如果用西門子S7-200 SMART PLC實現PID控制，則需要掌握配置PID向導、調用子程序、創建狀態圖表測試程序、自整定PID參數等技能。昌暉儀表在本文詳細介紹西門子S7-200 SMART PID回路控制，如何配置PID向導？如何調用子程序？如何創建狀態圖表測試程序？如何自整定PID參數？

PID控制器是應用最廣泛的閉環控制器，它根據給定值與被控變量實測值之間的偏差，按照PID算法計算出控制器的輸出量控制執行機構進行調節，使被控量跟隨給定量進行變化并使系統達到穩定，自動消除各種干擾對控制過程的影響，其中P、I、D分別指比例、積分、微分。 



PID控制原理圖

在西門子S7-200 SMART中，PID控制功能通過PID指令來實現。編程軟件STEP7-Micro/WIN SMART提供了PID向導，可以幫助用戶組態PID控制和生成PID子程序，方便快捷的完成PID控制編程任務，支持8路PID功能、自動/手動切換以及PID整定。
 


PID回路向導

STEP7-Micro/WIN SMART還提供了PID整定控制面板，允許以圖形方式監視PID回路行為，還可以啟動、停止自整定功能。下面我們來進行S7-200 SMART PID回路控制的使用練習：利用PID向導編寫程序，使溫度保持在給定值，并對PID參數進行整定。



PID整定控制面板

任務描述。本次實驗設備中利用溫度變送器將0-100℃的溫度轉換為0-10V的電壓信號，送到擴展模塊EM AM06的模擬量輸入通道2。加熱器用Q1.6輸出的PWM脈沖來控制。需要說明的是，EM AM06將模擬量輸入0-10V電壓信號轉換為數字量，對應數字范圍為0-27648，傳送到S7-200 SMART CPU的AI存儲器中。



實驗任務描述

硬件組態。打開編程軟件STEP7-Micro/WIN SMART創建新項目，在項目樹中雙擊CPU打開，根據實際配置CPU選擇SR40，擴展模塊EM0選擇AM06，啟用模塊電源報警。單擊模擬量輸入節點下的通道2，通道地址為AIW20，類型組態為電壓，范圍選擇+/-10V，平滑采用默認的4個周期，啟用超出上限報警和超出下限報警，單擊確定按鈕完成硬件組態。



硬件組態

配置PID向導。在工具菜單功能區單擊PID按鈕打開PID回路向導對話框，選擇要組態的回路，最多可組態8個回路，這里我們選擇回路0。



選擇回路0

在左側的樹視圖中單擊回路0節點，在此定義回路名稱。單擊參數節點，在此設置回路參數，如果不需要比例作用，增益設置為0.0，如果不需要積分作用，積分時間設置為無窮大值INF，如果不需要微分作用，微分時間設置為0.0，采樣時間是PID控制回路對反饋采樣以及重新計算輸出值的時間間隔，這里我們均采用默認值，后面在實驗中進行自整定。



設置回路參數

單擊輸入節點，在此指定回路過程變量的標定方式，根據外接模擬量輸入情況，類型選擇単極型，標定選項中設置過程變量范圍0到27648，對應回路設定值范圍0.0到100.0，該值是給定值占過程變量量程的百分比，在本例中也可以認為是工程量溫度值。



設置輸入參數

點擊輸出節點，在此指定回路輸出的標定方式，根據外接輸出信號類型選擇數字量，循環時間即PWM輸出的周期，采用默認值0.1秒。



設置輸出參數

單擊報警節點，在此設定回路報警選項，啟用下限報警、上限報警、模擬量輸入錯誤報警，指定報警上下限值以百分比表示，以及模擬量輸入模塊連接到PLC的位置。



報警參數設置

單擊代碼節點，在此自定義向導生成的子程序和中斷程序的名稱，選擇添加PID的手動控制，當處于手動模式時不執行PID計算，回路輸出由程序控制。單擊存儲器分配節點，PID向導為完成PID運算需要120個字節的位存儲器，為其指定起始地址，要保證程序中沒有使用這些存儲器，單擊建議按鈕向導將自動設定當前程序中未用的位存儲器，這里我們采用VB0為起始地址。



添加PID手動控制

單擊組件節點，在此列出了PID向導生成的組件，包括一個初始化PID的子程序、一個用于循環執行PID功能的中斷程序、一個120個字節的數據頁以及一個符號表，單擊生成按鈕完成PID向導配置，向導生成的項目組件添加到了項目中。



項目組件列表

查看向導生成的項目組件。在項目樹中展開程序塊下的向導文件夾，雙擊初始化PID子程序打開，該子程序是加密的，可以查看相關的子程序調用說明，變量表列出了子程序的接口參數定義，編程調用時可參考。雙擊PID功能中斷子程序打開，該中斷子程序也是加密的，請注意PID向導使用了定時中斷0，編程時不能再使用此中斷，否則會引起PID運行錯誤。



查看項目組件

展開符號表下的向導文件夾，雙擊PID符號表打開，在此可以查看PID回路相關參數的符號及地址信息，不可更改，編程時可參考。展開數據塊下的向導文件夾，雙擊PID數據頁打開，該數據頁是加密的，在此可以查看PID回路的PID算法相關參數，這樣PID向導就配置完成了。



PID符號表

在編程軟件STEP7-Micro/WIN SMART的指令樹中，展開調用子例程文件夾，選擇初始化PID向導子程序拖放到主程序中，該子程序有多個接口參數，切換到該子程序窗口，程序注釋中指出需要在每個掃描周期使用SM0.0從主程序中調用該子程序，變量表給出有關接口參數的含義和取值范圍。



拖放初始化PID向導子程序

回到主程序窗口，使能端插入一個常開觸點，輸入地址SM0.0，過程變量參數處輸入模擬量輸入地址AIW20，設定值參數處輸入VD200，Auto_Manual處輸入M0.0，ManualOutput處輸入50.0，表示用M0.0控制自動與手動模式。配置PID向導時我們已經設置回路為數字量輸出，因此手動模式時PID輸出占空比為百分之五十，如果配置向導時沒有添加PID手動控制，這兩項不會出現。|



設置參數地址

Output處輸入Q1.6，用PWM輸出驅動加熱裝置，HighAlarm、LowAlarm、ModulError處輸入滿足高低限報警、模塊錯誤報警條件時相應的輸出標志位，如果在配置向導時沒有啟用這些報警功能，相應的項也不會出現，這里我們分別輸入Q0.0、Q0.1、Q0.2。另外，打開PID向導生成的符號表，查看各回路參數的詳細地址，從而可以使用程序、狀態圖表、或從HMI設備上修改PID參數值進行編程調試，例如標準化過程變量的地址為VD0，如果想要得到實際工程量，需要編寫程序轉換。



查看符號表

插入實數相乘指令，在IN1處輸入地址VD0，IN2處輸入100.0，OUT處輸入地址VD204，該指令把標準化的過程變量轉化成了實際溫度值存放在VD204中。對使用的地址進行符號定義，如下圖所示，這樣通過調用PID向導生成的子程序使溫度保持在給定值的程序就編寫完成了，最后，保存編譯項目。



編寫程序

下面，我們來學習如何創建狀態圖表并利用狀態圖表來測試程序。首先我們來看一下如何創建狀態圖表。



復制所需的數據地址

創建狀態圖表。從符號表復制所需要監控的數據地址粘貼到狀態圖表中，切換尋址顯示模式，設置合適的數據顯示格式，如圖所示，這樣就快速創建了狀態圖表，單擊保持按鈕保存項目。



將數據地址粘貼到狀態圖表中并切換尋址顯示模式

下載并測試。將項目下載到PLC中，將CPU置于RUN模式，在狀態圖表中持續監視，可以看到當前溫度為30度左右，PID控制處于手動模式，加熱器按照百分之五十的PWM工作。



狀態圖表中監視PID參數

溫度持續升高，將給定值設置為80度，PID控制改為自動模式，溫度向設定值方向變化，自動計算PID輸出。



PID設為自動模式

修改PID控制參數，觀察控制器及被控變量狀態，實際調試時可以利用PID整定控制面板，以圖形方式來直觀查看，并自整定PID控制參數。



修改PID控制參數觀察控制器及被控變量狀態

接下來使用西門子S7-200 SMART PID整定控制面板自整定PID參數。首先我們介紹一下PID整定控制面板。左側選擇PID回路號，標定區域顯示給定值、過程值、輸出值以及高低限，均以百分比顯示；圖形顯示區中用不同顏色的曲線顯示了給定值、過程值以及輸出值相對于時間的PID趨勢圖，其中過程值和給定值共用圖形左側的縱軸，輸出使用圖形右側的縱軸；采樣區域中采樣時間是執行PID運算的時間間隔，只能在PID向導配置中更改，速率設置圖形顯示區所有顯示值的采樣更新速率，可以單擊暫停按鈕凍結圖形、單擊清除按鈕清除圖形；調節參數區域中顯示增益、積分、微分參數的當前值，選擇啟用手動調節后在計算值列可以直接修改PID參數，在自動模式下單擊啟動按鈕啟動自整定，自整定完成后單擊更新CPU按鈕將自整定計算出的PID參數寫入到CPU中；狀態區域顯示自整定過程狀態。



PID整定控制面板

單擊選項按鈕打開自整定參數設置的高級選項對話框，選中自動計算值復選框，自整定將自動計算滯后值和偏差值，不選中此項可以自行指定這些值；滯后值規定了允許過程值偏離設定值的最大正負范圍；偏差值決定了允許過程值偏離設定值的峰-峰值；初始輸出步就是輸出變化的第一步變化量，以實際輸出量程的百分比表示；看門狗時間規定過程變量必須在此時間內達到或穿越設定值；動態響應字段中根據回路過程的控制要求可選擇不同的響應類型。



高級選項

自整定。要使用PID控制面板必須與CPU通信，用PID向導配置生成一個PID回路，并將程序下載到CPU中，使CPU處于運行模式，在狀態圖表中將給定值設為60度，PID控制改為自動模式。



狀態圖表

在工具菜單功能區單擊PID控制面板按鈕，打開PID整定控制面板對話框，選擇回路0，先啟動手動調節，輸入PID參數，如增益改為5.0，單擊更新CPU，使新輸入的參數值起作用，監視趨勢圖，根據調節狀況改變PID參數直至調節穩定，即過程值與設定值接近，且輸出沒有不規律的變化，并最好處于控制范圍中心附近，此時可將手動調節改為自動調節，即自整定。



手動調節改為自動調節

單擊選項按鈕，打開自整定參數設置高級選項，這里我們不做修改，單擊啟動按鈕啟動PID自整定功能，此時按鈕變為停止，觀察自整定過程狀態，這時只需耐心等待，系統完成自整定后會自動將計算出的PID參數顯示出來。請注意，要使用自整定功能必須保證PID回路處于自動模式，開始自整定后，給定值不能再改變。



完成自整定

當按鈕再次變為啟動時表示系統已經完成了自整定，單擊更新CPU按鈕，將PID自整定參數應用到PLC中。在狀態圖表中可以看到PID參數已經更新為新的整定參數。



參數已改變

到此用S7-200 SMART PLC實現PID控制教程的內容就結束了，歡迎大家對本教程提出寶貴意見。