基于WinCC和STEP7的PID控制

机电工程技术 ２００９ 年第 ３８ 卷第 ０１ 期
工业控制
基于 ＷｉｎＣＣ 和 ＳＴＥＰ７ 的 ＰＩＤ 控制
罗庚兴， 宁玉珊
（广东松山职业技术学院电气系， 广东韶关 ５１２１２６）
摘要： 介绍了一种基于 ＷｉｎＣＣ 和 Ｓ７－３００ ＰＬＣ 实现 ＰＩＤ 控制的方法， 利用 ＦＢ４１ 功能模块实现 ＰＩＤ 控制， 通过 ＷｉｎＣＣ 进行 实 时 监
等 。 进 入 ＣＰＵ 属 性 窗 口 ， 设 置 站 点 的 ＭＰＩ 地 址 （假 设 为
２３）。 打 开 模 拟 量 输 入 模 块 ， 设 置 模 拟 量 输 入 参 数 为 ： 测
量类型 Ｅ， 测量范围 １～５Ｖ。 打开模拟量输出模块， 设置模
拟量输出参数 为 ： 输 出 类 型 Ｉ， 输 出 范 围 ４～２０ｍＡ， 如 图 ３
实 际 温 度 值 （℃ ） ， ＤＢＤ．ＤＢＤ１４ 存
图 ２ 控制系统组成
放 执 行 器 手 动 开 度 给 定 值 （％ ） ， ＤＢＤ．ＤＢＤ１８ 存 放 执 行 器 实 际 开 度
２．２ 控制系统组成
值 （％）， ＤＢＤ．ＤＢＤ２６ 存 放 增 益 给 定 值 。 此 外 ， 还 分 配 了
实现以上控制要求的系统组成如图 ２ 所示。 该系统是 由 执 行 器 、 换 热 器 、 温 度 变 送 器 、 Ａ ／ Ｄ 转 换 器 、 ＰＩＤ 调 节 器和 Ｄ ／ Ａ 转换器等构成一个单回路温度控制 系 统 。 ＰＩＤ 调 节 器 、 Ｄ ／ Ａ 和 Ａ ／ Ｄ 转 换 器 用 西 门 子 公 司 的 Ｓ７ －３００ ＣＰＵ３１５－２ＤＰ 型 ＰＬＣ 来 实 现 。 上 位 机 ＰＣ 中 安 装 了 ＳＴＥＰ７ Ｖ５．２ 编 程 软 件 和 ＷｉｎＣＣ Ｖ６．０ 组 态 软 件 。 ＰＣ 与 ＰＬＣ 之 间
温度的给定值和实际值的电压存放形式地址， 分配了执行 器开度给定值和实际值的电流存放形式地址。 上述地址均 采 用 ＲＥＡＬ 数 据 类 型 。 ＤＢ１．ＤＢＤ３０ 用 来 存 放 积 分 时 间 常 数， 数据类型为 ＴＩＭＥ。
逻 辑 控 制 信 号 ， 如 手 动 ／ 自 动 切 换 ， ＣＲＴ ／ 本 地 工 作 方 式切换等信号， 也可以在 ＤＢ１ 中设置。
ＦＣ１０６ 用 于 将 模 拟 量 实 型 值 转 换 为 Ｉ ／ Ｏ 格 式 的 整 型 值 ［ ２］ 。 ＤＢ１．ＤＢＤ２２ 是 执 行
器开度电流形式的实型值。
电 动 执 行 器 的 量 程 上 限 ４ｍＡ
和 下 限 ２０ｍＡ 分 别 对 应 上 限
值 ＨＩ＿ＬＩＭ 和 下 限 值
ＬＯ＿ＬＩＭ。 Ｍ２０．０ 默 认 为 ０，
图 ４ 共享数据块 ＤＢ１
所示。 安装模拟量输入模块前， 必须根据输入信号种类正 确 设 置 量 程 卡 ， 对 于 １～５Ｖ 的 模 拟 量 电 压 输 入 ， 量 程 卡 选 择为 Ｂ 位置。
编译并生成系统数据包。 在硬件组态窗口下载硬件组 态， 在选择节点地址窗口搜寻可访问置方便等优点。
关键词： 实时监控； ＷｉｎＣＣ 组态； ＰＩＤ； ＰＬＣ； 编程
中图分类号： ＴＰ２７３
文献标识码： Ａ 文章编号： １００９－９４９２ (２００９) ０１－００３９－０４
１ 引言
ＰＩＤ 控 制 器 是 应 用 最 广 泛 的 闭 环 控 制 器 ， 由 于 其 结 构 简单， 容易实现， 不需要被控对象的数学模型， 有较强的 灵活性和适应性， 所以现在有 ９０％以上的 闭 环 控 制 都 采 用 ＰＩＤ 控 制 器 。 ＳＴＥＰ７ 提 供 丰 富 的 ＰＩＤ 控 制 功 能 模 块 ， 可 以 很方便的创建 ＰＩＤ 控制器和处理 设 定 值 、 过 程 反 馈 值 及 对 控制器的输出值进行后处理。 组态软件 ＷｉｎＣＣ 是数据采集 监控系统 ＳＣＡＤＡ 的软件平台工具 ［１］， 利用 ＷｉｎＣＣ 不仅可 以实现对闭环控制过程的监视， 而且还可以通过 ＷｉｎＣＣ 的 组态界面实时设置和修改 ＰＩＤ 参数， 避免了在 ＳＴＥＰ７ 中每 次调试 ＰＩＤ 控制， 都得修改参数并下载程序。
４ ＷｉｎＣＣ 组态设计
４．１ 创建项目及通讯设置
打 开 ＷｉｎＣＣＥｘｐｌｏｒｅｒ 窗 口 ， 创 建 一 个 名 为 “ Ｔｅｍｐ － Ｃｔｒｌ－２３” 的 ＷｉｎＣＣ 单用户项目。 在变量管理器下添加驱动 “ＳＩＭＡＴＩＣ Ｓ７ ＰＲＯＴＯＣＯＬ ＳＵＩＴＥ”， 如 图 ７ 所 示 ， 在 ＭＰＩ 下 建 立 名 为 “ＰＬＣ１” 新 驱 动 程 序 的 连 接 ， 设 置 站 地 址 为 ２３， 机 架 号 为 ０， 插 槽 号 为 ２。 这 样 就 建 立 ＷｉｎＣＣ 项 目 与 ＭＰＩ 地址为 ２３ 的 ＰＬＣ 站点之间的通讯。
用 ＰＣ Ａｄａｐｔｅｒ 连接。
考虑温度控制属于大滞后系统， 调节器采用 ＰＩ 类型。
３ ＳＴＥＰ７ 程序设计
３．１ 硬件组态及参数设置
在 ＳＴＥＰ７ 中创建一个温度控制系统的项目， 在项目下
生 成 一 个 Ｓ７－３００ 的 站 点 。 进 入 ＨＷ Ｃｏｎｆｉｇ 界 面 ， 按 硬 件
安 装 次 序 和 订 货 号 依 次 插 入 机 架 、 电 源 、 ＣＰＵ、 Ｉ ／ Ｏ 模 块
外部变量名称 ＣＲＴ ／ 本地方式
ＭＡＮ ／ ＱＵＴＯ 确定按钮 给定温度 实际温度 手动开度 执行器开度 增益
积分时间常数
数据类型 二进制变量 二进制变量 二进制变量 ３２ 位浮点数 ３２ 位浮点数 ３２ 位浮点数 ３２ 位浮点数 ３２ 位浮点数 有符号 ３２ 位数
通讯参数 ＤＢ１．ＤＢＸ０．０ ＤＢ１．ＤＢＸ０．１ ＤＢ１．ＤＢＸ０．２ ＤＢ１．ＤＢＤ２ ＤＢ１．ＤＢＤ１０ ＤＢ１．ＤＢＤ１４ ＤＢ１．ＤＢＤ１８ ＤＢ１．ＤＢＤ２６ ＤＢ１．ＤＢＤ３０
２ 系统组成
我 们 通 过 某 换 热 器 温 度 控 制 模 拟 系 统 来 具 体 讲 解 ＰＩＤ 控制的编程和监控功能的实现过程。
２．１ 控制对象组成及控制要求
温度控制系统如图 １ 所示。 换热器用于实现蒸汽和介 质 （如水） 之间的热量交换。 蒸汽的流量由电动执行器 （电流型 ４～２０ｍＡ） 控制， 热介质的温度由温度变送器 （电 压 型 １～５Ｖ） 采 集 。 冷 介 质 、 热 介 质 、 蒸 汽 出 口 等 的 管 道 阀门均为手动阀。
控制要求如下： １） 初始状态 电动执行器阀门关闭， 两手操电位器控制的阀门处于 较小的开度。 ２） 本地控制方式 接通启动开关， 系统按监控画面给定的温度， 控制电 动执行器动作， 进行温度的 ＰＩ 调节。 断开开关， 电动执行
图 １ 温度控制系统示意图
器关闭。 ３） 远程控制方式 自动模式下， 系统按给定的温度， 进行 ＰＩ 调节； 手动
图 ６ ＦＢ４１ 程序
图 ７ 设置 ＷｉｎＣＣ 的 ＭＰＩ 通讯参数
４．２ 建立外部过程变量
在 名 称 为 “ＰＬＣ１” 的 连 接 下 ， 按 表 １ 建 立 ＷｉｎＣＣ 的 外部变量与 ＰＬＣ 的通讯连接。
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表 １ ＷｉｎＣＣ 的外部变量
模式下， 系统按手动给定的电动执行器开度工作， 此开度 由监控画面输入和显示。
本地控制方式和远程控制方式由监控界面切换。 当方 式 信 号＝０ 时 为 本 地 控 制 方 式 ； 当 方 式 信 号＝１ 时 为 远 程 控 制方式。
温 度 变 送 器 电 压 １～５Ｖ 对 应 的 温 度 范 围 为 ０℃～１００℃。 电 动 执 行 器 电 流 ４～２０ｍＡ 对 应 的 阀 门 开 度 为 ０～１００％， 要 求在监控界面上显示的温度和阀门开度的单位分别为℃ 和％。
到 ＰＬＣ 中。 在 ＷｉｎＣＣ 启动属性卡中 标 记 “图 形 运 行 系 统 ” 和 “变 量 记 录 运 行 系 统 ”， 激 活 ＷｉｎＣＣ。 进 入 曲 线 图 ， 可 以监控温度、 阀门开度的运行情况。 图 ９ 中， 设置增益为 ８．３， 积分时间常数为 ８．３ｓ。 当给定温度从 ２０℃跃变到 ４０℃ 时， 阀门开度迅速增加， 温度上升， 经过两个多振荡后，
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图 ５ 模拟量输入输出数据的规范化处理
在 启 动 时 执 行 组 织 块 ＯＢ１００ 中 调 用 ＦＢ４１， 用 于 实 现
ＰＩＤ 控制器的初始化操作。 程序如下：
Ｓ ＤＢ２．ＤＢＸ ０．０ ／ ／ 重启动 ＰＩＤ， 复位 ＰＩＤ 内部参数
４．３ 组态过程画面和趋势画面
用图形编辑器创建一个名为 “启动主画面” 的温度控 制过程画面。 如图 ８ 所示， 编辑画面窗口。 添加相应的输 入输出。
图 ８ 温度控制主画面
在变量记录下， 建立一个过程值归档。 对给定温度、 实际温度和执行器开度 ３ 个过程变量进行归档。 设置采集 类型为周期－连续， 采样周期为 １ｓ， 归档周期为 ２ｓ。
ＣＡＬＬ ＦＢ４１， ＤＢ２
／ ／ 调用 ＦＢ４１
ＣＯＭ＿ＲＳＴ： ＝ ＤＢ２．ＤＢＸ０．０
ＭＡＮ＿ＯＮ： ＝
……
／ ／ 其它参数不用赋值
Ｒ ＤＢ２．ＤＢＸ ０．０
／ ／ 进入正常运行
在 ＯＢ３５ 中 调 用 连 续 ＰＩＤ 控 制 功 能 块 ＦＢ４１。 ＯＢ３５ 执
行的时间间隔即 ＰＩＤ 控制器运行的周期， 在 ＣＰＵ 属性设置
对 话 框 的 循 环 中 断 选 项 卡 中 设 置 ， 最 大 为 １００００ｍｓ， 本 控
制系统中设置为 １ｓ。 ＯＢ３５ 中的程 序 如 图 ６ 所示。
图 ６ 中 ， Ｑ８．０·Ｑ８．１ 表 示 ＣＲＴ 控 制 方式下的手动操作模式， Ｑ８．０·Ｉ２４．１ 表示 本 地 控 制 方 式 下 ， 断 开 Ｉ２４．１， 关 闭 ＰＩＤ 功 能 。 ＳＰ＿ＩＮＴ 输 入 ＤＢ１．ＤＢＤ６ 中 电 压 形 式 的 温 度 给 定 值 。 ＰＶ＿ＩＮ 输 入 ＤＢ１． ＤＢＤ３４ 中 电 压 形 式 的 实 际 温 度 值 。 ＭＡＮ 输 入 ＤＢ１．ＤＢＤ２２ 中 电 流 形 式 的 实 际 阀 门 开 度 值 。 ＧＡＩＮ 输 入 实 型 增 益 。 ＴＩ 输 入 ＤＢ１．ＤＢＤ３０ 中 ＴＩＭＥ 类 型 的 积 分 时 间 常 数 。 ＴＤ 微 分 时 间 常 数 取 ０。 ＤＥＡＤＢ＿Ｗ 设 置 死 区 宽 度 为 ０．０００２。 ＬＭＮ＿ＨＬＭ 设 置 控 制 器 输 出 上 限 值 为 ２０ｍＡ。 ＬＭＮ＿ＬＬＭ 设 置 控 制 器 输 出 下 限 值 为 ４ｍＡ。 ＬＭＮ 输 出 电 流 形式的实际阀门开度值存放到 ＤＢ１．ＤＢＤ２２ 中。