一、 PID功能
1. PID是用于對閉環(huán)過程進(jìn)行控制。PID控制適用于溫度，壓力，流量等物理量，是工業(yè)現(xiàn)場中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式，其原理是，對被控對象設(shè)定一個給定值，然后將實(shí)際值測量出來，并與給定值比較，將其差值送入PID控制器，PID控制器按照一定的運(yùn)算規(guī)律，計(jì)算出結(jié)果，即為輸出值，送到執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中的P,I,D指的是比例，積分，微分，是一種閉環(huán)控制算法。通過這些參數(shù)，可以使被控對象追隨給定值變化并使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，自動消除各種干擾對控制過程的影響。
二、 S7-1200 PID控制器
1. S7-1200 CPU提供了PID控制器回路數(shù)量受到CPU的工作內(nèi)存及支持DB塊數(shù)量限制。嚴(yán)格上說并沒有限制具體數(shù)量，但實(shí)際應(yīng)用推薦客戶不要超過16路PID回路?？赏瑫r進(jìn)行回路控制，用戶可手動調(diào)試參數(shù)，也可使用自整定功能，提供了兩種自整定方式由PID控制器自動調(diào)試參數(shù)。另外STEP7 Basic還提供了調(diào)試面板，用戶可以直觀的了解控制器及被控對象的狀態(tài)。
2. PID控制器結(jié)構(gòu)
PID控制器功能主要依靠三部分實(shí)現(xiàn)，循環(huán)中斷塊，PID指令塊，工藝對象背景數(shù)據(jù)塊。用戶在調(diào)用PID指令塊時需要定義其背景數(shù)據(jù)塊，而此背景數(shù)據(jù)塊需要在工藝對象中添加，稱為工藝對象背景數(shù)據(jù)塊。PID指令塊與其相對應(yīng)的的工藝對象背景數(shù)據(jù)塊組合使用，形成完整的PID控制器。PID控制器結(jié)構(gòu)如圖1。
圖1 PID控制器結(jié)構(gòu)
3. 循環(huán)中斷塊可按一定周期產(chǎn)生中斷，執(zhí)行其中的程序。PID指令塊定義了控制器的控制算法，隨著循環(huán)中斷塊產(chǎn)生中斷而周期性執(zhí)行，其背景數(shù)據(jù)塊用于定義輸入輸出參數(shù)，調(diào)試參數(shù)以及監(jiān)控參數(shù)。此背景數(shù)據(jù)塊并非普通數(shù)據(jù)塊，需要在目錄樹視圖的工藝對象中才能找到并定義。
三、 S7-1200 PID Compact V2 指令介紹
PID 指令塊的參數(shù)分為兩部分，輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)。其指令塊的視圖分為擴(kuò)展視圖與集成視圖，在不同的視圖下所能看見的參數(shù)是不一樣的，在集成視圖中可看到的參數(shù)為最基本的默認(rèn)參數(shù)，如給定值，反饋值，輸出值等。定義這些參數(shù)可實(shí)現(xiàn)控制器最基本的控制功能，而在擴(kuò)展視圖中，可看到更多的相關(guān)參數(shù)，如手自動切換，模式切換等，使用這些參數(shù)可使控制器具有更豐富的功能。如圖2所示
圖2 PID 指令塊的集成視圖和擴(kuò)展視圖
PID Compact 輸入輸出參數(shù)介紹
1. PID_Compact V2 的輸入?yún)?shù)包括 PID 的設(shè)定值，過程值，手自動切換，故障確認(rèn)，模式切換和 PID 重啟參數(shù)，如表 1 所示。
表1：輸入?yún)?shù)
參數(shù) | 數(shù)據(jù)類型 | 說明 |
Setpoint | REAL | PID 控制器在自動模式下的設(shè)定值 |
Input | REAL | PID 控制器的反饋值（工程量） |
Input_PER | INT | PID 控制器的反饋值（模擬量） |
Disturbance | REAL | 擾動變量或預(yù)控制值。 |
ManualEnable | BOOL | 出現(xiàn) FALSE -> TRUE 上升沿時會激活“手動模式”，與當(dāng)前 Mode 的數(shù)值無關(guān)。 |
ManualValue | REAL | 用作手動模式下的 PID 輸出值，須滿足 Config.OutputLowerLimit < ManualValue < Config.OutputUpperLimit 。 |
ErrorAck | BOOL | FALSE -> TRUE 上升沿時，錯誤確認(rèn)，清除已經(jīng)離開的錯誤信息。 |
Reset | BOOL | 重新啟動控制器： |
ModeActivate | BOOL | FALSE -> TRUE 上升沿，PID_Compact 將切換到保存在 Mode 參數(shù)中的工作模式。 |
注意：如果使用 Reset 復(fù)位錯誤會重啟 PID 控制器，建議使用 ErrorAck 來復(fù)位錯誤代碼。
2. PID_Compact V2 的輸出參數(shù)包括 PID 的輸出值（REAL、模擬量、PWM），標(biāo)定的過程值，限位報(bào)警（設(shè)定值、過程值），PID 的當(dāng)前工作模式，錯誤狀態(tài)及錯誤代碼，如表 2 所示。
表2：輸出參數(shù)
參數(shù) | 數(shù)據(jù)類型 | 說明 |
ScaledInput | REAL | 標(biāo)定的過程值 |
Output | REAL | PID 的輸出值 （REAL 形式） |
Output_PER | INT | PID 的輸出值（模擬量） |
Output_PWM | BOOL | PID 的輸出值（脈寬調(diào)制） |
SetpointLimit_H | BOOL | 如果 SetpointLimit_H = TRUE，則說明達(dá)到了設(shè)定值的絕對上限 (Setpoint ≥ Config.SetpointUpperLimit)。 |
SetpointLimit_L | BOOL | 如果 SetpointLimit_L = TRUE，則說明已達(dá)到設(shè)定值的絕對下限 (Setpoint ≤ Config.SetpointLowerLimit)。 |
InputWarning_H | BOOL | 如果 InputWarning_H = TRUE，則說明過程值已達(dá)到或超出警告上限。 |
InputWarning_L | BOOL | 如果 InputWarning_L = TRUE，則說明過程值已達(dá)到或低于警告下限。 |
State | INT | State 參數(shù)顯示了 PID 控制器的當(dāng)前工作模式。 可使用輸入?yún)?shù) Mode 和 ModeActivate 處的上升沿更改工作模式: |
Error | BOOL | 如果 Error = TRUE，則此周期內(nèi)至少有一條錯誤消息處于未決狀態(tài)。 |
ErrorBits | DWORD | ErrorBits 參數(shù)顯示了處于未決狀態(tài)的錯誤消息。通過 Reset 或 ErrorAck 的上升沿來保持并復(fù)位 ErrorBits。 |
注意：
a) 若 PID 控制器未正常工作，請先檢查 PID 的輸出狀態(tài) State 來判斷 PID 的當(dāng)前工作模式，并檢查錯誤信息。
b) 當(dāng)錯誤出現(xiàn)時 Error=1，錯誤離開后 Error=0，ErrorBits 會保留錯誤信息。可通過編程清除錯誤離開后 ErrorBits 保留的錯誤信息。
3. PID_Compact V2 的輸入輸出參數(shù) Mode 指定了 PID_Compact 將轉(zhuǎn)換到的工作模式，具有斷電保持特性，由沿激活切換工作模式，如表 3 所示。
表3.輸入輸出參數(shù)
參數(shù) | 數(shù)據(jù)類型 | 說明 |
Mode | INT | 在 Mode 上，指定 PID_Compact 將轉(zhuǎn)換到的工作模式: |
注意：當(dāng) ManualEnable = TRUE，無法通過 ModeActivate 的上升沿或使用調(diào)試對話框來更改工作模式。
4. 當(dāng)PID出現(xiàn)錯誤時，通過捕捉 Error 的上升沿，將 ErrorBits 傳送至全局地址，從而獲得 PID 的錯誤信息，如表 4 所示。
表4.錯誤代碼定義
錯誤代碼 | 說明 |
0000 | 沒有任何錯誤 |
0001 | 參數(shù) “Input” 超出了過程值限值的范圍，正常范圍應(yīng)為 Config.InputLowerLimit < Input < Config.InputUpperLimit 。 |
0002 | 參數(shù) “Input_PER” 的值無效。 請檢查模擬量輸入是否有處于未決狀態(tài)的錯誤。 |
0004 | 精確調(diào)節(jié)期間出錯。 過程值無法保持振蕩狀態(tài)。 |
0008 | 預(yù)調(diào)節(jié)啟動時出錯。 過程值過于接近設(shè)定值。 啟動精確調(diào)節(jié)。 |
0010 | 調(diào)節(jié)期間設(shè)定值發(fā)生更改?？稍?CancelTuningLevel 變量中設(shè)置允許的設(shè)定值波動。 |
0020 | 精確調(diào)節(jié)期間不允許預(yù)調(diào)節(jié)。 |
0080 | 預(yù)調(diào)節(jié)期間出錯。 輸出值限值的組態(tài)不正確，請檢查輸出值的限值是否已正確組態(tài)及其是否匹配控制邏輯。 |
0100 | 精確調(diào)節(jié)期間的錯誤導(dǎo)致生成無效參數(shù)。 |
0200 | 參數(shù) “Input” 的值無效： 值的數(shù)字格式無效。 |
0400 | 輸出值計(jì)算失敗。 請檢查 PID 參數(shù)。 |
0800 | 采樣時間錯誤： 循環(huán)中斷 OB 的采樣時間內(nèi)沒有調(diào)用 PID_Compact。 |
1000 | 參數(shù) “Setpoint” 的值無效，值的數(shù)字格式無效。 |
10000 | ManualValue 參數(shù)的值無效，值的數(shù)字格式無效。 |
20000 | 變量 SubstituteOutput 的值無效，值的數(shù)字格式無效。這時，PID_Compact 使用輸出值下限作為輸出值。 |
40000 | Disturbance 參數(shù)的值無效，值的數(shù)字格式無效。 |
注意：如果多個錯誤同時處于待決狀態(tài)，將通過二進(jìn)制加法顯示 ErrorBits 的值。 例如，顯示 ErrorBits = 0003h 表示錯誤 0001h 和 0002h 同時處于待決狀態(tài)。
四、 S7-1200 PID Compact V2 組態(tài)步驟
1. 使用 PID 功能，必須先添加循環(huán)中斷，需要在循環(huán)中斷中添加 PID_Compact 指令。在循環(huán)中斷的屬性中，可以修改其循環(huán)時間
圖3 添加循環(huán)中斷后在屬性界面修改其循環(huán)時間
雙擊“添加新塊”----選擇“循環(huán)中斷塊”-----確定循環(huán)中斷時間-----點(diǎn)擊確定生成
因?yàn)槌绦驁?zhí)行的掃描周期不相同，一定要在循環(huán)中斷里調(diào)用 PID 指令?？捎益I循環(huán)中斷塊，進(jìn)入屬性更改其循環(huán)中斷時間。
注意：為保證以恒定的采樣時間間隔執(zhí)行 PID 指令，必須在循環(huán) OB 中調(diào)用。
在“指令 > 工藝 > PID 控制 > Compact PID（注意版本選擇） > PID_Compact”下，將 PID_Compact 指令添加至循環(huán)中斷。
圖4在循環(huán)中斷中添加 PID_Compact 指令
2. 當(dāng)添加完 PID_Compact 指令后，在項(xiàng)目樹 > 工藝對象文件夾中，會自動關(guān)聯(lián)出 PID_Compact_x[DBx]，包含其組態(tài)界面和調(diào)試功能。
圖5 PID_Compact 組態(tài)界面
3. 使用 PID 控制器前，需要對其進(jìn)行組態(tài)設(shè)置，分為基本設(shè)置、過程值設(shè)置、高級設(shè)置等部分
1) 基本設(shè)置
A. 基本設(shè)置--控制器類型
a. 為設(shè)定值、過程值和擾動變量選擇物理量和測量單位。
b. 正作用：隨著 PID 控制器的偏差增大，輸出值增大。 反作用：隨著PID控制器的偏差增大，輸出值減小。PID_Compact 反作用時，可以勾選“反轉(zhuǎn)控制邏輯”；或者用負(fù)比例增益。
c. 要在 CPU 重啟后切換到“模式”(Mode) 參數(shù)中保存的工作模式，請勾選“在 CPU 重啟后激活模式”。
圖6. PID_Compact > 基本設(shè)置 > 控制器類型
B. 基本設(shè)置--定義 Input/Output 參數(shù)
定義 PID 過程值和輸出值的內(nèi)容，選擇 PID_Compact 輸入、輸出變量的引腳和數(shù)據(jù)類型。
圖7. PID_Compact > 基本設(shè)置 > 定義 Input/Output
2) 過程值設(shè)置
A. 過程值設(shè)置--過程值限值必須滿足過程值下限<過程值上限。如果過程值超出限值，就會出現(xiàn)錯誤 (ErrorBits = 0001h)。
圖8.設(shè)置過程值限值
B. 過程值設(shè)置--過程值標(biāo)定
a. 當(dāng)且僅當(dāng)在 Input/Output 中輸入選擇為 “Input_PER” 時，才可組態(tài)過程值標(biāo)定。
b. 如果過程值與模擬量輸入值成正比，則將使用上下限值對來標(biāo)定 Input_PER。
c. 必須滿足范圍的下限<上限。
圖9. 進(jìn)行過程值標(biāo)定
3) 高級設(shè)置
A. 高級設(shè)置--過程值監(jiān)視
a. 過程值的監(jiān)視限值范圍需要在過程值限值范圍之內(nèi)。
b. 過程值超過監(jiān)視限值，會輸出警告。過程值超過過程值限值，PID輸出報(bào)錯，切換工作模式。
i. 當(dāng)過程值超過或者達(dá)到警告限制，對應(yīng)的InputWarning 位=1，PID控制器的工作模式保持不變。
ii. 當(dāng)過程值超過設(shè)定值的限值，Error=1，ErrorBits=0001過程值超限。PID控制器的狀態(tài)會有所變化。
圖10.設(shè)置過程監(jiān)控值設(shè)置，與過程值限對比
B. 高級設(shè)置-- PWM 限制
輸出參數(shù) Output 中的值被轉(zhuǎn)換為一個脈沖序列，該序列通過脈寬調(diào)制在輸出參數(shù) Output_PWM 中輸出。在 PID 算法采樣時間內(nèi)計(jì)算 Output，在采樣時間 PID_Compact 內(nèi)輸出 Output_PWM。
圖11.PID_Compact 的 PWM 輸出原理
a. 為最大程度地減小工作頻率并節(jié)省執(zhí)行器，可延長最短開/關(guān)時間。
b. 如果要使用 “Output” 或 “Output_PER”，則必須分別為最短開關(guān)時間組態(tài)值 0.0。
c. 脈沖或中斷時間永遠(yuǎn)不會小于最短開關(guān)時間。例如，在當(dāng)前 PID 算法采樣周期中，如果輸出小于最短接通時間將不輸出脈沖，如果輸出大于（PID 算法采樣時間-最短關(guān)閉時間） 則整個周期輸出高電平。
d. 在當(dāng)前 PID 算法采樣周期中，因小于最短接通時間未能輸出脈沖的，會在下一個 PID 算法采樣周期中累加和補(bǔ)償由此引起的誤差。
最短開/關(guān)時間只影響輸出參數(shù) Output_PWM，不用于 CPU 中集成的任何脈沖發(fā)生器。
示例：PID_Compact 采樣時間=100ms；PID 算法采樣時間=1000ms；最短開啟時間=200 ms（即已組態(tài)的最小接通脈沖為 PID_Compact 的 20%），若此時 PID 輸出恒定為 15%。
則在第一個周期內(nèi)不輸出脈沖，在第二個周期內(nèi)將第一個周期內(nèi)未輸出的脈沖累加到第二個周期的脈沖，依次輸出。如下圖所示。
圖12.PWM 最小開/關(guān)時間影響示例圖
C. 高級設(shè)置--輸出值限值
a. 在“輸出值的限值”窗口中，以百分比形式組態(tài)輸出值的限值。 無論是在手動模式還是自動模式下，都不要超過輸出值的限值。
b. 手動模式下的設(shè)定值 ManualValue，必須介于輸出值的下限 （Config.OutputLowerLimit） 與輸出值的上限 （ Config.OutputUpperLimit ）之間的值。
c. 如果在手動模式下指定了一個超出限值范圍的輸出值，則 CPU 會將有效值限制為組態(tài)的限值。
d. PID_compact 可以通過組態(tài)界面中輸出值的上限和下限修改限值。最廣范圍為 -100.0 到 100.0，如果采用 Output_PWM 輸出時限制為 0.0 到 100.0 。
圖13.過程監(jiān)控值設(shè)置和過程值限對比
D. PID 組態(tài)高級設(shè)置_對錯誤的響應(yīng)
根據(jù)錯誤代碼來分析錯誤原因。根據(jù)組態(tài)界面所設(shè)置的“對錯誤的響應(yīng)”，不同錯誤的響應(yīng)狀態(tài)也不一樣，如下表所示：
E. 高級設(shè)置--手動輸入 PID 參數(shù)
a. 在 PID Compact 組態(tài)界面可以修改 PID 參數(shù)，通過此處修改的參數(shù)對應(yīng)工藝對象背景數(shù)據(jù)塊 > Static > Retain > PID 參數(shù)。
b. 通過組態(tài)界面修改參數(shù)需要重新下載組態(tài)并重啟 PLC。建議直接對工藝對象背景數(shù)據(jù)塊進(jìn)行操作。
圖14.PID組態(tài)高級設(shè)置—手動輸入PID參數(shù)
1.啟動手動輸入后，可以通過組態(tài)界面修改PID參數(shù)。
2.啟動手動輸入----修改參數(shù)-----重新下載組態(tài)----CPU:STOP-RUN
3.PID:預(yù)調(diào)節(jié)和精確調(diào)節(jié)期間計(jì)算PID參數(shù)
PI：預(yù)調(diào)節(jié)換熱精確調(diào)節(jié)期間計(jì)算PI參數(shù)。
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