论文部分内容阅读
【摘要】西门子PLC标准PID功能由于结构简明、操作便捷以及良好的使用性能，在工业过程控制中得到了广泛的应用。文章从PID的控制算法出发，分析了西门子PLC标准PID功能在一些工程中的应用，并对PLC系统可能会出现的故障做了简要分析。
【关键词】西门子PLCPID控制工程应用
PID控制是应用最多的一种控制方法，其突出优势垫定了其在控制领域的统治地位。首先它可以根据用户的控制要求改变结构，以普通PID控制为基础来实现其他各种PID的变型控制操作，包括PI、PD控制，不完全微分控制，带死区的PID控制等。其次PID控制不需要建立控制目标准确的数学模型，这为很多难以建立甚至根本无法建立准确数学模型的工业控制目标来说提供了实现途径。
一、PID控制算法
PID控制器的传递函数为：
它由比例控制、积分控制和微分控制三部分组成。
当kp=1时，可以得到其伯德图，从伯德图中可以了解到，在低频率部分主要是PI控制器起控制作用，从而提高系统型别和消减稳态误差；在中、高频率部分，主要是PD控制器起控制作用，使得系统的响应速度在很大程度上得以提高。
（1）比例控制作用
当设定的期望值SV与过程输出值PV之间产生偏差时，比例控制器能够自动调节变量U的大小，使得变量U的大小朝着减小偏差E的趋势变化。比例控制器调节的快慢程度由比例系数K的大小决定，尽管K较大时系统调节速度快，但也不能超过一定范围，K过大会使控制系统出现超调或振荡等非正常现象，相反，K较小时系统调节速度慢。比例控制器无法消除静差值，影响了其调节精度，是其主要缺点所在。
（2）积分控制作用
为了提高比例控制器的调节精度，就要避免静差值，多引入一个积分控制器从而构成比例积分控制器。该控制器的积分常数Ti是当积分控制作用与比例控制作用的输出相等时，所花费的控制时间。积分常数Ti的大小决定着积分作用的强弱。他们之间成反比，当Ti选择的越小，积分的控制作用就越大越明显，相反系统振荡的减弱速度就越慢。当Ti过小时，严重时会造成系统的持续振荡。当Ti选择的较大时，积分的控制作用就变得不明显，而系统使偏差消失的时间就越长。
（3）微分控制作用
引入微分控制器主要是为了改善系统的动态特性。当系统偏差（e）在某一瞬时发生变化时，微分控制器会即刻做出响应，来减小偏差。当偏差变化的越明显，微分控制的作用也就越明显，从而使系统总是处于稳态，避免振荡等非正常现象的发生，改善系统的动态特性。和积分控制作用类似，微分常数Td的定义是：当控制器的微分控制作用和比例控制作用的输出相等时所花费的控制时间。微分常数Td不宜过大，过大时会导致系统震荡不稳定。
二、西门子PLC标准PID功能在工程中的一些应用
PLC可编程序控制器是一种新型的工业控制装置，利用PLC可以实现对模拟量的PID闭环控制功能，性价比高、用户使用方便快捷、抗干扰能力强、可靠性好。
2.1硬件设计
（1）系统概述
该系统是测量激光参数的电控系统，其主要功能包括：完成对光束的控制、光路的准直、数据的采集等。该控制系统最大的特色是被控制的设备数目多而且可以不集中，传输信息的能力强，因此在硬件的最初设计上就选择的是分层次构造，从而使系统在运行的过程中便于操作和维修。控制系统共有6个束组FEP，每一个束组FEP控制264个电机。分控机在主控制房间内连接的是一千兆的光纤网络，是一个控制中心，主要用来管理各个控制器件和测量器件。光纤交换机向上和现场工业以太网通过网络连接口相连，向下通过CP343-1，以太网模块连接着S7-300PLC。S7-300PLC通过DP口连接EM277模块，最下层每个S7-200PLC模块都与EM277模块相连，CPU224有Q0.0和Q0.1两路脉冲输出，可以同时控制两台步进电机。
（2）系统配置
CP343-1：是全双工的以太网络通信处理器型号，凭借工业以太网络以每秒钟100MB传输数据的速度快速将S7-300集成到综合系统中，该综合系统中有一个预先设定好的的且仅有的以太网络地址，能够独立解决工业以太网上的数据阻塞。
CPU224：16K字节程序和数据存储空间，具有PID控制器，一个RS485通讯/编程口，是具备较强控制机制的控制器。有两路互不干涉的20千赫兹高速脉冲从该控制器输送出，控制步进电动机驱动器的脉冲信号可以由其中的任何一路单独来生成。
EM277：PROIBUS-DP模块，在控制程序中用于单元级管理设备和分层式I/O的通讯。S7-200CPU经过EM277的DP通信端口能够连接到PROFIBUS-DP网络，各EM277之间经过串行的I/O总线通信。
步进电机：可选用两相混合式的步进电机。
驱动器：选用与步进电机能够配套的四通驱动器SH-20403。
2.2软件设计
（1）系统软件配置
该系统的软件开发平台选用SIMATIC STEP7 V5.3、STEP 7MicroW-NV40SP4和WinCCV6.0。其中S7-300硬件组态配置，网络通信端口配置，OB、FB、FC编程，物理地址配置等任务主要是由STEP7V5.3编程软件来完成。而STEP7Micro/WN编程软件则能够对S7-200进行编程。上位机组态软件Win CC V6.0通过控制界面对数据进行实时监控，在STEP 7中定义的变量可以在Win CC中直接使用，这将大幅降低工程时间，所以在自动控制领域中被广泛的使用。
（2）硬件组态
SIMATIC STEP7H/Wconfig中组态配置内容主要有：硬件名称、类型选择和DP网络参数设置等。S7-200与S7-300之间的PROFIBUS通讯是通过EM277进行的，需要在STEP7中进行S7-300站组态，但必须在安装完成新的GSD文件之后才能在硬件设备中找到EM277。同时在组态过程中需要首先设定好CPU315-2DP的地址，它的默认值为2。组态中EM277的地址不能设置的与主站地址一致，在STEP7V5.3中组态的EM277 PROFIBUS站地址要设置成与实际EM277上的拨码开关相同的地址，最后再选择EM277的通信接口区大小为32 byte输入/输出。 2.3在IPSEN调质炉中的应用
西门子PLC标准PID功能在IPSEN调质炉中的应用主要体现在温度的控制，IPSEN炉温度控制主要包括三部分内容，即调质淬火处理时炉温控制，调质淬火处理时油槽温度的控制以及调质回火处理时炉温控制。
（1）调质淬火炉炉温控制
根据淬火炉的加热燃烧工艺和原用模拟调节器形式，采用PID-S（S7的步进PID模块）来构成淬火炉炉温控制。
PID-S的大体工作原理是：该模块接收到e信号后，通过PID计算之后输出一个模拟信号，该模拟信号即PID运算后所要求的阀位信号，将其与实际阀位的反馈信号进行对比，三位继电器特性根据其差值的大小或产生打开阀门的信号，或产生关闭阀门的信号，或在三位继电特性死区内时没有任何驱动信号产生。（2）调质淬火油槽温度控制
采用PID-C（S7连续PID模块）和脉冲产生器模块一起构成油槽温度控制方案时，有二种构成方式能够实现加热和冷却的同时控制。一种方式是采用一个PID-C后面带一个能同时产生加热和冷却的脉冲模块；另一种方式是用二个PID-C后面分别带一个加热脉冲模块和一个冷却脉冲模块。
三、PLC系统故障分析及处理
3.1主机系统的故障与分析
在PLC的主机系统中，除了电源系统比较容易出现问题外，通讯网络系统和程序设计上也是比较薄弱的环节，时常发生各种故障。其中电源在长时间工作时候的散热问题，以及电压和电流的波动冲击是不可避免的。
3.2端口设备故障与防护
I/O端口是PLC控制系统最薄弱的环节。所有的信号传输线路除了传送有用的数据外，还时常会被外界的一些无用信号干扰，这些多余信号会导致工作异常，并使测量精度大为下降，甚至引起元器件的损伤。为防止外界干扰对其的影响，要做到按照使用手册中的要求合理使用端口，不能任意去掉其外部的一些保护设备，还要对产生的干扰因素进行分析归类，然后有针对性的对其进行处理。
3.3现场设备的故障与处理
在高温、多尘的环境中高频工作会使得整个控制系统的现场设备容易发生故障，如继电器、接触器、开关等。最大的原因除了设备自身的性能外，还有现场环境高温、多尘，容易造成接触器的接触点走火或发生化学反应，甚至引起热变形而不能使用。现在，厂商生产的这类设备均采取了防护措施，因此要比以前没加任何防护措施的元器件要耐用一些。
四、结语
从上文可以看出，PLC标准PID功能在步进电机、IPSEN调质炉以及热风炉系统中都得到了很好的应用。因为PID控制成本低廉、运行可靠方便，而且能够进行较为复杂的参数设置，所以在工业控制领域得到了大力的发展，同时也占据了控制领域的主导地位。
参考文献
[1]李全玲，杨寅.西门子PLC标准PID功能在IPSEN调质炉中的应用，冶金设备，2011（1）
[2]王永初.智能控制理论与系统的发展评述，华侨大学学报，2004（1）
[3]何军红，尹旭佳，史常胜. PID控制算法在西门子PLC中编程及实现，工业仪表与自动化装置，2012（5）
【关键词】西门子PLCPID控制工程应用
PID控制是应用最多的一种控制方法，其突出优势垫定了其在控制领域的统治地位。首先它可以根据用户的控制要求改变结构，以普通PID控制为基础来实现其他各种PID的变型控制操作，包括PI、PD控制，不完全微分控制，带死区的PID控制等。其次PID控制不需要建立控制目标准确的数学模型，这为很多难以建立甚至根本无法建立准确数学模型的工业控制目标来说提供了实现途径。
一、PID控制算法
PID控制器的传递函数为：
它由比例控制、积分控制和微分控制三部分组成。
当kp=1时，可以得到其伯德图，从伯德图中可以了解到，在低频率部分主要是PI控制器起控制作用，从而提高系统型别和消减稳态误差；在中、高频率部分，主要是PD控制器起控制作用，使得系统的响应速度在很大程度上得以提高。
（1）比例控制作用
当设定的期望值SV与过程输出值PV之间产生偏差时，比例控制器能够自动调节变量U的大小，使得变量U的大小朝着减小偏差E的趋势变化。比例控制器调节的快慢程度由比例系数K的大小决定，尽管K较大时系统调节速度快，但也不能超过一定范围，K过大会使控制系统出现超调或振荡等非正常现象，相反，K较小时系统调节速度慢。比例控制器无法消除静差值，影响了其调节精度，是其主要缺点所在。
（2）积分控制作用
为了提高比例控制器的调节精度，就要避免静差值，多引入一个积分控制器从而构成比例积分控制器。该控制器的积分常数Ti是当积分控制作用与比例控制作用的输出相等时，所花费的控制时间。积分常数Ti的大小决定着积分作用的强弱。他们之间成反比，当Ti选择的越小，积分的控制作用就越大越明显，相反系统振荡的减弱速度就越慢。当Ti过小时，严重时会造成系统的持续振荡。当Ti选择的较大时，积分的控制作用就变得不明显，而系统使偏差消失的时间就越长。
（3）微分控制作用
引入微分控制器主要是为了改善系统的动态特性。当系统偏差（e）在某一瞬时发生变化时，微分控制器会即刻做出响应，来减小偏差。当偏差变化的越明显，微分控制的作用也就越明显，从而使系统总是处于稳态，避免振荡等非正常现象的发生，改善系统的动态特性。和积分控制作用类似，微分常数Td的定义是：当控制器的微分控制作用和比例控制作用的输出相等时所花费的控制时间。微分常数Td不宜过大，过大时会导致系统震荡不稳定。
二、西门子PLC标准PID功能在工程中的一些应用
PLC可编程序控制器是一种新型的工业控制装置，利用PLC可以实现对模拟量的PID闭环控制功能，性价比高、用户使用方便快捷、抗干扰能力强、可靠性好。
2.1硬件设计
（1）系统概述
该系统是测量激光参数的电控系统，其主要功能包括：完成对光束的控制、光路的准直、数据的采集等。该控制系统最大的特色是被控制的设备数目多而且可以不集中，传输信息的能力强，因此在硬件的最初设计上就选择的是分层次构造，从而使系统在运行的过程中便于操作和维修。控制系统共有6个束组FEP，每一个束组FEP控制264个电机。分控机在主控制房间内连接的是一千兆的光纤网络，是一个控制中心，主要用来管理各个控制器件和测量器件。光纤交换机向上和现场工业以太网通过网络连接口相连，向下通过CP343-1，以太网模块连接着S7-300PLC。S7-300PLC通过DP口连接EM277模块，最下层每个S7-200PLC模块都与EM277模块相连，CPU224有Q0.0和Q0.1两路脉冲输出，可以同时控制两台步进电机。
（2）系统配置
CP343-1：是全双工的以太网络通信处理器型号，凭借工业以太网络以每秒钟100MB传输数据的速度快速将S7-300集成到综合系统中，该综合系统中有一个预先设定好的的且仅有的以太网络地址，能够独立解决工业以太网上的数据阻塞。
CPU224：16K字节程序和数据存储空间，具有PID控制器，一个RS485通讯/编程口，是具备较强控制机制的控制器。有两路互不干涉的20千赫兹高速脉冲从该控制器输送出，控制步进电动机驱动器的脉冲信号可以由其中的任何一路单独来生成。
EM277：PROIBUS-DP模块，在控制程序中用于单元级管理设备和分层式I/O的通讯。S7-200CPU经过EM277的DP通信端口能够连接到PROFIBUS-DP网络，各EM277之间经过串行的I/O总线通信。
步进电机：可选用两相混合式的步进电机。
驱动器：选用与步进电机能够配套的四通驱动器SH-20403。
2.2软件设计
（1）系统软件配置
该系统的软件开发平台选用SIMATIC STEP7 V5.3、STEP 7MicroW-NV40SP4和WinCCV6.0。其中S7-300硬件组态配置，网络通信端口配置，OB、FB、FC编程，物理地址配置等任务主要是由STEP7V5.3编程软件来完成。而STEP7Micro/WN编程软件则能够对S7-200进行编程。上位机组态软件Win CC V6.0通过控制界面对数据进行实时监控，在STEP 7中定义的变量可以在Win CC中直接使用，这将大幅降低工程时间，所以在自动控制领域中被广泛的使用。
（2）硬件组态
SIMATIC STEP7H/Wconfig中组态配置内容主要有：硬件名称、类型选择和DP网络参数设置等。S7-200与S7-300之间的PROFIBUS通讯是通过EM277进行的，需要在STEP7中进行S7-300站组态，但必须在安装完成新的GSD文件之后才能在硬件设备中找到EM277。同时在组态过程中需要首先设定好CPU315-2DP的地址，它的默认值为2。组态中EM277的地址不能设置的与主站地址一致，在STEP7V5.3中组态的EM277 PROFIBUS站地址要设置成与实际EM277上的拨码开关相同的地址，最后再选择EM277的通信接口区大小为32 byte输入/输出。 2.3在IPSEN调质炉中的应用
西门子PLC标准PID功能在IPSEN调质炉中的应用主要体现在温度的控制，IPSEN炉温度控制主要包括三部分内容，即调质淬火处理时炉温控制，调质淬火处理时油槽温度的控制以及调质回火处理时炉温控制。
（1）调质淬火炉炉温控制
根据淬火炉的加热燃烧工艺和原用模拟调节器形式，采用PID-S（S7的步进PID模块）来构成淬火炉炉温控制。
PID-S的大体工作原理是：该模块接收到e信号后，通过PID计算之后输出一个模拟信号，该模拟信号即PID运算后所要求的阀位信号，将其与实际阀位的反馈信号进行对比，三位继电器特性根据其差值的大小或产生打开阀门的信号，或产生关闭阀门的信号，或在三位继电特性死区内时没有任何驱动信号产生。（2）调质淬火油槽温度控制
采用PID-C（S7连续PID模块）和脉冲产生器模块一起构成油槽温度控制方案时，有二种构成方式能够实现加热和冷却的同时控制。一种方式是采用一个PID-C后面带一个能同时产生加热和冷却的脉冲模块；另一种方式是用二个PID-C后面分别带一个加热脉冲模块和一个冷却脉冲模块。
三、PLC系统故障分析及处理
3.1主机系统的故障与分析
在PLC的主机系统中，除了电源系统比较容易出现问题外，通讯网络系统和程序设计上也是比较薄弱的环节，时常发生各种故障。其中电源在长时间工作时候的散热问题，以及电压和电流的波动冲击是不可避免的。
3.2端口设备故障与防护
I/O端口是PLC控制系统最薄弱的环节。所有的信号传输线路除了传送有用的数据外，还时常会被外界的一些无用信号干扰，这些多余信号会导致工作异常，并使测量精度大为下降，甚至引起元器件的损伤。为防止外界干扰对其的影响，要做到按照使用手册中的要求合理使用端口，不能任意去掉其外部的一些保护设备，还要对产生的干扰因素进行分析归类，然后有针对性的对其进行处理。
3.3现场设备的故障与处理
在高温、多尘的环境中高频工作会使得整个控制系统的现场设备容易发生故障，如继电器、接触器、开关等。最大的原因除了设备自身的性能外，还有现场环境高温、多尘，容易造成接触器的接触点走火或发生化学反应，甚至引起热变形而不能使用。现在，厂商生产的这类设备均采取了防护措施，因此要比以前没加任何防护措施的元器件要耐用一些。
四、结语
从上文可以看出，PLC标准PID功能在步进电机、IPSEN调质炉以及热风炉系统中都得到了很好的应用。因为PID控制成本低廉、运行可靠方便，而且能够进行较为复杂的参数设置，所以在工业控制领域得到了大力的发展，同时也占据了控制领域的主导地位。
参考文献
[1]李全玲，杨寅.西门子PLC标准PID功能在IPSEN调质炉中的应用，冶金设备，2011（1）
[2]王永初.智能控制理论与系统的发展评述，华侨大学学报，2004（1）
[3]何军红，尹旭佳，史常胜. PID控制算法在西门子PLC中编程及实现，工业仪表与自动化装置，2012（5）