在我們實際工作經(jīng)常會用到PID控制系統(tǒng)，比如控制恒壓供水設備，恒溫加熱設備等。這些設備使用PLC進行控制時，不僅僅需要編程，還需要設置相關參數(shù)（或者說組態(tài)）。只有正確設置了相關參數(shù)之后，程序編寫的才有意義。那么今天我們以西門子1200PLC為例，給大家講講如何組態(tài)PID功能。在組態(tài)之前，要先判斷如何選擇PID指令，因為根據(jù)不同的應用場景選擇的PID指令不同，指令選擇的不同的話，組態(tài)也有一些區(qū)別。

①PID指令選擇：

S7-1200 PID 功能有三條指令可供選擇， 分別為 PID_Compact， PID_3Step， PID_Temp，如圖1所示：

 

圖1：PID指令圖

第一步：先判斷是否使用三位執(zhí)行機構，如果使用則選擇PID_3Step指令。這里解釋一下三位執(zhí)行機構的特點：

(1）只接受開啟/關閉兩個數(shù)字量輸出控制;

(2）具有開到位/關到位的限位開關輸入信號，或具有模擬量反饋位置信號。

比如現(xiàn)場的一些電動閥門，PLC控制電動閥門的正轉或者反轉從而控制流量、壓力等。PID_3Step指令（如圖2）控制兩個開關量的輸出，比如一個為1，一個為0，電動機可能是正轉。一個0，另外為1，電動機可能是反轉。

 

圖2：PID_3Step指令

第二步： 如果未使用三位執(zhí)行機構，判斷是不是多回路、串級控制，如果是，則跳轉到第3步判斷；如果不是，則跳轉到第4步。

第三步：判斷是不是需要加熱/制冷雙輸出（比如在空調系統(tǒng)中）。如果需要，則調用PID_Temp指令，如圖3所示。

 

圖3：PID_Temp指令

第四步：判斷是不是需要溫度控制常用的附加功能（如控制帶、死區(qū)等），如果不需要，則調用PID_Compact，如圖4所示。

 

圖4 PID_Compact指令

這邊解釋一下“控制帶”及“死區(qū)”這兩個概念。

控制帶：

在溫度控制具有明顯的大滯后特性，當過程值偏離設定值較大時調節(jié)過程過于緩慢，而接近設定值時又容易出現(xiàn)較大超調。

存在上述兩種問題，溫度控制必須滿足在偏差超過一定的范圍時，輸出最大或者最小的調節(jié)量，讓溫度值快速回到一個小的范圍中，以縮短調節(jié)時間：在設定值附近時，越靠近設定值，調節(jié)量應越小，以防止超調。為此，控制帶功能在當過程值大于設定值,且偏差絕對值超過控制帶,則以輸出下限作為輸出值。當過程值小于設定值，且偏差絕對值超過控制帶,則以輸出上限作為輸出值。如果偏差的絕對值小于控制帶，則以實際PID的計算結果作為輸出。

死區(qū)：

在控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機構如果動作頻繁，會導致小幅震蕩造成機械磨損，很多控制系統(tǒng)允許被控量在一定范圍內存在誤差，該誤差稱為PID的死區(qū)。

當過程值滿足如下公式時，SP –"死區(qū)寬度"＜ PV ＜ SP "死區(qū)寬度"時，PID停止調節(jié)保持輸出不變。如下圖所示

 

②PID_Compact 指令組態(tài)

我們以最基本的恒壓供水系統(tǒng)，給大家說明如何組態(tài)（設置相關參數(shù)）。必須先添加循環(huán)中斷，然后在循環(huán)中斷中添加 PID_Compact 指令。在循環(huán)中斷的屬性中，可以修改其循環(huán)時間（如圖5）。

 

圖5：添加循環(huán)中斷后在屬性界面修改其循環(huán)時間

這里解釋一下循環(huán)時間：PID控制器的采樣時間是循環(huán)中斷時間的整數(shù)倍。如果我們自整定PID參數(shù)，系統(tǒng)會自動計算sRet.r_Ctrl_Cycle（采樣時間）參數(shù)。若用戶使用手動方式設定PID參數(shù)，則一定要注意此參數(shù)為循環(huán)中斷時間的整數(shù)倍。

例如：PID控制器的采樣時間是1s,循環(huán)中斷時間為100ms，則在1S的時間內，循環(huán)中斷執(zhí)行了10次，但前9次PID控制器都不進行運算。

1）在“指令 > 工藝 > PID 控制 > Compact PID> PID_Compact”下，將 PID_Compact 指令添加至循環(huán)中斷。如圖6所示

 

圖6在循環(huán)中斷中添加 PID_Compact 指令

2）當添加完 PID_Compact 指令后，在項目樹 > 工藝對象文件夾中，會自動關聯(lián)出 PID_Compact_x[DBx]，包含其組態(tài)界面和調試功能。如圖7所示

 

圖7工藝對象中關聯(lián)生成PID_Compact

3）使用 PID 控制器前，需要對其進行組態(tài)設置，分為基本設置、過程值設置、高級設置等部分。如圖8

 

圖8 PID_Compact > 基本設置 > 控制器類型

第一：基本設置

1.1基本設置--控制器類型

a. 為設定值、過程值和擾動變量選擇物理量和測量單位。我們使用的是恒壓控制，所以選擇“壓力”即可。如圖9所示
b. 正作用：隨著 PID 控制器的偏差增大，輸出值增大。 反作用：隨著PID控制器的偏差增大，輸出值減小。PID_Compact 反作用時，可以勾選“反轉控制邏輯”。 如圖9所示
c. 要在 CPU 重啟后切換到“模式”(Mode) 參數(shù)中保存的工作模式，請勾選“在 CPU 重啟后激活模式”。 如圖9所示

 

圖9 PID_Compact > 基本設置 > 控制器類型

1.2基本設置--定義 Input/Output 參數(shù)（如圖10）

定義 PID 過程值和輸出值的內容，選擇 PID_Compact 輸入、輸出變量的引腳和數(shù)據(jù)類型。選擇Input的話，那么就需要在程序中標定好工程單位值，然后標定好的工程量值填寫在PID_Compact管腳Input處，Input處的管腳值與Setpoint管腳的值比較比較，從而控制輸出。那到底是控制哪個輸出呢？就是根據(jù)Output處選擇的參數(shù)，可以是Output_PER、Output、Output_PWM。Output_PER就是直接通過模擬量的方式輸出控制外部設備，比如變頻器、電機等，最終它的輸出值是在0-27648之間，從而轉換成0-10V或者0-20mA,達到控制的結果。Output是百分比的方式輸出，它介于0-100之間，如果需要控制外部設備的話，需要用其他指令轉換輸出。Output_PWM是脈寬脈寬調制方式輸出數(shù)字量。

那如果Input處選擇的是Input_PER,填寫的就是模擬量輸入通道的地址（比如IW64），這個地址會自動轉換成工程單位與Setpoint管腳的值比較。那它如何進行轉換的呢？我們往下看

 

圖10 PID_Compact > 基本設置 > 定義 Input/Output

第二：過程值設置

1.1過程值設置--過程值限值（如圖11）

必須滿足過程值下限<過程值上限。如果過程值超出限值，就會出現(xiàn)錯誤。我們設置的是60hpa,因為我們的壓力傳感器是0-5Kpa的，而量程中只用hpa這個單位。所以我們轉換成hpa,并且設置留有余量。

 

圖10 設置過程值限值

1.2過程值設置--過程值標定

a. 只有在“基本設置”項下 Input/Output 中輸入選擇為 “Input_PER” 時，才可組態(tài)過程值標定。
b. 如果過程值與模擬量輸入值成正比，則將使用上下限值對來標定Input_PER。
c. 必須滿足范圍的下限<上限。

由于我們“基本設置”項下 Input/Output 中輸入選擇為 “Input”所以圖11中“Input_PER”項為“已禁用”。

 

圖11進行過程值標定

高級設置

1.1高級設置--過程值監(jiān)視（如圖12及圖13）

 

圖12

a. 過程值的監(jiān)視限值范圍需要在過程值限值范圍之內。
b. 過程值超過監(jiān)視限值，會輸出警告。過程值超過過程值限值，PID輸出報錯，切換工作模式。

 

圖13

1.2.高級設置-- PWM 限制，在此不介紹。

1.3高級設置--輸出值限值（如圖14）

 

圖14

a. 在“輸出值的限值”窗口中，以百分比形式組態(tài)輸出值的限值。 無論是在手動模式還是自動模式下，都不要超過輸出值的限值。
b. 手動模式下的設定值 ManualValue，必須介于輸出值的下限 （Config.OutputLowerLimit） 與輸出值的上限 （ Config.OutputUpperLimit ）之間的值。
c. 如果在手動模式下指定了一個超出限值范圍的輸出值，則 CPU 會將有效值限制為組態(tài)的限值。
d. PID_compact 可以通過組態(tài)界面中輸出值的上限和下限修改限值。最廣范圍為 -100.0 到 100.0，如果采用 Output_PWM 輸出時限制為 0.0 到 100.0 。

1.4高級設置--對錯誤的響應（如圖15）

a.在 PID_Compact V2 時，可以預先設置錯誤響應時 PID 的輸出狀態(tài)，如圖 13 所示。以便在發(fā)生錯誤時，控制器在大多數(shù)情況下均可保持激活狀態(tài)。
b. 如果控制器頻繁發(fā)生錯誤，建議檢查 Errorbits 參數(shù)并消除錯誤原因。

 

圖15

根據(jù)錯誤代碼來分析錯誤原因。根據(jù)組態(tài)界面所設置的“對錯誤的響應”，不同錯誤的響應狀態(tài)也不一樣，如下表所示：

 

5.高級設置--手動輸入 PID 參數(shù)

a. 在 PID Compact 組態(tài)界面可以修改 PID 參數(shù)，通過此處修改的參數(shù)對應工藝對象背景數(shù)據(jù)塊 > Static > Retain > PID 參數(shù)。
b. 通過組態(tài)界面修改參數(shù)需要重新下載組態(tài)并重啟 PLC。建議直接對工藝對象背景數(shù)據(jù)塊進行操作。