S7-300/400模拟量闭环控制

1 概述 　　为满足工艺生产上的需要，对生产流程进行精准控制并节约人力资源，我们常常需要对现有PLC程序进行优化，增加各类如流量、压力、温度、液位等的闭环可调控制回路，并实现系统的手动/自动无扰动切换。但是如何快速准确的实现以上功能,下面将对其做详细的介绍。

2 模拟量闭环控制系统的基本概念

2.1 模拟量闭环控制系统的组成

典型的PLC模拟量闭环控制系统如图1所示，虚线中的部分是PLC实现的。

图1  PLC模拟量闭环控制系统方框图

　　在模拟量闭环控制系统中，被控量c(t)（例如压力、温度、流量、液位等）是连续变化的模拟量，大多数执行机构（例如气动调节阀和变频器等）要求PLC输出模拟信号mv(t)，而PLC的CPU只能处理数字量。c(t)首先被测量元件（传感器）和变送器转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号pv(t)，例如4-20mA和0-5V的信号，PLC用模拟量输入模块中的A/D转换器将它们转换为数字量pv(n)。模拟量与数字量之间的相互转换和PID程序的执行都是周期性的操作，其间隔时间称为采样周期，各数字量括号中的n表示第n次采样计算时的数字量。图1中的sp(n)是给定值，pv(n)为A/D转换后的反馈量，误差ev(n)=sp(n)-pv(n)。D/A转换器将PID控制器输出的数字量mv(n)转换为模拟量（直流电压或直流电流）mv(t),再去控制执行机构。闭环负反馈控制可以使控制系统的反馈量pv(n)等于或者是跟随给定值sp(n)。闭环控制系统结构结构简单，容易实现自动控制,现在各个领域被广泛应用。

2.2 S7-300/400的模拟量闭环控制功能

　　S7-300/400为用户提供了功能强大、使用简单方便的模拟量闭环控制功能。

2.2.1 闭环控制模块

　　S7-300的FM335和S7-400的FM455是智能的4路和16路闭环控制模块。可以用于化工和过程控制，模块带有A/D转换器和D/A转换器。

2.1.2用于闭环控制的系统功能块 　　除了专用的闭环控制模块，S7-300/400也可以用PID控制功能块来实现PID控制。但是需要配置模拟量输入模块和模拟量输出模块（或者数字量输出模块）。 系统功能块SFB41“CONT_C”用于连续控制，SFB42“CONT_S”用于步进控制，SFB43“PULSEGEN”用于脉冲宽度调制。 2.2.3 闭环控制软件包

　　程序编辑器的文件来“\库\Standard Library(标准库)\PID Controller(PID控制器)”中的FB41～FB43适用于所有的S7-300和S7-400的CPU的PID控制，FB58和FB59适用于PID温度控制。FB41～FB43与SFB41～SFB43兼容。PID自整定软件包(PID Self Tuner可以提供控制优化支持。本文模拟量闭环控制系统就依SFB/FB41“CONT_C”连续控制功能块的实现来加以说明，下面将介绍SFB/FB41“CONT_C”功能。

3 连续PID控制器SFB41

3.1 描述

　　SFB/FB "CONT_C" (连续控制器)在SIMATIC S7可编程逻辑控制器上使用，通过持续的输入和输出变量来控制工艺过程。在参数分配期间，可以通过激活或取消激活PID控制器的子功能使控制器适应过程的需要。使用参数分配工具可以轻松完成分配(菜单路径：开始 > Simatic > Step7 > 分配PID控制参数)    注意只有在以固定时间间隔调用块时，在控制块中计算的值才是正确的。为此，应该在周期性中断OB (OB30至OB38)中调用控制块。在CYCLE参数中输入采样时间。 可以外设（如触摸屏）或以浮点格式输入过程变量。CRP_IN功能根据以下公式将PV_PER外设值转换为介于 -100和 +100 %间的浮点格式值： PV_R=PV_PER * 100/27648 输出根据以下公式将浮点值LMN转换为外设值： LMN_PER=LMN * 27648/100 3.2 SFB/FB41“CONT_C”框图

图2  SFB/FB "CONT_C"框图

3.3 PID控制算法 3.3.1误差的计算与处理     用浮点数格式设定值SP_INT减去转换为浮点数格式的过程变量PV(反馈值)，便得到负反馈的误差。为抑制由于控制器输出量的量化造化的连续较小的振荡，用死区(Dead Band)非线性对误差进行处理。死区的宽度由参数DEADB_W来定义，如果令DEADB_W为0。死区被关闭。 3.3.2控制器的结构 　　SFB 41比例、积分(INT)和微分(DIF)操作以并联方式连接，因而可以分别激活或取消激活。这使对P、PI、PD和PID控制器进行组态成为可能。还可以对纯I和D控制器进行组态。扰动量DISV（Disturbance）可以实现前馈控制，一般设置DISV为0.0。 　　GAIN为比例部分的增益或比例系数，TI和TD分别为积分时间常数和微分时间常数，参数TM_LAG为微分操作的延迟时间，建议该参数设为TM_LAG=TD/5。 P_SEL(比例作用)为1时激活比例作用，反之禁止比例作用，默认值为1。 I_SEL(积分作用)为1时激活积分作用，反之禁止积分作用，默认值为1。 D_SEL(微分作用)为1时激活微分作用，反之禁止微分作用，默认值为0。默认的控制方式为PI控制。 　　LNM_P、LNM_I和LNM_D分别是PID控制器输出量中的比例分量、积分分量和微分分量，编程时可引出到外设（如触摸屏）上，供调试时使用。 3.3.3积分器的初始值 　　SFB“CONT_C”有一个初始化的程序，在输入参数COM_RST设置为1时被执行。在初始化过程中，如果I_ITL_ON(积分作用初始化)为1状态，将输入变量I_ITLVAL作为积分器的初始值。如果在一个循环中断优先级调用它，它将从该数值开始继续运行，所有其它输出都被设置为其默认值。INT_HOLD为1时积分操作保持，积分输出被冻结，一般不冻结积分输出。 3.4 控制器输出值的处理 3.4.1．手动/自动模式 　　变量MAN_ON为1时为手动模式，为0时为自动模式。在手动模式，控制器的输出值被手动输入值MAN代替。在手动模式，控制器输出中的积分分量被自动设置为LMN-LMN_P-DISV，微分分量被自动设置为0，这样可以保证手动到自动的无扰动切换，使切换前后PID控制器的输出值LMN不会突变。 　　如果要用编程的方法来实现手动/自动无扰动切换，可以按如下思路进行：在手动切模式换成自动模式时，将系统的PV_IN值赋给SP_INT值。在自动模式切换成手动模式时，将系统的LMN值赋给MAN值。根据我们的经验，在赋值过程中需要注意的是数据的格式转换问题。 3.4.2输出限幅 　　LMNLIMIT的输入量超出控制器输出值的上极限LMN_HLM时，信号位QLMN_HLM（输出超出上限）变为1状态；小于下限值LMN_LLM时，信号位QLMN_LLM（输出超出下限）变为1状态。LMN_HLM和LMN_LLM的默认值分别为100%和0.0% 。 3.4.3输出量的格式化处理 格式化公式如下： LMN=LMN_LIM * LMN_FAC + LMN_OFF 式中，LMN是格式化后浮点数格式的控制器输出值；LMN_FAC为输出量的系数，默认值为1.0；LMN_OFF为输出量的偏移量，默认值为0.0；LMN_FAC和LMN_OFF用来调节控制器输出量的范围。 4 程序示例与仿真 4.1 程序结构 　　主体程序为组织块OB1、OB100和OB35，PLC刚进入RUN模式时CPU自动执行OB100，可设置相关的初始化数据。在HW config中将循环中断组织块OB35的时间间隔设置为200ms，保存后将组态数据下载到CPU模块。程序运行时将每隔200ms自动调用一次OB35。示例程序选择系统为一流量闭环调节控制系统，外设假设为由一支流量计和一个调节阀组成的闭环控制回路。PIW288为流量计输入值（量程0-200 m3/h），PQW304为调节阀输出值（范围0-27648）。 4.1.1组织块OB1 　　在OB1中，计算出流量计输入值，并将该值放入MD76，在SFB41中将MD76赋给PV_IN，图3是该段的程序。

图3  OB1中的梯形图

4.1.2启动组织块OB100

在OB100中调用SFB41时，只设置两个输入变量的实参：

（1）令启动标志COM_RST为TRUE，执行PID重启功能，将PID控制器的内部参数复位为默认值。

（2）设置采样周期CYCLE为200ms 。 4.1.3循环中断组织块OB35 　　在循环中断组织块OB35中调用SFB41，背景数据块为DB41，见程序段1。默认的设置为PI控制器，将参数D_SEL设置为1（TRUE），该控制器则为PID控制器。将PID控制器的输出变量LMN_PER送给PQW304用来控制调节阀的开度。为实现负反馈，将比例增益设为负数。积分时间取值应大于采样时间。微分时间TD一般可以设置为TI的几分之一，微分部分的延迟时间TM_LAG建议值为TD/5。为实现手动/自动无扰动切换, 程序段2中，在自动状态时，将LMN值赋给MAN；程序段3中，在手动状态时，将PV_IN的值赋给SP_INT。其中，M40.1为手动/自动切换的BOOL变量。 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 4.2 系统仿真 4.2.1 S7-PLCSIM仿真 　　为方便调试，采用仿真软件S7-PLCSIM代替PLC硬件来进行程序仿真。S7-PLCSIM与SETP7编程软件集成在一起，用于在计算机上模拟S7-300和S7-400 CPU的功能，可以在开发阶段发现和排除错误，从而提高用户程序的质量和降低试车成本，同时S7-PLCSIM也是S7-300/400编程、程序调试和故障诊断的有力工具。利用S7-PLCSIM模拟PLC的过程映像输入/输出，并通过在仿真窗口中改变输入变量的ON/OFF状态，来控制程序运行，见图4。                

图4 S7-PLCSIM仿真窗口

4.2.2仿真结果与分析 　　通过S7-PLCSIM仿真，修改系统设定值SP_INT和系统测量值PV_IN，并监视系统输出值LMN的变化趋势(图5)。我们可以看出，该系统具有良好的动态特性，且程序能够满足对系统的闭环控制的绝大多数要求，并且在手动/自动切换过程中实现了系统无扰动切换。但针对不同的控制对象（温度、压力、流量、液位等），需要在调试中反复修改控制参数(如果控制参数是通过人机界面接口HMI直接连接到背景数据块的地址,则比例是实际的,TI和TD的单位是毫秒)，以期使系统达到相对最佳的控制效果。

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　　　　　　　　　图5 监视背景数据块FB41 5、总结 　　本文结合编程及现场实践经验，针对S7-300/400闭环控制系统的如何实现，归纳总结出了一套切实可行的的编程方法， 　　并就如何在手动/自动切换时，实现系统的无扰动提出了解决方案。对于初涉PLC的编程者有很好的指导意义。 　　 

参考文献：

  [1]廖常初. S7-300/400 PLC应用技术 第2版 机械工业出版社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.

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