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比較簡單的實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制的方法

PID控制的難點(diǎn)在于整定控制器的參數(shù)。為了學(xué)習(xí)整定PID控制器參數(shù)的方法，必須做閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，開環(huán)運(yùn)行PID程序沒有任何意義。用硬件組成一個(gè)閉環(huán)需要PLC的CPU模塊、模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊，此外還需要被控對(duì)象、檢測(cè)元件、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。例如可以用電熱水壺作為被控對(duì)象，用熱電阻檢測(cè)溫度，用溫度變送器將溫度轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓，用移相控制的交流固態(tài)調(diào)壓器作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
 有沒有比較簡單的實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制的方法呢？
 在控制理論中，用傳遞函數(shù)來描述被控對(duì)象、檢測(cè)元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和PID控制器。
 被控對(duì)象一般是串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的組合。在實(shí)驗(yàn)室可以用以運(yùn)算放大器為核心的模擬電路來模擬廣義的被控對(duì)象（包括檢測(cè)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)）的傳遞函數(shù)。我曾將這種運(yùn)放電路用于S7-200和S7-1200的PID參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)。
 用運(yùn)算放大器模擬被控對(duì)象一般需要做印刷電路板，還是比較麻煩。有沒有更簡單的方法呢？
 除了用運(yùn)算放大器來模擬被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，也可以用PLC的程序來模擬。為此我編寫了用來模擬被控對(duì)象的S7-200的子程序，它也可以用于S7-200 SMART。使用模擬的被控對(duì)象的PID閉環(huán)示意圖如下圖所示，虛線右邊是被控對(duì)象，DISV是系統(tǒng)的擾動(dòng)輸入值。虛線左邊是PLC的PID控制程序。
 


 被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為3個(gè)串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)，其增益為GAIN，3個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)分別為TIM1～TIM3。其傳遞函數(shù)為
 


 分母中的“s”為自動(dòng)控制理論中拉普拉斯變換的拉普拉斯算子。將某一時(shí)間常數(shù)設(shè)為0，可以減少慣性環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)。圖中被控對(duì)象的輸入值INV是PID控制器的輸出值。被控對(duì)象的輸出值OUTV作為PID控制器的過程變量（反饋值）PV。
 下圖是模擬被控對(duì)象的子程序，實(shí)際上只用了兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)分別為5000ms和2000ms。用與PID的采樣周期相同的定時(shí)中斷時(shí)間間隔來調(diào)用這個(gè)子程序。
 


 下圖是用來監(jiān)視PID回路運(yùn)行情況的STEP 7-Micro/WIN的PID調(diào)節(jié)控制面板，可以用它進(jìn)行PID參數(shù)自整定或手動(dòng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)的實(shí)驗(yàn)。標(biāo)有PV（即被控量）的是過程變量的階躍響應(yīng)曲線。
 


 將上圖中的積分時(shí)間由0.03min（分鐘）增大到0.12min，下圖的超調(diào)量有明顯的減小。通過修改PID的參數(shù)，觀察被控量階躍響應(yīng)曲線給出的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間等特征量的變化情況，可以形象直觀、快速地學(xué)習(xí)和掌握PID參數(shù)的整定方法。
 

• 模塊化微型PLC系統(tǒng)，滿足中、小規(guī)模的性能要求
• 各種性能的模塊可以非常好地滿足和適應(yīng)自動(dòng)化控制任務(wù)
• 簡單實(shí)用的分布式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，應(yīng)用十分靈活
• 方便用戶和簡易的無風(fēng)扇設(shè)計(jì)
• 當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，可自由擴(kuò)展
• 大量的集成功能使它功能非常強(qiáng)勁

SMIATIC S7-300 是模塊化微型PLC,滿足中、小規(guī)模的性能要求

模塊化與無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)以及用戶友好的操作,使得 SIMATIC S7-300 成為中、小規(guī)模應(yīng)用中各種不同控制任務(wù)的經(jīng)濟(jì)、方便的解決方案。

SIMATIC S7-300 的應(yīng)用領(lǐng)域包括：

• 專用機(jī)床
• 紡織機(jī)械
• 包裝機(jī)械
• 通用機(jī)械工程
• 控制器制造
• 機(jī)床
• 樓宇自動(dòng)化
• 電氣與電子工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

一系列具有不同功率范圍的CPU，以及具有很多用戶友好功能的一系列擴(kuò)展模塊，可以使用戶根據(jù)不同的應(yīng)用情況選擇相應(yīng)的模塊。 如果控制任務(wù)需要擴(kuò)展，可以隨時(shí)使用附加模塊對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。

SIMATIC S7-300 是一個(gè)通用的控制器。

• 高等級(jí)的電磁兼容性以及高等級(jí)的抗震性，使得它具有極高的工業(yè)控制能力。

概述

S7-300采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。含有多種模塊，可進(jìn)行單獨(dú)組合。

一個(gè)系統(tǒng)包含下列組件：

• 中央處理單元（CPU）：
  各種 CPU 可用于不同的性能范圍，包括具有集成 I/O 和對(duì)應(yīng)功能的 CPU 以及具有集成 PROFIBUS DP、PROFINET 和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口的 CPU。
• 用于數(shù)字量和模擬量輸入/輸出的信號(hào)模塊(SM)
• 用于連接網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的通訊處理器 (CP)。
• 用于高速計(jì)數(shù)、定位控制以及閉環(huán)控制的功能模塊（FM）。

根據(jù)客戶需要，還可以使用以下設(shè)備：

• 用于將SIMATIC S7-300 連接到120/230V AC電源的負(fù)載電源模塊(PS)。
• 接口模塊(IM)，用于多機(jī)架配置時(shí)連接中央控制器(CC)和擴(kuò)展機(jī)架(ER)。
  S7-300通過分布式中央控制器(CC)和3個(gè)擴(kuò)展單元(EU) 可以操作多達(dá)32個(gè)模塊。所有模塊都是密封的，運(yùn)行時(shí)無需風(fēng)扇。
• SIPLUS 模塊擴(kuò)展的環(huán)境條件下使用：
  適用于-25至+60°C 的溫度范圍高濕度、結(jié)露以及有霧的環(huán)境條件。防直接日曬、雨淋或水濺，在防護(hù)等級(jí)為IP20機(jī)柜內(nèi)使用時(shí)，可直接用于車載或室外使用。不需要全天候防護(hù)的機(jī)柜和IP 65機(jī)柜保護(hù)。

設(shè)計(jì)

簡單的結(jié)構(gòu)使得S7-300使用靈活且易于維護(hù):

• 安裝模塊
  只需簡單地將模塊掛在DIN安裝導(dǎo)軌上，轉(zhuǎn)動(dòng)到位然后鎖緊螺釘。
• 集成的背板總線： 
  背板總線集成到模塊里。模塊通過總線連接器相連，總線連接器插在機(jī)殼的背面。
• 模塊具有機(jī)械編碼，更換極為容易：
  更換時(shí)只需松開模板上的緊固螺釘。 按下鎖緊機(jī)構(gòu)，拔下前連接器。前連接器上的編碼裝置防止將已接線的連接器錯(cuò)插到其他的模塊上。
• 可靠的連接系統(tǒng):
  對(duì)于信號(hào)模塊可以使用螺釘型接線端子或彈簧型接線端子。
• TOP 連接：
  為采用螺絲端子或彈簧端子連接的1線-3線連接系統(tǒng)提供預(yù)組裝接線?？梢蕴娲苯釉谛盘?hào)模塊上接線。
• 確定的安裝深度：
  所有的連接和連接器都在模塊上的凹槽內(nèi)，并有前蓋保護(hù)。因此所有的模塊都有確定的安裝深度
• 無插槽規(guī)則:
  信號(hào)模塊和通訊處理模塊可以不受限制地插到任何一個(gè)槽上。系統(tǒng)自行組態(tài)。

擴(kuò)展

如果用戶的自動(dòng)化任務(wù)需要 8 個(gè)以上的 SM、FM 或 CP 模塊插槽時(shí)，則 S7-300（除 CPU 312 和 CPU 312C 外）可以擴(kuò)展：

• 中央控制器和3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架最多可連接32個(gè)模塊：
  最多可將 3 個(gè)擴(kuò)展機(jī)架（EU）連接到中央控制器（CC）。每個(gè) CC / EU 可插 8 個(gè)模塊。
• 通過接口模板連接：
  每個(gè) CC / EU 都有自己的接口模塊。在中央控制器上它總是被插在 CPU 旁邊的模塊插槽中，并自動(dòng)處理與擴(kuò)展單元的通信。
  • 通過 IM 365 擴(kuò)展：
    1個(gè) EU 最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離為 1米，電源電壓也通過該擴(kuò)展提供。
  • 使用 IM 360/361 擴(kuò)展：
    可擴(kuò)展到 3個(gè) EU, CC 與 ER 之間以及 EU 與 EU 之間最遠(yuǎn)距離 10m。
• 分布式安裝：
  通過連接 CC/EU 以增加連接距離。兩個(gè)相鄰CC/EU或EU/EU之間的距離：最長 10 m。
• 靈活的安裝方式：
  CC/EU　既可以水平安裝，也可以垂直安裝。這樣可以最大限度滿足空間要求。

通訊

S7-300 具有不同的通訊接口：

• 連接 AS-i、PROFIBUS 和 PROFINET/工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)的通訊處理器。
• 用于點(diǎn)到點(diǎn)連接的通訊處理器
• 多點(diǎn)接口 MPI, 集成在 CPU 中;
  是一種經(jīng)濟(jì)有效的方案,可以同時(shí)連接編程器/PC、人機(jī)界面系統(tǒng)和其它的SIMATIC S7/C7自動(dòng)化系統(tǒng)。

PROFIBUS DP進(jìn)行過程通訊

SIMATIC S7-300 通過通訊處理器或通過內(nèi)置的 PROFIBUS DP 接口CPU連接到 PROFIBUS DP 總線系統(tǒng)。帶 PROFIBUS DP 主/從接口的 CPU 可以進(jìn)行分布式自動(dòng)化結(jié)構(gòu)，可以高速通訊并且易于使用。

從用戶的角度來看，PROFIBUS DP上的分布式I/O處理與集中式I/O處理沒有區(qū)別（相同的組態(tài)，編址及編程）。

以下設(shè)備可作為主站連接：

• SIMATIC S7-300
  (使用帶 PROFIBUS DP 接口的 CPU 或 PROFIBUS DP CP)
• SIMATIC S7-400
  (使用帶 PROFIBUS DP 接口的 CPU 或 PROFIBUS DP CP)
• SIMATIC C7 
  (使用帶 PROFIBUS DP 接口的 C7 或 PROFIBUS DP CP)
• SIMATIC S5-115U/H、S5-135U 和 S5-155U/H，帶IM 308
• SIMATIC 505

由于性能原因，每條鏈路上主站的數(shù)量限制為2個(gè)。

以下設(shè)備可作為從站連接：

• ET 200 分布式 I/O 設(shè)備
• S7-300，通過 CP 342-5
• CPU 313C-2 DP、CPU 314C-2 DP、CPU 315-2 DP、CPU 315-2 PN/DP、CPU 317-2 DP、CPU 317-2 PN/DP 和 CPU 319-3 PN/DP
• C7-633/P DP, C7-633 DP, C7-634/P DP, C7-634 DP, C7-626 DP, C7-635, C7-636
• 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

盡管配有 STEP 7 的編程設(shè)備/PC 或 OP 在總線上可作為主站使用，但是通過 PROFIBUS DP 也可以部分運(yùn)行 MPI 功能。

通過 PROFINET IO 進(jìn)行過程通訊

SIMATIC S7-300 通過通訊處理器或通過配備集成 PROFINET 接口的 CPU 連接到 PROFINET IO 總線系統(tǒng)。配備 PROFINET 接口的 CPU 可實(shí)現(xiàn)高速、易于使用的分布式自動(dòng)化組態(tài)。

從用戶的角度來看，通過 PROFINET IO 進(jìn)行通訊的分布式 I/O 可作為中央 I/O（相同的組態(tài)、尋址和編程）。

可將下列設(shè)備作為 IO 控制器進(jìn)行連接：

• SIMATIC S7-300
  （使用配備 PROFINET 接口或 PROFINET CP 的 CPU）
• SIMATIC ET 200
  （使用配備 PROFINET 接口的 CPU）
• SIMATIC S7-400
  （使用配備 PROFINET 接口或 PROFINET CP 的 CPU）

可將下列設(shè)備作為 IO 設(shè)備進(jìn)行連接：

• ET 200 分布式 I/O 設(shè)備
• SIMATIC S7-300
  （通過 PROFINET CP）
• 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

通過AS-Interface通訊

對(duì)于 S7-300，通訊處理器(CP 342-2)適用于AS-Interface總線，可用來連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(AS-Interface從站)。

更多信息，請(qǐng)參見通訊處理器說明．

通過CP或內(nèi)置接口(點(diǎn)到點(diǎn))進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊

點(diǎn)到點(diǎn)連接是用來建立經(jīng)濟(jì)有效的數(shù)據(jù)通訊方式，通過 CP 340/CP 341 通訊處理器或集成在CPU 313C-2 PtP 或 CPU 314C-2 PtP的內(nèi)置接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。有三種傳輸接口支持不同的通訊協(xié)議：

• 20 mA (TTY) (僅針對(duì) CP 340/CP 341)
• RS 232C/V.24(僅針對(duì) CP 340/CP 341)
• RS 422/RS 485

可以連接以下設(shè)備：

• SIMATIC S7、SIMATIC S5 和其他公司的自動(dòng)化系統(tǒng)
• 打印機(jī)
• 機(jī)器人控制器
• 掃描器，條碼閱讀器，等

通訊功能塊隨手冊(cè)一起提供。

使用多點(diǎn)接口(MPI)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊

MPI（多點(diǎn)接口）是集成在 SIMATIC S7-300 CPU 上的通訊接口。它能用于簡單的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。

• MPI 可以同時(shí)連接多個(gè)配有 STEP 7 的編程設(shè)備/PC、HMI 系統(tǒng)（OP/OS）、S7-300 和 S7-400。
• 全局?jǐn)?shù)據(jù)：
  “全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊”服務(wù)可以在聯(lián)網(wǎng)的CPU間周期性地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 一個(gè) S7-300 CPU 可以交換多達(dá) 4 個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包含有 22 字節(jié)數(shù)據(jù)，可同時(shí)有 16 個(gè) CPU 參與數(shù)據(jù)交換(使用 STEP 7 V4.x)。
  因此，一個(gè) CPU 可以訪問另一個(gè) CPU 的輸入/輸出。 只能通過 MPI 接口進(jìn)行全局?jǐn)?shù)據(jù)交換。
• 內(nèi)部通訊總線(C-bus)：
  CPU 的 MPI 直接連接到 S7 -300 的 C 總線上。這意味著通過MPI，PG可以直接尋址到連接到C總線上的FM/CP模塊。
• 功能強(qiáng)大的通訊技術(shù)：
  • 最多 32 個(gè) MPI 站
  • 使用 SIMATIC S7-300/-400 的 S7 基本通訊的每個(gè) CPU 有多個(gè)通訊接口。
  • 使用編程設(shè)備/PC、SIMATIC HMI 系統(tǒng)和 SIMATIC S7-300/400 的 S7 通訊的每個(gè) CPU 有多個(gè)通訊接口。
  • 傳輸速率為 187.5 kbit/s 或 12 Mbit/s
• 靈活的設(shè)計(jì):
  可靠的組件用于建立 MPI 通訊： PROFIBUS和 “分布式 I/O ”的總線電纜、總線連接器和 RS 485 中繼器。它們可以優(yōu)化配備安裝達(dá)到特定要求。例如，如果需要可連接最多串聯(lián) 10 個(gè)中繼器，以實(shí)現(xiàn)任何兩個(gè) MPI 節(jié)點(diǎn)之間的最大距離。

通過 CP 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊

SIMATIC S7-300 通過 CP 342 和 CP 343 通訊處理器可以連接到 PROFIBUS 和工業(yè)以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。

可以連接以下設(shè)備：

• SIMATIC S7-300
• SIMATIC S7-400
• SIMATIC S5-115U/H、S5-135U 和 S5-155U/H
• 編程器
• PC 機(jī)
• SIMATIC HMI 操作員控制和監(jiān)視系統(tǒng)
• 數(shù)控
• 機(jī)器人控制器
• 工業(yè)PC
• 驅(qū)動(dòng)控制器
• 其它廠商設(shè)備