如何在Step7中實現(xiàn)PID控制？

1、概述

本文中所討論的功能塊（SFB41/FB41，SFB42/FB42，SFB43/FB43）僅僅是使用于S7和C7的CPU中的循環(huán)中斷程序中。該功能塊，定期計算所需要的數(shù)據(jù)，保存在指定的DB中（背景數(shù)據(jù)塊）。允許多次調(diào)用該功能塊。CONT_C塊與PULSEGEN塊組合使用，可以獲得一個帶有比例執(zhí)行機構(gòu)脈沖輸出的控制器（例如，加熱和冷卻裝置）。

SFB41/FB41 (CONT_C)，連續(xù)控制方式；

SFB42/FB42 (CONT_S)，步進控制方式；

SFB43/FB43 (PULSEGEN)，脈沖寬度調(diào)制器；

注意：SFB41/42/43，與FB41/42/43兼容，可以用于CPU 313C、CPU 313C-2 DP/PTP和CPU 314C-2 DP/PTP中。

1.1應用

借助于由你組態(tài)大量模塊組成的控制器，可以完成帶有PID算法的實際控制器。控制效率，即處理速度取決于你所使用的CPU性能。對于給定的CPU，必須在控制器的數(shù)量和控制器所需要執(zhí)行頻率之間找到一個折衷方案。連接的控制電路越快，所安裝的控制器數(shù)量越少，則每個時間單位計算的數(shù)值就越多。對于控制過程的類型沒有限制。較慢（溫度、填料位，等）以及較快的控制系統(tǒng)（流量、速度，等）都可以控制。

1.2控制系統(tǒng)分析

控制系統(tǒng)的靜態(tài)性能（增益）和動態(tài)性能（滯后、空載時間、積分常數(shù)，等），都是設(shè)計系統(tǒng)控制器及其靜態(tài)參數(shù)（P操作）和動態(tài)參數(shù)（I、D操作）的主要因素。

因此，熟練掌握控制系統(tǒng)的類型和特性非常重要。（如圖1，圖2，圖3，圖4）

圖1

圖2

圖3

圖4

2、PID系統(tǒng)控制器的選擇

控制系統(tǒng)的屬性由技術(shù)過程和機器條件決定。因此，為了獲得良好的控制效果，你必須選擇最適用的系統(tǒng)控制器。

2.1連續(xù)控制器、開關(guān)控制器

連續(xù)控制器，輸出一個線性（模擬）數(shù)值。

開關(guān)控制器，輸出一個二進制（數(shù)字）數(shù)值。

2.2固定值控制器

固定值控制，使用設(shè)定固定數(shù)值進行的過程控制，只是偶爾修改一下參考變量，過程偏差的控制。

2.3級聯(lián)控制器

級聯(lián)控制器，控制器串行連接控制。第一個控制器（主控制器）決定了串行控制器（從控制器）的設(shè)定點，或者根據(jù)過程變量的實際錯誤影響器設(shè)定點。

一個級聯(lián)控制器的控制性能可以使用其它的過程變量加以改進。為此，可以為主控制變量添加一個輔助過程變量PV2（主控制器SP2的輸出）。主控制器可以將過程變量PV1施加給設(shè)定點SP1，并且可以調(diào)整SP2，以便盡可能快地到達目標，而沒有過調(diào)節(jié)。（如圖5）

圖5

2.4混合控制器

混合控制器是指根據(jù)每個被控組件所需要的設(shè)定點總數(shù)量，來計算總SP數(shù)量的一種控制結(jié)構(gòu)。在此，混合系數(shù)FAC的和必須為“1”。（如圖6）

圖6

2.5比例控制器

2.5.1單循環(huán)比例控制器

單循環(huán)比例控制器，可以用于“兩個過程變量之間的比率”比“兩個過程變量的絕對數(shù)值”重要的場合。（例如，速度控制）。（如圖7）

圖7

2.5.2多循環(huán)比例控制器

對于多循環(huán)比例控制，兩個過程變量PV1和PV2之比保持為常數(shù)。因此，可以使用第一個控制循環(huán)的過程數(shù)值，來計算第二個控制循環(huán)的設(shè)定點。對于過程變量PV1的動態(tài)變化，也可以保證保持特定的比例。（如圖8）

圖8

2.6二級控制器

一個二級控制器只能采集兩個輸出狀態(tài)（例如，開和關(guān)）。典型的控制為：一個加熱的系統(tǒng)，通過繼電器輸出的脈沖寬度調(diào)制。

2.7三級控制器

一個三級控制器只能采集到三個具體的輸出狀態(tài)。我們需要區(qū)分：“脈沖寬度調(diào)制”（例如，加熱-冷卻，加熱-關(guān)機-冷卻）和“使用集成執(zhí)行機構(gòu)的步進控制”（例如，左-停止-右）之間的區(qū)別。

3、布線

對于沒有集成的I/O控制器，你必須使用附加的I/O模塊。

3.1布線規(guī)則

3.1.1連接電纜

對于數(shù)字I/O，如果線路有100米長，必須使用屏蔽電纜；

電纜屏蔽時必須在兩端進行接地；

軟電纜的截面積選擇0.25…1.5 mm2；

無需選擇電纜套。如果決定選擇使用電纜套，你可以使用不帶絕緣套圈的電纜套（DIN 46228, Shape A, Short version）；

3.1.2屏蔽端接元件

你可以使用屏蔽端接元件，將所有屏蔽的電纜直接通過導軌連接接地；

必須在斷電情況下對組件進行接線；

3.1.3警告

帶電作業(yè)會有生命危險。

如果你帶電對組件的前插頭進行接線，會有觸電危險！

3.1.4其它信息

其他注意事項可參見手冊“CPU數(shù)據(jù)”手冊以及CPU的安裝手冊。

4、參數(shù)賦值工具介紹

借助于“PID參數(shù)設(shè)置”工具，可以很方便的調(diào)試功能塊SFB41/FB41，SFB42/FB42的參數(shù)（背景數(shù)據(jù)塊）。

4.1調(diào)試PID參數(shù)的用戶界面

在Windows操作系統(tǒng)中，調(diào)用“調(diào)試PID參數(shù)用戶界面”的操作過程如下：

Start > SIMATIC > STEP7 > PID Control Parameter Assignment（如圖9）。

圖9

在最開始的對話框中，你既可以打開一個已經(jīng)存在的FB41/ SFB41 “CONT_C” 或者FB42/ SFB42 “CONT_S”的背景數(shù)據(jù)塊。也可以生成一個新的數(shù)據(jù)塊，再可以分配給FB41/ SFB41 “CONT_C”或者FB42/ SFB42 “CONT_S”，作為背景數(shù)據(jù)塊。（如圖10）

圖10

FB43/SFB43 “PULSEGEN”沒有參數(shù)設(shè)置的用戶界面工具。你必須在STEP 7中去設(shè)置它的參數(shù)。

4.2獲取在線幫助的途徑

當分配參數(shù)給FB41/ SFB41“CONT_C”、FB42/ SFB42 “CONT_S”或者FB43/SFB43 “PULSEGEN”時，你可以通過以下三條途徑獲得幫助：

·使用Step7菜單Help>Contents，獲得相應的幫助信息；

·通過按下F1鍵得到幫助；

·在PID參數(shù)設(shè)置對話框中，通過點擊Help，可以得到具體的幫助信息。

5、在用戶程序中實現(xiàn)

以下章節(jié)將幫助你根據(jù)你的應用設(shè)計一個用戶程序。

5.1調(diào)用功能塊

使用相應的背景數(shù)據(jù)塊調(diào)用系統(tǒng)功能塊。

舉例：CALL SFB 41, DB30（或者，CALL FB 41, DB 31）

5.2背景數(shù)據(jù)塊

系統(tǒng)功能塊的參數(shù)將保存在背景數(shù)據(jù)塊中。在第6章中將闡述這些參數(shù)。

你可以通過以下方式訪問這些參數(shù)

·DB編號和偏移地址

·數(shù)據(jù)塊編號和數(shù)據(jù)塊中的符號地址

5.3程序結(jié)構(gòu)

SFB必須在重新啟動組織塊OB100中和循環(huán)中斷組織塊OB30…38中調(diào)用。

模式：

·OB100 Call SFB/FB 41、42、43, DB 30

·OB35 Call SFB/FB 41、42、43, DB 30

6、功能塊介紹

6.1連續(xù)調(diào)節(jié)功能SFB 41/FB 41 “CONT_C”

6.1.1簡介

SFB/FB“CONT_C”（連續(xù)控制器）用于使用連續(xù)的I/O變量在SIMATIC S7控制系統(tǒng)中控制技術(shù)過程。你可以通過參數(shù)打開或關(guān)閉PID控制器，以此來控制系統(tǒng)。通過參數(shù)賦值工具，可以很容易地做到這一點。調(diào)用：Start > SIMATIC > STEP 7 > PID Control Parameter Assignment（如圖）。在線電子手冊，見Start > SIMATIC > Documentation > English> STEP 7 – PIDControl（如圖11）。

圖11

6.1.2應用程序

你可以使用控制器作為單獨的PID定點控制器或在多循環(huán)控制中作為級聯(lián)控制器、混合控制器和比例控制器使用?？刂破鞯墓δ芑趲в幸粋€模擬信號的采樣控制器的PID控制算法，如果必要的話，可以通過脈沖發(fā)送器（PULSEGEN）進行擴展，以產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的輸出信號，來控制比例執(zhí)行機構(gòu)的兩個或三個步進控制器。

6.1.3說明

除了設(shè)定點操作和過程數(shù)值操作的功能以外，SFB41/FB 41(CONT_C)可以使用連續(xù)的變量輸出和手動影響控制數(shù)值選項，來實現(xiàn)一個完整的PID控制器。下面是關(guān)于SFB 41/FB41(CONT_C)詳細的子功能說明：

6.1.3.1設(shè)定點操作

設(shè)定點以浮點格式在“SP_INT”端輸入。

6.1.3.2實際數(shù)值操作

過程變量可以在外圍設(shè)備（I/O）或者浮點數(shù)值格式輸入?！癈RP_IN”功能可以將“PV_PER”外圍設(shè)備數(shù)值轉(zhuǎn)換為一個浮點格式的數(shù)值，在–100和+100 %之間，轉(zhuǎn)換公式如下：

CPR_IN的輸出=PV_PER x100 /27648

“PV_NORM”功能可以根據(jù)下述規(guī)則標準化“CRP_IN”的輸出：

輸出PV_NORM =（CPR_IN的輸出）x PV_FAC + PV_OFF

“PV_FAC”的缺省值為“1”，“PV_OFF”的缺省值為“0”。

變量“PV_FAC”和“PV_OFF”為下述公式轉(zhuǎn)化的結(jié)果：

PV_OFF =（PV_NORM的輸出）-（CPR_IN的輸出）x PV_FAC

PV_FAC =（PV_NORM的輸出）- PV_OFF）/（CPR_IN的輸出）

不必轉(zhuǎn)換為百分比數(shù)值。如果設(shè)定點為物理確定，實際數(shù)值還可以轉(zhuǎn)換為該物理數(shù)值。

6.1.3.3負偏差計算

設(shè)定點和實際數(shù)值之間的區(qū)別便形成負值偏差。為了抑制由于被控量的量化引起的小的、恒定的振蕩（例如使用PULSEGEN進行脈沖寬度調(diào)制），在死區(qū)將施加一個死區(qū)（DEADBAND）。如果DEADB_W = 0，則死區(qū)將關(guān)閉。

6.1.3.4PID算法

PID算法作為一種位置算法進行控制。比例運算、積分運算（INT）和微商運算（DIF）都可并行連接，也可以單獨激活或取消。這就允許組態(tài)成P、PI、PD和PID控制器。也可以是純I和D調(diào)節(jié)器。

6.1.3.5手動模式

可以在手動模式和自動模式之間切換。在手動模式下，被控量被修改成手動選定的數(shù)值。

積分器（INT）內(nèi)部設(shè)置為“LMN-LMN_P-DISV”，微商器（DIF）內(nèi)部設(shè)置為“0”，并進行內(nèi)部匹配。這就是說切換到自動模式時不會引起被控量的突變。

6.1.3.6受控數(shù)值的處理

使用LMNLIMIT功能，受控數(shù)值可以被限制為一個所選擇的數(shù)值。當輸入變量超出極限值時，信號位將指示?！癓MN_NORM”功能可以根據(jù)下述公式標準化“LMNLIMIT”的輸出：

LMN =（LMNLIMIT的輸出）x LMN_FAC +LMN_OFF

“LMN_FAC”的缺省值為“1”，“LMN_OFF”的缺省值為“0”。

受控數(shù)值也適用于外圍設(shè)備（I/O）格式?！癈PR_OUT”功能可以將浮點值“LMN”轉(zhuǎn)換為一個外圍設(shè)備值，轉(zhuǎn)換公式如下：

LMN_PER = LMN x2764/10

6.1.3.7前饋控制

一個干擾變量被引入“DISV”端輸入。

6.1.3.8初始化

SFB 41/FB 41“CONT_C”有一個初始化程序，可以在輸入?yún)?shù)COM_RST =TRUE置位時運行。在初始化過程中，積分器可以內(nèi)部設(shè)置為初始值“I_ITVAL”。如果在一個循環(huán)中斷優(yōu)先級調(diào)用它，它將從該數(shù)值繼續(xù)開始運行。所有其他輸出都設(shè)置為其缺省值。

6.1.3.9出錯信息

故障輸出參數(shù)RET_VAL不使用。

6.1.3.10SFB/FB“CONT_C”（連續(xù)調(diào)節(jié)控制器）塊圖。如圖12

圖12

6.1.3.11輸入?yún)?shù)

SFB 41/FB 41“CONT_C”（如圖13）

圖13

下表列出SFB 41/FB 41“CONT_C”輸入?yún)?shù)的說明：

序號	參數(shù)	數(shù)據(jù)類型	數(shù)值范圍	缺省	說明
1	COM_RST	BOOL		FAULSE	COMPLETE RESTART（完全再起動）。 該塊有一個初始化程序，可以在輸入?yún)?shù)COM_RST置位時運行。
2	MAN_ON	BOOL		TRUE	MANUAL VALUE ON（手動數(shù)值接通） 如果輸入端“手動數(shù)值接通”被置位，那么閉環(huán)控制循環(huán)將中斷。手動數(shù)值被設(shè)置為受控數(shù)值。
3	PVPER_ON	BOOL		FALSE	PROCESS VARIABLE PERIPHERY ON/（過程變量外設(shè)接通） 如果過程變量從I/O讀取，輸入 “PV_PER”必須連接到外圍設(shè)備， 并且輸入“PROCESS VARIABLE PERIPHERY ON”必須置位。
4	P_SEL	BOOL		TRUE	PROPORTIONAL ACTION ON（比例分量接通） PID各分量在PID算法中可以分別激活或者取消。當輸入端“比例分量接通”被置位時，P分量被接通。
5	I_SEL	BOOL		TRUE	INTEGRAL ACTION ON（積分分量接通） PID各分量在PID算法中可以分別激活或者取消。當輸入端“積分分量接通”被置位時，I分量被接通。
6	INT_HOLD	BOOL		FALSE	INTEGRAL ACTION HOLD（積分分量保持） 積分器的輸出被凍結(jié)。為此，必須置 位輸入“Integral Action Hold（積分 操作保持）”。
7	I_ITL_ON	BOOL		FALSE	INITIALIZATION OF THE INTEGRAL ACTION（積分分量初始化接通） 積分器的輸出可以被設(shè)置為輸入 “I_ITLVAL”。為此，必須置位輸 入“積分操作的初始化”。
8	D_SEL	BOOL		FALSE	DERIVATIVE ACTION ON（微分分量接通） PID各分量在PID算法中可以分別激活或者取消。當輸入端“微分分量接通”被置位時，D分量被接通。
9	CYCLE	TIME	>=1ms	T#1s	SAMPLE TIME（采樣時間） 塊調(diào)用之間的時間必須恒定?！安?br /> 樣時間”輸入規(guī)定了塊調(diào)用之間的 時間，應該與OB35設(shè)定時間保持一致。
10	SP_INT	REAL	-100.0至+100.0(%)或者物理值1	0.0	INTERNALSETPOINT（內(nèi)部設(shè)定點） “內(nèi)部設(shè)定點”輸入端用于確定設(shè)定值。
11	PV_IN	REAL	-100.0至+100.0(%)或者物理值1	0.0	PROCESSVARIABLE IN（過程變量輸入） 可以設(shè)置一個初始值到“過程變量輸 入”輸入端或者連接一個浮點數(shù)格式的外部過程變量。
12	PV_PER	WORD		W#16#0000	PROCESS VARIABLE PERIPHERY（過程變量外設(shè)） 外圍設(shè)備的實際數(shù)值，通過I/O格式的過程變量被連接到“過程變量外圍設(shè)備”輸入端，連接到控制器
13	MAN	REAL	-100.0至+100.0(%)或者物理值2	0.0	MANUAL VALUE（手動數(shù)值） “手動數(shù)值”輸入端可以用于通過操作者接口功能設(shè)置一個手動數(shù)值。
14	GAIN	REAL		2.0	PROPORTIONAL GAIN（比例增益） “比例增益”輸入端可以設(shè)置控制器的比例增益系數(shù)。
15	TI	TIME	>=CYCLE	T#20s	RESET TIME（復位時間） “復位時間”輸入端確定了積分器的時間響應。
16	TD	TIME	>=CYCLE	T#10s	DERIVATIVE TIME（微分時間） “微商時間”輸入端確定了微商單元的時間響應。
17	TM_LAG	TIME	>=(CYCLE/2)	T#2s	TIME LAG OF THE DERIVATIVE ACTION（微分分量的滯后時間） 微商操作的算法包括一個時間滯后，可以被賦值給“微分分量的滯后時間”輸入端上。
18	DEADB_W	REAL	>=0.0(%)或者物理值1	0.0	DEAD BAND WIDTH（死區(qū)寬度） 死區(qū)用于存儲錯誤。“死區(qū)寬度”輸入端確定了死區(qū)的容量大小。
19	LMN_HLM	REAL	LMN_LLM至100.0(%)或者物理值2	100.0	MANIPULATED ALUE HIGH LIMIT（受控數(shù)值的上限） 受控數(shù)值必須設(shè)定有一個“上限”和一個“下限”。“受控數(shù)值上限”輸入端確定了“上極限”。
20	LMN_LLM	REAL	-100.0(%)至LMN_HLM或者物理值2	0.0	MANIPULATED VALUE LOW LIMIT（受控數(shù)值的下限） 受控數(shù)值必須設(shè)定有一個“上限”和一個“下限”?！笆芸財?shù)值下限”輸入端確定了“下極限”。
21	PV_FAC	REAL		1.0	PROCESS VARIABLE FACTOR（過程變量系數(shù)） “過程變量系數(shù)”輸入端用于和過程 變量相乘。該輸入端可以用于匹配過程變量范圍。
22	PV_OFF	REAL		0.0	PROCESSVARIABLE OFFSET（過程變量偏移量） “過程變量偏移”輸入端可以添加到“過程變量”。該輸入端可以用于匹配過程變量的范圍。
23	LMN_FAC	REAL		1.0	MANIPULATED VALUE FACTOR（受控數(shù)值系數(shù)） “受控數(shù)值系數(shù)”輸入端用于與受控數(shù)值相乘。該輸入端可以用于匹配受控數(shù)值的范圍。
24	LMN_OFF	REAL		0.0	MANIPULATED VALUE（受控數(shù)值的偏移量） “受控數(shù)值的偏移量”可以與受控數(shù)值相加。該輸入端可以用于匹配受控數(shù)值的范圍。
25	I_ITLVAL	REAL	-100.0至+100.0(%)或者物理值2	0.0	INITIALIZATION VALUE OF THE INTEGRAL-ACTION（積分分量初始化值） 積分器的輸出可以用輸入端“I_ITL_ON”設(shè)置。初始化數(shù)值可以設(shè)為“積分分量初始值”輸入。
26	DISV	REAL	-100.0至+100.0(%)或者物理值2	0.0	DISTURBANCE VARIABLE（干擾變量） 對于前饋控制，干擾變量被連接到“干擾變量”輸入端。

1)“設(shè)定值通道”和“過程變量通道”中的參數(shù)，應該有相同的單位。例如，如果使用PV_IN作為“過程物理值”或者“過程物理值百分比”，SP_INT必須使用相應相同的單位；如果使用PV_PER作為外圍設(shè)備的實際數(shù)值，SP_INT只能使用“-100.0至+100.0(%)”作為設(shè)定值。如果設(shè)定值是SP_INT是0~10Mpa中的8Mpa，那么需要填寫0.8，PV_PER填寫硬件外設(shè)地址IW XXX；

2)受控量通道中的參數(shù)應該有相同的單位。

6.1.3.12輸出參數(shù)

下表列出SFB 41/FB 41“CONT_C”輸出參數(shù)的說明：

序號	參數(shù)	數(shù)據(jù)類型	數(shù)值范圍	缺省	說明
1	LMN	REAL		0.0	MANIPULATED VALUE（受控數(shù)值） 有效的受控數(shù)值被以浮點數(shù)格式輸出在“受控數(shù)值”輸出端上。
2	LMN_PER	WORD		W#16#0000	MANIPULATEDVALUE PERIPHERY（受控數(shù)值外圍設(shè)備） I/O格式的受控數(shù)值被連接到“受控數(shù)值外圍設(shè)備”輸出端上的控制器。
3	QLMN_HLM	BOOL		FALSE	HIGH LIMIT OF MANIPULATED VALUE REACHED（達到受控數(shù)值上限）受控數(shù)值必須規(guī)定一個最大極限和一個最小極限?！斑_到受控數(shù)值上限”指示已超過最大極限。
4	QLMN_LLM	BOOL		FALSE	LOW LIMIT OF MANIPULATED VALUE REACHED （達到受控數(shù)值下限） 受控數(shù)值必須規(guī)定一個最大極限和一個最小極限?！斑_到受控數(shù)值下 限”指示已超過最小極限。
5	LMN_P	REAL		0.0	PROPORTIONALITY COMPONENT（比例分量） “比例分量”輸出端輸出受控數(shù)值的比例分量。
6	LMN_I	REAL		0.0	INTEGRAL COMPONENT（積分分量） “積分分量”輸出端輸出受控數(shù)值的積分分量。
7	LMN_D	REAL		0.0	DERIVATIVE COMPONENT（微分分量） “微商分量”輸出端輸出受控數(shù)值的微商分量。
8	PV	REAL		0.0	PROCESS VARIABLE（過程變量） 有效的過程變量在“過程變量”輸出端上輸出。
9	ER	REAL		0.0	ERROR SIGNAL（誤差信號） 有效誤差在“誤差信號”輸出端輸出。

6.2步進控制功能SFB 42/FB 42“CONT_S”

6.2.1簡介

SFB/FB“CONT_S”（步進控制器）用在SIMATIC S7可編程控制器上，用于二進制數(shù)控數(shù)值輸出信號積分執(zhí)行機構(gòu)的控制技術(shù)過程。在參數(shù)賦值過程中，你可以激活或取消PI步進控制器的子功能，以使控制器與過程匹配。通過參數(shù)賦值工具，可以很容易地做到這一點。調(diào)用：Start > SIMATIC > STEP 7 > PID Control Parameter Assignment（如圖）。在線電子手冊，見Start > SIMATIC > Documentation > English> STEP 7 – PIDControl（如圖）。

6.2.2應用程序

你可以使用該控制器作為單獨的PI固定設(shè)定值控制器，或者在輔助控制循環(huán)（第二級閉環(huán)）中作為級聯(lián)控制器、混合控制器或者比例控制器使用，但是不能用作主控制器（第一級調(diào)節(jié)器）?？刂破鞯墓δ芨鶕?jù)采樣控制器的PI控制算法實現(xiàn)，由模擬執(zhí)行信號生成二進制輸出信號。

下列功能適用于CPU 314 IFM的FB V1.5或V1.1.0以上版本：

利用TI = T#0 ms，可以封鎖調(diào)節(jié)器的積分分量。因此，允許功能塊用作比例（P）控制器。

由于控制器不使用任何位置反饋信號，內(nèi)部計算的受控變量將不能準確地匹配信號控制元件的位置。如果受控變量（ER*GAIN）為負值，應進行調(diào)整。然后調(diào)節(jié)器置位輸出端QLMNDN（受控量信號低），直到LMNR_LS（位置反饋信號下限）被置位。

控制器還可以在一個控制器級聯(lián)中用作一個輔助控制器（第二個執(zhí)行器）。設(shè)定點輸入端“SP_INT”用于賦值控制元件的位置。在這種情況下，實際數(shù)值輸入和參數(shù)“TI（積分時間）”必須被設(shè)置為“0”。一個應用實例：通過電控閥瓣控制溫度，即是借助二進制脈沖數(shù)值輸出信號來控制熱量輸出的溫度調(diào)節(jié)和利用閥門控制制冷容量。在這種情況下，為了全部關(guān)閉閥門，受控變量（ER*GAIN）應該有一個負值。

6.2.3說明

除了過程數(shù)據(jù)通道的功能外，SFB/FB“CONT_S”（步進控制器）可以使用一個數(shù)字受控數(shù)值輸出和手動影響控制數(shù)值選項，來實現(xiàn)一個完整的PI控制器。步進控制器不使用位置反饋信號。限位信號可以用于限制脈沖輸出。下面你可以找到詳細的子功能說明：

6.2.3.1設(shè)定點操作

設(shè)定點以浮點數(shù)格式在“SP_INT”輸入端上輸入。

6.2.3.2實際數(shù)值操作

過程變量可以在外圍設(shè)備（I/O）或浮點數(shù)格式輸入?！癈RP_IN”功能可以將“PV_PER”外圍設(shè)備數(shù)值轉(zhuǎn)換為一個浮點數(shù)格式的數(shù)值，在–100和+100 %之間，轉(zhuǎn)換公式如下：

CPR_IN的輸出=PV_PER x100/27648

“PV_NORM”功能可以根據(jù)下述公式標準化“CRP_IN”的輸出：

PV_NORM的輸出=（CPR_IN的輸出）x PV_FAC + PV_OFF

PV_FAC的缺省值為“1”，PV_OFF的缺省值為“0”。

變量“PV_FAC”和“PV_OFF”為下述公式轉(zhuǎn)化的結(jié)果：

PV_OFF =（PV_NORM的輸出）-（CPR_IN的輸出）x PV_FAC

PV_FAC =（（PV_NORM的輸出）- PV_OFF）/（CPR_IN的輸出）

6.2.3.3負偏差計算

設(shè)定點和實際數(shù)值之間的區(qū)別便形成負值偏差。為了抑制由于受控變量的量化造成的小的、恒定的振蕩（例如，由于執(zhí)行機構(gòu)閥門引起的受控數(shù)值的波動），為負偏差設(shè)置了一個死區(qū)（DEADBAND）。如果DEADB_W = 0，則死區(qū)將被關(guān)閉。

6.2.3.4PI步進算法

SFB/FB“CONT_S”（步進控制器）不使用位置反饋信號。PI算法的積分操作和假定位置反饋信號都在積分器（INT）中計算，并作為一個反饋值與剩余P操作進行比較。比較差被用于一個三步元件（THREE_ST）和一個脈沖發(fā)生器（PULSEOUT），以生成執(zhí)行機構(gòu)的控制脈沖。控制器的開關(guān)頻率可以通過在三步元件上采用閾值控制來減少。

6.2.3.5前饋控制

一個干擾變量被引入“DISV”輸入端。

6.2.3.6初始化操作

SFB/FB“CONT_S”（步進控制器）有一個初始化程序，可以在輸入?yún)?shù)COM_RST= TRUE置位時運行。所有其它輸出端都設(shè)置為其缺省值。

6.2.3.7出錯信息

故障輸出參數(shù)RET_VAL不使用。

6.2.3.8SFB/FB“CONT_S”（步進控制器）塊圖、如圖14

圖14

6.2.3.9輸入?yún)?shù)

SFB 42/FB 42“CONT_S”（如圖15）

圖15

下表列出SFB 42/FB 42“CONT_S”輸入?yún)?shù)的說明：

序號	參數(shù)	數(shù)據(jù)類型	數(shù)值范圍	缺省	說明
1	COM_RST	BOOL		FAULSE	COMPLETE RESTART（完全再起動）。 該塊有一個初始化程序，可以在輸入?yún)?shù)COM_RST置位時運行。
2	LMNR_HS	BOOL		FALSE	HIGH LIMIT OF POSITION FEEDBACK SIGNAL（位置反饋信號上限） “執(zhí)行器在上限停”信號連接到“位置反饋信號上限”輸入端。LMNR_HS = TRUE表示執(zhí)行器處于最大上限。
3	LMNR_LS	BOOL		FALSE	LOW LIMIT OF POSITION FEEDBACK SIGNAL（位置反饋信號下限） “執(zhí)行器在下限?！毙盘栠B接到“位置反饋信號下限”輸入端。LMNR_LS = TRUE表示執(zhí)行器處于最大下限。
4	LMNS_ON	BOOL		TRUE	MANUAL ACTUATING SIGNALS ON（手動執(zhí)行信號接通）通過“手動執(zhí)行信號接通”執(zhí)行信號處理切換為手動模式。
5	LMNUP	BOOL		FALSE	ACTUATING SIGNALS UP（執(zhí)行信號上升） 通過手動執(zhí)行信號，輸出信號“QLMNUP”在“執(zhí)行信號上升 沿”輸入被置位。
6	LMNDN	BOOL		FALSE	ACTUATING SIGNALS DOWN（執(zhí)行信號下降） 通過手動執(zhí)行信號，輸出信號“QLMNDN”在“執(zhí)行信號下降 沿”輸入被置位。
7	PVPER_ON	BOOL		FALSE	PROCESS VARIABLE PERIPHERY ON（過程變量外設(shè)接通） 如果從I/O讀取過程變量，輸入端“PV_PER”必須連接到外圍設(shè)備，并且輸入端 “PROCESS VARIABLE PERIPHERY ON”必須置位。
8	CYCLE	TIME	>=1 ms	T#1s	SAMPLING TIME（采樣時間） 塊調(diào)用之間的時間必須恒定?！安?br /> 樣時間”輸入端規(guī)定了塊調(diào)用之間的 時間。
9	SP_INT	REAL	-100.0至+100.0(%)或物理值1	0.0	INTERNAL SETPOINT（內(nèi)部設(shè)定值） “內(nèi)部設(shè)定值”輸入用于確定一個 設(shè)定值。
10	PV_IN	REAL	-100.0至+100.0(%)或物理值1	0.0	PROCESS VARIABLE IN（過程變量輸入） 可以設(shè)置一個初始值到“過程變量輸入”輸入端或者連接一個浮點數(shù)格式的外部過程變量。
11	PV_PER	WORD		W#16#0000	PROCESS VARIABLE PERIPHERY（過程變量外設(shè)） I/O格式的過程變量被連接到調(diào)節(jié)器的“過程變量外圍設(shè)備”輸入端。
12	GAIN	REAL		2.0	PROPORTIONAL GAIN（比例增益） “比例增益”輸入端設(shè)置控制器的增益。
13	TI	TIME	>=CYCLE	T#20s	RESET TIME（復位時間） “復位時間”輸入端確定了積分器的 時間響應。
14	DEADB_W	REAL	0.0至+100.0(%)或物理值1	1.0	DEAD BAND WIDTH（死區(qū)寬度） 死區(qū)用于誤差。“死區(qū)寬度”用于確定死區(qū)的大小。
15	PV_FAC	REAL		1.0	PROCESS VARIABLE FACTOR（過程變量系數(shù)） “過程變量系數(shù)”輸入用于和過程變量相乘。該輸入可以用于匹配過程變量的范圍。
16	PV_OFF	REAL		0.0	PROCESS VARIABLE OFFSET（過程變量偏移量） “過程變量偏移”輸入端與過程變量相加。該輸入端用于匹配過程變量的范圍。
17	PULSE_TM	TIME	>=CYCLE	T#3 s	MINIMUM PULSE TIME（最小脈沖時間） 最小脈沖寬度可以使用參數(shù)“最小 脈沖時間”賦值。
18	BREAK_TM	TIME	>=CYCLE	T#3 s	MINIMUM BREAK TIME（最小間隔時間） 最小脈沖間隔時間可以使用參數(shù)“最小間隔時間”賦值。
19	MTR_TM	TIME	>=CYCLE	T#30 s	MOTOR MANIPULATED VALUE（電動執(zhí)行時間） 執(zhí)行機構(gòu)從一個限幅位置移動到另 一個限幅位置所需的時間，可以在參 數(shù)“電動執(zhí)行時間”參數(shù)中輸入。
20	DISV	REAL	-100.0至+100.0(%)或物理值2	0.0	DISTURBANCE VARIABLE（干擾變量） 對于前饋控制，干擾變量連接到輸入端“干擾變量”。

3)“設(shè)定值通道”和“過程變量通道”中的參數(shù)，應該有相同的單位；

4)受控量通道中的參數(shù)應該有相同的單位。

6.2.3.10輸出參數(shù)

下表列出SFB 42/FB 42“CONT_S”輸出參數(shù)的說明：

序號	參數(shù)	數(shù)據(jù)類型	數(shù)值范圍	缺省	說明
1	QLMNUP	BOOL		FALSE	ACTUATING SIGNAL UP（執(zhí)行信號上升） 如果輸出端“執(zhí)行信號上升”被置位，那么執(zhí)行閥是打開的。
2	QLMNDN	BOOL		FALSE	ACTUATING SIGNAL DOWN（執(zhí)行信號下降） 如果輸出端“執(zhí)行信號下降”被置位，那么執(zhí)行閥是打開的。
3	PV	REAL		0.0	PROCESS VARIABLE（過程變量） 有效的過程變量是在“過程變量”輸出端輸出。
4	ER	REAL		0.0	ERROR SIGNAL（負偏差信號） 有效的負偏差數(shù)值在“負偏差信號”輸出端輸出。

6.3脈沖寬度調(diào)制器SFB 43/FB 43“PULSEGEN”

6.3.1簡介

SFB/FB“PULSEGEN”（脈沖發(fā)生器）可以用于為PID控制器使用比例執(zhí)行機構(gòu)的脈沖輸出。在線電子手冊，見Start > SIMATIC > Documentation > English> STEP 7 – PIDControl（見圖）。

6.3.2應用程序

使用SFB/FB“PULSEGEN”（脈沖發(fā)生器），可以通過脈沖寬度調(diào)制，組態(tài)PID兩步或三級控制器。該功能一般與連續(xù)控制器SFB/FB“CONT_C”一起使用。（如圖16）

圖16

6.3.3說明

功能“PULSEGEN”可以通過調(diào)制脈沖寬度，將輸入變量“INV”（= PID控制器的LMN）轉(zhuǎn)換為一個恒定周期的脈沖串，該恒定周期相當于輸入變量刷新的循環(huán)時間，必須在“PER_TM”中賦值。

每個周期的脈沖寬度與輸入變量成正比?！癙ER_TM”中的循環(huán)時間與SFB/FB“PULSEGEN”的處理時間不同?！癙ER_TM”循環(huán)時間由多個SFB/FB“PULSEGEN”執(zhí)行循環(huán)之和。因此，每個“PER_TM”循環(huán)的SFB/FB“PULSEGEN”調(diào)用次數(shù)是脈沖寬度，可以精確測量脈沖寬度。最小受控數(shù)值在參數(shù)“P_B_TM”中確定。（如圖17）

圖17

6.3.3.1脈沖寬度調(diào)制

輸入變量30%以及每個PER_TM循環(huán)時間調(diào)用SFB/FB“PULSEGEN”10次，含義如下：

?對于前三個SFB/FB“PULSEGEN”（10次調(diào)用的30 %），輸出“QPOS”為“1”

?對于其余7個SFB/FB“PULSEGEN”（10次調(diào)用的70 %），輸出“QPOS”為“0”

6.3.3.2SFB/FB“PULSEGEN”塊。如圖18。

圖18

6.3.3.3受控數(shù)值的精度

如果“采樣頻率比例”為1:10（“CONT_C”調(diào)用與“PULSEGEN”調(diào)用之比），那么在這個例子中受控數(shù)值的精度降低為10 %。換句話說，設(shè)定的輸入數(shù)值“INV”只能在“QPOS”輸出端上以“10％”的步長轉(zhuǎn)換成脈沖寬度。

只有當每次“CONT_C”調(diào)用中“PULSEGEN”調(diào)用的次數(shù)增加時，才能提高精度。

例如，如果每個“CONT_C”調(diào)用的“PULSEGEN”調(diào)用次數(shù)為100，受控數(shù)值的分辨率將達到1%（建議分辨率<= 5 %）。

注意

“采樣頻率比例”必須由用戶編程。

6.3.3.4自動同步

可以使刷新輸入變量“INV”的塊（例如，“CONT_C”），與脈沖輸出自動同步。這就保證了輸入變量中的一個變化可以盡可能快地輸出為一個脈沖。

脈沖發(fā)生器可以根據(jù)“PER_TM”的周期為時間間隔，定期評價輸入數(shù)值“INV”，并將該數(shù)值轉(zhuǎn)換為相應長度的脈沖信號。

但是，由于“INV”一般在較慢的循環(huán)中斷級中計算，所以脈沖發(fā)生器應在“INV”刷新后盡可能快地將具體數(shù)值轉(zhuǎn)換為一個脈沖信號。

為此，塊必須使用下述程序?qū)χ芷诘钠瘘c同步：

如果“INV”變化，并且塊調(diào)用不在一個周期的第1個或最后兩個調(diào)用循環(huán)中，可以進行同步。將重新計算脈沖寬度，并在下一個循環(huán)中輸出一個新的周期。（如圖19）

圖19

自動同步可以根據(jù)“SYN_ON”（= FALSE）輸入關(guān)閉。

注意

在一個周期的開始，“INV”（即LMN）的先前數(shù)值的映像將被或多或少的混合到脈沖信號中。

6.3.3.5PID控制器輸出工作模式

根據(jù)脈沖發(fā)生器所賦值的參數(shù)，可以將PID調(diào)節(jié)器組態(tài)成具有一個三級輸出或者一個兩向或單向的兩極輸出PID控制器。下表所示為可能模式的開關(guān)組合設(shè)置：

模式	MAN_ON	STEP3_ON	ST2BI_ON
三級調(diào)節(jié)	FALSE	TRUE	ANY
兩級調(diào)節(jié)，帶雙向調(diào)節(jié)區(qū)（-100%…+100%）	FALSE	FALSE	TRUE
兩級調(diào)節(jié)，帶單向調(diào)節(jié)區(qū)（0…+100%）	FALSE	FALSE	FALSE
手動模式	TRUE	ANY	ANY

6.3.3.5.1三級控制

在“三級控制”模式下，可以生成控制信號的三種狀態(tài)。二進制輸出信號“QPOS_P”和“QNEG_P”的數(shù)值可以賦值給執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)。

下表所示為一個溫度控制的例子：

輸出信號	加熱	執(zhí)行器關(guān)閉	制冷
QPOS_P	TRUE	FLASE	FLASE
QNEG_P	FLASE	FLASE	TRUE

根據(jù)輸入變量，使用一個特性曲線可以計算脈沖寬度。特性曲線的形狀取決于最小脈沖時間或最大中斷時間和比例系數(shù)。

比例系數(shù)的正常值為“1”。

曲線中的“拐點”是由于最小脈沖時間或最小中斷時間造成的。

最小脈沖或最小間隔時間

正確賦值最小脈沖或最小中斷時間“P_B_TM”，可以防止短促的開斷時間，降低開關(guān)元件和執(zhí)行機構(gòu)的使用壽命。

注意

否則，會刪除可以生成一個短于“P_B_TM”脈沖寬度的輸入變量“LMN”的較小絕對值?？梢陨擅}沖寬度大于“PER_TM-P_B_TM”的較大輸入值被設(shè)置為100 %或-100 %。

正脈沖寬度和負脈沖寬度可以根據(jù)輸入變量（單位[％]）和周期時間相乘進行計算。

脈沖周期=INV / 100 xPER_TM

下圖（如圖20）所示為一個三級控制器的系統(tǒng)曲線（比例系數(shù)=1）：

圖20

使用比例系數(shù)“RATIOFAC”，可以改變正脈沖寬度和負脈沖寬度之比。例如，對于熱處理，這可用于使用不同的時間常數(shù)加熱和冷卻執(zhí)行機構(gòu)。

比例系數(shù)也會影響最小脈沖/暫停周期。比例系數(shù)< 1意思是指負脈沖的閾值乘以比例系數(shù)。

比例系數(shù)< 1

通過輸入數(shù)值乘以脈沖周期所計算的比例系數(shù)，可以減少負脈沖輸出的脈沖周期。

正脈沖周期= INV/100 xPER_TM

負脈沖周期= INV/100 xPER_TM x RATIOFAC

下圖（如圖21）所示為一個三級控制器的系統(tǒng)曲線（比例系數(shù)=0.5）：

圖21

比例系數(shù)> 1

通過輸入數(shù)值乘以脈沖周期所計算的比例系數(shù)，可以減少正脈沖輸出的脈沖周期。

負脈沖周期=INV/100 xPER_TM

正脈沖周期=INV/100 xPER_T/ RATIOFAC

6.3.3.5.2二級控制

對于二級控制，只能將PULSEGEN的正脈沖輸出“QPOS_P”連接到I/O執(zhí)行機構(gòu)。根據(jù)所使用的受控數(shù)值范圍，二級控制器可以有一個雙極或單極受控數(shù)值范圍。

6.3.3.5.2.1兩級調(diào)節(jié)，帶雙向調(diào)節(jié)區(qū)（-100%…+100%）

圖22

6.3.3.5.2.2兩級調(diào)節(jié)，帶單向調(diào)節(jié)區(qū)（0…+100%）

圖23

如果控制循環(huán)中二級控制器的連接需要一個執(zhí)行脈沖的邏輯轉(zhuǎn)換二進制信號，可以在“QNEG_P”將輸出信號進行“非”運算。

脈沖	執(zhí)行機構(gòu)打開	執(zhí)行機構(gòu)關(guān)閉
QPOS_P	TRUE	FALSE
QNEG_P	FALSE	TRUE

6.3.3.5.3二級控制或三級控制中的手動模式

在手動模式（MAN_ON = TRUE）中，三級控制器或二級控制器的二進制輸出可以使用信號

“POS_P_ON”和“NEG_P_ON”以及“INV”進行設(shè)置。

	POS_P_ON	NEG_P_ON	QPOS_P	QNEG_P
三級調(diào)節(jié)	FALSE	FALSE	FALSE	FALSE
TURE	FALSE	TRUE	FALSE
FALSE	TRUE	FALSE	TRUE
TRUE	TRUE	FALSE	FALSE
二級調(diào)節(jié)	FALSE	Any	FALSE	TRUE
TRUE	Any	TRUE	FALSE

6.3.3.6初始化

SFB“PULSGEN”有一個初始化程序，可以在輸入?yún)?shù)COM_RST= TRUE置位時運行。

所有信號都被設(shè)置為“0”。

6.3.3.7出錯信息

故障輸出參數(shù)RET_VAL不使用。

6.3.3.8輸入?yún)?shù)

SFB 43/FB 43“PULSEGEN”（如圖24）

圖24

下表列出SFB 43/FB 43“PULSEGEN”輸入?yún)?shù)的說明：

序號	參數(shù)	數(shù)據(jù)類型	數(shù)值范圍	缺省	說明
1	INV	REAL	-100.0...100.0 (%)	0.0	INPUT VARIABLE（輸入變量） 模擬受控量連接到輸入?yún)?shù)“輸入變量” ?對于RATIOFAC <1?的三級控制 ?對于RATIOFAC >1的三級控制 ?對于雙極二級控制 ?對于多極二級控制
2	PER_TM	TIME	>=20*CYCLE	T#1s	PERIOD TIME（周期時間） 脈沖寬度調(diào)制的恒定周期可以使用該輸入?yún)?shù)輸入。這相當于“CONT_C”控制器的采樣時間。脈沖發(fā)生器的采樣時間和“CONT_C”控制器的采樣時間之比決定了脈沖寬度調(diào)制的精度。
3	P_B_TM	TIME	>= CYCLE	T#0ms	MINIMUM PULSE/BREAK TIME （最小脈沖/間隔時間） 最小脈沖時間或最小中斷時間可以使 用輸入?yún)?shù)“最小脈沖/間隔時間”賦值。
4	RATIOFAC	REAL	0.1 ...10.0	1.0	RATIO FACTOR（比例系數(shù)） 輸入?yún)?shù)“比例系數(shù)”可以用于改變正脈沖寬度和負脈沖寬度之比。例如，在熱處理中，這可用于補償加熱和冷卻的不同時間常數(shù)（例如，電加熱和水冷過程）。
5	STEP3_ON	BOOL		TRUE	THREE STEP CONTROL ON（三級調(diào)節(jié)接通） 該輸入?yún)?shù)激活“三級調(diào)解”。在三級調(diào)節(jié)中，兩路輸出信 號都被激活。
6	ST2BI_ON	BOOL		FALSE	TWO STEP CONTROL FOR BIPOLAR MANIPULATED VALUE RANGE ON（兩極調(diào)節(jié)，雙向受控量范圍接通。） 用于雙極受控數(shù)值范圍打開的二級控制。你可以在“雙極受控數(shù)值”和“多極受控數(shù)值范圍的二級控制”模式之間選擇。此時，STEP3_ON = FALSE。
7	MAN_ON	BOOL		FALSE	MANUAL MODE ON（手動模式接通） 通過設(shè)置該輸入?yún)?shù)，可以手動設(shè)置輸出信號。
8	POS_P_ON	BOOL		FALSE	POSITIVE PULSE ON（正脈沖接通） 在三級控制的手動模式中，輸出信號“QPOS_P”可以使用該輸入?yún)?shù)進行控制。在二級控制的手動模式中，“QNEG_P”必須設(shè)置為“QPOS_P”相反。
9	NEG_P_ON	BOOL		FALSE	NEGATIVE PULSE ON（負脈沖接通） 在三級控制的手動模式中，輸出信號“QNEG_P”可以使用該輸入?yún)?shù)進行控制。在二級控制的手動模式中，“QNEG_P”必須設(shè)置為“QPOS_P”相反。
10	SYN_ON	BOOL		TRUE	SYNCHRONIZATION ON（同步接通） 通過設(shè)置該輸入?yún)?shù)，可以自動與刷新輸入變量“INV”的塊進行同步操作。這可保證輸入變量中的一個變化可以盡可能快地輸出為一個脈沖。
11	COM_RST	BOOL		FALSE	COMPLETE RESTART（完全再起動）。 該塊有一個初始化程序，可以在輸入?yún)?shù)COM_RST置位時運行。
12	CYCLE	TIME	>= 1ms	T#10ms	SAMPLING TIME（采樣時間） 塊調(diào)用之間的時間必須恒定。該輸入?yún)?shù)規(guī)定了塊調(diào)用之間 的時間。

輸入?yún)?shù)的數(shù)值在塊中沒有限制。沒有參數(shù)檢查。

6.3.3.9輸出參數(shù)

下表列出SFB 43/FB 43“PULSEGEN”輸出參數(shù)的說明：

序號	參數(shù)	數(shù)據(jù)類型	數(shù)值范圍	缺省	說明
1	QPOS_P	BOOL		FALSE	OUTPUT POSITIVE PULSE （輸出正脈沖） 如果有脈沖輸出，輸出參數(shù)“輸出正脈沖”被置位。在三級調(diào)節(jié)中總是正脈沖輸出。在兩級調(diào)節(jié)中，QNEG_P總是與QPOS_P反向。
2	QNEG_P	BOOL		FALSE	OUTPUT NEGATIVE PULSE （輸出負脈沖） 如果有脈沖輸出，輸出參數(shù)“輸出負脈沖”被置位。在三級調(diào)節(jié)中總是負脈沖輸出。在兩級調(diào)節(jié)中，QNEG_P總是與QPOS_P反向。