Ｓ７—２００ＰＬＣ在ＰＩＤ闭环控制系统中的应用强宝民，肖晟（第二炮兵工程学院陕西西安７１００２５）摘要：为了实现对现场生产过程的精确控制，ＰＬＣ闲环控制系统在工业生产中正得到越来越广泛的应用，阐述ＰＬＣ实现ＰＩＤ控制的３种常用方式，分析闭环控制系统中ＰＩＤ数字控制器的原理，结合西门子ｓ７—２００ＰＬＣ详细介绍ＰＩＤ指令使用和输入／输出变量转换的方法，为ｓ７—２００ＰＬＣ在ＰＩＤ闭环控帝ｌ系统中的应用提供一整套解决方案，最后以工业生产中常见的温度控制为背景，给出一个编程实例，对ＰＩＤ在工业控制中的应用很有参考价值。关键词：可编程控制器；闭环控制系统；ＰＩＤ控制器；ＰＩＤ指令中图分类号：ＴＭ５７１，ＴＰ３６文献标识码：Ｂ文章编号：１００４—３７３Ｘ（２００８）１４—１７３—０３ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳ７—２００ＰＬＣｉｎＰＩＤＣｌｏｓｅｄＬｏｏｐＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＱＩＡＮＧＢａｏｍｉｎ，ＸＩＡＯＳｈｅｎｇ（ＴｈｅＳｅｃｏｎｄＡｒｔｉｌｌｅｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ’∞，７１００２５．Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ＰＬＣｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｔＯｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．ＴｈｅａｒｔｉｃｌｅｍａｉｎｌｙｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｒｅｅｕｓｕａｌｍａｎｎｅｒｓｂｙｕｓｉｎｇＰＬＣｒｅａｌｉｚｅＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＰＩＤｔＯｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｎｔｈｅｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｄｅｔａｉｌｅｄｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｈｏｗｉｎｐｕｔ—ｏｕｔｐｕｔｖａｒｉａｂｌｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅＰＩＤｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｈｏｗｔＯｃｏｎｖｅｒｔｔｈｅｔｈｅＳｉｅｍｅｎｓＳ７—２００ＰＬＣ．ｐｒｏｖｉｄｅｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｐｒｏｊｅｃｔｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳ７—２００ＰＬＣｉｎＰＩＤｄｏｓｅｄｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｔｈｅｅｎｄ，ｉｔｇｉｖｅｓｔｉｏｎ。ｉｔｉｓｐｒｏｇｒａｍｅｘａｍｐｌｅａｂｏｕｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｉｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃ—ｇｏｏｄｒｅ｛ｅｒｅｎｅｅｆｏｒｔｈｅｏｆＰＩＤｉｎｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ；ｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ；ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ＰＩＤｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ１引言（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ＰｌＤ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。３３．１ＰＬＣ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控制器是比例一积分一微分控制（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。ＰＩＤ控制器的实现ＰＩＤ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（ｚ）是给定值；ｔｒＹ（ｔ）为反馈量；ｆ（￡）为系统的输出量，ＰＩＤ控制器的输入／输出关系如式（１）所示：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。牧稿日期：２００７—１１—２０１７３万方数据 舭）一Ｋ。Ｐ＋瓢比）ｄ￡＋去警Ｉ＋Ｍｏ（１）１６位整数转换为浮点数，可以用下面的程序实现这种转换：ＸＯＲＤＡＣ０，Ａｃｏ／／清除累加器／／将待转换的模拟量存入累加器式中：Ｍ（￡）为控制器输出；Ｍｏ为输出的初始值；已（￡）＝ｓｐ（￡）一Ｉｒａ（ｔ）为误差信号；Ｋｃ为比例系数；Ｔ。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。ＭＯＶＷＡＩＷ０，ＡＣ０Ｉ。ＤＷ＞一ＡＣ０，０ＪＭＰ０ＮＯＴＯＲＤ１６＃ＦＦＦＦ００００，ＡＣ０／／如果模拟数值为正／／直接转换成实数／／反之／／将ＡＣ０内的数值进行符号扩展，扩展为３２位负数ＬＢＬ０ＤＴＲＡＣ０，ＡＣ０／／将３２位整数转换成实数然后，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：ＲＮ。。＝（坐）＋ｏｆｆｓｅｔｎｓｐａｎ（３）图１连续闭环控制系统方框图式中：ＲＮ。ｍ为标准化实数值；Ｒ鼬。为标准化前的值；ｏｆｆ—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，第以次采样时控制器的输出如式（２）所示：ｓｅｔ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。尥一Ｋｃｇ。＋Ｋｌ≥：ｅｉ＋ＫＤ（如一Ｐ，１）＋Ｍｏ（２）Ｊ一１下面的程序将上述转换后得到的ＡＣ０中的双极性数（其中８ｐａｎ一６４０００）转换为０．０～１．０之间的实数的转换程序为：／Ｒ６４０００．０，ＡＣ０／／将累加器中的实数标准化＋Ｒ０．５，ＡＣ０／／加上偏移值，使其在０．Ｏ～１．０之间ＭＯＶＲＡＣ０，ＶＤｌ００／／将标准化后的值存入回路表内３．２．２式中：Ｐ一。为第咒一１次采样时的误差值；Ｋ。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，印。，矽。，ｅ。，坛分别为模拟量ｓｐ（ｆ），加（￡），Ｐ（ｆ），Ｍ（￡）在第竹次采样的数字量。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。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．Ｏ～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：（４）ＲｓｃａＩ一（坛一ｏｆｆｓｅｔ）×Ｓｐａｎ式中，Ｒ驯是回路输出对应的实数值；鸠是回路输出标准化的实数值。图２ＰＬＣ闭环控制系统方框图将回路输出转换为对应的实数的程序为：ＭｏＶＲＶＤｌ０８，ＡＣ０——Ｒ０．５，ＡＣ０＊Ｒ６４０００．０，ＡＣ０３．２输入输出变量的转换ＰＩＤ控制有输入量２个：给定值印和过程变量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。３．２．１４／／将回路输出送入累加器／／仅双极性数才有此语句／／单极性变量应乘以３２０００．０将代表回路输出的实数转化为１６位整数的指令为：ＲＯＵＮＤＡＣ０，ＡＣ０／／将实数转化为３２位整数ＭＯＶＷＡＣ０．ＡＱＷＯ／／将１６位整数写入模拟输出（Ｄ／Ａ）寄存器回路输入的转换ＰＩＤ指令及其回路表Ｓ７—２００的ＰＩＤ指令如图３所示。首先，将给定值或Ａ／Ｄ转换后得到的整数值由】７４万方数据 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：后为０．８，选取控制器参数初值为：Ｋ。一０．２，Ｔｓ一０．０５ｓ，Ｌ一２０ｍｉｎ，Ｔｏ一１０／／主程序ＬＤＳＭ０．１ＣＡＬＬ０ｍｉｎ。控制程序如下：／／首次扫描时／／调用初始化子程序ｆｆ子程鲁ＳＭ０．ＯＭＯＶＲ０．８。ＶＤｌ０４ＭＯＶＲＯ．２。ＶＤｌ０２ＬＤ／／装入给定值０．８／／装入回路增益０．２／／装入采样时间０．０５ＭＯＶＲＯ．０５，ＶＤｌｌ６ＭＯＶＲ２０．Ｏ。ＶＤｌ２０ＭＯＶＲ１０．０。ＶＤｌ２４ＭＯＶＲ１００。ＳＭＢ３４ＡＴＣＨ０。１０ＥＮＩ／／装入积分时问２０ｍｉｎ／／装入微分时间１０ｍｉｎ／／设定定时中断的时间间隔为１００ｍｓ／／设定定时中断以执行ＰＩＤ指令／／允许中断，子程序结束／／中断程序图３衰１ＰＩＤ指令ＰＩＤ回路裹ＬＤＳＭ０．０ＬＴＤＡＩＷ０。ＡＣＯ／／单极性模拟量经Ａ／Ｄ转换后存入累加器／／３２位整数转换为实数／Ｒ３２０００．０，ＡＣＯ／／标准化累加器中的实数ＭＯＶＲＡＣ０，ＶＤｌ００／／存入回路表ＬＤ１０．０／／在自动方式下执行ＰＩＤ指令ＰＩＤＶＢｌ００，０／／回路表的起始地址为ＶＢｌ００，回路号为０ＤＴＲＡＣＯ，ＡＣＯＳＭ０．０ＭＯＶＲＶＤｌ０８，ＡＣ０ＬＤ＊Ｒ３２０００．０，ＡＣＯＲｏＵＮＤＡＣＯ，ＡＣＯＤＴＩ／／ＰＩＤ控制器的输出值送入累加器／／将累加器中的数标准化／／实数转换为３２位整数ＡＣＯ，ＡＱＷ０／／将１６位整数写入到模拟量输出（Ｄ／Ａ）寄存器６结语本文针对西门子ｓ７—２００ＰＬＣ在ＰＩＤ闭环控制系统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。参考文献［１］西门子公司．ＳｉｅｍｅｎｓＳｉｍａｔｉｃＰＩＤ运算后，都要更新回路表内的输入值坛，它被限制在０．Ｏ～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。Ｓ７—２００可编程序控制器系统手册Ｃｚ３．北京：西门子公司，２００４．［２３西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团．深入浅出西门子ｓ７—２００ＰＬＣ［Ｍ３．北京：北京航空航天大学出版社，２００３．［３３高钦和．可编程控制器应用技术与设计实例［Ｍ３．北京：人民邮电出版社，２００４．［４］田永利．ＰＬＣ在纸张加工机控系统中的应用ＥＪ］．现代电子技术，２００４，２７（２３）：７５—７６，１７５．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作者简介强宝民肖晟男，１９６４年出生，教授。主要从事系统仿真与自动检测方向的研究。男，１９８３年出生，硕士研究生。主要从事系统仿真与自动检测方向的研究。１７５万方数据 S7-200 PLC在PID闭环控制系统中的应用
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强宝民， 肖晟， QIANG Baomin， XIAO Sheng第二炮兵工程学院,陕西,西安,710025现代电子技术
MODERN ELECTRONICS TECHNIQUE2008,31(14)1次
1.西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团 深入浅出西门子S7-200PIC 20032.西门子公司 Siemens Simatic S7-200可编程序控制器系统手册 20043.田永利 PLC在纸张加工机控系统中的应用[期刊论文]-现代电子技术 2004(23)4.高钦和 可编程控制器应用技术与设计实例 2004
1.杨旭东.谢昆.苏媛媛.张飞库 利用PLC实现铜箔收卷的PI控制[期刊论文]-机械与电子 2009(12)
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