西门子 S7-200CPU PID 控制图解
一、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，使被控对象 的实际值（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。 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。 为便于实现，S7-200 中的 PID 控制采用了迭代算法。详细的计算方法请参考《S7-200 系统手册》中 PID 指令部分的相关内容。 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。其他如增益、采样时间、积分时间、微分时间都是实数。 因此，必须把外围实际的物理量与 PID 功能块需要的（或者输出的）数据之间进行转 换。这就是所谓输入/输出的转换与标准化处理。《S7-200 系统手册》上有详细的介 绍。 S7-200 的编程软件 Micro/WIN 提供了 PID 指令向导，以方便地完成这些转换/ 标准化处理。除此之外，PID 指令也同时会被自动调用。 二、调试 PID 控制器 PID 控制的效果就是看反馈（也就是控制对象）是否跟随设定值（给定），是否响应 快速、稳定，是否能够抑制闭环中的各种扰动而回复稳定。 要衡量 PID 参数是否合适，必须能够连续观察反馈对于给定变化的响应曲线；而实际 上 PID 的参数也是通过观察反馈波形而调试的。因此，没有能够观察反馈的连续变化 波形曲线的有效手段，就谈不上调试 PID 参数。 观察反馈量的连续波形，可以使用带慢扫描记忆功能的示波器（如数字示波器），波 形记录仪，或者在 PC 机上做的趋势曲线监控画面等。 新版编程软件 STEP 7 - Micro/WIN V4.0 内置了一个 PID 调试控制面板工具，具有 图形化的给定、反馈、调节器输出波形显示，可以用于手动调试 PID 参数。对于没有 “自整定 PID”功能的老版 CPU，也能实现 PID 手动调节。 PID 参数的取值，以及它们之间的配合，对 PID 控制是否稳定具有重要的意义。这些 主要参数是： • 采样时间： 计算机必须按照一定的时间间隔对反馈进行采样，才能进行 PID 控制的计算。采样时 间就是对反馈进行采样的间隔。短于采样时间间隔的信号变化是不能测量到的。过短 的采样时间没有必要，过长的采样间隔显然不能满足扰动变化比较快、或者速度响应 要求高的场合。 编程时指定的 PID 控制器采样时间必须与实际的采样时间一致。S7-200 中 PID 的采 样时间精度用定时中断来保证。 • 增益（Gain，放大系数，比例常数） 增益与偏差（给定与反馈的差值）的乘积作为控制器输出中的比例部分。过大的增益 会造成反馈的振荡。 • 积分时间（Integral Time） 偏差值恒定时，积分时间决定了控制器输出的变化速率。积分时间越短，偏差得到的 修正越快。过短的积分时间有可能造成不稳定。 积分时间的长度相当于在阶跃给定下，增益为“1”的时候，输出的变化量与偏差值相 等所需要的时间，也就是输出变化到二倍于初始阶跃偏差的时间。 如果将积分时间设为最大值，则相当于没有积分作用。 • 微分时间（Derivative Time） 偏差值发生改变时，微分作用将增加一个尖峰到输出中，随着时间流逝减小。微分时间越长，输出的变化越大。微分使控制对扰动的敏感度增加，也就是偏差的变化率越 大，微分控制作用越强。微分相当于对反馈变化趋势的预测性调整。 如果将微分时间设置为 0 就不起作用，控制器将作为 PI 调节器工作。 常问问题 1、对于某个具体的 PID 控制项目，是否可能事先得知比较合适的参数？有没有相关的经验数据？ 虽然有理论上计算 PID 参数的方法，但由于闭环调节的影响因素很多而不能全部在数学上精确地描述，计算出的数值往往没有什么实际意义。因此，除了实际调试获得参数外，没有什么可用的经验参数值存在。甚至对于两套看似一样的系统，都可能通过实际调试得到完全不同的参数值。 2、PID 控制不稳定怎么办？如何调试 PID？ 闭环系统的调试，首先应当做开环测试。所谓开环，就是在 PID 调节器不投入工作的 时候，观察： • 反馈通道的信号是否稳定 • 输出通道是否动作正常 可以试着给出一些比较保守的 PID 参数，比如放大倍数（增益）不要太大，可以小于1，积分时间不要太短，以免引起振荡。在这个基础上，可以直接投入运行观察反馈的波形变化。给出一个阶跃给定，观察系统的响应是最好的方法。 如果反馈达到给定值之后，历经多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应该考虑是否增益过大、积分时间过短；如果反馈迟迟不能跟随给定，上升速度很慢，应该考虑是否增益过小、积分时间过长…… 总之，PID 参数的调试是一个综合的、互相影响的过程，实际调试过程中的多次尝试是非常重要的步骤，也是必须的。 S7-200 的新一代产品提供了自整定的 PID 细调功能。 3、没有采用积分控制时，为何反馈达不到给定？ 这是必然的。因为积分控制的作用在于消除纯比例调节系统固有的“静差”。没有积分控制的比例控制系统中，没有偏差就没有输出量，没有输出就不能维持反馈值与给定值相等。所以永远不能做到没有偏差。 4、如何实现 PID 反作用调节？ 参见 PID 向导中的常问问题。 5、S7-200 控制变频器，在变频器也有 PID 控制功能时，应当使用谁的 PID 功能？ 可以根据具体情况使用。一般来说，如果需要控制的变量直接与变频器直接有关，比如变频水泵控制水压等，可以优先考虑使用变频器的 PID 功能。 6、《S7-200 系统手册》上的附录 H.14“用 S7-200 实现 PID 控制”的例子，是否可以直接使用？ 《S7-200 系统手册》中的附录 H 在英文原版中并不存在。 H.14 的 PID 例子是在第一代产品还不支持 PID 运算指令时的产物。现在用户可以使用PID 指令块，或者 PID Wizard（PID 向导）编辑 PID 控制程序。 三、PID Wizard - PID 向导 Micro/WIN 提供了 PID Wizard（PID 指令向导），可以帮助用户方便地生成一个闭环控制过程的 PID 算法。此向导可以完成绝大多数 PID 运算的自动编程，用户只需在主程序中调用 PID 向导生成的子程序，就可以完成 PID 控制任务。 PID 向导既可以生成模拟量输出 PID 控制算法，也支持开关量输出；既支持连续自动调节，也支持手动参与控制。建议用户使用此向导对 PID 编程，以避免不必要的错误。如果用户不能确定中文编程界面的语义，我们建议用户使用英文版本的Micro/WIN，以免对向导中相关概念发生误解。 建议用户使用较新的编程软件版本。在新版本中的 PID 向导获得了改善。 四、PID 向导编程步骤 在 Micro/WIN 中的命令菜单中选择 Tools > Instruction Wizard，然后在指令向导窗口中选择 PID 指令：
图 1. 选择 PID 向导 在使用向导时必须先对项目进行编译，在随后弹出的对话框中选择“Yes” ，确认编译。如果已有的程序中存在错误，或者有没有编完的指令，编译不能通过。 如果你的项目中已经配置了一个 PID 回路，则向导会指出已经存在的 PID 回路，并让你选择是配置修改已有的回路，还是配置一个新的回路：
图 2. 选择需要配置的回路 第一步：定义需要配置的 PID 回路号
图 3. 选择 PID 回路号 第二步：设定 PID 回路参数
图 4. 设置 PID 参数 a. 定义回路设定值（SP，即给定）的范围： 在低限（Low Range）和高限（High Range）输入域中输入实数，缺省值为 0.0 和 100.0， 表示给定值的取值范围占过程反馈量程的百分比。 这个范围是给定值的取值范围。它也可以用实际的工程单位数值表示。参见：设置给定－反 馈的量程范围。 以下定义 PID 回路参数，这些参数都应当是实数： b. Gain（增益）：即比例常数。 c. Integral Time（积分时间）：如果不想要积分作用，可以把积分时间设为无穷大：9999.99 d. Derivative Time（微分时间）：如果不想要微分回路，可以把微分时间设为 0 。 e. Sample Time（采样时间）：是 PID 控制回路对反馈采样和重新计算输出值的时间间 隔。在向导完成后，若想要修改此数，则必须返回向导中修改，不可在程序中或状态表中修改。 注意：关于具体的 PID 参数值，每一个项目都不一样，需要现场调试来定，没有所谓经验参数。 第三步：设定回路输入输出值
图 5. 设定 PID 输入输出参数 在图 5 中，首先设定过程变量的范围： a. 指定输入类型 o Unipolar：单极性，即输入的信号为正，如 0－10V 或 0－20mA 等。 o Bipolar：双极性，输入信号在从负到正的范围内变化。如输入信号为±10V±5V 等时选用 。 o 20% Offset：选用 20%偏移。如果输入为 4－20mA 则选单极性及此项，4mA 是 0－ 20mA 信号的 20%，所以选 20% 偏移，即 4mA 对应 6400，20mA 对应 32000。 b. 反馈输入取值范围 o 在 a.设置为 Unipolar 时，缺省值为 0 - 32000，对应输入量程范围 0 - 10V 或 0 - 20mA 等，输入信号为正 。 o 在 a.设置为 Bipolar 时，缺省的取值为-32000 - +32000，对应的输入范围根据量程不同可 以是±10V、±5V 等 。 o 在 a.选中 20% Offset 时，取值范围为 6400 - 32000，不可改变 此反馈输入 也可以是工 程单位数值，参见：设置给定－反馈的量程范围。然后定义输出类型。 c. Output Type（输出类型） 可以选择模拟量输出或数字量输出。模拟量输出用来控制一些需要模拟量给定的设备，如比 例阀、变频器等；数字量输出实际上是控制输出点的通、断状态按照一定的占空比变化，可 以控制固态继电器（加热棒等） d. 选择模拟量则需设定回路输出变量值的范围，可以选择： o Unipolar：单极性输出，可为 0－10V 或 0－20mA 等 。 o Bipolar：双极性输出，可为正负 10V 或正负 5V 等 。 o 20% Offset：如果选中 20% 偏移，使输出为 4 - 20mA 。 e. 取值范围： o d 为 Unipolar 时，缺省值为 0 到 32000 o d 为 Bipolar 时，取值-32000 到 32000 o d 为 20% Offset 时，取值 6400 - 32000，不可改变 如果选择了开关量输出，需要设 定此占空比的周期。 第四步：设定回路报警选项
图 6. 设定回路报警限幅值 向导提供了三个输出来反映过程值(PV)的低值报警、高值报警及过程值模拟量模块错误状 态。当报警条件满足时，输出置位为 1。这些功能在选中了相应的选择框之后起作用。 a.使能低值报警并设定过程值(PV)报警的低值，此值为过程值的百分数，缺省值为 0.10，即 报警的低值为过程值的 10％。此值最低可设为 0.01，即满量程的 1% 。 b.使能高值报警并设定过程值(PV)报警的高值，此值为过程值的百分数，缺省值为 0.90，即 报警的高值为过程值的 90％。此值最高可设为 1.00，即满量程的 100% 。 c.使能过程值(PV)模拟量模块错误报警并设定模块于 CPU 连接时所处的模块位置。“0”就是 第一个扩展模块的位置。 第五步：指定 PID 运算数据存储区
图 7. 分配运算数据存储区 PID 指令（功能块）使用了一个 120 个字节的 V 区参数表来进行控制回路的运算工作； 除此之外，PID 向导生成的输入/输出量的标准化程序也需要运算数据存储区。需要为它们 定义一个起始地址，要保证该地址起始的若干字节在程序的其它地方没有被重复使用。如果 点击“Suggest Address”，则向导将自动为你设定当前程序中没有用过的 V 区地址。 自动分配的地址只是在执行 PID 向导时编译检测到空闲地址。向导将自动为该参数表分配 符号名，用户不要再自己为这些参数分配符号名，否则将导致 PID 控制不执行。 第六步：定义向导所生成的 PID 初使化子程序和中断程序名及手/自动模式
图 8. 指定子程序、中断服务程序名和选择手动控制 向导已经为初使化子程序和中断子程序定义了缺省名，你也可以修改成自己起的名字。 a. 指定 PID 初使化子程序的名字。 b. 指定 PID 中断子程序的名字 注意： 1.如果你的项目中已经存在一个 PID 配置，则中断程序名为只读，不可更改。因为 一个项目中所有 PID 共用一个中断程序,它的名字不会被任何新的 PID 所更改。 2.PID 向导中断用的是 SMB34 定时中断，在用户使用了 PID 向导后，注意在其它编程时 不要再用此中断，也不要向 SMB34 中写入新的数值，否则 PID 将停止工作。 c.此处可以选择添加 PID 手动控制模式。在 PID 手动控制模式下，回路输出由手动输出设 定控制，此时需要写入手动控制输出参数一个 0.0－1.0 的实数，代表输出 的 0％－100％而不是直接去改变输出值。此功能提供了 PID 控制的手动和自动之间的无 扰切换能力。 第七步：生成 PID 子程序、中断程序及符号表等一旦点击完成按钮，将在你的项目中生成 上述 PID 子程序、中断程序及符号表等。 图 9. 生成 PID 子程序、中断程序和符号表等 第八步：配置完 PID 向导，需要在程序中调用向导生成的 PID 子程序（如下图）
图 10. PID 子程序
图 11. 调用 PID 子程序 a.必须用 SM0.0 来使能 PID，以保证它的正常运行 b.此处输入过程值（反馈）的模拟量输入地址 c.此处输入设定值变量地址（VDxx），或者直接输入设定值常数，根据向导中的设定 0.0 －100.0，此处应输入一个 0.0－100.0 的实数，例：若输入 20，即为过程值的 20％，假设 过程值 AIW0 是量程为 0－200 度的温度值，则此处的设定值 20 代表 40 度（即 200 度 的 20％）；如果在向导中设定给定范围为 0.0 - 200.0，则此处的 20 相当于 20 度. d.此处用 I0.0 控制 PID 的手/自动方式，当 I0.0 为 1 时，为自动，经过 PID 运算从 AQW0 输出；当 I0.0 为 0 时，PID 将停止计算，AQW0 输出为 ManualOutput（VD4） 中的设定值，此时不要另外编程或直接给 AQW0 赋值。若在向导中没有选择 PID 手动功 能，则此项不会出现 e.定义 PID 手动状态下的输出，从 AQW0 输出一个满值范围内对应此值的输出量。此处 可输入手动设定值的变量地址（VDxx），或直接输入数。数值范围为 0.0-1.0 之间的一个 实数，代表输出范围的百分比。例：如输入 0.5，则设定为输出的 50％。若在向导中没有 选择 PID 手动功能，则此项不会出现 f.此处键入控制量的输出地址 g.当高报警条件满足时，相应的输出置位为 1，若在向导中没有使能高报警功能，则此项将不会出现 h.当低报警条件满足时，相应的输出置位为 1，若在向导中没有使能低报警功能，则此项将不会出现 i.当模块出错时，相应的输出置位为 1，若在向导中没有使能模块错误报警功能，则此项将不会出现调用 PID 子程序时，不用考虑中断程序。子程序会自动初始化相关的定时中断处 理事项，然后中断程序会自动执行。 第九步：实际运行并调试 PID 参数 没有一个 PID 项目的参数不需要修改而能直接运行，因此需要在实际运行时调试 PID 参 数。查看 Data Block（数据块），以及 Symbol Table（符号表）相应的 PID 符号标签的内容，可以找到包括 PID 核心指令所用的控制回路表，包括比例系数、积分时间等等。将此表的地址复制到 Status Chart（状态表）中，可以在监控模式下在线修改 PID 参数,而不必停机再次做组态参数调试合适后，用户可以在数据块中写入，也可以再做一次向导，或者编程向相应的数据区传送参数。
