S7-200PID温度控制实验

实验三  S7－200PLC　PID温度调节实验一

一、实验目的

1、定性掌握PID控制原理，在此基础上理解PID各调分量的调节作用；

2、掌握S7－200PLC中PID调节指令的使用及编程（以温度调节为例，学习使用向导和不使用向导两种编程，本实验不使用向导），并初步学会PID参数定方法。

二、实验内容

1、S7－200PLC　与模块的硬件接线、S7－200PLC　PID指令应用

2、掌握S7－200　PLC　PID编程步骤

3、掌握输入输出参数的标准化及PID回路表的使用

4、观察PID自动调节与手动调节效果图（趋势曲线），并学习PID参数整定方法

5、以温度控制为例进行PID调节模拟，观察效果（有模拟量扩展模块的话，掌握EM231或者EM232或者EM235的连接及使用）

6、改变设定值、积分时间、采样时间、微分时间，观察调节效果曲线，学会分析曲线图，定性掌握PID参数整定方法

三、实验步骤

1、硬件连接：S7－200CPU与模拟量扩展模块的正确连接

以EM235为例，连接图如下：（EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能）

左图演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X＋和X－；对于电流信号，将RX和X＋短接后接入电流输入信号的“＋”端；未连接传感器的通道要将X＋和X－短接。

对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。EM235的常用技术参数：

输入校准：模拟量输入模块使用前应进行输入校准。其实出厂前已经进行了输入校准，如果OFFSET和GAIN电位器已被重新调整，需要重新进行输入校准。其步骤如下：

A、切断模块电源，选择需要的输入范围。

B、接通CPU和模块电源，使模块稳定15分钟。

C、用一个变送器，一个电压源或一个电流源，将零值信号加到一个输入端。

D、读取适当的输入通道在CPU中的测量值。

E、调节OFFSET（偏置）电位计，直到读数为零，或所需要的数字数据值。

F、将一个满刻度值信号接到输入端子中的一个，读出送到CPU的值。

G、调节GAIN（增益）电位计，直到读数为32000或所需要的数字数据值。

H、必要时，重复偏置和增益校准过程。

2、PLC编程步骤

在Micro/WIN 中的命令菜单中选择工具 >指令向导，然后在指令向导窗口中选择PID 指令。如果你的项目中已经配置了一个PID 回路，则向导会指出已经存在的PID 回路，并让你选择是配置修改已有的回路，还是配置一个新的回路。

第一步：定义需要配置的PID 回路号；第二步：设定PID 回路参数

a. 定义回路设定值（SP，即给定）的范围：

在低限（Low Range）和高限（High Range）输入域中输入实数，缺省值为0.0 和100.0，表示给定值的取值范围占过程反馈量程的百分比。这个范围是给定值的取值范围。它也可以用实际的工程单位数值表示。参见：设置给定－反馈的量程范围。

以下定义PID 回路参数，这些参数都应当是实数：

b.增益： 即比例常数。

c.积分时间：如果不想要积分作用，可以把积分时间设为无穷大INF

d.微分时间：如果不想要微分回路，可以把微分时间设为0 。

e.采样时间：是PID 控制回路对反馈采样和重新计算输出值的时间间隔。在向导完成后，若想要修改此数，则必须返回向导中修改，不可在程序中或状态表中修改。

注意：关于具体的PID 参数值，每一个项目都不一样，需要现场调试来定，没有所谓经验参数。

第三步：设定回路输入输出值

a. 指定输入类型

单极性，即输入的信号为正，如0－10V 或0－20mA 等

双极性，输入信号在从负到正的范围内变化。如输入信号为±10V、±5V 等时选用

选用20%偏移，如果输入为4－20mA 则选单极性及此项，4mA 是0－20mA 信号的20%，所以选20% 偏移，即4mA 对应00，20mA 对应32000

b. 反馈输入取值范围

在a.设置为单级性 时，缺省值为0 - 32000，对应输入量程范围0 - 10V 或0 - 20mA 等，输入信号为正

在a.设置为双极性时，缺省的取值为-32000 - +32000，对应的输入范围根据量程不同可以是±10V、±5V 等

在a.选中20% 偏移量时，取值范围为00 - 32000，不可改变此反馈输入也可以是工程单位数值，参见：设置给定－反馈的量程范围。然后定义输出类型

c.输出类型可以选择模拟量输出或数字量输出。模拟量输出用来控制一些需要模拟量给定的设备，如比例阀、变频器等；数字量输出实际上是控制输出点的通、断状态按照一定的占空比变化，可以控制固态继电器（加热棒等）

d. 选择模拟量则需设定回路输出变量值的范围，与输入相同设置。如果选择了开关量输出，需要设定此占空比的周期。

第四步：设定回路报警选项。向导提供了三个输出来反映过程值(PV)的低值报警、高值报警及过程值模拟量模块错误状态。当报警条件满足时，输出置位为1。这些功能在选中了相应的选择框之后起作用。

a.使能低值报警并设定过程值(PV)报警的低值，此值为过程值的百分数，缺省值为0.10，即报警的低值为过程值的10％。此值最低可设为0.01，即满量程的1%

b.使能高值报警并设定过程值(PV)报警的高值，此值为过程值的百分数，缺省值为0.90，即报警的高值为过程值的90％。此值最高可设为1.00，即满量程的100%

c. 使能过程值(PV)模拟量模块错误报警并设定模块于CPU 连接时所处的模块位置。“0”就是第一个扩展模块的位置

第五步：指定PID 运算数据存储区

PID 指令（功能块）使用了一个120 个字节的V 区参数表来进行控制回路的运算工

作；除此之外，PID 向导生成的输入/输出量的标准化程序也需要运算数据存储区。需要为它们定义一个起始地址，要保证该地址起始的若干字节在程序的其它地方没有被重复使用。如果点击“Suggest Address”，则向导将自动为你设定当前程序中没有用过的V 区地址。自动分配的地址只是在执行PID 向导时编译检测到空闲地址。向导将自动为该参数表分配符号名，用户不要再自己为这些参数分配符号名，否则将导致PID 控制不执行。

第六步：定义向导所生成的PID 初使化子程序和中断程序名及手/自动模式。向导已经为初使化子程序和中断子程序定义了缺省名，你也可以修改成自己起的名字。

a. 指定PID 初使化子程序的名字。b. 指定PID 中断子程序的名字

注意：

1. 如果你的项目中已经存在一个PID 配置，则中断程序名为只读，不可更改。因为一个项目中所有PID 共用一个中断程序，它的名字不会被任何新的PID 所更改。

2. PID 向导中断用的是SMB34 定时中断，在用户使用了PID 向导后，注意在其它编程时不要再用此中断，也不要向SMB34 中写入新的数值，否则PID 将停止工作。

c. 此处可以选择添加PID 手动控制模式。在PID 手动控制模式下，回路输出由手动输出设定控制，此时需要写入手动控制输出参数一个0.0－1.0 的实数，代表输出的0％－100％而不是直接去改变输出值。此功能提供了PID 控制的手动和自动之间的无扰切换能力。

第七步：生成PID 子程序、中断程序及符号表等

一旦点击完成按钮，将在你的项目中生成上述PID 子程序、中断程序及符号表等。

第八步：配置完PID 向导，需要在程序中调用向导生成的PID 子程序（本题用PID指令盒形式手工调用，用向导只是为了能使用PID调节面板，下次实验学习调用）在用户程序中调用PID 子程序时，可在指令树的程序块中用鼠标双击由向导生成的PID 子程序，在局部变量表中，可以看到有关形式参数的解释和取值范围。

a. 必须用SM0.0 来使能PID，以保证它的正常运行

b. 此处输入过程值（反馈）的模拟量输入地址

c. 此处输入设定值变量地址（VDxx），或者直接输入设定值常数，根据向导中的设定0.0－100.0，此处应输入一个0.0－100.0 的实数，例：若输入20，即为过程值的20％，假设过程值AIW0 是量程为0－200 度的温度值，则此处的设定值20 代表40 度（即200 度的20％）；如果在向导中设定给定范围为0.0 - 200.0，则此处的20相当于20 度

d. 此处用I0.0 控制PID 的手/自动方式，当I0.0 为1 时，为自动，经过PID 运算从AQW0 输出；当I0.0 为0 时，PID 将停止计算，AQW0 输出为ManualOutput（VD4）中的设定值，此时不要另外编程或直接给AQW0 赋值。若在向导中没有选择PID 手动功能，则此项不会出现

e. 定义PID 手动状态下的输出，从AQW0 输出一个满值范围内对应此值的输出量。此处可输入手动设定值的变量地址（VDxx），或直接输入数。数值范围为0.0-1.0 之间的一个实数，代表输出范围的百分比。例：如输入0.5，则设定为输出的50％。若在向导中没有选择PID 手动功能，则此项不会出现

f. 此处键入控制量的输出地址

g. 当高报警条件满足时，相应的输出置位为1，若在向导中没有使能高报警功能，则此项将不会出现

h. 当低报警条件满足时，相应的输出置位为1，若在向导中没有使能低报警功能，则此项将不会出现

i. 当模块出错时，相应的输出置位为1，若在向导中没有使能模块错误报警功能，则此项将不会出现

调用PID 子程序时，不用考虑中断程序。子程序会自动初始化相关的定时中断处理事项，然后中断程序会自动执行。

第九步：实际运行并调试PID 参数

没有一个PID 项目的参数不需要修改而能直接运行，因此需要在实际运行时调试PID参数。

查看数据块，以及符号表相应的PID 符号标签的内容，可以找到包括PID 核心指令所用的控制回路表，包括比例系数、积分时间等等。将此表的地址复制到状态表）中，可以在监控模式下在线修改PID 参数，而不必停机再次做组态。

参数调试合适后，用户可以在数据块中写入，也可以再做一次向导，或者编程向相应

的数据区传送参数。

3、PID 自整定

可以使用用户程序或PID 调节控制面板来启动自整定功能。在同一时间最多可以有8 个PID 回路同时进行自整定。PID 自整定步骤：

第一步：在PID Wizard (向导）中完成PID 功能组态

要想使用PID 自整定功能，PID 编程必须用PID 向导来完成

第二步：打开PID 调节控制面板，设置PID 回路调节参数

在Micro/WIN V4.0 在线的情况下，从主菜单工具 > PID 调节控制面板，击进入PID 调节控制面板中，如果面板没有被激活（所有地方都是灰色），可点击Configure（配置）按钮运行CPU。在PID 调节面板的e.区选择要调节的PID 回路号，在d.区选择Manual（手动），调节PID 参数并点击Update（更新），使新参数值起作用，监视其趋势图，根据调节状况改变PID 参数直至调节稳定。为了使PID 自整定顺利进行，应当做到：

. 使PID 调节器基本稳定，输出、反馈变化平缓，并且使反馈比较接近给定

. 设置合适的给定值，使PID 调节器的输出远离趋势图的上、下坐标轴，以免PID 自

整定开始后输出值的变化范围受

第三步：在d.区点击高级按钮，设定PID 自整定选项。如果不是很特殊的系统，也可以不加理会。在此允许你设定下列参数：

a. 你可以选中复选框，让自整定来自动计算死区值和偏移值对于一般的PID 系统，建议使用自动选择。

b.滞回死区：死区值规定了允许过程值偏离设定值的最大（正负）范围，过程反馈在这个范围内的变化不会引起PID 自整定调节器改变输出，或者使PID 自整定调节器“认为”这个范

围内的变化是由于自己改变输出进行自整定调节而引起的。PID 自整定开始后，只有过程反馈值超出了该区域，PID 自整定调节器才会认为它对输出的改变发生了效果。这个值用来减少过程变量的噪声对自整定的干扰，从而更精确地计算出过程系统的自然振动频率。如果选用自动计算，则缺省值为2％。如果过程变量反馈干扰信号较强（噪声大）自然变化范围就大，可能需要人为设置一个较大的值。但这个值的改变要与下面的偏差值保持1:4 的关系。

c.偏差：偏差值决定了允许过程变量偏离设定值的峰峰值。如果选择自动计算该值，它将是死区的4 倍，即8％。有些非常敏感的系统不允许过程量偏离给定值很多，也可以人工设置为比较小的值，但是要和上述“死区”设置保持比例关系。这就是说，一个精度要求高的系统，其反馈信号必须足够稳定。

d.初始步长值：PID 调节的初始输出。PID 自整定开始后，PID 自整定调节器将主动改变PID 的输出值，以观察整个系统的反应。初始步长值就是输出的变动第一步变化值，以占实际输出量程的百分比表示。

e.看门狗时间：过程变量必须在此时间（时基为秒）内达到或穿越给定值，否则会产生看门狗超时错误。PID 自整定调节器在改变输出后，如果超过此时间还未观察到过程反馈（从下至上或从上至下）穿越给定曲线，则超时。如果能够事先确定实际系统响应非常慢，可以加长这个时间。

f. 动态响应选项：根据回路过程（工艺）的要求可选择不同的响应类型：快速、中速、慢速、极慢速。

快速：可能产生超调，属于欠阻尼响应。中速：在产生超调的边缘，属于临界阻尼响应。慢速：不会产生任何超调，属于过阻尼响应。极慢速：不会产生任何超调，属于严重过阻尼响应用户在这里指定需要达到的系统控制效果，而不是对系统本身响应快慢的判断。

g. 设定完参数点击OK 键回到PID 调节控制面板的主画面

第四步：在手动将PID 调节到稳定状态后，即过程值与设定值接近，且输出没有不规律的变化，并最好处于控制范围中心附近。此时可点击d.区内的“开始自动调节”按钮启动PID 自整定功能，这时按钮变为Stop Auto Tune。这时只需耐心等待，系统完成自整定后会自动将计算出的PID 参数显示在d.区。当按钮再次变为开始自动调节时，表示系统已经完成了PID 自整定。要使用自整定功能，必须保证PID 回路处于自动模式。开始自整定后，给定值不能再改变。

第五步：如果用户想将PID 自整定的参数应用到当前PLC 中，则只需点击“更新PLC”。完成PID 调整后，最好下载一次整个项目(含数据块),使新参数保存到CPU 的EEPROM 中。

四、实验报告

实验报告包括实验目的、实验内容、步骤、设计说明、实验体会、实验思考题。

五、常见问题解答兼作实验思考题

1.PID 输出在最大值与最小值之间振荡（曲线接触到坐标轴）

解决方法：降低PID 初始输出步长值

2.经过一段时间后，PID 自整定面板显示如下信息：“ 由于看门狗超时自动整定异常中止” 。

解决方法： 确定在启动PID 自整定前，过程变量和输出值已经稳定。并检查看门的值，将其适当增大。

3、在开始PID 自整定调整前，整个PID 控制回路必须工作在相对稳定的状态。

稳定的PID 是指过程变量接近设定值，输出不会不规则的变化，且回路的输出值在控

制范围中心附近变化。

4.PID 输出总是输出很大的值，并在这一区间内调节变化

产生原因：增益值太高，PID 扫描时间太长（对于快速响应PID 的回路）

解决方法：降低增益值并且/或选择短一些的扫描时间

5.过程变量超过设定值很多（超调很大）

产生原因：积分时间（Integral time)可能太高

解决方法：降低积分时间

6.得到一个非常不稳定的PID

产生原因：如果用了微分，可能是微分参数有问题，如没有用微分，可能是增益值太高

解决方法：

调整微分参数到0－1 的范围内。根据回路调节特性将增益值降低，最低可从0.x 开始逐渐增大往上调，直到

获得稳定的PID。

六、实验参考程序（程序中用VD300模拟温度值是考虑实验室一直没有配置EM235模块）

主程序：    

Network 1 

// 本例为了模拟的需要（本例用VD300模拟，实际中用EM235模拟量输入输出模块进行采集，输入通道为AIW0、AIW1，输出通道为AQW0、AQW1等等），先对它设置为一个值，假设比设定的温度低，为40度,并标准化为0.0-1.0之间的实数,以便PID运算需要（西门子S7-200规定PID运算时要先标准化才能运算），并调用子程序进行PID回路参数的初始化

LD     SM0.1

DTR    VD300, VD300

MOVR   90.0, VD104                 //设定温度为90，存在VD104中，这是原始值

MOVR   40.5, VD300                 //假设当前温度为40，温度的变化范围为0-100度

/R     100.0, VD300                //标准化为0.0-1.0之间的实数

CALL   SBR0                        //调用子程序

Network 2 

// 将已经标准化的测量值送VD200，根据回路表及本例的规定，VD200中存放的是过程变量值，此处将标准化过的VD300送VD200，以便开始PID运算。注意，如果是实际的模拟量采样值比如AIW0，则就必须用除以量程范围值得（单极性是32000，双极性是000）到标准化值

LD     SM0.0

MOVR   VD300, VD200                // 将模拟量通道采集数据(单极性，这里用VW300模拟)整数送VD200

Network 3 

// 将设定值送VD204中并标准化，

LD     SM0.0

MOVR   VD104, VD204                // 将设定值的原始值移至SP（见回路表）

/R     100.0, VD204                // 标准化设定值

Network 4 

// 用SM0.0一直调用PID调节运算，第0号回路起始地址为VB200，因S7-200中的地址必须用字节表示，故此处的VB200是第0号回路表的起始地址。注意如果是真的采集模拟量，就要用中断方式调用PID运算，而不是此处的一直调用

LD     SM0.0

PID    VB200, 0

Network 5 

// 输出量转换，VD208中所存值为PID运算的输出量，其为0.0-1.0之间的实数，将其乘以100，正好可以作为后面矩形脉冲的宽度或者间隙值，即为T37和T38等等定时器的PT值送VW0，同时又可以作为百分数值

LD     SM0.0                       //

MOVR   VD208, AC1                  //此行与下面一行结合，使PID输出值(0.0-1.0之间的实数)乘以100得到百分数

*R     100.0, AC1

ROUND  AC1, AC1                    // 取整

DTI    AC1, VW0                    //将取整后的32位整数转换为16位整数送VW0中

Network 6 

// 下面几个网络产生脉冲，在周期为10秒的时间内轮流接通Q1.0(接电加热器)和Q1.1(接冷却风扇)

// 同时设置一个周期为30秒的矩形波，其周期等于VW0+VW2=100,这里假定VW0与VW2之和不大于100

LD     SM0.0

MOVW   +100, VW2                   //100对后面的T37和T38来说是200个100ms即10秒

-I     VW0, VW2                    //

Network 7 

// 产生矩形波脉冲，周期为VW0+VW2

LD     SM0.0

AN     T38

TON    T37, VW2

Network 8 

LD     T37

TON    T38, VW0

Network 9 

// T37接通期间接通Q1.0，模拟电阻丝加热，温度升高

LD     T37

=      Q0.0

Network 10 

// T37断开期间接通Q1.1，模拟冷却风扇启动，温度降低

LDN    T37

=      Q0.1

Network 11 

// 升高采用模拟方法：用T39生成间隔为0.1秒的定时脉冲

LD     SM0.0

A      T37

AN     T39

TON    T39, 1

Network 12 

// 在定时脉冲作用下，每0.1秒让温度升高0.1度，对此题来说是让标准化数VD300增0.001,模拟加热

LD     T39

+R     0.001, VD300

AENO

MOVR   VD300, VD200

Network 13 

// 下降采用模拟方法：用T40生成间隔为0.1秒的定时脉冲

LD     SM0.0

AN     T37

AN     T40

TON    T40, 1

Network 14 

// 在定时脉冲作用下，每0.1秒让温度下降0.1度，对此题来说是让标准化数VD300减0.001，模拟冷却

LD     T40

-R     0.001, VD300

AENO

MOVR   VD300, VD200

子程序：

TITLE=子程序注释

BEGIN

Network 1 // // 初始化，载入PID参数，并附加PID中断例行程序 

// 第0号回路表起始地址VB200，回路表具体内容见廖常初教材P192表8-3，VD104中存储的是设定的实际值，不是标准化值！后面要用的。

LD     SM0.0                       // 载入温度设定值=90摄氏度，注意是装入VD104中，后面要除以100

MOVR   20.0, VD212                 // 载入增益 = 20

MOVR   0.2, VD216                  // 载入采样时间 = 0.2秒

MOVR   30.0, VD220                 // 载入积分时间 = 30分钟

MOVR   0.0, VD224                  // 设置无微分计算

回路表符号：（详见教材P192表8-3）

PID0_Table    VB200    PID 0 的回路表起始地址

PID0_PV    VD200    标准化的过程变量

PID0_SP    VD204    标准化的过程给定值

PID0_Output    VD208    标准化的回路输出计算值

PID0_Gain    VD212    回路增益

PID0_SampleTime    VD216    采样时间 (要修改请重新运行 PID 向导)

PID0_I_Time    VD220    积分时间

PID0_D_Time    VD224    微分时间