用S7-200 SMART PLC实现PID控制

如果用西门子S7-200 SMART PLC实现PID控制，则需要掌握配置PID向导、调用子程序、创建状态图表测试程序、自整定PID参数等技能。本文详细介绍西门子S7-200 SMART PID回路控制，如何配置PID向导？如何调用子程序？如何创建状态图表测试程序？如何自整定PID参数？
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变量实测值之间的偏差，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进行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P、I、D分别指比例、积分、微分。

在西门子S7-200 SMART中，PID控制功能通过PID指令来实现。编程软件STEP7-Micro/WIN SMART提供了PID向导，可以帮助用户组态PID控制和生成PID子程序，方便快捷的完成PID控制编程任务，支持8路PID功能、自动/手动切换以及PID整定。

STEP7-Micro/WIN SMART还提供了PID整定控制面板，允许以图形方式监视PID回路行为，还可以启动、停止自整定功能。下面我们来进行S7-200 SMART PID回路控制的使用练习：利用PID向导编写程序，使温度保持在给定值，并对PID参数进行整定。

任务描述。本次实验设备中利用温度变送器将0-100℃的温度转换为0-10V的电压信号，送到扩展模块EM AM06的模拟量输入通道2。加热器用Q1.6输出的PWM脉冲来控制。需要说明的是，EM AM06将模拟量输入0-10V电压信号转换为数字量，对应数字范围为0-27648，传送到S7-200 SMART CPU的AI存储器中。

硬件组态。打开编程软件STEP7-Micro/WIN SMART创建新项目，在项目树中双击CPU打开，根据实际配置CPU选择SR40，扩展模块EM0选择AM06，启用模块电源报警。单击模拟量输入节点下的通道2，通道地址为AIW20，类型组态为电压，范围选择+/-10V，平滑采用默认的4个周期，启用超出上限报警和超出下限报警，单击确定按钮完成硬件组态。

配置PID向导。在工具菜单功能区单击PID按钮打开PID回路向导对话框，选择要组态的回路，最多可组态8个回路，这里我们选择回路0。

在左侧的树视图中单击回路0节点，在此定义回路名称。单击参数节点，在此设置回路参数，如果不需要比例作用，增益设置为0.0，如果不需要积分作用，积分时间设置为无穷大值INF，如果不需要微分作用，微分时间设置为0.0，采样时间是PID控制回路对反馈采样以及重新计算输出值的时间间隔，这里我们均采用默认值，后面在实验中进行自整定。

单击输入节点，在此指定回路过程变量的标定方式，根据外接模拟量输入情况，类型选择単极型，标定选项中设置过程变量范围0到27648，对应回路设定值范围0.0到100.0，该值是给定值占过程变量量程的百分比，在本例中也可以认为是工程量温度值。

点击输出节点，在此指定回路输出的标定方式，根据外接输出信号类型选择数字量，循环时间即PWM输出的周期，采用默认值0.1秒。

单击报警节点，在此设定回路报警选项，启用下限报警、上限报警、模拟量输入错误报警，指定报警上下限值以百分比表示，以及模拟量输入模块连接到PLC的位置。

单击代码节点，在此自定义向导生成的子程序和中断程序的名称，选择添加PID的手动控制，当处于手动模式时不执行PID计算，回路输出由程序控制。单击存储器分配节点，PID向导为完成PID运算需要120个字节的位存储器，为其指定起始地址，要保证程序中没有使用这些存储器，单击建议按钮向导将自动设定当前程序中未用的位存储器，这里我们采用VB0为起始地址。

单击组件节点，在此列出了PID向导生成的组件，包括一个初始化PID的子程序、一个用于循环执行PID功能的中断程序、一个120个字节的数据页以及一个符号表，单击生成按钮完成PID向导配置，向导生成的项目组件添加到了项目中。

查看向导生成的项目组件。在项目树中展开程序块下的向导文件夹，双击初始化PID子程序打开，该子程序是加密的，可以查看相关的子程序调用说明，变量表列出了子程序的接口参数定义，编程调用时可参考。双击PID功能中断子程序打开，该中断子程序也是加密的，请注意PID向导使用了定时中断0，编程时不能再使用此中断，否则会引起PID运行错误。

展开符号表下的向导文件夹，双击PID符号表打开，在此可以查看PID回路相关参数的符号及地址信息，不可更改，编程时可参考。展开数据块下的向导文件夹，双击PID数据页打开，该数据页是加密的，在此可以查看PID回路的PID算法相关参数，这样PID向导就配置完成了。

在编程软件STEP7-Micro/WIN SMART的指令树中，展开调用子例程文件夹，选择初始化PID向导子程序拖放到主程序中，该子程序有多个接口参数，切换到该子程序窗口，程序注释中指出需要在每个扫描周期使用SM0.0从主程序中调用该子程序，变量表给出有关接口参数的含义和取值范围。

回到主程序窗口，使能端插入一个常开触点，输入地址SM0.0，过程变量参数处输入模拟量输入地址AIW20，设定值参数处输入VD200，Auto_Manual处输入M0.0，ManualOutput处输入50.0，表示用M0.0控制自动与手动模式。配置PID向导时我们已经设置回路为数字量输出，因此手动模式时PID输出占空比为百分之五十，如果配置向导时没有添加PID手动控制，这两项不会出现。|

Output处输入Q1.6，用PWM输出驱动加热装置，HighAlarm、LowAlarm、ModulError处输入满足高低限报警、模块错误报警条件时相应的输出标志位，如果在配置向导时没有启用这些报警功能，相应的项也不会出现，这里我们分别输入Q0.0、Q0.1、Q0.2。另外，打开PID向导生成的符号表，查看各回路参数的详细地址，从而可以使用程序、状态图表、或从HMI设备上修改PID参数值进行编程调试，例如标准化过程变量的地址为VD0，如果想要得到实际工程量，需要编写程序转换。

插入实数相乘指令，在IN1处输入地址VD0，IN2处输入100.0，OUT处输入地址VD204，该指令把标准化的过程变量转化成了实际温度值存放在VD204中。对使用的地址进行符号定义，如下图所示，这样通过调用PID向导生成的子程序使温度保持在给定值的程序就编写完成了，最后，保存编译项目。

下面，我们来学习如何创建状态图表并利用状态图表来测试程序。首先我们来看一下如何创建状态图表。

创建状态图表。从符号表复制所需要监控的数据地址粘贴到状态图表中，切换寻址显示模式，设置合适的数据显示格式，如图所示，这样就快速创建了状态图表，单击保持按钮保存项目。

将数据地址粘贴到状态图表中并切换寻址显示模式
下载并测试。将项目下载到PLC中，将CPU置于RUN模式，在状态图表中持续监视，可以看到当前温度为30度左右，PID控制处于手动模式，加热器按照百分之五十的PWM工作。

温度持续升高，将给定值设置为80度，PID控制改为自动模式，温度向设定值方向变化，自动计算PID输出。

修改PID控制参数，观察控制器及被控变量状态，实际调试时可以利用PID整定控制面板，以图形方式来直观查看，并自整定PID控制参数。

接下来使用西门子S7-200 SMART PID整定控制面板自整定PID参数。首先我们介绍一下PID整定控制面板。左侧选择PID回路号，标定区域显示给定值、过程值、输出值以及高低限，均以百分比显示；图形显示区中用不同颜色的曲线显示了给定值、过程值以及输出值相对于时间的PID趋势图，其中过程值和给定值共用图形左侧的纵轴，输出使用图形右侧的纵轴；采样区域中采样时间是执行PID运算的时间间隔，只能在PID向导配置中更改，速率设置图形显示区所有显示值的采样更新速率，可以单击暂停按钮冻结图形、单击清除按钮清除图形；调节参数区域中显示增益、积分、微分参数的当前值，选择启用手动调节后在计算值列可以直接修改PID参数，在自动模式下单击启动按钮启动自整定，自整定完成后单击更新CPU按钮将自整定计算出的PID参数写入到CPU中；状态区域显示自整定过程状态。

单击选项按钮打开自整定参数设置的高级选项对话框，选中自动计算值复选框，自整定将自动计算滞后值和偏差值，不选中此项可以自行指定这些值；滞后值规定了允许过程值偏离设定值的最大正负范围；偏差值决定了允许过程值偏离设定值的峰-峰值；初始输出步就是输出变化的第一步变化量，以实际输出量程的百分比表示；看门狗时间规定过程变量必须在此时间内达到或穿越设定值；动态响应字段中根据回路过程的控制要求可选择不同的响应类型。

自整定。要使用PID控制面板必须与CPU通信，用PID向导配置生成一个PID回路，并将程序下载到CPU中，使CPU处于运行模式，在状态图表中将给定值设为60度，PID控制改为自动模式。

在工具菜单功能区单击PID控制面板按钮，打开PID整定控制面板对话框，选择回路0，先启动手动调节，输入PID参数，如增益改为5.0，单击更新CPU，使新输入的参数值起作用，监视趋势图，根据调节状况改变PID参数直至调节稳定，即过程值与设定值接近，且输出没有不规律的变化，并最好处于控制范围中心附近，此时可将手动调节改为自动调节，即自整定。