HB300XBO,S7-1200PLC型號為CPU1215CDC/DC/DC項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例組態(tài)模擬量信號模塊AQ2x14BIT_1，選擇“通道0”，通道地址采用默認(rèn)值“QW96”，模擬量輸出類型為“電壓”，默認(rèn)范圍為+/-10V項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例啟用并組態(tài)高速計數(shù)器HSC1,使之處于測頻模式。計數(shù)類型為“頻率”，工作模式為“A/B計數(shù)”，計數(shù)方向為“加計數(shù)”，頻率測量周期為0.1s。測量頻率保存在HSC1默認(rèn)的地址ID1000單元項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例添加循環(huán)中斷程序OB30，中斷時間為0.3s，在OB30中調(diào)用PID_Compact指令①②③④項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例PID_Compact指令組態(tài)包括：基本設(shè)置、過程設(shè)置和高級設(shè)置控制器類型默認(rèn)是“常規(guī)”，Input/Output為單位為%。本例控制器類型這里選擇“速度”，單位“1/min”，CPU重啟后“激活自動模式”有些控制系統(tǒng)需要反向調(diào)節(jié)例如：在冷卻系統(tǒng)中，增大閥門的開度來降低液位值，或增大制冷作用，來降低溫度等，需要選擇“反向控制邏輯”Input通過下拉菜單，選擇Input或Input_PER，Output通過下拉菜單選擇Output、Output_PER（和Output_PWM)項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例PID_Compact指令組態(tài)包括：基本設(shè)置、過程設(shè)置和高級設(shè)置過程值設(shè)置包括：過程值限值和過程值標(biāo)定。過程值上限為1200.0，過程值下限為0.0。由于過程值為Input，過程值標(biāo)定處于禁用狀態(tài)。如果過程值為Input_PER,則必須設(shè)定標(biāo)定的過程值上限和標(biāo)定的過程值下限。項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例PID_Compact指令組態(tài)包括：基本設(shè)置、過程設(shè)置和高級設(shè)置過程值監(jiān)視，用于設(shè)定報警的上限和報警的下限，這里分別為1200.0和0.0項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例PID_Compact指令組態(tài)包括：基本設(shè)置、過程設(shè)置和高級設(shè)置PWM限制，用于設(shè)定最短接通時間和最短關(guān)閉時間，如果沒有采用PWM輸出，則不需要設(shè)置項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例PID_Compact指令組態(tài)包括：基本設(shè)置、過程設(shè)置和高級設(shè)置輸出值限值采用百分?jǐn)?shù)表示，包括輸出值的上限（最大值+100%）和輸出值的下限（最小值-100%），在本例中，由于模擬量信號模塊輸出電壓范圍為+/-10V,而PWM直流調(diào)速器的輸入電壓范圍為0~5V。因此，輸出值的上限為50%，輸出值的下限為0設(shè)置對錯誤的響應(yīng)方式，如果發(fā)生錯誤，PID的Output輸出值為0項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例PID_Compact指令組態(tài)包括：基本設(shè)置、過程設(shè)置和高級設(shè)置比例增益修改為0.1，積分時間修改為0.5，其他采用默認(rèn)值項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例主程序OB1的設(shè)計程序段1：程序段2：程序段3：將頻率轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例PID_Compact指令的參數(shù)自整定兩種方法，打開自整定界面①②項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例PID_Compact指令的參數(shù)自整定為了能夠完成參數(shù)預(yù)調(diào)節(jié)，必須滿足以下條件：1）PID控制器必須處于“未激活”、“手動模式”和“自動模式”；2）PID_Compact指令的“ManualEnable”和“Reset”的值為FALSE；3）設(shè)定值和過程值在組態(tài)的極限范圍以內(nèi)；4）設(shè)定值和過程值的差的絕對值應(yīng)大于過程值上、下限之差的30%；5）設(shè)定值和過程值的差的絕對值大于設(shè)定值的50%；項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例PID_Compact指令的參數(shù)自整定調(diào)試步驟如下1）按下PLC或者HMI上的啟動按鈕，使“啟動PID”標(biāo)志位置位；2）進(jìn)入調(diào)式界面，在“IV”的“手動模式”打“√”，采用時間設(shè)定為0.3s；3）打開循環(huán)中斷程序OB30，并處于在線模式，修改“轉(zhuǎn)速設(shè)定值”為800.0（轉(zhuǎn)/分）；4）進(jìn)入調(diào)式界面，單擊采用時間右邊的“Start”，啟動測量；5）在調(diào)式界面，選擇調(diào)節(jié)模式為“預(yù)調(diào)節(jié)”，單擊調(diào)節(jié)模式右邊的“Start”即啟動選擇的“預(yù)調(diào)節(jié)”。項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例PID_Compact指令的參數(shù)自整定調(diào)節(jié)狀態(tài)的進(jìn)度條顯示調(diào)節(jié)進(jìn)度，狀態(tài)顯示“正在進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)”，并在II區(qū)可以觀察到顯示設(shè)定值、過程值和輸出值的動態(tài)波形，III區(qū)可以觀察到Setpoint、Input和Output的值。當(dāng)調(diào)節(jié)完成狀態(tài)欄顯示系統(tǒng)已調(diào)節(jié)項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例PID_Compact指令的參數(shù)自整定經(jīng)過預(yù)調(diào)節(jié)，如果過程值響應(yīng)曲線不理想，需要進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。精確調(diào)節(jié)要滿足兩個條件：控制回路已穩(wěn)定，且不希望有擾動。精確調(diào)節(jié)的過程值出現(xiàn)幅度恒定的若干個振蕩波，根據(jù)振蕩的幅值和頻率確定PID的參數(shù)。在調(diào)節(jié)模式欄，選擇精確調(diào)節(jié)，單擊調(diào)節(jié)模式右邊的“Start”可以啟動精確調(diào)節(jié)項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制相關(guān)知識--應(yīng)用舉例PID_Compact指令的參數(shù)自整定整定后的PID參數(shù)按下啟動按鈕，設(shè)定值輸入分別為800.0和300.0觸摸屏上PID響應(yīng)曲線項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制項目實施--硬件配置一臺CPU1215CDC/DC/DC，

訂貨號：6ES7215-1AG40-0XB0一塊模擬量輸入信號板，AI1x12BIT_1，訂貨號：6ES7231-4HA30-0XB0一塊模擬量輸出模塊SM1232AQ2，AQ2x14BIT_1，訂貨號：6ES7232-4HB30-0XB0一塊溫度閉環(huán)控制實驗?zāi)K：包括溫度傳感器PT100,溫度變送器、加熱棒、加熱控制模塊以及散熱風(fēng)扇一臺觸摸屏：KTP900BasicPN項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制項目實施--硬件原理溫度變送器輸出為4~20mA，模擬量輸入信號板測量類型設(shè)置為電流，其測量范圍為0~20mA；加熱控制模塊輸入0~5V，轉(zhuǎn)換為PWM信號，控制加熱棒加熱，模擬量輸出模塊的輸出+/-10V的電壓信號。CPU的Q0.0接風(fēng)扇項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制項目實施--程序設(shè)計--PLC變量表模擬量輸入信號板測量類型設(shè)置為“電流”，對應(yīng)的模擬量輸入地址為IW80，模擬量輸出模塊的輸出通道0類型為“電壓”，則對應(yīng)的模擬量輸出地址為默認(rèn)值QW96項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制項目實施--程序設(shè)計--OB30程序段1：程序段2：程序段3：項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制項目實施--程序設(shè)計--主程序程序段1：程序段2：項目13

PID實現(xiàn)恒溫控制項目實施--PID組態(tài)基本組態(tài)：控制器類型為“溫度”,單位°C，不需要激活“反向控制邏輯”，CPU重啟后激活Mode為“自動模式”；Input/Output參數(shù)設(shè)置為Input和Output。過程值設(shè)置：過程值上限為100.0，過程值下限為0.0。過程值標(biāo)定“禁用”。高級設(shè)置：過程值監(jiān)視，警告的上限100°C，警告的下限0°C，輸出值限值中，輸出值的上限50.0%（這里需要注意，由于模擬量輸出模塊的電壓范圍為+/-10V，而加熱棒控制模塊的輸入電壓范圍為0~5V，因此輸出的上限位50%），輸出值的下限0.0%，對錯誤的響應(yīng)，將output設(shè)置為“錯誤未決時，替代者輸出”，替代輸出只為0.0%。PID參數(shù)：不啟動手動輸入（