S7-200PLC在PID闭环控制系统中的应用

S7-200PLC在PID闭环控制系统中的应用1引言在工业生产中，常需要用闭环控制方式来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量，无论是使用模拟量控制器的模拟控制系统还是使用计算机(包括PLC)的数字控制系统，PID控制都得到了广泛应用。PID控制器是比例-积分-微分控制(Proportional-Integral-De-rivative)的简称，其优点是不需要精确的控制系统数学模型，有较强的灵活性和适应性，而且PID控制器的结构典型、程序设计简单、工程上易于实现、参数调整方便。本文以西门子公司S7-200PLC为例介绍PLC在PID闭环控制系统中的应用。2PLC实现PID控制的方式用PLC对模拟量进行PID控制大致有如下几种方法：(1)使用PID过程控制模块：这种模块的PID控制程序是PLC厂家设计的，并放在模块中，用户使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便。(2)使用PID功能指令：它是用于PID控制的子程序，与模拟量输入／输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制的效果，但价格便宜得多。如S7-200的PID指令。(3)用自编的程序实现PID闭环控制：在没有PID过程控制模块和功能指令的情况下，仍希望采用某种改进的PID控制算法，此时用户需要自己编制PID控制程序。本文以西门子S7-200PLC为例，说明PID控制的原理及PLC的PID功能指令的使用及控制功能的实现。3PLCPID控制器的实现3.1PID控制器的数字化PLC的PID控制器的设计是以连续的PID控制规律为基础，将其数字化，写成离散形式的PID方程，再根据离散方程进行控制程序的设计。在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图1所示。图1中sp(t)是给定值；pv(t)为反馈量；c(t)为系统的输出量，PID控制器的输入／输出关系如式(1)所示：式中：M(t)为控制器输出；Mo为输出的初始值；e(t)=sp(t)-pv(t)为误差信号；Kc为比例系数；T1为积分时间常数，TD为微分时间常数。等号右边前三项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差的积分和微分成正比。如果取其中的1项或2项，可以组成P，PD或PI控制器。假设采样周期为TS，系统开始运行的时刻为t=0，用矩形积分来近似精确积分，用差分近似精确微分，将式1离散化，第n次采样时控制器的输出如式(2)所示：式中：en-1为第n-1次采样时的误差值；K1为积分系数；KD为微分系数。基于PLC的闭环控制系统如图2所示，图中虚线部分在PLC内，spn，pvn，en，Mn分别为模拟量sp(t)，pv(t)，e(t)，M(t)在第n次采样的数字量。在许多控制系统中，可能只需要P，I，D中的1种或者2种控制类型。例如，可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路控制类型进行选择。3.2输入输出变量的转换PID控制有输入量2个：给定值sp和过程变量pv。给定值通常是固定值，过程变量通常是经过A／D转换和计算后得到的被控量的实测值。给定值和过程变量都是和被控对象有关的值，对于不同的系统，它们的大小、范围与工程单位有很大的不同。应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前，必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。同样，对于PID指令的输出，在将其送给D／A转换器之前，也需要进行转换。3.2.1回路输入的转换首先，将给定值或A／D转换后得到的整数值由16位整数转换为浮点数，可以用下面的程序实现这种转换：然后，将实数进一步转换成0.0～1.0之间的标准数，可用式3对给定值及过程变量进行标准化：式中：RNorm为标准化实数值；RRaw为标准化前的值；offset为偏移量，对单极性变量为0.0，对双极性变量为0.5；Span为取值范围，等于变量的最大值减去最小值，单极性变量的典型值为32000，双极性变量的典型值为64000。下面的程序将上述转换后得到的AC0中的双极性数(其中span=64000)转换为0.0～1.0之间的实数的转换程序为：3.2.2回路输出的转换回路输出即PID控制器的输出，它是标准化的0.0～1.0之间的实数。将回路输出送给D／A转换器之前，必须转换成16位二进制数，这一过程是将pv与sp转换成标准化数值的逆过程。用下面的式(4)将回路输出转换为实数：式中，RScal是回路输出对应的实数值；Mn是回路输出标准化的实数值。将回路输出转换为对应的实数的程序为：将代表回路输出的实数转化为16位整数的指令为：4PID指令及其回路表S7-200的PID指令如图3所示。指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路编号。编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围，CPU将生成编译错误(范围错误)，引起编译失败。PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查，应保证过程变量、给定值等不超限。回路表如表1所示：过程变量与给定值是PID运算的输入值，在回路表中他们只能被PID指令读取而不能改写。每次完成PID运算后，都要更新回路表内的输入值Mn，它被限制在0.0～1.0之间。如果PID指令中的算术运算发生错误，特殊存储器位SM1.1(溢出或非法数值)被置为1，并将中止PID指令的执行，想要消除这种错误，在下一次执行PID运算之前，应改变引起运算错误的输入值，而不是更新输出值。5PID指令编程举例温度控制是工业生产过程中很重要的一种控制。温度控制系统一般具有大惯性、大延时的特点。在工业控制中，难以建立温度系统的精确数学模型，而应用模拟或数字式PID闭环控制往往能获得较好的控制精度。本例采用PID控制器，温度给定值经标准化处理后为0.8，选取控制器参数初值为：Kc=0.2，Ts=0.05s，TI=20min，TD=10min。控制程序如下：6结语本文针对西门子S7-200PLC在PID闭环控制系统中的应用，介绍PID数字控制器的原理、实现方法和编程实例。需要指出的是，PID控制算法具有很强的灵活性，根据被控对象特点的不同，可以使用PI控制、PD控制、PID控制等多种形式，从而达到更好的控制效果。随着智能控制技术的发展，PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法的结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。