S7-200PLC PID和模拟量

1. PID调节器的适用范围PID调节控制是一个传统控制方法，它适用于温度、压力、流量、液位等几乎所有现场，不同的现场，仅仅是PID参数应设置不同，只要参数设置得当均可以达到很好的效果。

均可以达到0.1%，甚至更高的控制要求。

2. PID参数的意义和作用指标分析P、I、D： y=yP+yi+ yd2.1. P参数设置名称：比例带参数，单位为(%)。

比例作用定义：比例作用控制输出的大小与误差的大小成正比，当误差占量程的百分比达到P值时，比例作用的输出=100%，这P就定义为比例带参数。

即yp= ×100% = ×100% = Kp • Err (1)（其中：yP=KP•Δ、Δ=SP-PV，取0-100%）KP=1/（FS•P）也可以理解成，当误差达到量程乘以P(%)时，比例作用的输出达100%。

例：对于量程为0-1300℃的温控系统，当P设置为10%时，FS乘以P等于130℃，说明当误差达到130℃时，比例作用的输出等于100%，误差每变化1℃，比例作用输出变化0.79%，若需加大比例作用的调节能力，则需把P参数设置小些，或把量程设置小些。

具体多少可依据上述方法进行定量计算。

P=输出全开值/FS•100%P参数越小比例作用越强，动态响应越快，消除误差的能力越强。

但实际系统是有惯性的，控制输出变化后，实际PV值变化还需等待一段时间才会缓慢变化。

由于实际系统是有惯性的，比例作用不宜太强，比例作用太强会引起系统振荡不稳定。

P参数的大小应在以上定量计算的基础上根据系统响应情况，现场调试决定，通常将P参数由大向小调，以能达到最快响应又无超调(或无大的超调)为最佳参数。

2.2. I参数设置名称：积分时间，单位为秒。

积分作用定义：对某一恒定的误差进行积分，令其积分“I”秒后，其积分输出应与比例作用等同，这I就定义为积分时间。

即：Ki∫I O Errdt = Ki • I • Err = Kp • Err (2 )Ki = Kp /I (3 )yi = Ki ∫t o Err (t)dt (4 )为什么要引进积分作用呢？前面已经分析过，比例作用的输出与误差的大小成正比，误差越大，输出越大，误差越小，输出越小，误差为零，输出为零。

S7-200SMART中PID使用、调试方法和步骤01 PID回路控制概述PID控制器是应用最广泛的闭环控制器，它根据给定值与被控实测值之间的偏差；按照PID算法计算出控制器的输出量，控制执行机构进行调节，使被控量跟随给定量变化，并使系统达到稳定；自动消除各种干扰对控制过程的影响。

其中PID分别表示比例、积分和微分。

S7-200 SMART中PID功能实现方式有以下三种：PID指令块：通过一个PID回路表交换数据，只接受0.0 - 1.0之间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控制输出的有效数值。

PID向导：方便地完成输入/输出信号转换/标准化处理。

PID指令同时会被自动调用。

根据PID算法自己编程S7-200 SMART CPU最多可以支持8个PID控制回路（8个PID指令功能块）,根据PID算法自己编程没有具体数目的限制，但是我们需要考虑PLC的存储空间以及扫描周期等影响。

PID控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。

PID控制算法有几个关键的参数Kc（Gain，增益）Ti（积分时间常数），Td（微分时间常数）Ts（采样时间）在S7-200 SMART中PID功能是通过PID指令功能块实现。

通过定时（按照采样时间）执行PID功能块，按照PID运算规律，根据当时的给定、反馈、比例－积分－微分数据，计算出控制量。

由于PID可以控制温度、压力等等许多对象，它们各自都是由工程量表示，因此有一种通用的数据表示方法才能被PID功能块识别。

S7-200 SMART中的PID功能使用占调节范围的百分比的方法抽象地表示被控对象的数值大小。

在实际工程中，这个调节范围往往被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。

PID功能块只接受0.0 - 1.0之间的实数（实际上是0%--100%）作为反馈、给定与控制输出的有效数值，如果是直接使用PID功能块编程，必须保证数据在这个范围之内，否则会出错。

1、模拟量值和A/D转换值的转换假设模拟量的标准电信号是A0—Am（如：4—20mA），A/D转换后数值为D0—D （单极性的西门子PLC200系列的0—32000），设模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系A＝f（D）可以表示为数学方程：A＝（D－D0）×（Am－A0）／（Dm－D0）＋A0根据该方程式，可以方便地根据D值计算出A值。

将该方程式逆变换，得出函数关系D＝f（A）可以表示为数学方程：D＝（A－A0）×（Dm－D0）／（Am－A0）＋D0举几个例子：例1、以S7-200和4—20mA为例，经A/D转换后，得到的数值是6400—32000，即A0＝4，Am＝20，D0＝6400，Dm＝32000，代入公式，得出：A＝（D－6400）×（20－4）／（32000－6400）＋4假设该模拟量与AIW0对应，则当AIW0的值为12800时，相应的模拟电信号是6400×16／25600＋4＝8mA。

例2、某温度传感器，－10—60℃与4—20mA相对应，以T表示温度值，AIW0为PLC模拟量采样值，则根据上式直接代入得出：T=70×（AIW0－6400）／25600－10可以用T 直接显示温度值。

例3、某压力变送器，当压力达到满量程5MPa时，压力变送器的输出电流是20mA，AIW0的数值是32000。

可见，每毫安对应的A/D值为32000/20，测得当压力为0.1MPa时，压力变送器的电流应为4mA，A/D值为（32000/20）×4＝6400。

由此得出，AIW0的数值转换为实际压力值（单位为KPa）的计算公式为：VW0的值＝(AIW0的值－6400)(5000－100)/(32000－6400)＋100（单位：KPa）再举个具体编程实例：组建一个小的实例系统演示模拟量编程。

本实例的的CPU是CPU222，仅带一个模拟量扩展模块EM235，该模块的第一个通道连接一块带4—20mA变送输出的温度显示仪表，该仪表的量程设置为0—100度，即0度时输出4mA，100度时输出20mA。

如何使用S7-200CPU 的PID控制S7-200 能够进行PID 控制。

S7-200 CPU最多可以支持8 个PID 控制回路（8个PID 指令功能块）。

PID 是闭环控制系统的比例－积分－微分控制算法。

PID 控制器根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照PID 算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。

PID 控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。

根据具体项目的控制要求，在实际应用中有可能用到其中的一部分，比如常用的是PI（比例－积分）控制，这时没有微分控制部分。

1、PID 算法在S7-200 中的实现PID 控制最初在模拟量控制系统中实现，随着离散控制理论的发展，PID也在计算机化控制系统中实现。

计算机化的PID 控制算法有几个关键的参数：●Kc：Gain，增益●Ti：积分时间常数●Td：微分时间常数●Ts：采样时间在S7-200 中PID 功能是通过PID 指令功能块实现。

通过定时（按照采样时间）执行PID 功能块，按照PID 运算规律，根据当时的给定、反馈、比例－积分－微分数据，计算出控制量。

PID 功能块通过一个PID 回路表交换数据，这个表是在V 数据存储区中的开辟，长度为36 字节。

因此每个PID 功能块在调用时需要指定两个要素：PID控制回路号，以及控制回路表的起始地址（以VB 表示）。

由于PID 可以控制温度、压力等等许多对象，它们各自都是由工程量表示，因此有一种通用的数据表示方法才能被PID 功能块识别。

S7-200中的PID 功能使用占调节范围的百分比的方法抽象地表示被控对象的数值大小。

在实际工程中，这个调节范围往往被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。

PID 功能块只接受0.0 - 1.0 之间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控制输出的有效数值，如果是直接使用PID 功能块编程，必须保证数据在这个范围之内，否则会出错。

关于西门子S7-200 PID编程学习心得1. 注意区分输入端接的是电压信号还是电流信号；输出端是电流信号还是电压信号。

在模拟模块上不同信号下的接线方式。

2. 了解信号输入元件相关资料：如使用温度变送器，要了解温度变送器测量范围，如0～100℃；输出电流范围4～20mA；分度号是什么，如PT100；接线原理图等。

相关输入元件；输出元件在模拟模块上的接线方式。

其他如工程要求的精度是多少等。

3. 关于PID设定值(VD204)确认：假定我们将控制温度定位23.5℃；以单极性为例，首先应确定输入信号是0～10V电压信号还是4～20mA电流信号？，这在PID设定值中非常重要。

如是0～10V电压输入信号对应0～32000，温度范围0～100℃，设定值为可直接算出: VD204=23.5/（100-0）=0.235；若是电流4～20mA，其对应数值应为6400～32000，温度范围0～100℃，则设定值应为0.388。

原因：模拟模块中0～32000对应0～20mA；其中6400～32000对应4～2 0mA对应0～100℃；这就必须进行相关的计算，23.5℃电流计算方式：（20-4）：（100-0）=（X-4）:23.5;解方程：X=7.76(mA)。

设定值：VD204=7.76/20=0.388.4. 关于PID输出值(VD208)确认：以单极性为例，应确定输出信号是0～10V电压信号还是4～20mA电流信号对应着0～32000？若是输出信号AQW0对应电压信号，比如0～10V，则AQW0=（实数VD208*32000在转化成整数）即可；若是输出信号AQW0对应电流信号，比如4～20 mA，则AQW0=（实数VD208*32000在转化成整数+6400）。

5. 关于PID恒温控制实际：通过上机实验可知：PID恒温控制是围绕着设定值进行调节的。

若设定温度为23.5℃；当温度低于设定值时，加温蒸汽调节阀始终处于全部打开状态，；当温度达到23.5℃，加温用的蒸汽调节阀开始逐渐关闭，在关闭过程中，温度有可能仍在渐渐上升，温度偏离越大，关闭速度越快；知道全部关闭为止；当温度再次低于设定值时，加温蒸汽调节阀则会逐渐打开，打开速度取决于温度偏离值的大小，偏离越大，打开速度越快；直到温度再次达到设定值。

《DCS 与现场总线控制系统应用》之DCS 温度（液位）控制实验实验三S7－200PLCPID 温度调节实验一一、实验目的1、定性掌握PID 控制原理，在此基础上理解PID 各调分量的调节作用；2、掌握S7—200PLC 中PID 调节指令的使用及编程（以温度调节为例，学习使用向导和不使用向导两种编程，本实验不使用向导），并初步学会PID 参数定方法。

二、实验内容1、S7—200PLC 与模块的硬件接线、S7—200PLCPID 指令应用2、掌握S7—200PLCPID 编程步骤3、掌握输入输出参数的标准化及PID 回路表的使用4、观察PID 自动调节与手动调节效果图（趋势曲线），并学习PID 参数整定方法5、以温度控制为例进行PID 调节模拟，观察效果（有模拟量扩展模块的话，掌握EM231或者EM232或者EM235的连接及使用）6、改变设定值、积分时间、采样时间、微分时间，观察调节效果曲线，学会分析曲线图，定性掌握PID 参数整定方法 三、实验步骤1、硬件连接：S7—200CPU 与模拟量扩展模块的正确连接以EM235为例，连接图如下：（EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟 量输入和1路模拟量输出功能） M L ，丄MO w10lb 沌I 偏馬计配號EM 235模拟组合4输入门输出 (6ES7235-OKD22-OXAO )PSPSRA A 亠A-RBB+日-RCC+O RD 。

亠D-I~r~i_II_r~i_II —EJ —II —EJ —I250欧姆(内置】左图演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X+和X —；对于电流信号，将RX 和X+短接后接入电流输入信号的“+”端；未连接传感器的通道要将X+和X —短接。

对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。

EM235的常用技术参数：下表说明如何用DIP开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、由上表可知，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。