S7-300 在模拟量闭环控制中的应用

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S7-300 在模拟量闭环控制中的应用

2

PLC 常用控制方法： SCS： Sequence Control System ，程序和顺序控制； MCS：Modulating Control System ，例如： PID 控制

作为基本 MCS ；复杂控制：串级控制、混合控制、比值控制等；最优控制：现代控制理论算法实现的控制；自适应控制：给定值随着某种规律自动调整，使生产过

程始终处于最佳工作状态；模糊控制：控制决策 ( 目标 ) 用模糊规则来实现。


3

PS 电源 CPU 接口模板 DI DO AI TC RTD AO FM ...

按钮行程开关接近开关转换开关辅助节点 ……

指示灯接触器继电器电磁阀 ……

变送器热电偶热电阻

热电偶热电阻执行器 FM355

S7-300 S7-300 组成的控制系统组成的控制系统


4

图 8-1 PLC 模拟量闭环控制系统原理框图

可编程控制器

pv(n)

控制器+

-给定值

D/A

A/D

sp(n)ev(n) mv(n) mv(t)

生产过程

执行器被控对象

测量变送器

被控量

pv(t)

c(t)

其中 c(t) ：被控制量 sp(n) ：给定值mv(t)： PLC 输出的模拟量 mv(n)： D/A 转换后输出的数字量pv(t) ：变送器输出的模拟量 ev(n) ：控制偏差 ev(n) = sp(n) − pv(n)

pv(n) ：经 A/D 转换后的数字量

8.1 模拟量闭环控制的基本概念8.1.1 模拟量闭环控制系统的组成1 模拟量单闭环控制系统的组成


5

CPU AI AO

＋＋＋＋

原理： AI(TC、 RTD) 模块采集过程值 ➵ 经 CPU 执行PID 控制算法 ➵ AO(或 DO) 实现控制。

优点：节约费用，使用灵活。缺点：不能独立控制，占 CPU 时间。

SFB41SFB42SFB43SFB58SFB59

＋＋

2 S7-300 实现闭环控制的方法⑴ 软件 PID 控制器：


6

mv(t)

LCLCpv(t) sp

F2

F1

LTLT

举例：CPU AI AO

＋＋＋＋＋＋SFB41SFB42SFB43SFB58SFB59


7

⑵ 闭环控制模块

模块 FM 355C: 4 路模拟量连续输出 FM 355S: 8 路步进或脉冲输出

功能可运行于自动 / 手动模式、安全模式、跟随模式；自整定温度控制算法、 PID 算法；即使 CPU 故障或停机，模块仍能独立工作。

应用温度、压力、流量、液位控制。

4AI＋ 4AO＋ 8DI4AI＋ 8DO＋ 8DI

控制算法


8

3 PID 控制器概述 ⑴ PID 控制 (Proportional Integral Differential)

PID 意为比例、积分、微分， PID 控制是自动控制中一种重要的常规控制方式。 ⑵ PID 控制实现的方式

模拟 PID ：控制器用模拟电路实现数字 PID ：通过软件实现 PID 数字运算


10

8.2 数字 PID 控制器8.2.2 PID 控制器的数字化1. PID 控制器表达式

sT

sTK

sEV

sMVD

IP

11

)(

)(

Mdt

tdevTdttev

TtevKtmv

t

DI

P

0

1 )()()()(

其中： KP为比例系数， TI为积分时间常数， TD为微分时间常数，M为积分部分的初始值。

传递函数：


11

PID 控制器的结构图如下：

控制对象-

PK

sT

K

I

P

sTKDP

)(sC)(sSP

2. PID 算法的数字实现数字 PID 主要有三种算法：位置算法、增量算法和速

度算法。 S7-300 PID 功能块 SFB41 是位置算法。


12

由 PID 表达式

设 PID 控制器采样周期为 Ts ，对上式进行离散化处理，积分项用累加近似代替，微分项用差分近似代替，则连续系统表达式变为：

MT

1)ev(nev(n)Tev(j)T

T

1ev(n)Kmv(n)

s

n

0j DsI

P

Mdt

tdevTdttev

TtevKtmv

t

DI

P

0

1 )()()()(


13

整理后得：

式中： Ts=Δt 为采样周期 ev(n) 、 ev(n-1) 为第 n 次和第 n-1 次采样时的偏差值 mv(n) 为第 n 次采样时控制器的输出值

位置算法的特点：• 控制输出与阀门位置有一一对应关系，故称位置算法；• 每次都需计算阀位的绝对位置；• 需采用措施来防止积分饱和和手自动切换的扰动现象；• 上式中， KP 、 TI 、 TD 、 M分别对应 SFB41 的

GAIN 、 TI 、 TD 和 I_ITLVAL。

M1)ev(nev(n)Kev(j)Kev(n)Kmv(n)n

0jDIP

S

DP

DI

SP

I T

TKK

T

TKK ，


14

3. 不完全微分 PID 微分项的弱点：在标准的 PID 算式中，当有阶跃信号输入

时，微分项急剧增加，容易引起调节过程的振荡，导致调节品质下降。

解决：不完全微分 PID 算法基本思想仿照模拟调节器的实际微分调节，加入惯性环节，以克服完全微分的缺点。

不完全微分 PID 的传递函数为

上式中， KP、 TI、 TD、M 意义同前， Tf 惯性环节时间常数，对应 SFB41的 TM_LAG 。

1sT

sT

sT

11K

EV(s)

MV(s)

f

D

IP


15

4. 带有死区的 PID 控制算法在某些控制系统中，当偏差比较小时，为了避免控制动作

过于频繁，以消除由此所引起的振荡给设备带来危害，可采用带死区的 PID 控制系统。

死区的 PID 概念：是人为地设置一个不灵敏区域 B ，当偏差 | ev(t) |≤B 时，减弱或切除控制输出当偏差 | ev(t) |＞ B 时，正常控制输出

这里的死区 B 对应 SFB41 中的 DEADB_W 。死区特性

BPID

控制器－

SP 控制对象

图 8-3 带有死区的 PID 控制


16

8.3 S7-300 的模拟量闭环控制功能8.3.1 S7-300 实现闭环控制的方法1. FM355 闭环控制模块 S7-300 闭环控制模块，用于压力、流量、液位等控制；内有自优化温度控制算法和 PID 算法； FM355 模块不受 CPU影响而独立工作； FM355有 4个 AI ，可接热电阻、电流、电压信号； FM355C 用于连续控制器，有 4个独立的 AO ，可组成定

值、串级、比值等控制方式； FM355S 用于数字量步进或脉冲控制器，有 8个 DO 。


17

2. 闭环控制系统功能块 SFB41～ SFB43 ：通过 AI、 AO(DO) 模块实现 PID 控

制。其中：

通过 AO 实现连续控制 (SFB41)

通过 DO 实现步进 (SFB42) 或脉冲控制 (SFB43) 。3. 闭环控制软件包 FB41～ FB43 用于 PID 控制，功能同 SFB41～ SFB43 ； FB58和 FB59 用于 PID 温度控制；模糊控制、神经网络控制、 PID 自整定等软件包。


18

8.3.2 闭环控制系统功能块1. 系统功能块的调用

SFB 41 用于连续控制SFB 42 用于步进控制SFB 43 用于脉冲宽度控制

调用方法如下：指令树→ Library→Standard Library→

System Function Blocks→插入块2. 闭环控制软件包的调用功能块 FB41 ､ FB42 ､ FB43与 SFB41 ､ SFB42 ､ SFB43兼

容，调用方法如下：指令树→ Library→Standard Library→PID Control Blocks→插入块


19

3. PID 控制程序的编制和采样周期的选择可在 FB或 FC里调用系统功能块 SFB41～ SFB43

注：调用 SFB41～ SFB43 的 FB或 FC必须放在定时循环

中断 OB35 (OB30～ OB38) 中被调用。 OB35 的循环中断时间即为 PID 控制器的采样周期 TS 。

采样周期 TS 与 CPU 性能有关，需要根据运算速度和控

制周期折衷选择。可以在 CPU属性中设置。


20


21

调用系统功能块必须指定背景数据块例如： STL： CALL SFB “CONT_C”, DB300

LAD ：背景数据块保存了功能块的输入 / 输出结果，可以在 PLC

程序中或 WINCC 软件访问相应的数据。见图。


22

梯形图

语句表


23

SFB41 的背景数据块 DB300


24

8.4 连续 PID 控制器 SFB41 SFB41 为连续控制器，控制输出为 AO 量；基本控制是恒值控制。例如：恒压、恒温、恒速控制等。连续控制器 SFB41 的原理框图如图 8-4所示。

25

+-

DEADBAND

DEADB_W死区宽度

比例增益GAIN

ER误差PV

过程变量

PVPER_ON

PV_NORM

PV_FAC 输入系数PV_OFF 输入偏差

CRP_IN

%

100/27648

SP_INT内部浮点数给定值

PV_IN浮点数过程变量

PV_PER外设变量

P_SEL

I_SEL

+ +

D_SEL

0.0

0.0

LMN_P 比例分量

LMN_I 积分分量

DISV扰动

LMN_D 微分分量0.0

LMN_NORM

LMN_FAC 输出系数LMN_OFF 输出偏移量

CRP_OUT

%

27648/100

LMNLIMIT

LMN_HLM 输出上限值LMN_LLM 输出下限值

LMN控制器输出值

LMN_PER外设输出

QLMN_HLM 输出超上限QLMN_LLM 输出超下限手动控制

MAN_ONMAN手动

1

0

1

0

1

0

1

0

0

1

TD 微分时间常数TM_LAG 微分延迟时间

死区

过程变量格式化

实数PV_R

输出限幅

输出限幅LMN_LIM

输出量格式化转换为外设输出值

图 8-4 SFB41 CONT_C 框图

DIF

INT_HOLD 积分保持I_ITL_ON 积分初始化I_ITLVAL 积分初值

INT+

+

+


26

1. 设定值的输入SP_INT ：设定值 (setpoint) ，浮点数格式。

2. 过程变量输入格式选择有两种输入方式：PVPER_ON=0 ：选择 PV_IN 作输入，浮点格式的工程值PVPER_ON=1 ：选择 PV_PER 作输入， A/D 采集的数字量

+-

DEADBAND

DEADB_W死区宽度PV

过程变量

PVPER_ON

PV_NORM


CRP_IN

%

100/27648



PV_PER外设变量

0

1

死区


实数PV_R

PLC 生产过程

pv(n)

控制器+

-给定值

D/A

A/D

spev(n) mv(n) mv(t)

执行器被控对象

测量变送器被控量

pv(t)

c(t)


27

3. 外部设备过程变量转换为浮点数PVPER_ON=1时 PV_IN选择 A/D 采集的数值 (字 ) ，内部需要转换为浮点数 (百分数 ) ：PV_R = PV_PER ×100 / 27648

4. 外部设备过程变量的标准化对 PV_R格式化：PV_NORM 的输出 = PV_R × PV_FAC + PV_OFFPV_FAC ：过程变量系数，默认值取 1.0PV_OFF ：过程变量的偏移量，默认值取 0.0

PV_FAC 和 PV_OFF 可用来调节过程输入的范围。 PV ：过程变量中间输出。

+-

DEADBAND


过程变量

PVPER_ON

PV_NORM


CRP_IN

%

100/27648



PV_PER外设变量

0

1

死区


实数PV_R


28

8.4.2 PID 控制算法1. 误差的计算与处理误差＝ SP_INT － PV ➟ 死区处理 ➟ ER(Error ，中

间输出变量 ) ，死区带由 DEADB_W确定。

+-

DEADBAND


过程变量

PVPER_ON

PV_NORM


CRP_IN

%

100/27648



PV_PER外设变量

0

1

死区


实数PV_R


29

2. 控制器的结构数字 PID 算式：

对应 PID 结构图，其中： GAIN、 TI、 TD 分别对应 KP、 TI、 TD

TM_LAG ：惯性环节时间常数P_SEL

I_SEL

+ +

D_SEL

0.0

0.0

LMN_P 比例分量

LMN_I 积分分量

DISV扰动


1

0

1

0

1

0TD 微分时间常数TM_LAG 微分延迟时间

DIF


INT+

+

+

比例增益GAIN

ER误差

Mdt

tdevTdttev

TtevKtmv

t

DI

P

0

1 )()()()(


30

P_SEL、 I_SEL、 D_SEL： P、 I、 D投 /切选择 LNM_P、 LNM_I、 LNM_D： P、 I、 D 分量的输出 DISV： Disturbance ，扰动量，可实现前馈控制3. 积分器的初始值 COM_RST＝ 1 ，执行完全重新起动，初始值为

I_ITLVAL INT_HOLD＝ 1 ，积分保持，积分输出被冻结

P_SEL

I_SEL

+ +

D_SEL

0.0

0.0

LMN_P 比例分量

LMN_I 积分分量

DISV扰动


1

0

1

0

1

0TD 微分时间常数TM_LAG 微分延迟时间

DIF


INT+

+

+

比例增益GAIN

ER误差


31

8.4.3 控制器输出值的处理1. 手动模式 MAN_ON ：＝ 1 为手动调节，＝ 0 为自动调节2. 输出限幅 LMN_HLM、 LMN_LLM ：控制器输出上限和下限设定

值 QLMN_HLM、 QLMN_LLM ：控制器输出超上限或超下限的状态输出

LMN_NORM


CRP_OUT

%

27648/100

LMNLIMIT



LMN_PER外设输出


MAN_ONMAN手动 1

0

输出限幅

输出限幅LMN_LIM



32

LMN_NORM


CRP_OUT

%

27648/100

LMNLIMIT



LMN_PER外设输出


MAN_ONMAN手动 1

0

输出限幅

输出限幅LMN_LIM


3. 输出量的格式化对限幅后的输出 LMN_LIM格式化：

LMN = LMN_LIM × LMN_FAC + LMN_OFF其中：

LMN ：控制器浮点格式输出LMN_FAC ：输出量系数，默认值取 1.0LMN_OFF ：输出量的偏移量，默认值取 0.0

4. 输出量转换为外设格式把浮点格式的控制量转换成数字量：

LMN_PER = LMN × 27648 / 100

33

+-

DEADBAND

DEADB_W死区宽度

比例增益GAIN

ER误差PV

过程变量

PVPER_ON

PV_NORM


CRP_IN

%

100/27648



PV_PER外设变量

P_SEL

I_SEL

+ +

D_SEL

0.0

0.0

LMN_P 比例分量

LMN_I 积分分量

DISV扰动


LMN_NORM


CRP_OUT

%

27648/100

LMNLIMIT



LMN_PER外设输出


MAN_ONMAN手动

1

0

1

0

1

0

1

0

0

1

TD 微分时间常数TM_LAG 微分延迟时间

死区


实数PV_R

输出限幅

输出限幅LMN_LIM


图 10-4 SFB41 CONT_C 框图

DIF


INT+

+

+


34

8.4.4 连续 PID 控制器 SFB41 编程1. A/D 采集直接读取 A/D 转换值：例如 PIW725

2. 标度变换调用 FC105(Scale Convert) 进行标度变换调用 FC106(Unscale Convert)反变换3. 过程变量的输入 ⑴ 把 A/D 采集值输入到 PV_VER

⑵ 经 FC105 换算后输入到 PV_IN

4. D/A 输出直接控制器输出 LMN_PER 送到 D/A 模块，例如

PQW725


35

模拟量的采集及标度变换模块 FC105


36

• SFB41 连续控制器的输入参数

参数名称数据类型地址说明默认值CON_RET BOOL 0.0 完全重新启动，为 1 时执行初始化 FALSE

CYCLE TIME 2 采样时间， 20MS T#1S

SP_INT REAL 6 内部设定值， 100 或物理值 0.0

PV_IN REAL 10 过程变量输入 0.0

PVPER_ON BOOL 0.2 使用外围设备输入过程变量 FALSE

PV_PER WORD 14 外围设备输入的过程变量值 16#0000

PV_FAC REAL 48 输入的过程变量系数 1.0

PV_OFF REAL 52 输入过程变量的偏移量 0.0

DEABD_W REAL 36 死区宽度， 0.0 或物理值 0.0

GAIN REAL 20 比例增益 2.0

TI TIME 24 积分时间， CYCLE T#20S

TD TIME 28 微分时间 T#10S

TM_LAG TIME 32 微分操作的延迟时间 T#2S


37

• SFB41 ( 连续控制）的输入参数（续）

参数名称数据类型地址说明默认值P_SEL BOOL 0.3 打开比例操作 TRUE

I_SEL BOOL 0.4 打开积分操作 TRUE

D_SEL BOOL 0.7 打开微分操作 TRUE

I_ITLVAL REAL 64 积分初值 0.0

I_ITL_ON BOOL 0.6 积分初化，为 1 时用 I_ITLVAL FALSE

INT_HOLD BOOL 0.5 积分操作保持，为 1 时积分输出保持 FALSE

DISV REAL 68 扰动输入变量 0.0

MAN_ON BOOL 0.1 使手动值被置为操作值 TRUE

MAN REAL 16 操作员输入的手动值， 100 或物理值 0.0

LMN_HLM REAL 40 输出上限， LMN_LLM～ 100% 或物理值 100.0

LMN_LLM REAL 44 输出下限， -100 %～ LMN_HLM 或物理值 0.0

LMN_FAC REAL 56 控制器输出量的系数 1.0

LMN_OFF REAL 60 控制器输出量的偏移值 0.0


38

• SFB41 ( 连续控制）的输出参数

具体控制时，需要把上述参数输入相应的数据块。• 连续控制软件包（ FB41）的参数，与上述参数相同。

参数名称数据类型地址说明默认值PV REAL 0.7 格式化的过程变量输出 0.0

ER REAL 64 死区处理后的误差输出 0.0

LMN_P REAL 0.6 控制器输出值中的比例输出 0.0

LMN _I REAL 0.5 控制器输出值中的积分输出 0.0

LMN _D REAL 68 控制器输出值中的微分输出 0.0

QLMN_HLM BOOL 40 控制器输出超过上限 FALSE

QLMN_LLM BOOL 44 控制器输出小于下限 FALSE

LMN REAL 56 控制器输出值 0.0

LMN_PER WORD 60 I/O格式的控制器输出值 16#0000


39

8.4.5 闭环控制模块 FM355 的使用 ⑴ 硬件安装与接线

FM355 模块可以安装于 S7-300 的中央机架，也可以安装于分步式 I/O的 ET200M 中；

在分步式 I/O 中安装 FM355 模块时， ET200M 中最多可以插入一个模块（ 4个 PID 回路）；

S7-300CPU 中央机架通常可以连接 8个模块 ( 可查看CPU技术规范 ) ；

前连接器分左右两个 20针接线端子。


40

FM355C 可接 4个 AI 作为反馈值、 4个 AO 作用于执行器、 8 个 DI 用于回路参数选择；

FM355S 可接 4个 AI 作为反馈值、 8个 DO 作用于执行机构（每个回路最多 2个输出，如温度控制器中一个作为加热输出，一个作为冷却输出）、 8 个 DI 用于回路参数选择；

模块的 AI 输入端可接入的信号：电压：电流：可接入 2线和 4线制变送器 ( 接外部 50Ω 电阻 )

热电偶：可选内部、外部 ( 占第 3 通道 )冷端补偿热电阻：恒流测量


41

⑵ 系统组态及参数设置硬件配置；安装 FM355附带有参数化软件包 (STEP7 为平台 ) ；在 STEP7 硬件配置中对 FM355 模块进行参数化；


42

FM355 模块过程值参数化界面


43

FM355模块偏差参数化界面


44

FM355模块控制算法参数化界面


45

FM355模块控制回路输出参数化界面


46

⑶ 利用安装后的七个函数进行编程： PID_FM(FB31) ：主函数块，设定大多数参数值，读取反馈值；

FUZ_355(FB32) ：读取模块对温度优化算法后的结果； FORCE_355(FB34) ：仿真 (强制 ) 模拟和数字量输入； READ_355(FB36)： CPU读取模块的模拟和数字量输入； CH_DIAG ：读出通道的状态值和一些 PID 的中间值，用

于对过程的判断。 PID_PAR(FB39) ：对“ PID_FM”函数块不能操作的参

数进行操作； CJ_T_PAR(FB40): 在线更改内部补偿的温度值。


47

⑷ PID参数•比例项：名称数据类型默认值功能 P_SEL BOOL TRUE 比例项使能控制 GAIN REAL 2.0 放大倍数•积分项：名称数据类型默认值功能 I_SEL BOOL TRUE 积分项使能控制 TI TIME T#20S 积分时间 INT_HOLD BOOL FALSE 积分输出保持控制 I_ITL_ON BOOL - 积分输出再输入允许 I_ITLVAL REAL 0.0 积分初值•微分项：名称数据类型默认值功能 D_SEL BOOL TRUE 微分项使能控制 TD TIME T#10S 微分时间 TM_LAG TIME T#2S 微分滞后时间•过程参数 … … …


48

⑸模板初始化功能（ SFC 块）• SFC 50 ：名称功能 WR_PARM 将动态参数写入模板• SFC 56 ：名称功能 WR_DPARM 将预定参数写入模板• SFC 57 ：名称功能 PARM_MOD 赋模板的参数• SFC 58 名称功能 WR_REC 写模板专用的数据记录• SFC 59 名称功能 RD_REC 读模板专用的数据记录⑹模板初始化功能的调用例：调用 SFC 50 CALL “RD_LGADR"

… ‘SFC 50 的形参

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