摘要：本文主要针对PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现展开分析，明确了如何在PLC模拟量闭环控制中更好的应用PID算法，提出了实现的思路和具体的实现方法，可供今后参考。
关键词：PID算法，西门子，PLC，模拟量，闭环控制
前言
PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现是十分关键的技术工作，一定要采取更好的实现技术和方法，才能提高其实现的质量和效率，对于其中的关键环节和技术必须要更加重视。
1、PID控制概述
PID控制是连续系统控制中广泛应用的一种控制方法，由于它结构改变灵活，可根据系统的要求，在常规PID调节的基础上进行多种PID变型控制，如PI、PD控制，比例PID控制，不完全微分控制，带死区的PID控制等。而且不需要建立精确的控制系统数学模型，有较强的适应性和灵活性。
我们都知道模拟量是指一些连续变化的物理量。而PLC是由继电器控制电路引进微处理器技术后发展而来，可以方便、可靠地进行开关量的控制。PLC进行模拟量控制，需要将模拟量转换成数字量，数字量的本质也就是开关量。经转换后的模拟量，对有较强信息处理的PLC并不难。
2、PID算法的实现
在模拟量闭环过程控制领域内，扩展模拟量处理模块，如EM231、EM232、EM235，根据PLC提供的PID编程功能模块，只需设定好PID参数，运行PID控制指令，就能求得输出控制值，实现模拟量闭环控制。
2.1PID算法
在模拟量的控制中，经常用到PID运算来执行PID回路的功能，PID回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易[。
如果一个PID回路的输出M(t)是时间的函数，则可以看作是比例项、积分项和微分项三部分之和。即:
M(t)=Kc*e+Kc∫t00tedt+M0+Kc*de/dt
以上各量都是连续量，第一项为比例项，最后一项为微分项，中间两项为积分项。其中e是给定值与被控制变量之差，即回路偏差。Kc为回路的增益。用数字计算机处理这样的控制算式，连续的算式必须周期采样进行离散化，同时各信号也要离散化，公式如下:
MPn=Kc*(SPn-PVn)+Kc*Ts/Ti*(SPn-PVn)+MX+Kc*Td/Ts•(PVn-1-PVn)
公式中包含9个用来控制和监视PID运算的参数，在PID指令使用时构成回路表，。
2.2PID指令
使能输入有效时，该指令利用回路表中的输入信息和组态信息，进行PID运算。梯形图的指令盒中有2个数据输入端:TBL，回路表的起始地址，是由VB指定的字节型数据;指令LOOP，回路号，是0～7的常数。
指令格式:PIDTBL，LOOP
2.2.1PID回路号
用户程序中最多可有8条PID回路，不同的PID回路指令不能使用相同的回路号，否则会产生意外的后果。
2.2.2数值转换及标准化
用可编程序控制器控制PID回路时，要把实际测量输入量、设定值和回路表中的其他输入参数进行标准化处理，即用程序转化为PLC能够识别和处理的数据的标准，例如把从AIW采集来的16位整数转化为0.0～1.0之间的标准化实数。标准化实数又分为双极性(围绕0.5上下变化)和单极性(以0.0为起点在0.0和1.0之间的范围内变化)两种。
程序执行时把各个标准化实数量用离散化PID算式进行处理，产生一个标准化的实数运算结果，这一结果同样也要用程序将其转化为相应的16位整数，然后周期性将其传送到指定的AQW，用以驱动模拟量的输出负载，实现控制。
转换方法如下:应用实例中断程序中的程序片断。
2.2.3选择PID回路类型
在大部分模拟量的控制中，使用的回路控制类型并不是比例、积分和微分三者俱全。例如只需要比例回路或只需要比例积分回路，通过对常量参数的设置，可以关闭不需要的控制类型。
关闭积分回路:把积分时间TI设置为无穷大，此时虽然由于有初值MX使积分项不为零，但积分作用可以忽略。
关闭微分回路:把微分时间TD设置为0，微分作用即可关闭。
关闭比例回路:把比例增益Kc设置为0，则可以只保留积分和微分项。
2.3PID参数
S7-200CPU提供PID回路指令，进行PID计算。PID回路的操作取决于存储在36字节回路表内的9个参数。PID回路表见表1。
2.4PID的编程步骤
2.4.1设定回路输入及输出选项。
2.4.2设定回路参数在PID指令中，必须指定内存区内的36个字节参数表的首地址。其中要选定过程变量、设定值、回路增益、采样时间、积分时间和微分时间，并转换成标准值存入回路表中。
2.4.3设定循环警报选项。
2.4.4为计算指定内存区域，PID计算需要一定的存储空间，存储暂时结果。需要指定此计算区域的起始V内存字节地址。
2.4.5指定初始化子程序及中断程序。
2.4.6生成PID程序。
图1
3、应用实例
有一水箱有一条进水管和一条出水管，进水管的水流量随时间不断变化，要求控制出水管阀门的开度，使水箱内的液位始终保持在水满时液位的一半。系统使用比例积分微分控制，假设采用下列控制参数值:Kc为0.25，Ts为0.1秒，Ti为30分钟。
本供水系统的设定值是水箱满水位的75%时的水位，过程变量是由漂浮在水面的水位测量仪给出。输出值是进水泵的速度，可以从允许最大值的0%变到100%。设定值可以预先设定后直接输入回路表中，过程变量是来自水位表的单极性模拟量，回路输出值也是一个单极性模拟量，用来控制水泵速度。这个模拟量的范围是0.0～1.0，分辨率为1/32000(标准化)。
本工程的特点是在系统中，水泵的机械惯性比较大，故系统仅采用比例和积分控制。其增益和时间常数可以通过工程计算初步确定。实际上还需要进一步调整，以达到最优控制效果。
系统启动时，关闭出水口，用手动控制进水泵速度，使水位达到满水位的75%，然后打开出水口，同时水泵控制由手动方式切换到自动方式。这种切换由一个输入的开关量控制，具体描述如下:I0.0位控制手动到自动方式的切换，0代表手动，1代表自动。当工作在手动方式下，可以把水泵的速度(0.0～1.0之间的实数)直接写入回路表中的输出寄存器(VD108)。
应用PID指令控制系统时，要注意积分作用引起的超调问题。为了避免这一现象，可以加一些保护。比如当过程变量达到甚至超过设定值时，可以限制输出值在某一定范围之内。本例中的程序仅有自动控制方式的设计。其中主程序OB1的功能是PLC首次运行时利用SM0.1调用初始化程序SBR0。子程序SBR0的功能是形成PID的回路表，建立100ms的定时中断，并且开中断。程序如图1所示。
中断程序INT0的功能是输入水箱的水面高度AIW0的值，并送入回路表。
I0.1=1时进行PID“自动”控制，把PID运算的输出值送到AQW0中，从而控制进水泵的速度，以保持水箱的水面高度。
总之，近年来，PLC的结构和性能不断改进，随着PLC的性能价格比不断提高，许多小型PLC具备了过去大型机才具有的运算速度和高级功能，西门子PLC扩展模拟量处理模块，应用PID运算指令，可以方便的实现对模拟量的控制。
4、结束语
综上所述，PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现是十分重要的工作，本文总结了PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现的方法和措施，可供今后参考和借鉴。
参考文献
[1]台方主编可编程控制器应用教程[M].北京:中国水利出版社,2017. 186-187.
[2]钟肇新,王灏编可编程控制器入门教程(SIMATICS7-200)[M].广州:华南理工大学出版社,2016.43-44.
论文作者:张建云
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/14
标签：回路论文; 模拟量论文; 微分论文; 闭环论文; 指令论文; 积分论文; 程序论文; 《基层建设》2019年第4期论文;