西門(mén)子PLC標(biāo)準(zhǔn)PID功能在工程中的應(yīng)用

【摘要】西門(mén)子PLC標(biāo)準(zhǔn)PID功能由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、操作便捷以及良好的使用性能，在工業(yè)過(guò)程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。文章從PID的控制算法出發(fā)，分析了西門(mén)子PLC標(biāo)準(zhǔn)PID功能在一些工程中的應(yīng)用，并對(duì)PLC系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)的故障做了簡(jiǎn)要分析。

【關(guān)鍵詞】西門(mén)子PLCPID控制工程應(yīng)用

PID控制是應(yīng)用最多的一種控制方法，其突出優(yōu)勢(shì)墊定了其在控制領(lǐng)域的統(tǒng)治地位。首先它可以根據(jù)用戶(hù)的控制要求改變結(jié)構(gòu)，以普通PID控制為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(qū)的PID控制等。其次PID控制不需要建立控制目標(biāo)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這為很多難以建立甚至根本無(wú)法建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的工業(yè)控制目標(biāo)來(lái)說(shuō)提供了實(shí)現(xiàn)途徑。

一、PID控制算法

PID控制器的傳遞函數(shù)為：

它由比例控制、積分控制和微分控制三部分組成。

當(dāng)kp=1時(shí)，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(tǒng)型別和消減穩(wěn)態(tài)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(tǒng)的響應(yīng)速度在很大程度上得以提高。

（1）比例控制作用

當(dāng)設(shè)定的期望值SV與過(guò)程輸出值PV之間產(chǎn)生偏差時(shí)，比例控制器能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)變量U的大小，使得變量U的大小朝著減小偏差E的趨勢(shì)變化。比例控制器調(diào)節(jié)的快慢程度由比例系數(shù)K的大小決定，盡管K較大時(shí)系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度快，但也不能超過(guò)一定范圍，K過(guò)大會(huì)使控制系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)或振蕩等非正常現(xiàn)象，相反，K較小時(shí)系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度慢。比例控制器無(wú)法消除靜差值，影響了其調(diào)節(jié)精度，是其主要缺點(diǎn)所在。

（2）積分控制作用

為了提高比例控制器的調(diào)節(jié)精度，就要避免靜差值，多引入一個(gè)積分控制器從而構(gòu)成比例積分控制器。該控制器的積分常數(shù)Ti是當(dāng)積分控制作用與比例控制作用的輸出相等時(shí)，所花費(fèi)的控制時(shí)間。積分常數(shù)Ti的大小決定著積分作用的強(qiáng)弱。他們之間成反比，當(dāng)Ti選擇的越小，積分的控制作用就越大越明顯，相反系統(tǒng)振蕩的減弱速度就越慢。當(dāng)Ti過(guò)小時(shí)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)的持續(xù)振蕩。當(dāng)Ti選擇的較大時(shí)，積分的控制作用就變得不明顯，而系統(tǒng)使偏差消失的時(shí)間就越長(zhǎng)。

（3）微分控制作用

引入微分控制器主要是為了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)系統(tǒng)偏差（e）在某一瞬時(shí)發(fā)生變化時(shí)，微分控制器會(huì)即刻做出響應(yīng)，來(lái)減小偏差。當(dāng)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(tǒng)總是處于穩(wěn)態(tài)，避免振蕩等非正常現(xiàn)象的發(fā)生，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。和積分控制作用類(lèi)似，微分常數(shù)Td的定義是：當(dāng)控制器的微分控制作用和比例控制作用的輸出相等時(shí)所花費(fèi)的控制時(shí)間。微分常數(shù)Td不宜過(guò)大，過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩不穩(wěn)定。

二、西門(mén)子PLC標(biāo)準(zhǔn)PID功能在工程中的一些應(yīng)用

PLC可編程序控制器是一種新型的工業(yè)控制裝置，利用PLC可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的PID閉環(huán)控制功能，性?xún)r(jià)比高、用戶(hù)使用方便快捷、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好。

2.1硬件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)是測(cè)量激光參數(shù)的電控系統(tǒng)，其主要功能包括：完成對(duì)光束的控制、光路的準(zhǔn)直、數(shù)據(jù)的采集等。該控制系統(tǒng)最大的特色是被控制的設(shè)備數(shù)目多而且可以不集中，傳輸信息的能力強(qiáng)，因此在硬件的最初設(shè)計(jì)上就選擇的是分層次構(gòu)造，從而使系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中便于操作和維修。控制系統(tǒng)共有6個(gè)束組FEP，每一個(gè)束組FEP控制264個(gè)電機(jī)。分控機(jī)在主控制房間內(nèi)連接的是一千兆的光纖網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)控制中心，主要用來(lái)管理各個(gè)控制器件和測(cè)量器件。光纖交換機(jī)向上和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接口相連，向下通過(guò)CP343-1，以太網(wǎng)模塊連接著S7-300PLC。S7-300PLC通過(guò)DP口連接EM277模塊，最下層每個(gè)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(shí)控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。

（2）系統(tǒng)配置

CP343-1：是全雙工的以太網(wǎng)絡(luò)通信處理器型號(hào)，憑借工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)以每秒鐘100MB傳輸數(shù)據(jù)的速度快速將S7-300集成到綜合系統(tǒng)中，該綜合系統(tǒng)中有一個(gè)預(yù)先設(shè)定好的的且僅有的以太網(wǎng)絡(luò)地址，能夠獨(dú)立解決工業(yè)以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)阻塞。

CPU224：16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，具有PID控制器，一個(gè)RS485通訊/編程口，是具備較強(qiáng)控制機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)可以由其中的任何一路單獨(dú)來(lái)生成。

EM277：PROIBUS-DP模塊，在控制程序中用于單元級(jí)管理設(shè)備和分層式I/O的通訊。S7-200CPU經(jīng)過(guò)EM277的DP通信端口能夠連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，各EM277之間經(jīng)過(guò)串行的I/O總線(xiàn)通信。

步進(jìn)電機(jī)：可選用兩相混合式的步進(jìn)電機(jī)。

驅(qū)動(dòng)器：選用與步進(jìn)電機(jī)能夠配套的四通驅(qū)動(dòng)器SH-20403。

2.2軟件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)軟件配置

該系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用SIMATIC STEP7 V5.3、STEP 7MicroW-NV40SP4和WinCCV6.0。其中S7-300硬件組態(tài)配置，網(wǎng)絡(luò)通信端口配置，OB、FB、FC編程，物理地址配置等任務(wù)主要是由STEP7V5.3編程軟件來(lái)完成。而STEP7Micro/WN編程軟件則能夠?qū)7-200進(jìn)行編程。上位機(jī)組態(tài)軟件Win CC V6.0通過(guò)控制界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)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(shí)間，所以在自動(dòng)控制領(lǐng)域中被廣泛的使用。

（2）硬件組態(tài)

SIMATIC STEP7H/Wconfig中組態(tài)配置內(nèi)容主要有：硬件名稱(chēng)、類(lèi)型選擇和DP網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置等。S7-200與S7-300之間的PROFIBUS通訊是通過(guò)EM277進(jìn)行的，需要在STEP7中進(jìn)行S7-300站組態(tài)，但必須在安裝完成新的GSD文件之后才能在硬件設(shè)備中找到EM277。同時(shí)在組態(tài)過(guò)程中需要首先設(shè)定好CPU315-2DP的地址，它的默認(rèn)值為2。組態(tài)中EM277的地址不能設(shè)置的與主站地址一致，在STEP7V5.3中組態(tài)的EM277 PROFIBUS站地址要設(shè)置成與實(shí)際EM277上的撥碼開(kāi)關(guān)相同的地址，最后再選擇EM277的通信接口區(qū)大小為32 byte輸入/輸出。

2.3在IPSEN調(diào)質(zhì)爐中的應(yīng)用

西門(mén)子PLC標(biāo)準(zhǔn)PID功能在IPSEN調(diào)質(zhì)爐中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在溫度的控制，IPSEN爐溫度控制主要包括三部分內(nèi)容，即調(diào)質(zhì)淬火處理時(shí)爐溫控制，調(diào)質(zhì)淬火處理時(shí)油槽溫度的控制以及調(diào)質(zhì)回火處理時(shí)爐溫控制。

（1）調(diào)質(zhì)淬火爐爐溫控制

根據(jù)淬火爐的加熱燃燒工藝和原用模擬調(diào)節(jié)器形式，采用PID-S（S7的步進(jìn)PID模塊）來(lái)構(gòu)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(hào)后，通過(guò)PID計(jì)算之后輸出一個(gè)模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)即PID運(yùn)算后所要求的閥位信號(hào)，將其與實(shí)際閥位的反饋信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，三位繼電器特性根據(jù)其差值的大小或產(chǎn)生打開(kāi)閥門(mén)的信號(hào)，或產(chǎn)生關(guān)閉閥門(mén)的信號(hào)，或在三位繼電特性死區(qū)內(nèi)時(shí)沒(méi)有任何驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生。（2）調(diào)質(zhì)淬火油槽溫度控制

采用PID-C（S7連續(xù)PID模塊）和脈沖產(chǎn)生器模塊一起構(gòu)成油槽溫度控制方案時(shí)，有二種構(gòu)成方式能夠?qū)崿F(xiàn)加熱和冷卻的同時(shí)控制。一種方式是采用一個(gè)PID-C后面帶一個(gè)能同時(shí)產(chǎn)生加熱和冷卻的脈沖模塊；另一種方式是用二個(gè)PID-C后面分別帶一個(gè)加熱脈沖模塊和一個(gè)冷卻脈沖模塊。

三、PLC系統(tǒng)故障分析及處理

3.1主機(jī)系統(tǒng)的故障與分析

在PLC的主機(jī)系統(tǒng)中，除了電源系統(tǒng)比較容易出現(xiàn)問(wèn)題外，通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)上也是比較薄弱的環(huán)節(jié)，時(shí)常發(fā)生各種故障。其中電源在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)候的散熱問(wèn)題，以及電壓和電流的波動(dòng)沖擊是不可避免的。

3.2端口設(shè)備故障與防護(hù)

I/O端口是PLC控制系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)。所有的信號(hào)傳輸線(xiàn)路除了傳送有用的數(shù)據(jù)外，還時(shí)常會(huì)被外界的一些無(wú)用信號(hào)干擾，這些多余信號(hào)會(huì)導(dǎo)致工作異常，并使測(cè)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(duì)其的影響，要做到按照使用手冊(cè)中的要求合理使用端口，不能任意去掉其外部的一些保護(hù)設(shè)備，還要對(duì)產(chǎn)生的干擾因素進(jìn)行分析歸類(lèi)，然后有針對(duì)性的對(duì)其進(jìn)行處理。

3.3現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障與處理

在高溫、多塵的環(huán)境中高頻工作會(huì)使得整個(gè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備容易發(fā)生故障，如繼電器、接觸器、開(kāi)關(guān)等。最大的原因除了設(shè)備自身的性能外，還有現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境高溫、多塵，容易造成接觸器的接觸點(diǎn)走火或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，甚至引起熱變形而不能使用。現(xiàn)在，廠(chǎng)商生產(chǎn)的這類(lèi)設(shè)備均采取了防護(hù)措施，因此要比以前沒(méi)加任何防護(hù)措施的元器件要耐用一些。

四、結(jié)語(yǔ)

從上文可以看出，PLC標(biāo)準(zhǔn)PID功能在步進(jìn)電機(jī)、IPSEN調(diào)質(zhì)爐以及熱風(fēng)爐系統(tǒng)中都得到了很好的應(yīng)用。因?yàn)镻ID控制成本低廉、運(yùn)行可靠方便，而且能夠進(jìn)行較為復(fù)雜的參數(shù)設(shè)置，所以在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了大力的發(fā)展，同時(shí)也占據(jù)了控制領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。

參考文獻(xiàn)

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