基于S7-300PLC和Wincc的PID参数整定研究

郑尚磊，傅迎华,2，周代仝

(1. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2. 上海交通大学 自动化系，上海 200240；3. 上海煊荣自动化科技有限公司，上海 201106)



基于S7-300PLC和Wincc的PID参数整定研究

郑尚磊1，傅迎华1,2，周代仝3

(1. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2. 上海交通大学 自动化系，上海 200240；3. 上海煊荣自动化科技有限公司，上海 201106)

在Wincc中开发的趋势图具有直观性和易操作性的基础上，采用SIMATIC和Wincc软件通信的方法，使用S7-300PLC软件自带的FB41功能块和通过编程设计的FB100功能块对整个闭环控制系统进行模拟。在Wincc中开发出用于PID参数整定的趋势图画面，调节趋势图中IO域的参数，根据生成的跟随信号的波形对PID控制器的参数进行整定。通过对闭环控制系统的仿真实验，得到了在方波给定信号输入下准确稳定的跟随信号，其中比例系数为2.00，积分时间和微分时间分别为10 000 ms和2 000 ms。

Wincc；S7-300PLC；PID控制器；闭环控制系统

PID控制器是自动控制领域应用广泛、易于实现的闭环控制器[1]。西门子PLC控制系统以其稳定、快速等优点在工业控制领域得到了广泛应用。西门子S7-300PLC的编程软件中提供了PID连续控制模块FB41，可直接调用该模块，对设定值、反馈值和控制器的输出进行计算处理。在功能模块FB100中编写被控对象的仿真程序来模拟实际的执行机构和被控对象，与功能块FB41组成闭环控制系统。无需任何PLC硬件和PLC的外部执行机构、检测元件和被控对象，便可模拟闭环控制系统。通过Wincc监控界面可以实时采集到设定值、输出值的参数，并以曲线趋势显示出设定值和输出值的动态曲线，便于对PID控制器的参数进行整定。

当被控对象或参数不能完全掌握或者得不到精确的数学模型，并且其他的控制技术难以采用时，PID控制器的参数就必须要通过经验来进行现场调试[2]，此时PID参数整定技术可发挥较大的作用。

1 PID闭环控制系统

1.1 模拟量PID闭环控制系统组成

PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)、微分单元(D)组成[3-4]。根据系统产生的误差，通过经验来不断调节PID参数，使其在Wincc的趋势图中调试出符合实际要求的控制量，从而对被控对象进行准确的控制。

图1 PLC模拟量闭环控制系统方框图

1.2 PID控制器的输出表达式

模拟量PID控制器的输出表达式为

(1)

式中,sp(t)为设定值；pv(t)为反馈值；mv(t)是控制器的输出信号；KP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。(1)比例环节。增益与偏差的乘积作为控制器输出中的比例部分，增益过大会造成反馈的震荡[5-6]；(2)积分环节。主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。积分时间越短，偏差得到的修正越快，过短的积分时间有可能造成不稳定；(3)微分环节。偏差值发生改变时，微分作用将增加一个尖峰到输出中，随着时间减小，微分时间越长，输出的变化越大，微分使控制对扰动的敏感度增加，使得偏差的变化速率变大[7]。

2 PID仿真系统的整体设计方案

整定PID控制器的参数，需要做闭环控制系统的实验，本实验使用S7-300PLC的仿真软件PLCSIM对闭环系统进行仿真[8-9]，使用Wincc的趋势图显示PID控制器的方波给定曲线和被控量的阶跃响应曲线。

2.1 S7-300PLC功能模块对系统的模拟

使用S7-300PLC的功能块FB41来模拟PID控制器，FB100功能块来模拟实际的执行机构和被控对象，与FB41构成闭环控制系统，便可实现对闭环系统的模拟仿真，可使用Wincc人机界面上的IO域来修改PID控制器和被控对象的参数，人机界面的功能也通过仿真实现。

图2 闭环仿真系统的结构

在闭环控制系统中，使用功能块FB100来模拟被控对象，在此处用3个串联的惯性环节来模拟被控对象，表示为

(2)

2.2 仿真系统的组态

实验使用STEP7和Wincc软件，使用的CPU型号为CPU315-2DP，在SIMATIC HMI Station中，HMI的型号为8in的MP277。打开组态工具Netpro，将S7-300PLC站点和HMI站点连接到MPI网络上，其的MPI站点分别为2和3，保存和编译组态信息。

图3 PLC模拟闭环控制系统组态

3 仿真系统的程序设计

3.1 仿真系统的程序结构

为保证PID模拟仿真闭环控制系统运算的精度，使用循环中断组织块OB35来调用FB41和FB100[10-11]。打开硬件组态工具HW Config，双击机架中的CPU，打开CPU属性对话框，在“周期中断”选项卡中，将OB35的时间间隔设置为200 ms，保存和编译组态信息，将组态数据下载到仿真CPU,当程序运行时，每隔200 ms自动调用一次OB35。 DB41和DB100分别为FB41和FB100的背景数据块，仿真的闭环控制系统的逻辑块和数据块的符号如图4所示。

图4 PID闭环控制系统符号

3.2 在OB1中编写方波给定信号梯形图

在OB1中使用T1和T2组成震荡电路，T1的常开触点的接通和断开时间均为40 s。

图5 OB1中产生方波信号梯形图

“PID_DI”.SP_INT是FB41的背景数据块中存放控制器浮点数设置的输入变量。在T1的常开触点刚接通和断开时，分别将设定值SP_INT修改为浮点数20.0%和70.0%，设定值的信号为方波信号。

3.3 数据块DB

使用功能块FB41进行PID控制，需要建立FB41的背景数据块DB41[12]，数据块DB41中包含FB41的引脚地址及其初始值和实际值，在Wincc的仿真趋势图中用到的引脚包括：

“PID_DI”.GAIN：比例增益，通过Wincc界面设定，地址为DB41.DBD20。

“PID_DI”.TI：积分时间，在Wincc界面和变量表VAT1中可对其赋值，地址为DB41.DBD24。

“PID_DI”.TD：微分时间，在Wincc界面和VAT1中可以对其赋值，地址为DB41.DBD28。

“PID_DI”.SP_INT:浮点数类型的输入信号，在Wincc界面中为设定值，地址为DB41.DBD6。

“PID_DI”.PV_IN:由被控对象输出的浮点型过程变量，在Wincc界面中为输出值，地址为DB41.DBD10。

3.4 循环中断组织块OB35

为保证PID运算的采样周期的精度，用循环中断组织块OB35调用FB41和FB100。在组织块OB35中，使用在OB100中设置的FB41和FB100的参数，此处的OB100为起动组织块。因为OB100和OB35中的程序类似，因此只编写OB35中的部分程序，下面是循环中断组织块OB35的程序：

程序段1 调用被控对象仿真程序FB100

CALL "过程对象" ,"对象DI"//FB100/DB100 分别为模拟对象和模拟对象背景数据块

DISV:= //扰动量，初始值为0.0

GAIN:= //比例系数，可使用触摸屏设定

TM_LAG1:= //时间常数1，可使用触摸屏设定

TM_LAG2:=

TM_LAG3:=

COM_RST:= //启动标志

CYCLE:= //采样周期

OUTV:="PID_DI".PV_IN //输出作为闭环控制的反馈值

程序段2 计算微分操作的延迟时间，其中TM_LAG=TD/5

L "PID_DI".TD

L 5.000000e+000

/R

T "PID_DI".TM_LAG

程序段3 调用连续PID控制器FB41

CALL "CONT_C" , "PID_DI"

COM_RST:=

SP_INT:=

PV_IN:="对象DI".OUTV//浮点数格式过程变量输入

GAIN:= //比例系数，可触摸屏设置

TI:=

TD:=

TM_LAG:=//微分部分的延迟时间,微分时间TD的1/5

DISV:= //扰动输入变量，默认值为0.0

4 PID控制系统的仿真实验

4.1 使用STEP7的变量表监控PID控制程序

在SIMATIC管理器中，单击工具栏上的模拟仿真按钮，打开PLCSIM仿真界面，将组态信息和模拟仿真程序信息下载到仿真PLC中[13]，将仿真PLC切换到RUN-P模式。根据调试的需要，使用变量表VAT1集中监视和修改PID控制器的关键参数和被控对象的3个时间常数[14]，如图6所示。

图6 监控变量表

可对变量表的变量参数进行监控以及修改PID控制器的参数，因此可以对PID的变量参数进行整定，使PV_IN的值能够准确的跟踪方波发生信号SP_INT的变化而变化。

4.2 使用触摸屏的趋势图对PID参数整定

用变量表监控的方法不能直观的看到PID闭环控制中的设定值和测量值的变化趋势，不能方便地对PID的参数进行直观性的整定。通过对触摸屏的操作，生成和S7-300PLC相互配合的趋势图，打开SIMATIC和Wincc软件，运行开发好的模拟仿真闭环控制系统文件，出现仿真面板，由于前面PLC中组织块OB1中方波产生信号的作用，PID控制器的给定值在20%～70%之间阶跃变化，在仿真面板中对应的曲线为绿色的方波输入信号。被控对象的输出变量对应于黑色的曲线，实验的目的就是通过对PID控制器参数的整定使输出变量准确地跟踪输入信号。

4.3 实验分析

图7中采用PI调节，图中的方波信号是由PLC中组织块OB1中的程序产生，设置微分时间为0 ms，积分时间设置为8 500 ms，图中左边和中间的PID控制器比例系数设置为2.00，右边的响应曲线比例增益设置为1.00，可明显地看到控制器的比例系数，比例作用和积分作用同时都被减弱。因此减小控制器的增益能显著降低响应曲线的超调量[15-16]。

图7 PI调节器的阶跃响应曲线

图8中改变被控对象的时间常数，调节PID控制器的参数：比例系数为2.00，积分时间为2 000 ms，微分时间为1 500 ms，图中左边曲线为该参数下的响应曲线。将微分时间改为1 500 ms，可看到图中右边的响应曲线，由于微分作用较强，在误差的剧烈变化时，对误差变化的抑制作用过于强烈，响应曲线上出现了不少毛刺，在这种情况下应适当减弱微分部分。

图8 微分作用过强的曲线

图9 PID的阶跃响应曲线

图9中PID控制器设置的初始值分别为比例系数为2.00，积分时间为2 000 ms，微分时间为800 ms。在图中可看到该曲线的超调量较大，有多次震荡，单击触摸屏模拟画面的文本域积分时间右侧的输入/输出域，使用出现的数字键盘将积分时间改为3 000 ms,使用同样的方法将微分时间改为1 500 ms。中间部分的下降曲线是修改参数后的响应曲线，可以看到其超调量和震荡次数明显降低。使用数字键盘再将积分时间改为10 000 ms，微分时间改为2 000 ms，图7中右半部分波形是对应的响应曲线，其超调量几乎为0。

5 结束语

通过功能块FB41和FB100对整个控制系统进行模拟，使用触摸屏生成给定曲线和跟踪曲线来对PID的控制参数进行整定，整定的目的就是使跟踪曲线快速、准确、稳定地跟随给定曲线的变化而变化。通过对PID参数进行整定和对跟踪曲线的比较，学习了对PID参数进行整定的方法和步骤，为实际工程的PID参数整定提供了参考。

[1] 赵望达,鲁五一,徐志胜,等.PID控制器及其智能化方法探讨[J].化工自动化及仪表,1999,26(6):45-48.

[2] 金奇,邓志杰.PID控制原理及参数整定方法[J].重庆工学院学报:自然科学版,2008,22(5):91-94.

[3] 景倩.基于PAC的自整定PID控制器的软件设计[D].大连:大连理工大学,2009.

[4] 翟艳.PID控制器控制参数选定方法与技巧[J].化工管理,2013(2):95-96.

[5] 吴军.基于PROFIBUS-DP现场总线的风送平衡控制系统的研究与设计[D].武汉:武汉理工大学,2006.

[6] 余震安.数字式PID的风力送丝平衡控制系统[D].武汉:华中科技大学,2005.

[7] 窦立.PID在船闸闸门同步运行中的运用[J].电子世界,2014(16):245.

[8] 邓玉萍.循环流化床锅炉控制系统的研究[D].沈阳:东北大学,2006.

[9] 徐艾.水压试验机控制系统算法研究[D].西安:西安工业大学,2009.

[10] 王生龙,王建梅,马立新.基于PLC和Wincc的PID压力控制[J].太原科技大学学报,2014(6): 454-458.

[11] 王潼.基于S7-300的PID闭环控制中的仿真[J].吉林化工学院学报,2013,30(1):70-72.

[12] 张明明.DMF回收智能控制系统的设计与应用[D].合肥:合肥工业大学,2011.

[13] 许仙珍,单长考.组态软件Wincc与S7-PLCSIM在PLC教学中的应用[J].常熟理工学院学报,2012(10):104-107.

[14] 郑君.原料输送系统控制程序的设计与实现[D].北京:中国农业大学,2006.

[15] Brunel D,Elegant L.A new software to show the behaviour of the PID controller[J].Journal of Thermal Analysisand Calorimetry,2000,59(3):999-1015.

[16] 张宪霞.智能温湿度控制器的研究及应用[D].上海:上海大学,2003.

PID Parameter Setting Based on S7-300 PLC and Wincc

ZHENG Shanglei1，FU Yinghua1,2，ZHOU Daitong3

(1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China; 2. Department of Automation,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China;3. Shanghai Xuanrong Automation Technology CO.Ltd.,Shanghai 201106, China)

The trend of development in the Wincc figure on the basis of intuitive and easy operability, adopt the method of SIMATIC Wincc software and communication, S7-300 PLC software used to own FB41 function block and through the programming design of FB100 function block used for simulating the whole closed-loop control system.Developed in the Wincc trend chart picture for PID parameters setting, adjust the parameters of trend diagram IO domain, according to the following signal waveform generated for setting the parameters of the PID controller.Through the simulation experiments of closed-loop control system, get under the square wave signal input given accurate stability following the signal, the proportion coefficient is 2.00, integral and differential time 10 000 ms and 2 000 ms respectively.

Wincc; S7-300 PLC; the PID controller; closed- loop control system

2016- 01- 21

郑尚磊(1989-)，男，硕士研究生。研究方向：工业控制等。傅迎华(1976-)，女，博士，讲师。研究方向：图像处理算法等。 周代仝(1979-)，男，硕士，高级工程师。研究方向：自动控制理论。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.028

TN277

A

1007-7820(2016)11-097-04