Step7中PID控制器（FB41）在重介密度控制中的應用

陳忠訓

【摘要】可編程序控制器（PLC）在控制領域具有強大的功能，為了充分發揮PLC的功能，相應的編程軟件也在不斷地改進，本文在闡述西門子編程軟件STEP7功能模塊在密度控制中自動加水，調節密度的應用時間，著重量介紹了PID參數的作用及常用方法。

【關鍵詞】PID連續控制器;密度控制系統

一、引言

自動控制理論與實踐的發展，為人們設計自動化程度高的系統提供了很好的方法，自動控制，就是指在沒人直接參與的情況下，利用外加的設備（控制器）操作被控制對象（電機、執行機構或生產過程）的某個狀態或參數（控制量），使其按控制器預先設定的控制量規律的自動運行。從而提高設備的運行性能、改善工作效率。

密度控制是重介選煤的核心部分，密度控制的好壞，直接影響產品的質量，介耗的大小，系統工藝的穩定，進而影響選煤生產的經濟效益。孔莊煤礦選煤廠密度控制系統為2003年重介工藝改造建立的控制系統，主要完成重介洗煤的密度調節，系統采用單片機，利用A/D轉換技術，完成密度控制系統的數據采集與控制。數據采集、轉換精度不高，密度控制波動較大，造成產品質量穩定性較差，介耗高，生產系統經常性混亂，給重介系統帶來很大的壓力。另外密度控制系統相對獨立，與生產集中控制系統沒有構成網絡，形成了脫節，造成生產滯后。

圖1 PID連續控制

為改善密度控制系統對洗煤生產造成的影響，我廠從根本上修改了原有的控制方式，推倒重來，首先在硬件上增加了一個ET200西門子I/O分站，接入現場所有的開關量信號、模擬量信號，利用總線技術與原有的S7-300 315DP連接，從而與原有控制系統形成一體。其次在控制方式上，考慮到密度控制中控制加水閥門開度大小來完成測量密度值與設定密度值的跟蹤，從而控制重介生產密度在一個有效的范圍內保持相對穩定，保證產品質量的穩定。因此，控制方式要求要有快速度性與穩定性，所以，我們采取PID控制方式來實現控制。

二、PID控制原理及FB41功能模塊的參數設定

PID控制的產品已在工程實際中得到廣泛的應用，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。PID控制器參數的自動調節，是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現，它通過調整比例、積分、微分三項參數，使得大多數的工業控制系統，如壓力、溫度、流量、液位都獲得良好閉環控制;本次密度控制系統的改造，要實現測量密度值與設定密度值的實時跟蹤，快速度有效的控制加水閥門的開關，在軟件上選用了STEP7編程軟件，利用其自身的FB41（PID連續控制，如圖1所示）功能模塊做為調節器。

1.PID調節器的作用

首先我們了解PID中各個單元的用途，經確定控制中所用哪種組合。

①比例（P）控制

比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。

②積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。

③微分（D）控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。因此在PID的實際控制中根據控制要求經常不同的組合（PI、PD、PID）來滿足控制速度及精度要求。圖2曲線所表示的為不同組合下的控制系統的響應。

圖2 不同組合下的控制系統的響應

2.FB41實現PID控制的參數及定義

西門子PLC（s7-300系列）的FB41功能模塊稱為連續控制的PID，主要用于控制連續變化的模擬量。利用FB41功能模塊可較好的實現密度PID控制。

1）FB41功能塊

在設計要求中，FB41功能模塊要在OB35模塊中調入使用，要求FB41要在OB35中周期調用且OB35的周期要與FB41采樣周期一致，在其實設計中，我們要求，PID的調節節奏應該與其采樣周期一致，也就是說，PID的調節周期應與現場模擬量的采集頻率相同，這樣有利于PID控制的同步性，因此在設計中，采用了主功能調用現場數據采集模塊，在數據采集模塊中再調用FB41的數據塊，此時，OB1參數區中掃描周期作為FB41的采樣周期。FB41參數的設置很靈活，我們在WICC上位機界面上增加了輸入輸出域，主要參設定由調度人員根據現場的實際情況進行設定，結果直接存入相應背景數據塊，FB41調用時無須再賦值。

2）FB41的主要參數

如圖3所示。COM_RST：BOOL：重新啟動PID：當該位TURE時：PID執行重啟動功能，復位PID內部參數到默認值;通常在系統重啟動時執行一個掃描周期，或在PID進入飽和狀態需要退出時用這個位;

MAN_ON：BOOL：手動值ON;當該位為TURE時，PID功能塊直接將MAN的值輸出到LMN，這可以在PID框圖中看到;也就是說，這個位是PID的手動/自動切換位;

CYCLE：TIME：PID采樣周期，一般設為200MS;

SP_INT：REAL：PID的給定值;

PV_IN：REAL：PID的反饋值（也稱過程變量）;

MAN：REAL：手動值，由MAN-ON選擇有效;

GAIN：REAL：比例增益;

TI：TIME：積分時間;

TD：TIME：微分時間;

DEADB_W：REAL：死區寬度;

LMN_HLM：REAL：PID上極限，一般是100%;

LMN_LLM：REAL：PID下極限;一般為0%;

DISV：REAL：允許的擾動量，前饋控制加入。

LMN：REAL：PID輸出;

圖3 背景數據

三、PID控制參數的整定方法

如何來設定PID控制的參數，使PID控制在合理有效的范圍內，其方法不外呼以下幾種，1）穩定邊界法;2）衰減曲線法;3）經驗湊試法。其中1，2二種需要理論依據下來確定PID參數，當然也是最理想的方法，但是在實際的應用中，更多的是通過湊試法來確定PID的參數。

經驗湊試法一般步驟是：確定比例增益P，首先我們先去掉TI與TD來項，把他設為0，使PID為純比例調節（正比或反比）。由0逐漸加大比例增益（GAIN）直至系統出現振蕩，確定一數值KC1，反過來從系統允許的最大值向0調整，直至振蕩消失，確定一數值KC2，重復多次，直到KC1≈KC2，最終確定KC值。確定好KC值后，Ti與TD值也按同樣的方法可獲得。

但在實際密度控制中，由于設計了手動功能，當手動調節密度達到或接近設定密度時，整個重介系統中的密度基本上已經趨向穩定，這時再采用自動調節時，GAIN比例增益無需較大的比例，積分時間與微分時間對密度的控制的精度也無太大的作用。

因此在實際的應用中GAIN值設定為-3（反向增益），TI：積分時間為0，TD：微分時間為0，DEADB_W：REAL：死區寬度設定為0.02（減小系統抖動）。圖4為密度控制主要控制指標及PID參數設定。

圖4 主要控制指標及PID參數設定

四、結束語

本文闡述了step7的FB41在重介密度控制系統的應用，并講述了采用經驗湊試法對PID控制參數的確定以及在編程軟件的使用方法。

圖5 現有的密度控制響應與穩定曲線（a）

圖6 現有的密度控制響應與穩定曲線（b）

圖5、圖6為現有的密度控制響應與穩定曲線，無論在實踐使用過程中，還是從圖表中的反映上來看，控制效果比較明顯，在控制系統的響應上，密度跟蹤與保持上，都非常速度、穩定、有效。完全滿足生產對控制上的要求。此方法值得推廣。