南通SIEMENS西門子S7-1500PLC模塊代理商       南通SIEMENS西門子S7-1500PLC模塊代理商

 
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西門子S7-1500作為西門子迄今為止功能大、性價比高的PLC，得到了廣大客戶關注，今天與大家分享西門子西門子S7-1500與S7-300、S7-400相PK 的幾點優(yōu)勢以及型譜對照。

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首先，它的外觀設計更人性化，選用時更容易被工程現(xiàn)場人員所接受。S7-1500模塊大小比S7-300稍大，機架類似于S7-300，前連接器安裝時具有接線位置，并提供專門的電源元件和屏蔽支架及線卡，使接線更方便，可靠性更高；尤其讓工程人員心動的是CPU上配置有LED顯示屏，可方便顯示CPU狀態(tài)和故障信息等。

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其次，從硬件方面來說，S7-1500PLC的處理速度更快，聯(lián)網(wǎng)能力更強，診斷能力和安全性更高，不僅可節(jié)省成本，提高生產(chǎn)效率，而且安全可靠，維護簡單方便，真正成為工廠客戶和現(xiàn)場維護人員的控制器。例如，相對于S7-300/400，S7-1500 PLC采用新型的背板總線技術(shù)，采用高波特率和高傳輸協(xié)議，使其信號處理速度更快；S7-1500所有CPU集成1-3個PROFINET接口，可實現(xiàn)低成本快速組態(tài)現(xiàn)場級通信和公司網(wǎng)絡通信，而S7-300/400PLC只有個別型號CPU才集成有PROFINET接口；S7-1500 PLC的模塊集成有診斷功能，診斷級別為通道級，無需進行額外編程，當發(fā)生故障時，可快速準確地識別受影響的通道，減少停機時間，這是S7-300/400PLC所*的。

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S7-1500PLC的組態(tài)和編程效率時更容易被工程現(xiàn)場人員所接受。S7-1500模塊大小比S7-300稍大，機架類似于S7-300，前連接器安裝時具有接線位置，并提供專門的電源元件和屏蔽支架及線卡，使接線更方便，可靠性更高；尤其讓工程人員心動的是CPU上配置有LED顯示屏，可方便顯示CPU狀態(tài)和故障信息等。

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其次，從硬件方面來說，S7-1500PLC的處理速度更快，聯(lián)網(wǎng)能力更強，診斷能力

相對于S7-300/400PLC，S7-1500PLC支持的數(shù)據(jù)類型更廣泛。S7-1500PLC的基本數(shù)據(jù)類型的長度大到64位，而S7-300/400 PLC支持的基本數(shù)據(jù)類型長度大為32位；S7-1500PLC支持Pointer、Any和Variant三種類型指針，S7-300/400PLC只支持前兩種。這些特點，均使S7-1500PLC的編程更加靈活。

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另外，S7-1500 PLC無需使用其它模塊即可實現(xiàn)運動控制功能。通過PLCopen 技術(shù)，控制器可使用標準組件連接支持PROFIdrive 的各種驅(qū)動裝置；此外，S7-1500 PLC還支持所有CPU 變量的TRACE 功能，提高了調(diào)試效率，優(yōu)化了驅(qū)動和控制器的性能。

小結(jié)

總之，S7-1500 PLC的功能不僅涵蓋了絕大多數(shù)S7-300/400PLC，而且有過之而無不及，適用范圍廣泛，加之其具有上述的優(yōu)點，使其在今后的發(fā)展中，必將廣泛應用于各個工程領域之中。

S7-300與1500對應型號

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為了達到 PID 自動/手動控制的無擾動切換，需要在編程時注意一些相關事項。下面分別就直接使用 PID 指令編程，和使用 PID 向?qū)Ь幊虄煞N情況作一介紹。

1.直接使用 PID 指令編程時的 PID 自動/手動無擾切換

直接使用 PID 指令塊編寫 PID 控制程序時，可以簡單地使用“調(diào)用/不調(diào)用”指令的方式控制自動/手動模式。因為 PID 指令本身已經(jīng)具有實現(xiàn)無擾動切換的能力，此時在 PID 指令控制環(huán)節(jié)之外編程沒有多大必要。

PID 指令的 EN 輸入端使能（為“1”）時，我們認為是自動控制模式；EN 輸入端未使能（為“0”）時，我們認為是手動控制模式。

PID 指令本身有一個“能流歷史狀態(tài)位”，以記錄指令的狀態(tài)切換。在 EN 端從“0”變?yōu)?rdquo;“1”時，PID 指令認為這是從“手動”模式向“自動”模式切換。PID 指令此時會自動執(zhí)行一系列動作，以配合無擾動切換：

• 使設定值（ SPn） = 當前過程反饋變量（PVn）
• 設置上次采樣過程變量（PVn-1） = 當前過程反饋變量（PVn）
• 設置積分偏差和（或所謂積分前項）（Mx） = 當前輸出值（Mn）

使設定值等于當前反饋值可以避免出現(xiàn)偏差，使之不存在調(diào)整的要求；當然如果有工藝要求，也可以后續(xù)調(diào)整設定值。其他的動作都是為了使 PID 在后續(xù)的操作中不改變輸出的值。

在編程時要注意：

• 從自動模式向手動模式切換時，PID 指令的 EN 端不再有能流，計算停止，輸出值 Mn 不再變化。此時如果需要操作人員人工觀察控制的結(jié)果，手動控制輸出量，就可以通過用戶程序直接改變回路表中的輸出值存儲單元內(nèi)容（見數(shù)據(jù)塊或系統(tǒng)手冊的相關部分內(nèi)容）。如果有必要，操作人員的操作可能要進行一些標準化換算。
• 為保證從手動模式向自動模式的切換無擾動，需要在手動控制時，或在切換過程中，禁止對 PID 回路表中設定值的更新，以便切換時 PID 指令用當前過程反饋值替代設定值。切換完成后，操作人員可以調(diào)整設定值。

2.使用 PID 向?qū)Ь幊虝r的 PID 自動/手動無擾切換

使用 PID 指令向?qū)Ь幊虝r，指令向?qū)詣诱{(diào)用 PID 指令，并且編寫外圍的控制變量標準化換算、定時采樣等功能。用戶在使用 PID 指令向?qū)r，需要在用戶程序中用 SM0.0 調(diào)用指令向?qū)傻淖映绦颍ㄈ?PIDx_INIT 子程序）。PID 向?qū)Э梢陨蓭ё詣?手動切換功能的子程序，這個子程序使用一個數(shù)字量點為“1”、“0”的狀態(tài)來控制是否投入 PID 自動控制。

到目前為止（STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP5），使用 PID 向?qū)傻淖映绦驎r，由于用戶程序不能直接使用 PID 指令，它的無擾切換能力因為隔了外殼子程序，所以受到了局限。如果對無擾切換要求比較嚴格，需要另外編一些程序加以處理。

考察如下 PID 控制子程序。

圖 4.1.1. PID 向?qū)傻闹噶?/p>

圖中：

1. 過程反饋量
2. 設定值，實數(shù)
3. 自動/手動控制，“1”=自動，“0”=手動
4. 手動控制輸出值，0.0 - 1.0 之間的一個實數(shù)
5. PID 控制輸出值

要實現(xiàn)無擾動切換，必須：

• 在從自動向手動切換時，使手動輸出值（VD2004）等于當前的實際控制輸出值；
• 在從手動向自動切換使，使設定值相當于當前的過程反饋值。

為此，可編寫類似下圖所示的程序，放在 PID 控制子程序之前：

4.1.2. 無擾切換處理程序

圖中：

1. 自動/手動切換控制點
2. 從自動向手動切換時，使手動輸出值等于實際當前值
3. 從手動向自動切換時，把當前反饋量換算為相應的給定值

上述程序中的 Scale_I_to_R 就是量程變換指令庫中的子程序。這是為了解決過程反饋與設定值之間的換算問題。用戶也可以自己編程換算，或者根據(jù)反饋與給定的取值范圍決定是否需要換算。

此段程序適用于 STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP5 及以前版本，僅供參考，如果在實際項目中使用，上述程序未必一定適用。用戶需要根據(jù)實際工藝決定自己的編程思路。

4.2. PID調(diào)節(jié)步驟簡介

建議PID參數(shù)調(diào)節(jié)步驟：

（1）前提條件：反饋信號是否穩(wěn)定，執(zhí)行機構(gòu)是否正常以及控制器的正反作用。（確保PID在自動模式下）

（2）積分時間設置為無窮大INF（或9999.9），此時積分作用近似為0；將微分時間設置為0.0，此時微分作用為0 。然后開始調(diào)節(jié)比例作用，逐步增大比例增益

（3）當過程變量達到給定值且在給定值上下波動，將調(diào)好的比例系數(shù)調(diào)整到50%~80%后，由大到小減小積分時間，直到過程值與設定值相等或無限接近

PID調(diào)節(jié)有很多種方法，以上僅是建議步驟，也并未考慮微分作用，客戶依據(jù)實際情況靈活調(diào)節(jié)，同時可以參考反饋與給定的曲線圖

用戶經(jīng)常會遇到這樣的問題：嘗試了很多組PID參數(shù)，都無法滿足控制器的要求， 此時需要考慮PID的采樣時間是否適合當前系統(tǒng)。采樣時間就是對反饋進行采樣的間隔。短于采樣時間間隔的信號變化是不能測量到的。采樣時間過短，兩次實測值的變化量太小，也不合適，而且增加PLC的運算負擔；采樣間隔過長，將會引起有用信號的丟失，使系統(tǒng)品質(zhì)變差，不能滿足擾動變化比較快、或者速度響應要求高的場合。除此以外，也有可能是系統(tǒng)自身的問題，無法調(diào)節(jié)到穩(wěn)定，例如， 不規(guī)律的干擾，或者反饋信號不穩(wěn)定。

. 手動調(diào)節(jié)PID至穩(wěn)定問題與解決方法：

1. PID輸出總是輸出很大的值，并在這一區(qū)間內(nèi)調(diào)節(jié)變化。

產(chǎn)生原因：增益（Gain）值太高
PID掃描時間（sample time）太長（對于快速響應PID的回路）

解決方法：降低增益（Gain）值并且/或選擇短一些的掃描時間

2. 過程變量超過設定值很多（超調(diào)很大）

產(chǎn)生原因：積分時間（Integral time)可能太高。

解決方法：降低積分時間 3. 得到一個非常不穩(wěn)定的PID。

• 如果用了微分，可能是微分參數(shù)有問題
• 沒有微分，可能是增益（Gain）值太高

解決方法：

• 調(diào)整微分參數(shù)到0－1的范圍內(nèi)
• 根據(jù)回路調(diào)節(jié)特性將增益值降低，低可從0.x 開始逐漸增大往上調(diào)，直到獲得穩(wěn)定的PID。

如何獲取一組合適的參數(shù)，實現(xiàn)快速并穩(wěn)定的PID控制？

PID調(diào)節(jié)過程中，用戶通常需要做多次的參數(shù)調(diào)節(jié)才能獲得的控制效果。從下面反饋（過程變量）與給定之間的曲線圖中，可以看到黃色曲線較理想。用戶可以將調(diào)節(jié)的PID反饋與給定曲線與下圖中對比，并修改相關參數(shù)（但是因為現(xiàn)場情況不一樣，用戶還需具體問題具體對待，下圖中的建議僅供參考：

圖 4.3.4 反饋與給定曲線

1.超調(diào)過大，減小比例，增大積分時間

2.迅速變化，存在小超調(diào)

3.實際值緩慢接近設定值，并且無超調(diào)的達到設定值

4.增益系數(shù)太小和/或微分時間太長

5.益系數(shù)太小和/或積分時間太長

常見問題

沒有采用積分控制時，為何反饋達不到給定？

這是必然的。因為積分控制的作用在于消除純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)固有的“靜差”。沒有積分控制的比例控制系統(tǒng)中，沒有偏差就沒有輸出量，沒有輸出就不能維持反饋值與給定值相等。所以永遠不能做到?jīng)]有偏差。

對于某個具體的PID控制項目，是否可能事先得知比較合適的參數(shù)？有沒有相關的經(jīng)驗數(shù)據(jù)？

雖然有理論上計算PID參數(shù)的方法，但由于閉環(huán)調(diào)節(jié)的影響因素很多而不能全部在數(shù)學地描述，計算出的數(shù)值往往沒有什么實際意義。因此，除了實際調(diào)試獲得參數(shù)外，沒有什么可用的經(jīng)驗參數(shù)值存在。甚至對于兩套看似一樣的系統(tǒng)，都可能通過實際調(diào)試得到*不同的參數(shù)值。

PID控制不穩(wěn)定怎么辦？如何調(diào)試PID？

閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試，首先應當做開環(huán)測試。所謂開環(huán)，就是在PID調(diào)節(jié)器不投入工作的時候，觀察：

• 反饋通道的信號是否穩(wěn)定
• 輸出通道是否動作正常

可以試著給出一些比較保守的PID參數(shù)，比如放大倍數(shù)（增益）不要太大，可以小于1，積分時間不要太短，以免引起振蕩。在這個基礎上，可以直接投入運行觀察反饋的波形變化。給出一個階躍給定，觀察系統(tǒng)的響應是的方法。

如果反饋達到給定值之后，歷經(jīng)多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不穩(wěn)定，應該考慮是否增益過大、積分時間過短；如果反饋遲遲不能跟隨給定，上升速度很慢，應該考慮是否增益過小、積分時間過長……

總之，PID參數(shù)的調(diào)試是一個綜合的、互相影響的過程，實際調(diào)試過程中的多次嘗試是非常重要的步驟，也是必須的。

5.PID自整定

S7-200 中使用的自整定算法是基于 K.J.?str?m 和 T. H?gglund 在 1984 年提出的延時反饋算法。經(jīng)過這二十年，繼電反饋算法已被應用于工業(yè)控制的各個領域?？梢允褂貌僮鲉T面板中的用戶程序或者 PID 整定控制面板來啟動自整定功能。在同一時間，不僅僅只有一個 PID 回路可以進行自整定，如果需要的話，所有 8 個 PID 回路可以同時進行自整定。PID自整定算法向您推薦增益值、積分時間值和微分時間值。您也可以為您的調(diào)節(jié)回路選擇快速響應、中速響應、慢速響應或者極慢速響應等調(diào)節(jié)類型。

5.1. PID自整定先決條件

啟動自整定先決條件：

要進行自整定的回路必須處于自動模式

在開始PID自整定調(diào)整前，整個PID控制回路必須工作在相對穩(wěn)定的狀態(tài)（穩(wěn)定的PID是指過程變量接近設定值，輸出不會不規(guī)則的變化，且回路的輸出值在控制范圍中心附近變化。）

理想狀態(tài)下，自整定啟動時，回路輸出值應該在控制范圍中心附近。 自整定過程在回路的輸出中加入一些小的階躍變化，使得控制過程產(chǎn)生振蕩。 如果回路輸出接近其控制范圍的任一限值，自整定過程引入的階躍變化可能導致輸出值超出小或大范圍限值。 如果發(fā)生這種情況，可能會生成自整定錯誤條件，當然也會使推薦值并非化。

為什么啟動自整定之前，需要PID控制回路工作在相對穩(wěn)定狀態(tài)？

啟動自整定后,回路計算自滯后序列時，不能執(zhí)行正常的 PID 計算，此時回路輸出時一個定值，不會根據(jù)偏差變化。 因此，在啟動自整定序列之前，控制過程應處于穩(wěn)定狀態(tài)。 這樣可以得到更好的滯后值結(jié)果，同時也可以保證自滯后序列期間控制過程不會失控。

5.2. PID自整定參數(shù)介紹

S7-200 中的 PID自整定參數(shù)是回路表40-80字節(jié)，見下圖：

PID擴展回路表

a. AT控制（ACNTL）： 啟動/中止自整定

b.AT狀態(tài)（ASTAT）：自整定的輸出狀態(tài)字節(jié)，PID控制面板自整定時的相關狀態(tài)也是根據(jù)由該字節(jié)判斷。

圖 5.2.3. PID自整定AT狀態(tài)字節(jié)

c.AT結(jié)果（ARES）：PID自整定結(jié)果，需要注意，啟動PID自整定之前需要確保該字節(jié)0位為0，尤其是自己編程啟動自整定，可能需要手動設置為0。