基于S7-300PLC和Wincc的PID參數(shù)整定研究

鄭尚磊，傅迎華,2，周代仝

(1. 上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2. 上海交通大學 自動化系，上海 200240；3. 上海煊榮自動化科技有限公司，上海 201106)

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基于S7-300PLC和Wincc的PID參數(shù)整定研究

鄭尚磊1，傅迎華1,2，周代仝3

(1. 上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2. 上海交通大學 自動化系，上海 200240；3. 上海煊榮自動化科技有限公司，上海 201106)

在Wincc中開發(fā)的趨勢圖具有直觀性和易操作性的基礎(chǔ)上，采用SIMATIC和Wincc軟件通信的方法，使用S7-300PLC軟件自帶的FB41功能塊和通過編程設(shè)計的FB100功能塊對整個閉環(huán)控制系統(tǒng)進行模擬。在Wincc中開發(fā)出用于PID參數(shù)整定的趨勢圖畫面，調(diào)節(jié)趨勢圖中IO域的參數(shù)，根據(jù)生成的跟隨信號的波形對PID控制器的參數(shù)進行整定。通過對閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真實驗，得到了在方波給定信號輸入下準確穩(wěn)定的跟隨信號，其中比例系數(shù)為2.00，積分時間和微分時間分別為10 000 ms和2 000 ms。

Wincc；S7-300PLC；PID控制器；閉環(huán)控制系統(tǒng)

PID控制器是自動控制領(lǐng)域應用廣泛、易于實現(xiàn)的閉環(huán)控制器[1]。西門子PLC控制系統(tǒng)以其穩(wěn)定、快速等優(yōu)點在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應用。西門子S7-300PLC的編程軟件中提供了PID連續(xù)控制模塊FB41，可直接調(diào)用該模塊，對設(shè)定值、反饋值和控制器的輸出進行計算處理。在功能模塊FB100中編寫被控對象的仿真程序來模擬實際的執(zhí)行機構(gòu)和被控對象，與功能塊FB41組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。無需任何PLC硬件和PLC的外部執(zhí)行機構(gòu)、檢測元件和被控對象，便可模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過Wincc監(jiān)控界面可以實時采集到設(shè)定值、輸出值的參數(shù)，并以曲線趨勢顯示出設(shè)定值和輸出值的動態(tài)曲線，便于對PID控制器的參數(shù)進行整定。

當被控對象或參數(shù)不能完全掌握或者得不到精確的數(shù)學模型，并且其他的控制技術(shù)難以采用時，PID控制器的參數(shù)就必須要通過經(jīng)驗來進行現(xiàn)場調(diào)試[2]，此時PID參數(shù)整定技術(shù)可發(fā)揮較大的作用。

1 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)

1.1 模擬量PID閉環(huán)控制系統(tǒng)組成

PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)、微分單元(D)組成[3-4]。根據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差，通過經(jīng)驗來不斷調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使其在Wincc的趨勢圖中調(diào)試出符合實際要求的控制量，從而對被控對象進行準確的控制。

圖1 PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

1.2 PID控制器的輸出表達式

模擬量PID控制器的輸出表達式為

(1)

式中,sp(t)為設(shè)定值；pv(t)為反饋值；mv(t)是控制器的輸出信號；KP為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。(1)比例環(huán)節(jié)。增益與偏差的乘積作為控制器輸出中的比例部分，增益過大會造成反饋的震蕩[5-6]；(2)積分環(huán)節(jié)。主要用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度。積分時間越短，偏差得到的修正越快，過短的積分時間有可能造成不穩(wěn)定；(3)微分環(huán)節(jié)。偏差值發(fā)生改變時，微分作用將增加一個尖峰到輸出中，隨著時間減小，微分時間越長，輸出的變化越大，微分使控制對擾動的敏感度增加，使得偏差的變化速率變大[7]。

2 PID仿真系統(tǒng)的整體設(shè)計方案

整定PID控制器的參數(shù)，需要做閉環(huán)控制系統(tǒng)的實驗，本實驗使用S7-300PLC的仿真軟件PLCSIM對閉環(huán)系統(tǒng)進行仿真[8-9]，使用Wincc的趨勢圖顯示PID控制器的方波給定曲線和被控量的階躍響應曲線。

2.1 S7-300PLC功能模塊對系統(tǒng)的模擬

使用S7-300PLC的功能塊FB41來模擬PID控制器，F(xiàn)B100功能塊來模擬實際的執(zhí)行機構(gòu)和被控對象，與FB41構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，便可實現(xiàn)對閉環(huán)系統(tǒng)的模擬仿真，可使用Wincc人機界面上的IO域來修改PID控制器和被控對象的參數(shù)，人機界面的功能也通過仿真實現(xiàn)。

圖2 閉環(huán)仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使用功能塊FB100來模擬被控對象，在此處用3個串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)來模擬被控對象，表示為

(2)

2.2 仿真系統(tǒng)的組態(tài)

實驗使用STEP7和Wincc軟件，使用的CPU型號為CPU315-2DP，在SIMATIC HMI Station中，HMI的型號為8in的MP277。打開組態(tài)工具Netpro，將S7-300PLC站點和HMI站點連接到MPI網(wǎng)絡(luò)上，其的MPI站點分別為2和3，保存和編譯組態(tài)信息。

圖3 PLC模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)組態(tài)

3 仿真系統(tǒng)的程序設(shè)計

3.1 仿真系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)

為保證PID模擬仿真閉環(huán)控制系統(tǒng)運算的精度，使用循環(huán)中斷組織塊OB35來調(diào)用FB41和FB100[10-11]。打開硬件組態(tài)工具HW Config，雙擊機架中的CPU，打開CPU屬性對話框，在“周期中斷”選項卡中，將OB35的時間間隔設(shè)置為200 ms，保存和編譯組態(tài)信息，將組態(tài)數(shù)據(jù)下載到仿真CPU,當程序運行時，每隔200 ms自動調(diào)用一次OB35。 DB41和DB100分別為FB41和FB100的背景數(shù)據(jù)塊，仿真的閉環(huán)控制系統(tǒng)的邏輯塊和數(shù)據(jù)塊的符號如圖4所示。

圖4 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)符號

3.2 在OB1中編寫方波給定信號梯形圖

在OB1中使用T1和T2組成震蕩電路，T1的常開觸點的接通和斷開時間均為40 s。

圖5 OB1中產(chǎn)生方波信號梯形圖

“PID_DI”.SP_INT是FB41的背景數(shù)據(jù)塊中存放控制器浮點數(shù)設(shè)置的輸入變量。在T1的常開觸點剛接通和斷開時，分別將設(shè)定值SP_INT修改為浮點數(shù)20.0%和70.0%，設(shè)定值的信號為方波信號。

3.3 數(shù)據(jù)塊DB

使用功能塊FB41進行PID控制，需要建立FB41的背景數(shù)據(jù)塊DB41[12]，數(shù)據(jù)塊DB41中包含F(xiàn)B41的引腳地址及其初始值和實際值，在Wincc的仿真趨勢圖中用到的引腳包括：

“PID_DI”.GAIN：比例增益，通過Wincc界面設(shè)定，地址為DB41.DBD20。

“PID_DI”.TI：積分時間，在Wincc界面和變量表VAT1中可對其賦值，地址為DB41.DBD24。

“PID_DI”.TD：微分時間，在Wincc界面和VAT1中可以對其賦值，地址為DB41.DBD28。

“PID_DI”.SP_INT:浮點數(shù)類型的輸入信號，在Wincc界面中為設(shè)定值，地址為DB41.DBD6。

“PID_DI”.PV_IN:由被控對象輸出的浮點型過程變量，在Wincc界面中為輸出值，地址為DB41.DBD10。

3.4 循環(huán)中斷組織塊OB35

為保證PID運算的采樣周期的精度，用循環(huán)中斷組織塊OB35調(diào)用FB41和FB100。在組織塊OB35中，使用在OB100中設(shè)置的FB41和FB100的參數(shù)，此處的OB100為起動組織塊。因為OB100和OB35中的程序類似，因此只編寫OB35中的部分程序，下面是循環(huán)中斷組織塊OB35的程序：

程序段1 調(diào)用被控對象仿真程序FB100

CALL "過程對象" ,"對象DI"http://FB100/DB100 分別為模擬對象和模擬對象背景數(shù)據(jù)塊

DISV:= //擾動量，初始值為0.0

GAIN:= //比例系數(shù)，可使用觸摸屏設(shè)定

TM_LAG1:= //時間常數(shù)1，可使用觸摸屏設(shè)定

TM_LAG2:=

TM_LAG3:=

COM_RST:= //啟動標志

CYCLE:= //采樣周期

OUTV:="PID_DI".PV_IN //輸出作為閉環(huán)控制的反饋值

程序段2 計算微分操作的延遲時間，其中TM_LAG=TD/5

L "PID_DI".TD

L 5.000000e+000

/R

T "PID_DI".TM_LAG

程序段3 調(diào)用連續(xù)PID控制器FB41

CALL "CONT_C" , "PID_DI"

COM_RST:=

SP_INT:=

PV_IN:="對象DI".OUTV//浮點數(shù)格式過程變量輸入

GAIN:= //比例系數(shù)，可觸摸屏設(shè)置

TI:=

TD:=

TM_LAG:=//微分部分的延遲時間,微分時間TD的1/5

DISV:= //擾動輸入變量，默認值為0.0

4 PID控制系統(tǒng)的仿真實驗

4.1 使用STEP7的變量表監(jiān)控PID控制程序

在SIMATIC管理器中，單擊工具欄上的模擬仿真按鈕，打開PLCSIM仿真界面，將組態(tài)信息和模擬仿真程序信息下載到仿真PLC中[13]，將仿真PLC切換到RUN-P模式。根據(jù)調(diào)試的需要，使用變量表VAT1集中監(jiān)視和修改PID控制器的關(guān)鍵參數(shù)和被控對象的3個時間常數(shù)[14]，如圖6所示。

圖6 監(jiān)控變量表

可對變量表的變量參數(shù)進行監(jiān)控以及修改PID控制器的參數(shù)，因此可以對PID的變量參數(shù)進行整定，使PV_IN的值能夠準確的跟蹤方波發(fā)生信號SP_INT的變化而變化。

4.2 使用觸摸屏的趨勢圖對PID參數(shù)整定

用變量表監(jiān)控的方法不能直觀的看到PID閉環(huán)控制中的設(shè)定值和測量值的變化趨勢，不能方便地對PID的參數(shù)進行直觀性的整定。通過對觸摸屏的操作，生成和S7-300PLC相互配合的趨勢圖，打開SIMATIC和Wincc軟件，運行開發(fā)好的模擬仿真閉環(huán)控制系統(tǒng)文件，出現(xiàn)仿真面板，由于前面PLC中組織塊OB1中方波產(chǎn)生信號的作用，PID控制器的給定值在20%～70%之間階躍變化，在仿真面板中對應的曲線為綠色的方波輸入信號。被控對象的輸出變量對應于黑色的曲線，實驗的目的就是通過對PID控制器參數(shù)的整定使輸出變量準確地跟蹤輸入信號。

4.3 實驗分析

圖7中采用PI調(diào)節(jié)，圖中的方波信號是由PLC中組織塊OB1中的程序產(chǎn)生，設(shè)置微分時間為0 ms，積分時間設(shè)置為8 500 ms，圖中左邊和中間的PID控制器比例系數(shù)設(shè)置為2.00，右邊的響應曲線比例增益設(shè)置為1.00，可明顯地看到控制器的比例系數(shù)，比例作用和積分作用同時都被減弱。因此減小控制器的增益能顯著降低響應曲線的超調(diào)量[15-16]。

圖7 PI調(diào)節(jié)器的階躍響應曲線

圖8中改變被控對象的時間常數(shù)，調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)：比例系數(shù)為2.00，積分時間為2 000 ms，微分時間為1 500 ms，圖中左邊曲線為該參數(shù)下的響應曲線。將微分時間改為1 500 ms，可看到圖中右邊的響應曲線，由于微分作用較強，在誤差的劇烈變化時，對誤差變化的抑制作用過于強烈，響應曲線上出現(xiàn)了不少毛刺，在這種情況下應適當減弱微分部分。

圖8 微分作用過強的曲線

圖9 PID的階躍響應曲線

圖9中PID控制器設(shè)置的初始值分別為比例系數(shù)為2.00，積分時間為2 000 ms，微分時間為800 ms。在圖中可看到該曲線的超調(diào)量較大，有多次震蕩，單擊觸摸屏模擬畫面的文本域積分時間右側(cè)的輸入/輸出域，使用出現(xiàn)的數(shù)字鍵盤將積分時間改為3 000 ms,使用同樣的方法將微分時間改為1 500 ms。中間部分的下降曲線是修改參數(shù)后的響應曲線，可以看到其超調(diào)量和震蕩次數(shù)明顯降低。使用數(shù)字鍵盤再將積分時間改為10 000 ms，微分時間改為2 000 ms，圖7中右半部分波形是對應的響應曲線，其超調(diào)量幾乎為0。

5 結(jié)束語

通過功能塊FB41和FB100對整個控制系統(tǒng)進行模擬，使用觸摸屏生成給定曲線和跟蹤曲線來對PID的控制參數(shù)進行整定，整定的目的就是使跟蹤曲線快速、準確、穩(wěn)定地跟隨給定曲線的變化而變化。通過對PID參數(shù)進行整定和對跟蹤曲線的比較，學習了對PID參數(shù)進行整定的方法和步驟，為實際工程的PID參數(shù)整定提供了參考。

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PID Parameter Setting Based on S7-300 PLC and Wincc

ZHENG Shanglei1，F(xiàn)U Yinghua1,2，ZHOU Daitong3

(1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China; 2. Department of Automation,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China;3. Shanghai Xuanrong Automation Technology CO.Ltd.,Shanghai 201106, China)

The trend of development in the Wincc figure on the basis of intuitive and easy operability, adopt the method of SIMATIC Wincc software and communication, S7-300 PLC software used to own FB41 function block and through the programming design of FB100 function block used for simulating the whole closed-loop control system.Developed in the Wincc trend chart picture for PID parameters setting, adjust the parameters of trend diagram IO domain, according to the following signal waveform generated for setting the parameters of the PID controller.Through the simulation experiments of closed-loop control system, get under the square wave signal input given accurate stability following the signal, the proportion coefficient is 2.00, integral and differential time 10 000 ms and 2 000 ms respectively.

Wincc; S7-300 PLC; the PID controller; closed- loop control system

2016- 01- 21

鄭尚磊(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：工業(yè)控制等。傅迎華(1976-)，女，博士，講師。研究方向：圖像處理算法等。 周代仝(1979-)，男，碩士，高級工程師。研究方向：自動控制理論。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.028

TN277

A

1007-7820(2016)11-097-04