西門子PLC標準PID功能在工程中的應用

【摘要】西門子PLC標準PID功能由于結構簡明、操作便捷以及良好的使用性能，在工業過程控制中得到了廣泛的應用。文章從PID的控制算法出發，分析了西門子PLC標準PID功能在一些工程中的應用，并對PLC系統可能會出現的故障做了簡要分析。

【關鍵詞】西門子PLCPID控制工程應用

PID控制是應用最多的一種控制方法，其突出優勢墊定了其在控制領域的統治地位。首先它可以根據用戶的控制要求改變結構，以普通PID控制為基礎來實現其他各種PID的變型控制操作，包括PI、PD控制，不完全微分控制，帶死區的PID控制等。其次PID控制不需要建立控制目標準確的數學模型，這為很多難以建立甚至根本無法建立準確數學模型的工業控制目標來說提供了實現途徑。

一、PID控制算法

PID控制器的傳遞函數為：

它由比例控制、積分控制和微分控制三部分組成。

當kp=1時，可以得到其伯德圖，從伯德圖中可以了解到，在低頻率部分主要是PI控制器起控制作用，從而提高系統型別和消減穩態誤差；在中、高頻率部分，主要是PD控制器起控制作用，使得系統的響應速度在很大程度上得以提高。

（1）比例控制作用

當設定的期望值SV與過程輸出值PV之間產生偏差時，比例控制器能夠自動調節變量U的大小，使得變量U的大小朝著減小偏差E的趨勢變化。比例控制器調節的快慢程度由比例系數K的大小決定，盡管K較大時系統調節速度快，但也不能超過一定范圍，K過大會使控制系統出現超調或振蕩等非正常現象，相反，K較小時系統調節速度慢。比例控制器無法消除靜差值，影響了其調節精度，是其主要缺點所在。

（2）積分控制作用

為了提高比例控制器的調節精度，就要避免靜差值，多引入一個積分控制器從而構成比例積分控制器。該控制器的積分常數Ti是當積分控制作用與比例控制作用的輸出相等時，所花費的控制時間。積分常數Ti的大小決定著積分作用的強弱。他們之間成反比，當Ti選擇的越小，積分的控制作用就越大越明顯，相反系統振蕩的減弱速度就越慢。當Ti過小時，嚴重時會造成系統的持續振蕩。當Ti選擇的較大時，積分的控制作用就變得不明顯，而系統使偏差消失的時間就越長。

（3）微分控制作用

引入微分控制器主要是為了改善系統的動態特性。當系統偏差（e）在某一瞬時發生變化時，微分控制器會即刻做出響應，來減小偏差。當偏差變化的越明顯，微分控制的作用也就越明顯，從而使系統總是處于穩態，避免振蕩等非正常現象的發生，改善系統的動態特性。和積分控制作用類似，微分常數Td的定義是：當控制器的微分控制作用和比例控制作用的輸出相等時所花費的控制時間。微分常數Td不宜過大，過大時會導致系統震蕩不穩定。

二、西門子PLC標準PID功能在工程中的一些應用

PLC可編程序控制器是一種新型的工業控制裝置，利用PLC可以實現對模擬量的PID閉環控制功能，性價比高、用戶使用方便快捷、抗干擾能力強、可靠性好。

2.1硬件設計

（1）系統概述

該系統是測量激光參數的電控系統，其主要功能包括：完成對光束的控制、光路的準直、數據的采集等。該控制系統最大的特色是被控制的設備數目多而且可以不集中，傳輸信息的能力強，因此在硬件的最初設計上就選擇的是分層次構造，從而使系統在運行的過程中便于操作和維修。控制系統共有6個束組FEP，每一個束組FEP控制264個電機。分控機在主控制房間內連接的是一千兆的光纖網絡，是一個控制中心，主要用來管理各個控制器件和測量器件。光纖交換機向上和現場工業以太網通過網絡連接口相連，向下通過CP343-1，以太網模塊連接著S7-300PLC。S7-300PLC通過DP口連接EM277模塊，最下層每個S7-200PLC模塊都與EM277模塊相連，CPU224有Q0.0和Q0.1兩路脈沖輸出，可以同時控制兩臺步進電機。

（2）系統配置

CP343-1：是全雙工的以太網絡通信處理器型號，憑借工業以太網絡以每秒鐘100MB傳輸數據的速度快速將S7-300集成到綜合系統中，該綜合系統中有一個預先設定好的的且僅有的以太網絡地址，能夠獨立解決工業以太網上的數據阻塞。

CPU224：16K字節程序和數據存儲空間，具有PID控制器，一個RS485通訊/編程口，是具備較強控制機制的控制器。有兩路互不干涉的20千赫茲高速脈沖從該控制器輸送出，控制步進電動機驅動器的脈沖信號可以由其中的任何一路單獨來生成。

EM277：PROIBUS-DP模塊，在控制程序中用于單元級管理設備和分層式I/O的通訊。S7-200CPU經過EM277的DP通信端口能夠連接到PROFIBUS-DP網絡，各EM277之間經過串行的I/O總線通信。

步進電機：可選用兩相混合式的步進電機。

驅動器：選用與步進電機能夠配套的四通驅動器SH-20403。

2.2軟件設計

（1）系統軟件配置

該系統的軟件開發平臺選用SIMATIC STEP7 V5.3、STEP 7MicroW-NV40SP4和WinCCV6.0。其中S7-300硬件組態配置，網絡通信端口配置，OB、FB、FC編程，物理地址配置等任務主要是由STEP7V5.3編程軟件來完成。而STEP7Micro/WN編程軟件則能夠對S7-200進行編程。上位機組態軟件Win CC V6.0通過控制界面對數據進行實時監控，在STEP 7中定義的變量可以在Win CC中直接使用，這將大幅降低工程時間，所以在自動控制領域中被廣泛的使用。

（2）硬件組態

SIMATIC STEP7H/Wconfig中組態配置內容主要有：硬件名稱、類型選擇和DP網絡參數設置等。S7-200與S7-300之間的PROFIBUS通訊是通過EM277進行的，需要在STEP7中進行S7-300站組態，但必須在安裝完成新的GSD文件之后才能在硬件設備中找到EM277。同時在組態過程中需要首先設定好CPU315-2DP的地址，它的默認值為2。組態中EM277的地址不能設置的與主站地址一致，在STEP7V5.3中組態的EM277 PROFIBUS站地址要設置成與實際EM277上的撥碼開關相同的地址，最后再選擇EM277的通信接口區大小為32 byte輸入/輸出。

2.3在IPSEN調質爐中的應用

西門子PLC標準PID功能在IPSEN調質爐中的應用主要體現在溫度的控制，IPSEN爐溫度控制主要包括三部分內容，即調質淬火處理時爐溫控制，調質淬火處理時油槽溫度的控制以及調質回火處理時爐溫控制。

（1）調質淬火爐爐溫控制

根據淬火爐的加熱燃燒工藝和原用模擬調節器形式，采用PID-S（S7的步進PID模塊）來構成淬火爐爐溫控制。

PID-S的大體工作原理是：該模塊接收到e信號后，通過PID計算之后輸出一個模擬信號，該模擬信號即PID運算后所要求的閥位信號，將其與實際閥位的反饋信號進行對比，三位繼電器特性根據其差值的大小或產生打開閥門的信號，或產生關閉閥門的信號，或在三位繼電特性死區內時沒有任何驅動信號產生。（2）調質淬火油槽溫度控制

采用PID-C（S7連續PID模塊）和脈沖產生器模塊一起構成油槽溫度控制方案時，有二種構成方式能夠實現加熱和冷卻的同時控制。一種方式是采用一個PID-C后面帶一個能同時產生加熱和冷卻的脈沖模塊；另一種方式是用二個PID-C后面分別帶一個加熱脈沖模塊和一個冷卻脈沖模塊。

三、PLC系統故障分析及處理

3.1主機系統的故障與分析

在PLC的主機系統中，除了電源系統比較容易出現問題外，通訊網絡系統和程序設計上也是比較薄弱的環節，時常發生各種故障。其中電源在長時間工作時候的散熱問題，以及電壓和電流的波動沖擊是不可避免的。

3.2端口設備故障與防護

I/O端口是PLC控制系統最薄弱的環節。所有的信號傳輸線路除了傳送有用的數據外，還時常會被外界的一些無用信號干擾，這些多余信號會導致工作異常，并使測量精度大為下降，甚至引起元器件的損傷。為防止外界干擾對其的影響，要做到按照使用手冊中的要求合理使用端口，不能任意去掉其外部的一些保護設備，還要對產生的干擾因素進行分析歸類，然后有針對性的對其進行處理。

3.3現場設備的故障與處理

在高溫、多塵的環境中高頻工作會使得整個控制系統的現場設備容易發生故障，如繼電器、接觸器、開關等。最大的原因除了設備自身的性能外，還有現場環境高溫、多塵，容易造成接觸器的接觸點走火或發生化學反應，甚至引起熱變形而不能使用。現在，廠商生產的這類設備均采取了防護措施，因此要比以前沒加任何防護措施的元器件要耐用一些。

四、結語

從上文可以看出，PLC標準PID功能在步進電機、IPSEN調質爐以及熱風爐系統中都得到了很好的應用。因為PID控制成本低廉、運行可靠方便，而且能夠進行較為復雜的參數設置，所以在工業控制領域得到了大力的發展，同時也占據了控制領域的主導地位。

參考文獻

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