【干货分享】S7-1200 PID功能组态

在我们实际工作经常会用到PID控制系统 ，比如控制恒压供水设备，恒温加热设备等。这些设备使用PLC进行控制时，不仅仅需要编程，还需要设置相关参数（或者说组态）。只有正确设置了相关参数之后，程序编写的才有意义。

那么今天我们以西门子1200PLC 为例，给大家讲讲如何组态PID功能 。在组态之前，要先判断如何选择PID指令，因为根据不同的应用场景选择的PID指令不同，指令选择的不同的话，组态也有一些区别。

①PID指令选择：

S7-1200 PID 功能有三条指令可供选择， 分别为 PID_Compact，PID_3Step，PID_Temp，如图1所示：

▲图1 | PID指令图▲

第一步： 先判断是否使用三位执行机构，如果使用则选择PID_3Step指令。这里解释一下三位执行机构的特点：

1、只接受开启/关闭两个数字量输出控制；

2、具有开到位/关到位的限位开关输入信号，或具有模拟量反馈位置信号。

比如现场的一些电动阀门，PLC控制电动阀门的正转或者反转从而控制流量、压力等 。PID_3Step指令（如图2）控制两个开关量的输出，比如一个为1，一个为0，电动机可能是正转。一个0，另外为1，电动机可能是反转。

▲图2 | PID_3Step指令▲

第二步： 如果未使用三位执行机构，判断是不是多回路、串级控制，如果是，则跳转到第3步判断；如果不是，则跳转到第4步。

第三步： 判断是不是需要加热/制冷双输出（比如在空调系统中）。如果需要，则调用PID_Temp指令，如图3所示。

▲图3 | PID_Temp指令▲

第四步： 判断是不是需要温度控制常用的附加功能（如控制带、死区等），如果不需要，则调用PID_Compact，如图4所示。

▲ 图4 | PID_Compact指令▲

这边解释一下“控制带”及“死区”这两个概念。

控制带：

在温度控制具有明显的大滞后特性，当过程值偏离设定值较大时调节过程过于缓慢，而接近设定值时又容易出现较大超调。

存在上述两种问题，温度控制必须满足在偏差超过一定的范围时，输出最大或者最小的调节量，让温度值快速回到一个小的范围中，以缩短调节时间：在设定值附近时，越靠近设定值，调节量应越小，以防止超调。为此，控制带功能在当过程值大于设定值,且偏差绝对值超过控制带,则以输出下限作为输出值。当过程值小于设定值，且偏差绝对值超过控制带,则以输出上限作为输出值。如果偏差的绝对值小于控制带，则以实际PID的计算结果作为输出。

死区：

在控制系统中，执行机构如果动作频繁，会导致小幅震荡造成机械磨损，很多控制系统允许被控量在一定范围内存在误差，该误差称为PID的死区。

当过程值满足如下公式时，SP –"死区宽度"＜PV ＜SP +"死区宽度"时，PID停止调节保持输出不变。如下图所示

②PID_Compact指令组态

我们以最基本的恒压供水系统，给大家说明如何组态（设置相关参数）。必须先添加循环中断，然后在循环中断中添加PID_Compact指令。在循环中断的属性中，可以修改其循环时间（如图5）。

▲图5 | 添加循环中断后在属性界面修改其循环时间▲

这里解释一下循环时间： PID控制器的采样时间是循环中断时间的整数倍。如果我们自整定PID参数，系统会自动计算sRet.r_Ctrl_Cycle（采样时间）参数。若用户使用手动方式设定PID参数，则一定要注意此参数为循环中断时间的整数倍。

例如： PID控制器的采样时间是1s,循环中断时间为100ms，则在1S的时间内，循环中断执行了10次，但前9次PID控制器都不进行运算。

（1）在“指令> 工艺> PID 控制> Compact PID> PID_Compact”下，将PID_Compact 指令添加至循环中断。如图6所示：

▲图6 | 在循环中断中添加PID_Compact 指令▲

（2）当添加完PID_Compact 指令后，在项目树> 工艺对象文件夹中，会自动关联出PID_Compact_x[DBx]，包含其组态界面和调试功能。如图7所示：

▲图7 | 工艺对象中关联生成PID_Compact▲

（3）使用PID控制器前，需要对其进行组态设置，分为基本设置、过程值设置、高级设置 等部分。如图8所示：

▲图8 | PID_Compact > 基本设置>控制器类型▲

第一、基本设置

①基本设置--控制器类型

a、为设定值、过程值和扰动变量选择物理量和测量单位。我们使用的是恒压控制，所以选择“压力”即可。如图9所示；

b、正作用：随着 PID控制器的偏差增大，输出值增大。反作用：随着PID控制器的偏差增大，输出值减小。PID_Compact反作用时，可以勾选“反转控制逻辑”。如图9所示；

c、要在 CPU重启后切换到“模式”(Mode)参数中保存的工作模式，请勾选“在CPU 重启后激活模式”。如图9所示。

▲图9 | PID_Compact > 基本设置>控制器类型▲

②基本设置--定义Input/Output 参数（如图10）

定义 PID过程值和输出值的内容，选择PID_Compact输入、输出变量的引脚和数据类型。选择Input的话，那么就需要在程序中标定好工程单位值，然后标定好的工程量值填写在PID_Compact管脚Input处，Input处的管脚值与Setpoint管脚的值比较比较，从而控制输出。那到底是控制哪个输出呢？就是根据Output处选择的参数，可以是Output_PER、Output、Output_PWM。Output_PER就是直接通过模拟量的方式输出控制外部设备，比如变频器、电机等，最终它的输出值是在0-27648之间，从而转换成0-10V或者0-20mA,达到控制的结果。Output是百分比的方式输出，它介于0-100之间，如果需要控制外部设备的话，需要用其他指令转换输出。Output_PWM是脉宽脉宽调制方式输出数字量。

那如果Input处选择的是Input_PER,填写的就是模拟量输入通道的地址（比如IW64），这个地址会自动转换成工程单位与Setpoint管脚的值比较。那它如何进行转换的呢？我们往下看。

▲图10 | PID_Compact > 基本设置>定义Input/Output▲

第二、过程值设置

①过程值设置--过程值限值（如图11）

必须满足过程值下限<过程值上限。如果过程值超出限值，就会出现错误。我们设置的是60hpa,因为我们的压力传感器是0-5Kpa的，而量程中只用hpa这个单位。所以我们转换成hpa,并且设置留有余量。

▲图11 | 设置过程值限值▲

②过程值设置--过程值标定

a、只有在“基本设置”项下Input/Output 中输入选择为 “Input_PER”时，才可组态过程值标定；

b、如果过程值与模拟量输入值成正比，则将使用上下限值对来标定Input_PER；

c、必须满足范围的下限<上限。

由于我们“基本设置 ”项下Input/Output 中输入选择为 “Input ”所以图11中“Input_PER”项为“已禁用” 。

▲ 图11 | 进行过程值标定▲

高级设置

①高级设置--过程值监视（如图12及图13）：

▲ 图12▲

a、过程值的监视限值范围需要在过程值限值范围之内；

b、过程值超过监视限值，会输出警告。过程值超过过程值限值，PID输出报错，切换工作模式；

▲图13▲

②高级设置-- PWM 限制，在此不介绍。

③高级设置--输出值限值（如图14）

▲图14▲

a、在“输出值的限值”窗口中，以百分比形式组态输出值的限值。无论是在手动模式还是自动模式下，都不要超过输出值的限值。

b、手动模式下的设定值ManualValue，必须介于输出值的下限 （Config.OutputLowerLimit） 与输出值的上限 （ Config.OutputUpperLimit）之间的值。

c、如果在手动模式下指定了一个超出限值范围的输出值，则CPU 会将有效值限制为组态的限值。

d、PID_compact 可以通过组态界面中输出值的上限和下限修改限值。最广范围为-100.0 到100.0，如果采用Output_PWM 输出时限制为0.0 到100.0 。

④高级设置--对错误的响应（如图15）

a、在PID_Compact V2 时，可以预先设置错误响应时PID 的输出状态，如图13所示。以便在发生错误时，控制器在大多数情况下均可保持激活状态；

b、如果控制器频繁发生错误，建议检查Errorbits 参数并消除错误原因。

▲图15▲

根据错误代码来分析错误原因。根据组态界面所设置的“对错误的响应”，不同错误的响应状态也不一样，如下表所示：

⑤高级设置--手动输入PID 参数

a、在 PID Compact 组态界面可以修改PID 参数，通过此处修改的参数对应工艺对象背景数据块> Static > Retain > PID 参数；

b、通过组态界面修改参数需要重新下载组态并重启PLC。建议直接对工艺对象背景数据块进行操作。

来源：技成培训网，作者：技成-郭彪，未经授权不得转载！

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FX3UPLC+FX3U-4AD模块进行恒温PID控制

在上一篇的速度PID控制的文章中，我们已经介绍了关于PID指令以及相关参数的具体应用。所以本篇文章，主要是给出程序部分。

首先在给出程序之前，我们先了解一下以下几个概念：

1.市电电压的过零性：我们平常在用的市电电压为交流220V，它的频率是50HZ，因此1秒种内，它会出现50个正弦波形，得出每个波形的周期是20ms，而过零性的现象就是：当在每个上半波形或者下半波形内，如果此时固态继电器需要关断或者导通，那么是不能马上关断或者导通的，必须等到过了下一个零点后，才能关断或者导通。因此，我们当我们用固态继电器控制市电时，必须考虑将导通时间大于10ms。

2.PWM指令：PWM S1 S2 D，其中S1是脉宽，S2是周期，它们的单位都是ms。所以根据上面说的过零性，S1的值必须大于10才行。S1➗S2✖️额定功率实时输出功率，当S1S2时，就是全功率运行。另外，S2不能过长，因为它是以ms为单位，比如，将S1设置为1000，S2设置为10000，看似很合理，输出功率10%，感觉能把水加热，但是实际情况是，1秒加热，99秒不加热，那你说，这能加热到目标温度吗？显然不行。所以，一般我们将S2设置成1000。

好了，我们言归正传，下面是FX3U-4AD模块参数设置：

#0：由于我的温度变送器是4-20ma的量程，因此我们将4号通道设置成3。

#5：我们选择平均次数，平均次数根据需求来，可以设的大点，这样温度变化就能稳定一些。

#13：通道4的实时温度数据。

硬件接线：主要是4AD和温度变送器的接线。固态继电器的太简单，就不画出来了。

模拟量算法：

4AD输入的是4ma-20ma，对应量程是0-16000。

温度变送器也是4ma-20ma，对应量程是-50°到400°。

因此我们直接略过4ma-20ma这组数据，直接让0-16000和-50°-400°进行耦合。

根据斜率方程式y=kx+b，然后得到两组列算式：

-50=0*k+b

400=16000*k+b

最后得出温度的计算公式：当前温度=（#13号数据*9）/320-50

有了上面的公式，我们就可以进行编程了，下面会贴出2种自整定的方法：

对了，提一句：加热是逆动作，制冷是正动作！

首先是极限循环法：

最后是阶跃响应法：

最后，这只是一个温控PID的框架，具体PID参数的设置，还是得依靠自己的经验，再结合自整定参数，根据现场情况进行修改。

附PID参数调整口诀：

参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加；曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳；曲线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长；曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢。微分时间应加长；理想曲线两个波，前高后低四比一；一看二调多分析，调节质量不会低；

若要反应增快，增大P减小I；

若要反应减慢，减小P增大I；

如果比例太大，会引起系统震荡；

如果积分太大，会引起系统迟钝。

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