西门子S7-1200 PLC应用技术项目教程（第3版） 课件 13.PID恒温控制（宽屏）-(LAD+SCL)

1项目导入5项目拓展2项目分析3相关知识4项目实施目录项目13

PID实现恒温控制项目导入

某实验设备的温度闭环控制系统，要求利用西门子S7-1200PLC实现恒温控制：恒定的温度数值由触摸屏输入，并在触摸屏上显示当前的实际温度值以及当前实际温度的动态曲线。如果当前温度超过一定范围，则发出报警信号，并打开风扇降温。项目13

PID实现恒温控制项目分析实验室的温度闭环控制系统设备示意图，室内温度有温度传感器PT100检测，PT100的测温范围为0~150°C，温度变送器将温度信号转换为4-20mA的电流，反馈给PLC的模拟量输入模块（本项目采用模拟量输入信号板），PLC将采集的电流信号进行D/A转化为实际温度值，与设定温度值进行比较，通过PID控制，输出到模拟量输出信号模块。要求模拟量模块输出电压为0-5V，给加热棒驱动电路。驱动电路采用0-5VPWM调节模块，控制加热棒的功率，形成温度闭环控制。加热棒的工作电压24V,当温度超过设定值时，打开风扇散热。项目13

PID实现恒温控制项目分析--温度闭环控制示意图模拟量输出:4-20mA电流模拟量输入:0-5V电压模拟量输出:1-5V电压项目13

PID实现恒温控制相关知识--PID控制原理介绍项目13

PID实现恒温控制e（n）=SP（n）-PV(n)PID闭环控制系统框图相关知识--PID控制原理介绍比例（P）控制:比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系；积分（I）控制:在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系；微分（D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。项目13

PID实现恒温控制相关知识--1200PLC的PID指令项目13

PID实现恒温控制通过工艺对象调用PID_Compact指令通过扩展的工艺指令调用PID_Compact指令相关知识--1200PLC的PID指令项目13

PID实现恒温控制参数数据类型说明SetpointRealPID控制器在自动模式下的设定值InputReal反馈值（过程值）Input_PERWord模拟量过程值（可选）ManualEnableBool上升沿，进入手动模式；下降沿，进入由Mode设定的工作模式ScaledInputReal标定的过程值OutputReal输出值Output_PERWord模拟量输出值Output_PWMBool脉冲宽度调制的输出值SetpointLimit_HBool设定值上限,为TRUE，达到设定值的绝对上限SetpointLimit_LBool设定值下限,为TRUE，达到设定值的绝对下限InputWarning_HBool反馈值已达到或超出警告上限InputWarning_LBool反馈值已达到或超出警告下限StateIntPID控制器的当前操作模式。ErrorBool错误标志位ErrorBitsDWord定义错误消息比例作用：优点是调节迅速，减少误差；缺点是存在静差。比例增益KP太小，调节时间长，输出变化慢，比例KP太大，超调量增加，甚至容易产生震荡。积分作用：优点是可以消除比例作用的静差，缺点是导致系统的稳定性下降，动态响应变慢。积分时间TI越小，积分作用越强，消除误差时间越短，但同样会引起超调量增大，积分时间TI越大，积分作用越弱，消除误差时间太长，积分时间TI时间也要合适。微分作用：微分作用是误差的一阶导数，其作用是阻碍被控量的变化。改善系统动态性能，减少超调，减少调节时间，缺点是对噪声干扰有放大作用，对系统抗干扰不利。项目13

PID实现恒温控制相关知识--1200PLC的PID指令应用举例

S7-1200PLC控制直流电机，实现恒转速控制，直流电动机的空载转速为1000转/分钟，直流电动机采用PWM直流调速器调速，直流调速器输出PWM脉宽调制信号，驱动直流电机调速。直流调速器的输入电压在0~5V之间，直流电机的工作电压是24V。采用霍尔编码器测量电机的转速，假设电动机带载运行时，转速需恒定在800转/分钟。项目8电动机组的启停控制相关知识--应用举例项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例增量式霍尔编码器，A/B正交相位90度信号双路输出，编码器分辨率160P/R,利用PLC的高速计数器指令，将测得的脉冲转为转速。假设使用高速计数器HSC1的测频率功能，对应的脉冲频率在ID1000单元，则电动机的转速为如下公式项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例直流调速器的输入电压是0~5V，需要增加模拟量输出模块，采用SM1232信号模块，对应的订货号为：232-4HB300XBO,S7-1200PLC型号为CPU1215CDC/DC/DC项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例组态模拟量信号模块AQ2x14BIT_1，选择“通道0”，通道地址采用默认值“QW96”，模拟量输出类型为“电压”，默认范围为+/-10V项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例启用并组态高速计数器HSC1,使之处于测频模式。计数类型为“频率”，工作模式为“A/B计数”，计数方向为“加计数”，频率测量周期为0.1s。测量频率保存在HSC1默认的地址ID1000单元项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例添加循环中断程序OB30，中断时间为0.3s，在OB30中调用PID_Compact指令①②③④项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例PID_Compact指令组态包括：基本设置、过程设置和高级设置控制器类型默认是“常规”，Input/Output为单位为%。本例控制器类型这里选择“速度”，单位“1/min”，CPU重启后“激活自动模式”有些控制系统需要反向调节例如：在冷却系统中，增大阀门的开度来降低液位值，或增大制冷作用，来降低温度等，需要选择“反向控制逻辑”Input通过下拉菜单，选择Input或Input_PER，Output通过下拉菜单选择Output、Output_PER（和Output_PWM)项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例PID_Compact指令组态包括：基本设置、过程设置和高级设置过程值设置包括：过程值限值和过程值标定。过程值上限为1200.0，过程值下限为0.0。由于过程值为Input，过程值标定处于禁用状态。如果过程值为Input_PER,则必须设定标定的过程值上限和标定的过程值下限。项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例PID_Compact指令组态包括：基本设置、过程设置和高级设置过程值监视，用于设定报警的上限和报警的下限，这里分别为1200.0和0.0项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例PID_Compact指令组态包括：基本设置、过程设置和高级设置PWM限制，用于设定最短接通时间和最短关闭时间，如果没有采用PWM输出，则不需要设置项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例PID_Compact指令组态包括：基本设置、过程设置和高级设置输出值限值采用百分数表示，包括输出值的上限（最大值+100%）和输出值的下限（最小值-100%），在本例中，由于模拟量信号模块输出电压范围为+/-10V,而PWM直流调速器的输入电压范围为0~5V。因此，输出值的上限为50%，输出值的下限为0设置对错误的响应方式，如果发生错误，PID的Output输出值为0项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例PID_Compact指令组态包括：基本设置、过程设置和高级设置比例增益修改为0.1，积分时间修改为0.5，其他采用默认值项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例主程序OB1的设计程序段1：程序段2：程序段3：将频率转换为转速项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例PID_Compact指令的参数自整定两种方法，打开自整定界面①②项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例PID_Compact指令的参数自整定为了能够完成参数预调节，必须满足以下条件：1）PID控制器必须处于“未激活”、“手动模式”和“自动模式”；2）PID_Compact指令的“ManualEnable”和“Reset”的值为FALSE；3）设定值和过程值在组态的极限范围以内；4）设定值和过程值的差的绝对值应大于过程值上、下限之差的30%；5）设定值和过程值的差的绝对值大于设定值的50%；项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例PID_Compact指令的参数自整定调试步骤如下:1）按下PLC或者HMI上的启动按钮，使“启动PID”标志位置位；2）进入调式界面，在“IV”的“手动模式”打“√”，采用时间设定为0.3s；3）打开循环中断程序OB30，并处于在线模式，修改“转速设定值”为800.0（转/分）；4）进入调式界面，单击采用时间右边的“Start”，启动测量；5）在调式界面，选择调节模式为“预调节”，单击调节模式右边的“Start”即启动选择的“预调节”。项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例PID_Compact指令的参数自整定调节状态的进度条显示调节进度，状态显示“正在进行预调节”，并在II区可以观察到显示设定值、过程值和输出值的动态波形，III区可以观察到Setpoint、Input和Output的值。当调节完成状态栏显示系统已调节项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例PID_Compact指令的参数自整定经过预调节，如果过程值响应曲线不理想，需要进行精确调节。精确调节要满足两个条件：控制回路已稳定，且不希望有扰动。精确调节的过程值出现幅度恒定的若干个振荡波，根据振荡的幅值和频率确定PID的参数。在调节模式栏，选择精确调节，单击调节模式右边的“Start”可以启动精确调节项目13

PID实现恒温控制相关知识--应用举例PID_Compact指令的参数自整定整定后的PID参数按下启动按钮，设定值输入分别为800.0和300.0触摸屏上PID响应曲线项目13

PID实现恒温控制项目实施--硬件配置一台CPU1215CDC/DC/DC，

订货号：6ES7215-1AG40-0XB0一块模拟量输入信号板，AI1x12BIT_1，订货号6ES7231-4HA30-0XB0一块模拟量输出模块SM1232AQ2，订货号：6ES7232-4HB30-0XB0一块温度闭环控制实验模块：包括温度传感器PT100,温度变送器、加热棒、加热控制模块以及散热风扇一台触摸屏：KTP900BasicPN项目13

PID实现恒温控制项目实施--硬件原理温度变送器输出为4~20mA，模拟量输入信号板测量类型设置为电流，其测量范围为0~20mA；加热控制模块输入0~5V，转换为PWM信号，控制加热棒加热，模拟量输出模块的输出+/-10V的电压信号。CPU的Q0.0接风扇项目13

PID实现恒温控制项目实施--程序设计--PLC变量表模拟量输入信号板测量类型设置为“电流”，对应的模拟量输入地址为IW80，模拟量输出模块的输出通道0类型为“电压”，则对应的模拟量输出地址为默认值QW96项目13

PID实现恒温控制项目实施--程序设计--OB30程序段1：程序段2：程序段3：项目13

PID实现恒温控制项目实施--程序设计--主程序程序段1：程序段2：项目13

PID实现恒温控制项目实施--PID组态基本组态：控制器类型为“温度”,单位°C，不需要激活“反向控制逻辑”，CPU重启后激活Mode为“自动模式”；Input/Output参数设置为Input和Output。过程值设置：过程值上限为100.0，过程值下限为0.0。过程值标定“禁用”。高级设置：过程值监视，警告的上限100°C，警告的下限0°C，输出值限值中，输出值的上限50.0%（这里需要注意，由于模拟量输出模块的电压范围为+/-10V，而加热棒控制模块的输入电压范围为0~5V，因此输出的上限位50%），输出值的下限0.0%，对错误的响应，将output设置为“错误未决时，替代者输出”，替代输出只为0.0%。PID参数：不启动手动输入（是否需要手动输入参数，跟具体的系统有关）,PID调节规律选择：PID控制器。项目13

PID实现恒温控制项目实施--PID参数自整定在PID_Compact指令中，打开PID_Compact整定界面，按上面的应用举例方法进行“预调节”，采用时间设为0.3s，温度的设定值为70°C，单击“Start”启动预调节，当预成功，状态栏显示“系统已调节”的信息。预调节结束，待反馈温度接近70°C，且稳定后，修改调节模式为“精确调节”，单击“Start”,启动精确调节，PID输出曲线经过若干次正负跳变以后，精确调节完成。单击图标

即可完成参数的上传，单击

图标，切换到PID参数界面，可以看到整定好的PID参数。切换到离线模式，在菜单栏的“在线”栏，选择“下载并复位PLC程序”命令即可。项目13

PID实现恒温控制项目实施--整定后的PID参数项目13

PID实现恒温控制项目拓展1--HMI组态界面包含：命令按钮、I/O域、矩形框趋势图项目13

PID实现恒温控制项目拓展1--趋势图组态趋势图趋势图项目13

PID实现恒温控制项目拓展1--趋势图组态趋势图中添加趋势①②③④项目13

PID实现恒温控制项目拓展1--趋势图组态修改变量的采样模式项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--被控对象的仿真函数库仿真函数库79047707_LSim_LIB_V3_0_0该库用做PID被控对象的仿真运行必须满足：1）硬件S7-1200固件版本为v4.2或者S7-1500固件v2.0以上；2）软件STEP7(TIAPortal)BasicorProfessionalfromV14Update2或更高版本。仿真库79047707_LSim_LIB_V3_0_0中包含的函数块FB“LSim_PT3”三阶延时元件，可以模拟具有多个存储元件的温度系统。它是由三个一阶延时元件串联而成。项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--被控对象的仿真函数库FB“LSim_PT3”函数项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--被控对象的仿真函数库FB“LSim_PT3”函数梯形图参数数据类型功能描述

inputReal输入变量tmLag1Real第一个PT1元素的时间常数（单位：秒）tmLag2Real第二个PT2元素的时间常数（单位：秒）tmLag3Real第三个PT3元素的时间常数（单位：秒）gainReal比例增益disturbReal扰动量cycleReal调用循环中断OB的周期时间（单位：秒）resetBool复位信号errorBool如果其中一个时间常数<=0，则“error”=TRUEstatusWord如果其中一个时间常数<=0，则将输出“状态”=16#8001outputReal输出变量项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--项目中添加库文件项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--PID_Compact指令SCL格式背景数据块项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--OB30中断程序添加库完成项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--PID_Compact指令组态方法1方法2项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--PID参数自整定--预调节单击“测量”，进入在线状态采用时间为0.3S，单击采样时间右侧的“Start”按钮，开始测量启动:手动模式项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--PID参数自整定--预调节进入OB30中断程序，将“PID_设定值”设置为60.0；回到调试界面，选择“预调节”，单击调节模式右侧的“Start”预调节完成项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--PID参数自整定--精确调节当反馈值稳定在设定值附近，即可进行精确调节。在调节模式下，选择“精确调节”，单击调节模式右侧的“Start”项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数控制要求：

利用HMI上的“启动PID”和“停止PID”启动PID运算；

显示PID当前的工作状态“未激活”、“自动”和“手动”，默认为“未激活”；利用HMI上的“自动模式”和“手动模式”按钮，实现自动模式/手动模式的无扰切换；在HMI上“手动模式”可以设定手动输出值；在HMI可以设定PID的设定值，显示PID运行的反馈值和输出值，并在趋势图上显示设定值、反馈值和输出值的动态曲线；HMI上显示PID运行参数；过“写入参数”命令，向PID指令写入“增益”、“积分时间”和“微分时间”从而实现手动PID参数整定。项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数PID_Compact指令生成的系统数据块项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数新建全局数据块PIDSIM_DB项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数主程序项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数主程序项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数主程序项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数主程序项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数中断程序OB30项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数中断程序OB30项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数中断程序OB30项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数HMI的画面设计--文本域--未激活项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数HMI的画面设计--I/O域项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数HMI的画面设计--I/O域--“增益”项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数HMI的画面设计--按钮对象文本事件对应的HMI变量描述

按钮启动PID按下：变量置位释放：变量复位PIDSIM_DB_Start_PID启动按钮，启动PID运行停止PIDPIDSIM_DB_Stop_PID停止按钮，停止PID运行自动模式PIDSIM_DB_Auto_Mode_Button自动工作模式命令按钮手动模式PIDSIM_DB_Manual_Mode_Button手动工作模式命令按钮手动输出PIDSIM_DB_Manual_Output_Button将手动输出值，写入PID指令写入参数PIDSIM_DB_WritePID_Parameter_Button将增益/积分时间/微分时间，写入PID指令项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数HMI的画面设计--趋势图项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数HMI的画面设计--趋势图项目13

PID实现恒温控制项目拓展2--HMI控制PID运行参数HMI的画面设计--仿真运行点