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西門子S7-400系列*代理商-上海合作伙伴

工控網(wǎng)提供“西門子SIMATIC S7-400 自動化系統(tǒng)模塊數(shù)據(jù)”免費資料下載，主要包括產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)、特性、接線、模塊參數(shù)設(shè)置、選型等內(nèi)容，可供選型、安裝和編程參考。 

  【 ：余鑫（工程師）】                         
 
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西門子S7-400系列*代理商-上海合作伙伴

1 概述
　　為滿足工藝生產(chǎn)上的需要，對生產(chǎn)流程進行精準(zhǔn)控制并節(jié)約人力資源，我們常常需要對現(xiàn)有PLC程序進行優(yōu)化，增加各類如流量、壓力、溫度、液位等的閉環(huán)可調(diào)控制回路，并實現(xiàn)系統(tǒng)的手動/自動無擾動切換。但是如何快速準(zhǔn)確的實現(xiàn)以上功能,下面將對其做詳細的介紹。

2 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本概念

2.1 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成

典型的PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1所示，虛線中的部分是PLC實現(xiàn)的。

圖1  PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

　　在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量c(t)（例如壓力、溫度、流量、液位等）是連續(xù)變化的模擬量，大多數(shù)執(zhí)行機構(gòu)（例如氣動調(diào)節(jié)閥和變頻器等）要求PLC輸出模擬信號mv(t)，而PLC的CPU只能處理數(shù)字量。c(t)首先被測量元件（傳感器）和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電流信號或直流電壓信號pv(t)，例如4-20mA和0-5V的信號，PLC用模擬量輸入模塊中的A/D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字量pv(n)。模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換和PID程序的執(zhí)行都是周期性的操作，其間隔時間稱為采樣周期，各數(shù)字量括號中的n表示第n次采樣計算時的數(shù)字量。圖1中的sp(n)是給定值，pv(n)為A/D轉(zhuǎn)換后的反饋量，誤差ev(n)=sp(n)-pv(n)。D/A轉(zhuǎn)換器將PID控制器輸出的數(shù)字量mv(n)轉(zhuǎn)換為模擬量（直流電壓或直流電流）mv(t),再去控制執(zhí)行機構(gòu)。閉環(huán)負(fù)反饋控制可以使控制系統(tǒng)的反饋量pv(n)等于或者是跟隨給定值sp(n)。閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)自動控制,現(xiàn)在各個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

2.2 S7-300/400的模擬量閉環(huán)控制功能

　　S7-300/400為用戶提供了功能強大、使用簡單方便的模擬量閉環(huán)控制功能。

2.2.1 閉環(huán)控制模塊

　　S7-300的FM335和S7-400的FM455是智能的4路和16路閉環(huán)控制模塊?？梢杂糜诨ず瓦^程控制，模塊帶有A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器。

2.1.2用于閉環(huán)控制的系統(tǒng)功能塊
　　除了的閉環(huán)控制模塊，S7-300/400也可以用PID控制功能塊來實現(xiàn)PID控制。但是需要配置模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊（或者數(shù)字量輸出模塊）。
系統(tǒng)功能塊SFB41“CONT_C”用于連續(xù)控制，SFB42“CONT_S”用于步進控制，SFB43“PULSEGEN”用于脈沖寬度調(diào)制。
2.2.3 閉環(huán)控制軟件包

　　程序編輯器的文件來“庫Standard Library(標(biāo)準(zhǔn)庫)PID Controller(PID控制器)”中的FB41～FB43適用于所有的S7-300和S7-400的CPU的PID控制，F(xiàn)B58和FB59適用于PID溫度控制。FB41～FB43與SFB41～SFB43兼容。PID自整定軟件包(PID Self Tuner可以提供控制優(yōu)化支持。本文模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)就依SFB/FB41“CONT_C”連續(xù)控制功能塊的實現(xiàn)來加以說明，下面將介紹SFB/FB41“CONT_C”功能。

3 連續(xù)PID控制器SFB41

3.1 描述

　　SFB/FB "CONT_C" (連續(xù)控制器)在SIMATIC S7可編程邏輯控制器上使用，通過持續(xù)的輸入和輸出變量來控制工藝過程。在參數(shù)分配期間，可以通過激活或取消激活PID控制器的子功能使控制器適應(yīng)過程的需要。使用參數(shù)分配工具可以輕松完成分配(菜單路徑：開始 > Simatic > Step7 > 分配PID控制參數(shù))
   注意只有在以固定時間間隔調(diào)用塊時，在控制塊中計算的值才是正確的。為此，應(yīng)該在周期性中斷OB (OB30至OB38)中調(diào)用控制塊。在CYCLE參數(shù)中輸入采樣時間。
可以外設(shè)（如觸摸屏）或以浮點格式輸入過程變量。CRP_IN功能根據(jù)以下公式將PV_PER外設(shè)值轉(zhuǎn)換為介于 -100和 +100 %間的浮點格式值：
PV_R=PV_PER * 100/27648
輸出根據(jù)以下公式將浮點值LMN轉(zhuǎn)換為外設(shè)值：
LMN_PER=LMN * 27648/100
3.2 SFB/FB41“CONT_C”框圖

圖2  SFB/FB "CONT_C"框圖

3.3 PID控制算法
3.3.1誤差的計算與處理
    用浮點數(shù)格式設(shè)定值SP_INT減去轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)格式的過程變量PV(反饋值)，便得到負(fù)反饋的誤差。為抑制由于控制器輸出量的量化造化的連續(xù)較小的振蕩，用死區(qū)(Dead Band)非線性對誤差進行處理。死區(qū)的寬度由參數(shù)DEADB_W來定義，如果令DEADB_W為0。死區(qū)被關(guān)閉。
3.3.2控制器的結(jié)構(gòu)
　　SFB 41比例、積分(INT)和微分(DIF)操作以并聯(lián)方式連接，因而可以分別激活或取消激活。這使對P、PI、PD和PID控制器進行組態(tài)成為可能。還可以對純I和D控制器進行組態(tài)。擾動量DISV（Disturbance）可以實現(xiàn)前饋控制，一般設(shè)置DISV為0.0。
　　GAIN為比例部分的增益或比例系數(shù)，TI和TD分別為積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)，參數(shù)TM_LAG為微分操作的延遲時間，建議該參數(shù)設(shè)為TM_LAG=TD/5。
P_SEL(比例作用)為1時激活比例作用，反之禁止比例作用，默認(rèn)值為1。
I_SEL(積分作用)為1時激活積分作用，反之禁止積分作用，默認(rèn)值為1。
D_SEL(微分作用)為1時激活微分作用，反之禁止微分作用，默認(rèn)值為0。默認(rèn)的控制方式為PI控制。
　　LNM_P、LNM_I和LNM_D分別是PID控制器輸出量中的比例分量、積分分量和微分分量，編程時可引出到外設(shè)（如觸摸屏）上，供調(diào)試時使用。
3.3.3積分器的初始值
　　SFB“CONT_C”有一個初始化的程序，在輸入?yún)?shù)COM_RST設(shè)置為1時被執(zhí)行。在初始化過程中，如果I_ITL_ON(積分作用初始化)為1狀態(tài)，將輸入變量I_ITLVAL作為積分器的初始值。如果在一個循環(huán)中斷優(yōu)先級調(diào)用它，它將從該數(shù)值開始繼續(xù)運行，所有其它輸出都被設(shè)置為其默認(rèn)值。INT_HOLD為1時積分操作保持，積分輸出被凍結(jié)，一般不凍結(jié)積分輸出。
3.4 控制器輸出值的處理
3.4.1．手動/自動模式
　　變量MAN_ON為1時為手動模式，為0時為自動模式。在手動模式，控制器的輸出值被手動輸入值MAN代替。在手動模式，控制器輸出中的積分分量被自動設(shè)置為LMN-LMN_P-DISV，微分分量被自動設(shè)置為0，這樣可以保證手動到自動的無擾動切換，使切換前后PID控制器的輸出值LMN不會突變。
　　如果要用編程的方法來實現(xiàn)手動/自動無擾動切換，可以按如下思路進行：在手動切模式換成自動模式時，將系統(tǒng)的PV_IN值賦給SP_INT值。在自動模式切換成手動模式時，將系統(tǒng)的LMN值賦給MAN值。根據(jù)我們的經(jīng)驗，在賦值過程中需要注意的是數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換問題。
3.4.2輸出限幅
　　LMNLIMIT的輸入量超出控制器輸出值的上極限LMN_HLM時，信號位QLMN_HLM（輸出超出上限）變?yōu)?狀態(tài)；小于下限值LMN_LLM時，信號位QLMN_LLM（輸出超出下限）變?yōu)?狀態(tài)。LMN_HLM和LMN_LLM的默認(rèn)值分別為*和0.0% 。
3.4.3輸出量的格式化處理
格式化公式如下：
LMN=LMN_LIM * LMN_FAC + LMN_OFF
式中，LMN是格式化后浮點數(shù)格式的控制器輸出值；LMN_FAC為輸出量的系數(shù)，默認(rèn)值為1.0；LMN_OFF為輸出量的偏移量，默認(rèn)值為0.0；LMN_FAC和LMN_OFF用來調(diào)節(jié)控制器輸出量的范圍。
4 程序示例與仿真
4.1 程序結(jié)構(gòu)
　　主體程序為組織塊OB1、OB100和OB35，PLC剛進入RUN模式時CPU自動執(zhí)行OB100，可設(shè)置相關(guān)的初始化數(shù)據(jù)。在HW config中將循環(huán)中斷組織塊OB35的時間間隔設(shè)置為200ms，保存后將組態(tài)數(shù)據(jù)下載到CPU模塊。程序運行時將每隔200ms自動調(diào)用一次OB35。示例程序選擇系統(tǒng)為*量閉環(huán)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，外設(shè)假設(shè)為由一支流量計和一個調(diào)節(jié)閥組成的閉環(huán)控制回路。PIW288為流量計輸入值（量程0-200 m3/h），PQW304為調(diào)節(jié)閥輸出值（范圍0-27648）。
4.1.1組織塊OB1
　　在OB1中，計算出流量計輸入值，并將該值放入MD76，在SFB41中將MD76賦給PV_IN，圖3是該段的程序。

圖3  OB1中的梯形圖

4.1.2啟動組織塊OB100

在OB100中調(diào)用SFB41時，只設(shè)置兩個輸入變量的實參：

（1）令啟動標(biāo)志COM_RST為TRUE，執(zhí)行PID重啟功能，將PID控制器的內(nèi)部參數(shù)復(fù)位為默認(rèn)值。

（2）設(shè)置采樣周期CYCLE為200ms 。
4.1.3循環(huán)中斷組織塊OB35
　　在循環(huán)中斷組織塊OB35中調(diào)用SFB41，背景數(shù)據(jù)塊為DB41，見程序段1。默認(rèn)的設(shè)置為PI控制器，將參數(shù)D_SEL設(shè)置為1（TRUE），該控制器則為PID控制器。將PID控制器的輸出變量LMN_PER送給PQW304用來控制調(diào)節(jié)閥的開度。為實現(xiàn)負(fù)反饋，將比例增益設(shè)為負(fù)數(shù)。積分時間取值應(yīng)大于采樣時間。微分時間TD一般可以設(shè)置為TI的幾分之一，微分部分的延遲時間TM_LAG建議值為TD/5。為實現(xiàn)手動/自動無擾動切換, 程序段2中，在自動狀態(tài)時，將LMN值賦給MAN；程序段3中，在手動狀態(tài)時，將PV_IN的值賦給SP_INT。其中，M40.1為手動/自動切換的BOOL變量。
程序段1：
      CALL  "CONT_C" , DB41
       COM_RST :=
       MAN_ON  :=M40.1
       PVPER_ON:=
       P_SEL   :=TRUE
       I_SEL   :=TRUE
       INT_HOLD:=
       I_ITL_ON:=
       D_SEL   :=TRUE
       CYCLE   :=T#200MS
       SP_INT  :=
       PV_IN   :=MD76
       PV_PER  :=
       MAN     :=
       GAIN    :=-1.500000e+000
       TI      :=T#30S
       TD      :=T#5S
       TM_LAG  :=
       DEADB_W :=
       LMN_HLM :=
       LMN_LLM :=
       PV_FAC  :=
  PV_OFF  :=
       LMN_FAC :=
       LMN_OFF :=
       I_ITLVAL:=
       DISV    :=
       LMN     :=
       LMN_PER :=PQW304
       QLMN_HLM:=
       QLMN_LLM:=
       LMN_P   :=
       LMN_I   :=
       LMN_D   :=
       PV      :=
       ER      :=
      NOP   0
程序段2：
      AN    M     40.1
      JNB   _001
      L     DB41.DBD   72
      T     DB41.DBD   16
_001: NOP   0
程序段3：
A     M     40.1
      JNB   _002
      L     DB41.DBD   10
      T     DB41.DBD    6
_002: NOP   0

西門子S7-400系列*代理商-上海合作伙伴
4.2 系統(tǒng)仿真
4.2.1 S7-PLCSIM仿真
　　為方便調(diào)試，采用仿真軟件S7-PLCSIM代替PLC硬件來進行程序仿真。S7-PLCSIM與SETP7編程軟件集成在一起，用于在計算機上模擬S7-300和S7-400 CPU的功能，可以在開發(fā)階段發(fā)現(xiàn)和排除錯誤，從而提高用戶程序的質(zhì)量和降低試車成本，同時S7-PLCSIM也是S7-300/400編程、程序調(diào)試和故障診斷的有力工具。利用S7-PLCSIM模擬PLC的過程映像輸入/輸出，并通過在仿真窗口中改變輸入變量的ON/OFF狀態(tài)，來控制程序運行，見圖4。
               

圖4 S7-PLCSIM仿真窗口

4.2.2仿真結(jié)果與分析
　　通過S7-PLCSIM仿真，修改系統(tǒng)設(shè)定值SP_INT和系統(tǒng)測量值PV_IN，并監(jiān)視系統(tǒng)輸出值LMN的變化趨勢(圖5)。我們可以看出，該系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性，且程序能夠滿足對系統(tǒng)的閉環(huán)控制的絕大多數(shù)要求，并且在手動/自動切換過程中實現(xiàn)了系統(tǒng)無擾動切換。但針對不同的控制對象（溫度、壓力、流量、液位等），需要在調(diào)試中反復(fù)修改控制參數(shù)(如果控制參數(shù)是通過人機界面接口HMI直接連接到背景數(shù)據(jù)塊的地址,則比例是實際的,TI和TD的單位是毫秒)，以期使系統(tǒng)達到相對*的控制效果。

　　　　　　　　　圖5 監(jiān)視背景數(shù)據(jù)塊FB41
5、總結(jié)
　　本文結(jié)合編程及現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，針對S7-300/400閉環(huán)控制系統(tǒng)的如何實現(xiàn)，歸納總結(jié)出了一套切實可行的的編程方法，
　　并就如何在手動/自動切換時，實現(xiàn)系統(tǒng)的無擾動提出了解決方案。對于初涉PLC的編程者有很好的指導(dǎo)意義。
　　

參考文獻：

  [1]廖常初. S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù) 第2版 機械工業(yè)出版社2008.6

  [2]Siemens AG.Standard PID Control Manual,2003.

  [3]Siemens AG.Programming With STEP7 Manual,2006.

[4]Siemens AG.S7-PLCSIM V5.3 incl.SP1 User Manual,2005.

[5]Siemens AG.Statement List(STL) for S7-300 and S7-400 Programming Reference Manual,2006.