S7-300实现PID控制——何为“单闭环控制系统”

前言：PLC单闭环控制系统

如图1所示，是典型的PLC单闭环控制系统（绿框中的部分是在PLC中实现的）。

其中：

Sp（n）是给定值

Pv（n）是A/D转换后的反馈值

Ev（n）为误差，即ev（n）=sp（n）-pv（n）

c（t）为被控量，是连续变化的模拟量，如压力、温度、流量、速度等；

pv（t）为反馈量，它是标准量程的直流电流信号（如4-20mA）或直流电压信号（如0-10V），它是被控量c（t）经由测量元件（包括传感器和变送器）转换而来的；

Mv（n）是控制器计算出的控制量，其经过D/A转换后，变为mv（t），驱动执行机构动作，使得被控对象趋向于控制目标。

一、实例：炉温闭环控制

用热电偶检测实时炉温，并将其转化为标准的电压信号pv（t）：1-5V；

反馈信号pv（t）由模拟量输入模块输入，并经过A/D转换（模-数转换），得到与反馈温度成比例的数字量pv（n）；

CPU将其与设定值sp（n）比较，得到误差ev（n）=sp（n）-pv（n）；

控制器（PID）根据ev（n）计算出控制量mv（n），经过D/A转换（数-模转换）得到标准电流信号mv（t）：4-20mA；

执行机构为比例阀，mv（t）控制比例阀的开度，控制燃气的流量大小，从而实现炉温的闭环控制。

控制器选择为"PID控制"，基本的控制逻辑是：

当炉温c（t）低于设定值时，反馈量pv（n）小于给定值sp（n），误差ev（n）为正，控制器的输出量mv（t）将增大，使比例阀开度增大，燃气流量增加，使炉温升高，最终使实际温度趋近给定值；

当炉温c（t）高于设定值时，反馈量pv（n）大于给定值sp（n），误差ev（n）为负，控制器的输出量mv（t）将减小，使比例阀开度减小，燃气流量减少，使炉温降低，最终使实际温度趋近给定值。

二、通过S7-300/400实现模拟量闭环控制

S7系列的PLC为用户提供了多种模拟量闭环控制的方法。

1、闭环控制模块

S7-300的FM355和S7-400的FM455是西门子提供了智能化4路、16路通用闭环控制模块，用于化工和过程控制，模块上带有A/D和D/A转换器。

2、用于闭环控制的系统功能块

S7-300/400还提供了系统功能块SFB41-SFB43来实现闭环控制。

SFB41："CONT_C"，用于连续控制

SFB42："CONT_S"，用于步进控制

SFB43："PULSEGEN"，用于脉冲宽度调制

3、标准PID控制软件包

标准PID控制（Standard PID Control）软件包提供了5个用于闭环控制的功能块，FB41-FB43、FB58及FB59，如图2所示。

图2 标准PID控制软件包

其中：

FB41-FB43与SFB41-SFB43兼容

FB58、FB59用于PID温度控制

三、标准PID控制功能块的使用

可以调用系统功能块SFB41-SFB43来实现闭环控制，如果安装了标准PID控制软件包的话，也可以选择该软件包中的功能块FB41-B43、FB58及FB59来实现PID闭环控制。

应在启动时执行的组织块OB100或在循环中断（如OB35）中调用FB41-FB43。PID的采样周期应设置为与OB35的循环时间间隔一致。

图3 PID控制器采样时间