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PID_Temp 使用-指令

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  • S7-1500
  • PID
  • PID TEMP
发布时间:2024年01月19日
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本章节介绍了 PID_Temp指令的功能,算法方框图,指令视图,输入参数,输出参数以及错误代码。

PID_Temp 指令介绍

PID_Temp 提供了集成自整定功能的连续 PID 控制器。PID_Temp 专为温度控制而设计,适用于加热或加热/制冷应用。 为此提供了两路输出,分别用于加热和制冷。

PID_Temp 还可以用于其它控制任务。PID_Temp 可以级联,可以在手动或自动模式下使用。

PID_Temp 提供了自整定比例、积分和微分参数的功能。

PID_Temp 具有抗积分饱和功能并且能够对比例作用和微分作用进行加权。

PID 算法方框图如图 1 所示:

图 1. PID_Temp 算法方框图

PID 算法根据如图 2 所示公式工作(不激活控制区和死区功能的情况),参数详见表 1 所示。

图 2. 计算公式

符号
说明
PID_Temp 指令的关联参数
y
PID 算法的输出值

Kp
比例增益
Retain.CtrlParams.Heat.Gain
Retain.CtrlParams.Cool.Gain
CoolFactor
s
拉普拉斯运算符

b
比例作用权重
Retain.CtrlParams.Heat.PWeighting
Retain.CtrlParams.Cool.PWeighting
w
设定值
CurrentSetpoint
x
过程值
ScaledInput
TI
积分作用时间
Retain.CtrlParams.Heat.Ti
Retain.CtrlParams.Cool.Ti
TD
微分作用时间
Retain.CtrlParams.Heat.Td
Retain.CtrlParams.Cool.Td
a
微分作用延迟系数
(微分延迟 T
I = a × TD
Retain.CtrlParams.Heat.TdFiltRatio
Retain.CtrlParams.Cool.TdFiltRatio
c
微分作用权重
Retain.CtrlParams.Heat.DWeighting
Retain.CtrlParams.Cool.DWeighting
DeadZone
死区宽度
Retain.CtrlParams.Heat.DeadZone
Retain.CtrlParams.Cool.DeadZone
ControlZone
控制区宽度
Retain.CtrlParams.Heat.ControlZone
Retain.CtrlParams.Cool.ControlZone

表 1. PID 参数

比例增益

  • 该值用于指定控制器的比例增益。PID_Temp 不支持负比例增益或PID反作用,只支持 PID 正作用,也就是说过程值会随着 PID 输出值的增大而增大。

积分作用时间

  • 积分作用时间用于确定积分作用的时间特性。积分作用时间越大,积分作用越小。如果不使用积分,则把积分作用时间设为 0.0 。

微分作用时间

  • 微分作用时间用于确定微分作用的时间特性。微分作用时间越大,微分作用越大。如果不使用微分,则把微分作用时间设为 0.0 。

微分延迟系数

  • 微分延迟系数用于延迟微分作用的生效。
  • 微分延迟 = 微分作用时间 × 微分延迟系数。

比例作用权重

  • 用于当设定值发生变化时弱化比例作用。
  • 比例作用权重允许使用 0.0 到 1.0 之间的值。
  • 当比例作用权重 = 1.0:设定值变化时的比例作用完全有效
  • 当比例作用权重 = 0.0:设定值变化时的比例作用无效
  • 当过程值变化时,比例作用始终完全有效。

微分作用权重

  • 用于当设定值发生变化时弱化微分作用。
  • 微分作用权重允许使用 0.0 到 1.0 之间的值。
  • 当微分作用权重 = 1.0:设定值变化时的微分作用完全有效
  • 当微分作用权重 = 0.0:设定值变化时的微分作用无效
  • 当过程值变化时,微分作用始终完全有效。

PID_Temp 指令视图

PID 指令块的参数分为两部分,输入参数与输出参数。其指令块的视图分为扩展视图与集成视图,在不同的视图下所能看见的参数是不一样的,如图 3 所示。

  • 集成视图:参数为最基本的默认参数,如给定值,反馈值,输出值等。定义这些参数可实现控制器最基本的控制功能。
  • 扩展视图:包含更多的相关参数,如手自动切换,模式切换等,使用这些参数可使控制器具有更丰富的功能。

图 3. 集成视图和扩展视图

输入输出参数介绍

PID_Temp 的输入参数包括 PID 的设定值,过程值,手自动切换,故障确认,模式切换和 PID 重启等参数,如表 2 所示:

参数
数据类型
说明
Setpoint
Real
PID 控制器在自动模式下的设定值
Input
Real
PID 控制器的反馈值(工程量)
Input_PER
Int
PID 控制器的反馈值(模拟量)
Disturbance
Real
扰动变量或预控制值
ManualEnable
Bool
    •  出现 FALSE -> TRUE 上升沿时会激活“手动模式”,与当前 Mode 的数值无关。
    •  当 ManualEnable = TRUE,无法通过 ModeActivate 的上升沿或使用调试对话框来更改工作模式。
    •  出现 TRUE -> FALSE 下降沿时会激活由 Mode 指定的工作模式。
ManualValue
Real
该值在手动模式下使用,用作 PID 输出值(PidOutputSum)。标定后的输出值取决于输出标定的设置。
当激活制冷输出时:
    •  正的手动值对应加热输出值
    •  负的手动值对应制冷输出值
取值范围必须满足:
    •  当禁用制冷输出时: Config.Output.Heat.PidUpperLimit ≥ ManualValue ≥ Config.Output.Heat.PidLowerLimit
    •  当激活制冷输出时: Config.Output.Heat.PidUpperLimit ≥ ManualValue ≥ Config.Output.Cool.PidLowerLimit
ErrorAck
Bool
FALSE -> TRUE 上升沿时,错误确认,清除已经离开的错误信息。
Reset
Bool
    •  重新启动控制器:
    •  FALSE -> TRUE 上升沿, 切换到"未激活"模式,同时复位 ErrorBits 和 Warnings,清除积分作用(保留 PID 参数) 。
    •  只要 Reset = TRUE,PID_Temp 便会保持在"未激活"模式下 (State = 0)。
    •  TRUE -> FALSE 下降沿,PID_Temp 将切换到保存在 Mode 参数中的工作模式。
ModeActivate
Bool
FALSE -> TRUE 上升沿,PID_Temp 将切换到保存在 Mode 参数中的工作模式。

表 2. 输入参数

PID_Temp 的输出参数包括 PID 的加热和制冷输出值(REAL、模拟量、PWM),标定的过程值,限位报警(设定值、过程值),PID 的当前工作模式,错误状态及错误代码,如表 3 所示:

参数
数据类型
说明
ScaledInput
Real
标定的过程值
OutputHeat
Real
PID 的加热输出值 (REAL 形式)
OutputCool
Real
PID 的制冷输出值 (REAL 形式)
OutputHeat_PER
Int
PID 的加热输出值(模拟量)
OutputCool_PER
Int
PID 的制冷输出值(模拟量)
OutputHeat_PWM
Bool
PID 的加热输出值(脉宽调制)
OutputCool_PWM
Bool
PID 的制冷输出值(脉宽调制)
SetpointLimit_H
Bool
如果 SetpointLimit_H = TRUE,则说明达到了设定值的绝对上限 (Setpoint ≥ Config.SetpointUpperLimit) 或者
Setpoint ≥ Config.InputUpperLimit。
设定值上限是 Config.SetpointUpperLimit 和 Config.InputUpperLimit 中的较小值。
SetpointLimit_L
Bool
如果 SetpointLimit_L = TRUE,则说明已达到设定值的绝对下限 (Setpoint ≤ Config.SetpointLowerLimit) 或者
Setpoint ≤ Config.InputLowerLimit。
设定值下限是 Config.SetpointLowerLimit 和 Config.InputLowerLimit 中的较大值。
InputWarning_H
Bool
如果 InputWarning_H = TRUE,则说明过程值已达到或超出警告上限 (ScaledInput ≥ Config.InputUpperWarning)。
InputWarning_L
Bool
如果 InputWarning_L  = TRUE,则说明过程值已达到或低于警告下限 (ScaledInput ≤ Config.InputLowerWarning)。
State
Int
State 参数显示了 PID 控制器的当前工作模式。 可使用输入参数 Mode 和 ModeActivate 处的上升沿更改工作模式。
    •  State = 0:未激活
    •  State = 1:预调节
    •  State = 2:精确调节
    •  State = 3:自动模式
    •  State = 4:手动模式
    •  State = 5:带错误监视的替代输出值
Error
Bool
如果 Error = TRUE,则此周期内至少有一条错误消息处于未决状态。
ErrorBits
DWord
ErrorBits 参数显示了处于未决状态的错误消息。 ErrorBits 具有保持性,通过 Reset 或 ErrorAck 的上升沿来复位。

表 3. 输出参数

注意:

  1. 若 PID 控制器未正常工作,请先检查 PID 的输出状态 State 来判断 PID 的当前工作模式,并检查错误信息。
  2. 当错误出现时 Error = 1,错误离开后 Error = 0,ErrorBits 会保留错误信息。可通过编程清除错误离开后 ErrorBits 保留的错误信息。

PID_Temp 的输入输出参数如表 4 所示:

参数
数据类型
说明
Mode
Int
指定 PID_Temp 将转换到的工作模式,具有断电保持特性,由信号边沿触发:
    •  Mode = 0:未激活
    •  Mode = 1:预调节
    •  Mode = 2:精确调节
    •  Mode = 3:自动模式
    •  Mode = 4:手动模式
工作模式由以下参数激活:
    •  当 ManualEnable = FALSE 时,在 ModeActivate 的上升沿,会激活由 Mode 指定的工作模式
    •  当 ManualEnable = FALSE 时,在 Reset 的下降沿,会激活由 Mode 指定的工作模式
    •  在 ManualEnable 的下降沿,会激活由 Mode 指定的工作模式
    •  如果 RunModeByStartup = TRUE,则在重新启动 CPU 后,会激活由 Mode 指定的工作模式
对于预调节和精确调节,通过 Heat.EnableTuning 和 Cool.EnableTuning 指定针对的是加热还是制冷进行调节。
Master
DWord
级联控制的接口
如果是作为级联中的从控制器 (Config.Cascade.IsSlave = TRUE),则把对应的主控制器的 Slave 参数分配分配从控制器的 Master 参数。
使用此接口与主控制器交换关于从控制器的工作模式、限值和替代设定值的信息。
注意,在同一个循环中断 OB 中,必须先调用主控制器,再调用从控制器。
各个位的功能:
    •  位 0 至 15:未使用
    •  位 16 至 23:限值计数器:
输出值受限制的从控制器会使此计数器递增。 主控制器将根据已组态的从控制器数 (Config.Cascade.CountSlaves) 和抗积分饱和模式 (Config.Cascade.AntiWindUpMode) 作出相应反应。
    •  位 24:从控制器的自动模式: 如果所有从控制器均处于自动模式,则为 TRUE
    •  位 25:从控制器的替代设定值: 如果从控制器已激活替代设定值 (SubstituteSetpointOn = TRUE),则为 TRUE
Slave
DWord
级联控制的接口
使用此接口与主控制器交换关于从控制器的工作模式、限值和替代设定值的信息。

表 4. 输入输出参数

注意:

当 ManualEnable = TRUE,无法通过 ModeActivate 的上升沿或使用调试对话框来更改工作模式。

当 PID 出现错误时,通过查询 ErrorBits 获得 PID 的错误信息,如表 5 所示。

错误代码(DW#16#)
说明
00000000
没有任何错误
00000001
参数 "Input" 超出了过程值限值的范围,正常范围应为 Config.InputLowerLimit < Input < Config.InputUpperLimit 。
00000002
参数 "Input_PER" 的值无效。请检查模拟量输入是否有处于未决状态的错误。
00000004
精确调节期间出错。过程值无法保持振荡状态。
00000008
预调节启动时出错。过程值过于接近或大于设定值。启动精确调节。
00000010
调节期间设定值发生更改。可在 CancelTuningLevel 变量中设置允许的设定值波动。
00000020
精确调节期间不允许预调节。
00000040
预调节期间出错。制冷无法减小过程值。
00000100
精确调节期间的错误导致生成无效参数。
00000200
参数 "Input"的值无效:值的数字格式无效。
00000400
输出值计算失败。请检查 PID 参数。
00000800
采样时间错误:循环中断 OB 的采样时间内没有调用 PID_Temp。
00001000
参数 "Setpoint"或 "SubstituteSetpoint"的值无效,值的数字格式无效。
00010000
ManualValue 参数的值无效,值的数字格式无效。
00020000
变量 SubstituteOutput 的值无效,值的数字格式无效。这时,PID_Temp 使用输出值下限作为输出值。
00040000
Disturbance 参数的值无效,值的数字格式无效。
00200000
级联中的主控制器出错:Slaves 未处于自动模式,或已激活替代设定值,妨碍了主控制器的调节。
00400000
在制冷过程处于激活状态时不允许对加热过程进行预调节。
00800000
过程值必须接近设定值才能启动预调节制冷。
01000000
调节启动时出错:Heat.EnableTuning 和 Cool.EnableTuning 未设置或与组态不匹配。
02000000
预调节制冷出错:要求已经成功完成预调节加热。
04000000
启动精确调节时出错:Heat.EnableTuning 和 Cool.EnableTuning 不能同时设置。
08000000
计算 PID 参数时出错,导致生成无效的参数。无效参数被丢弃,原始 PID 参数保持不变。

表 5. 错误代码定义

注意:如果多个错误同时处于待决状态,将通过二进制加法显示 ErrorBits 的值。 例如,显示 ErrorBits = 00000003H 表示错误 00000001H 和 00000002H 同时处于待决状态。


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