PCS7V7.1SP1中APL庫控制功能塊PIDConL使用入門

1、SIEMENSPCS 7 V7.1 SP1 中APL庫控制功能塊 PIDConL 使用入門PCS 7 V7.1 SP1 APL Library control block PIDConL Getting StartedGett in g-startedEdition （2011 年 4 月）SIEMENS摘要本文介紹了 PCS7 V7.1下的PID功能塊PIDConL的基本使用，包括工作模式選擇、 設(shè)定值處理、報警消息等。在此基礎(chǔ)上，擴展介紹了基于PIDConL的分程控制、串級控制的實現(xiàn)過程。關(guān)鍵詞PIDConL，F(xiàn)B1874，PID，分程控制，串級控制Key Words PIDC onL,

2、FB1874, PID, Split-ra nge con trol. Cascade Con trolIA&DT Service & SupportPage 2-21SIEMENSPCS 7 V7.1 SP1中APIS控制功能塊PIDCon使用入門11 PIDCo n塊基本特性介紹42 PIDCo n塊的基本使用52. 1 PIDConL塊調(diào)用及基本管腳介紹 52. 2操作面板的基本使用 72 . 2. 1標(biāo)準(zhǔn)面板 72 . 2. 2參數(shù)面板 82 . 3如何切換操作模式 102 . 4如何使用外部設(shè)定值 112 . 5如何使用PIDConL的程序模式 122 . 6如何使用

3、PIDConL的仿真功能 153 PIDConL勺應(yīng)用173 . 1分程控制 173 . 2串級控制 19IA&DT Service & SupportPage 3-21SIEMENS1 PIDConL塊基本特性介紹在PCS7 V7.1 版本中，PCS 7 AP Library V7.1(APL)提供了三種 PID控制功能塊：PIDConL、PIDConR 和 PIDStepL。其中 PIDConL 和 PIDConR 都是連續(xù) PID 控制器，即輸 出是連續(xù)的控制值，相對應(yīng)地，PIDStepL輸出的是脈沖信號，可以控制類似于電動閥之類的執(zhí)行機構(gòu)。通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置和擴展組合，

4、使用PIDConL功能塊可以方便地實現(xiàn)如下控制：9 固定設(shè)定值控制；9 層級控制；9 比值控制；9 分程控制；9 閉環(huán)斯密斯預(yù)估控制；9 超馳控制；PIDConL繼承了 V7.0下的PID功能塊CTRL_PID的諸多特點，例如設(shè)定值的選擇流程、手自動的切換方式等，但相比較而言，新 PID功能塊增加了如下功能：9 在手自動之外增加了程序控制模式；9 增加了設(shè)定的斜坡函數(shù)功能；9 增加了偏差值的相關(guān)消息；9 在比例和積分計算中增加了函數(shù)處理；9 添加了控制帶的功能；這些新功能使得PIDConL在優(yōu)化控制算法的同時，能夠滿足更多的控制需求。IA&DT Service & Suppor

5、tPage 4-21SIEMENS2 PIDConL塊的基本使用2. 1 PIDConL塊調(diào)用及基本管腳介紹PIDConL的功能塊編號是 FB1874，在CFC編程窗口左側(cè)的 Libraries目錄結(jié)構(gòu)中“PCS 7 AP Library V71 ” Blocks+TemplatesBlocks ” Contro” 可以找到該功能塊，如下圖所示：New ChartL-urrent CFC libraryNew Text cfc Library First_Lib| PCS 7 AP Library V71Eilocks+TemplatesBlocksij卷 All blocksI申I 電 &#

6、169;SYSTEM|± Charmisl由COM_FUNC白魁 Control口 Con PerMo n FBI 805: Con trol performan 匚已 mon itori ngP FmCont FB1818; Function block For FM355C/S PID Control口 FmTemp FB1019; Function block for FM355-2C/S Temperature Control 口 GlnSchgd FB1S20: Adapting paramgter values for a PID eentrollBr 3 ModPreC

7、on FBI843: Model predictive controllerPIDConL FBI874: Continuous PID controller - largplPIDGonR FB1875: Continuous PID controller with external reset 口 PIDStepL FBI670! Step controller largeP Ratio FBI883: Ratio ControlpF SplRange FC372: Split range Function圖1從庫中選擇插入功能塊PIDConL功能塊的基本管腳如下圖所示，關(guān)于功能塊或者全部

8、管腳的相關(guān)信息可以查看在線幫助：IA&DT Service & SupportPage 5-21SIEMENSIA&DT Service & SupportPage 6-21SIEMENS100. 正反作用W：IX. 0 一100一 0跟蹤功能死區(qū)和控制帶竽/自動的切 換功能程序價式鍛置0.( 100.00.(00. L 0. 0 100,0100,0-01一程値和控制 輪出的單位PIDCorlriDConLContinue0B35I2/4MVGainMTJJiActTIMV LcAc-tTDMS EeleaBeadBand0 os ActCohZoneManA

9、ctSP J,i0pAutActSP ExtLiSP EztAcSP IntLiAdvCoR(VSP ExtSPSP EzHiLSP Ext&uSF ExLoLPOutPVERFFwdFV.UniWFFwdHiLiMV lfriiWFFwdLnLiErr ot NumKVJTrkOnKVJTrkKodLiQpAutModLiXanModLiAdvCoEnAdvColladAdX：aJis+OosLiCPI InRefStdDeK7 HiLimKV LoLimKVFoiOnMV ForceRbkFVjOpScaK7 0pScaPVJJnitKV UnitCSF控制輸出手/自動狀態(tài)當(dāng)前諛定

10、值當(dāng)前辻程值圖2 PIDConL塊管腳在使用中，連接過程值的驅(qū)動塊PCS7Anln的PV_Out塊到PIDConL的PV端，功能塊的輸出MV可以輸出到驅(qū)動塊 PCS7AnOu的PV_IN，即可實現(xiàn)基本的單回路PID控制。具體連接如下圖所示:IA&DT Service & SupportPage 7-21SIEMENSIA&DT Service & SupportPage 8-21SIEMENSnj»3r-=3 Ml Fl 也朋!iorjs| M.'llrrj>l*dLOD.P-SthldMLAbLim-7K T»lhiryjta

11、tuhD-血血Q 0-O-nkrLa.&-acLtrV-XIL弘皿電mej«16W-3vlaXdiFiraLt®- LW-LEJC-也4、 衛(wèi)dKACRF5lTn口屮5 SLatLF* rL“ nUht山fl*霜i(n oa.D-rsgcM«. VOwilLn七I軸護TD卄品屮QwrtuCMxM'ihm川：srjiiLi.IF Ea il£STJnO*W 11 1sr3FJ.H1LSrjEaUI.njhx呻hFFrJrv ir.«FFMLi.¥ EnitliFFrdLoliErs-irttvOridliuNV TrkE

12、tihJlx kJIc-ILlJUvCsCaJudrCdii用:讀就OxLlCHJfiV 屯VJwOr.Ibhvrv ihitIME-a.o-a.D-1M.D-r.LTurJk faTikl E X EIA&DT Service & SupportPage #-21SIEMENSIA&DT Service & SupportPage #-21SIEMENS圖3基本PID回路OS項目進行完成CFC中的程序編寫之后，進行 CFC編譯并下載程序。此外還需要對編譯，以便在相應(yīng)層級的過程畫面中自動創(chuàng)建一個PIDConL的圖標(biāo)。= 12.-=132=K50.00. eo.o

13、oQUQQ %圖4 PIDConL畫面對象2. 2操作面板的基本使用 2. 2. 1標(biāo)準(zhǔn)面板在運行系統(tǒng)中點擊過程畫面中PIDConL的ICON圖標(biāo)即可打開功能塊的標(biāo)準(zhǔn)視圖:圖5 PIDConL 標(biāo)準(zhǔn)面板PIDConL的標(biāo)準(zhǔn)面板包括操作模式和設(shè)定值的選擇、過程值的顯示、設(shè)定值的設(shè)置、控 制輸出等等。在標(biāo)準(zhǔn)面板的左側(cè)以柱狀圖的形式分別顯示了當(dāng)前過程值和設(shè)定值，需要注意 的是在柱狀圖的左側(cè)有一個字母E,這表示的是目前有效的外部設(shè)定值的大小，如圖中所示，外部設(shè)定值是 0。另外在開啟斜坡功能的情況下，會有一個字母R來表示斜坡目標(biāo)設(shè)定值的大小。2. 2. 2參數(shù)面板標(biāo)準(zhǔn)面板中包含了回路最基本的信息，具體的

14、控制參數(shù)設(shè)置都集中在參數(shù)面板中:IA&DT Service & SupportPage 10-21SIEMENSsp PV in m為M削 mou已SP - SP eternalrParameterServiceSimulationRebase ror mamt圖6參數(shù)面板參數(shù)面板主要包括激活 PID優(yōu)化、設(shè)置手動模式下 SP的跟蹤、控制參數(shù)的設(shè)置和仿真、維修釋放設(shè)置等。需要注意的是，默認情況下“ SP:=SP external ”是激活的，即在使用 外部設(shè)定值時，內(nèi)部設(shè)定值會跟蹤外部設(shè)定值。正常使用過程中，可以根據(jù)需要激活“ SP:=PV in manual mode ”選項

15、，讓手動狀態(tài)下始終保持設(shè)定值和過程值相等。此外，在標(biāo)準(zhǔn)視圖的右上角有視圖切換的按鈕，依次包括了消息窗口、限制值、趨勢圖、斜坡處理、參數(shù)設(shè)置和BATCH，點擊相應(yīng)的按鈕即可進入具體的窗口，查看和設(shè)置功能塊的相關(guān)信息。9 消息窗口中記錄了 PIDConL的所有歸檔消息，可以對新的報警消息進行確認的 操作；9 限制值窗口可以對過程值 PV、偏差ER、回讀值、設(shè)定值和控制輸出值的高低 限范圍；9 趨勢窗口中描出了過程值、設(shè)定值和控制輸出的變化情況，在調(diào)試過程中可以提 供參考；9 斜坡處理窗口中可以設(shè)置設(shè)定值通道上的數(shù)據(jù)變化“柔化”處理的相關(guān)參數(shù)；9 預(yù)覽窗口是當(dāng)前模塊基本參數(shù)的一個概要顯示，包括內(nèi)/外

16、部設(shè)定值、偏差、外部干擾、工作模式等。2. 3如何切換操作模式和傳統(tǒng)的PID功能塊一樣，PIDConL的手/自動切換可以在面板上完成，也可以在CFC中通過程序來完成，默認情況下允許用戶在面板上切換：圖7操作面板上的手/自動切換點擊標(biāo)準(zhǔn)面板下的“ Mode ”項的右側(cè)按鈕可以彈出模式切換命令條，在其中選擇需要 的模式，并以“ 0K ”鍵確認即可。如果需要通過用戶程序來實現(xiàn)手 /自動的切換，則會使用到如下表所示的功能塊管腳：表1手/自動切換相關(guān)的管腳管腳功能信號類型ModLiOp模式選擇的方式STRUCTAutModLi通過程序來選擇自動模式STRUCTMa nM odLi通過程序來選擇手動模式S

17、TRUCT通過參數(shù)ModLiOp來決定是由程序（CFC或者SFC ）還是由面板（操作面板）來實現(xiàn)切換。例如需要通過程序?qū)⒒芈非袚Q到手動模式，則需要配置參數(shù):ModLiOp=1AutModLi=0Ma nM odLi=12. 4如何使用外部設(shè)定值PID計算從功能塊的管腳可以看出，內(nèi)部設(shè)定值和外部設(shè)定值是兩個獨立的參數(shù)，具體 過程中選擇哪個參數(shù)的數(shù)據(jù)可以在程序中在配置，也可以在操作面板上來選擇。圖8內(nèi)部/外部設(shè)定值的選擇如上圖所示，點擊標(biāo)準(zhǔn)面板下的"Setpoint ”右側(cè)的按鈕，在彈出的設(shè)定值命令條上選擇內(nèi)部或者外部，并以“ 0K ”按鈕確認即可。用戶程序中需要切換內(nèi)部/外部設(shè)定值，會

18、使用到下表中的功能塊管腳：表2內(nèi)部/外部設(shè)定值選擇相關(guān)的管腳管腳功能信號類型SP_LiOp設(shè)定值源選擇的方式STRUCTSP_ExtLi通過程序來選擇外部設(shè)定值STRUCTSP_I ntLi通過程序來選擇內(nèi)部設(shè)定值STRUCTSP_I nt內(nèi)部設(shè)定值STRUCTSP_Ext外部設(shè)定值STRUCT通過參數(shù)SP_LiOp來決定是由程序（CFC或者SFC ）還是由面板（操作面板）來實現(xiàn)切換，例如需要由程序來選擇外部設(shè)定值，則相關(guān)參數(shù)配置如下:SP_LiOp=1SP_ExtLi=1SP_I ntLi=O如果SP_ExtLi和SP_IntLi都被設(shè)置為1,那么內(nèi)部設(shè)定值會有更高的優(yōu)先級，即回路 會使用內(nèi)

19、部設(shè)定值，此時回路不會產(chǎn)生錯誤消息。設(shè)定值的多通道輸入，是為了方便功能塊的擴展，但也帶來了內(nèi)/外部設(shè)定值切換過程中由于設(shè)定值變化而可能導(dǎo)致回路波動的風(fēng)險。所以，功能塊提供了參數(shù)“SP_TrkExt ”以確保在使用外部設(shè)定值的情況下，內(nèi)部設(shè)定值保持和外部設(shè)定值的跟蹤，這樣在重新使用內(nèi)部 設(shè)定值的時候可以做到無擾切換。這個參數(shù)可以在操作面板上的參數(shù)畫面中選擇“SP:=SPexternal ”來使能。（圖6所示）在自動狀態(tài)中，手動控制值Man會跟蹤控制輸出 MV，以此可以確保自動到手動的無擾切換。2. 5如何使用PIDConL的程序模式程序模式指的是在使用外部軟件來實現(xiàn)先進控制（ APC ）的過程中

20、，PIDConL提供相應(yīng) 的參數(shù)來實現(xiàn)設(shè)定值或者控制輸出的遠程設(shè)定，外部先進控制軟件通常通過OPC方式進行通訊。默認情況下，程序模式是關(guān)閉的，需要設(shè)置管腳AdvConEn為1才能激活該功能。注：如果當(dāng)前選擇的是外部設(shè)定值，則無法切換到程序模式。圖9程序模式的選擇如上圖所示，點擊標(biāo)準(zhǔn)面板下的“Mode ”右側(cè)按鈕，在彈出 Mode命令條中選擇“ Program ”，并點擊“ OK”按鈕即可切換到程序模式。在程序模式中，其又分為設(shè)定值程序控制模式和輸出值程序控制模式。在設(shè)定值程序控制模式下，設(shè)定值窗口變?yōu)椴豢刹僮鞯臓顟B(tài)，此時的設(shè)定值直接由參數(shù)AdvCoMV來設(shè)定:IA&DT Service

21、 & SupportPage 16-21SIEMENS圖io設(shè)置設(shè)定值的程序模式如上圖所示，當(dāng)前操作模式是“Program SP ”，通過OPC傳遞過來的設(shè)定值是 20.5 ,此時回路根據(jù)這個設(shè)定值進行自動控制。在輸出值程序控制模式下，控制器的PID運算停止，直接采用 AdvCoMV作為控制器的輸出。圖11設(shè)置控制輸出的程序模式上圖中，通過 OPC過來的控制輸出為 60.0，此時的PIDConL不進行PID運算，而直接 采用相應(yīng)的輸出值。具體采用設(shè)定值程序控制模式還是輸出值程序控制模式是在CFC中通過參數(shù)AdvCoModSP 來選擇的。程序模式需要使用到 CFC中功能塊的如下管腳：表3

22、程序模式相關(guān)的管腳管腳功能信號類型AdvCoE n程序模式使能STRUCTAdvC oOn通過面板來激活程序模式BOOLAdvCoModSP程序模式的類型：設(shè)定值或直接控制輸出BOOLAdvCoMst On是否使用邊沿信號來激活或取消激活STRUCTAdvCoMV外部程序的設(shè)置值REAL例如，需要使用一個外部應(yīng)用程序通過OPC來設(shè)置PIDConL的設(shè)定值，參數(shù)可以這樣設(shè)置：AdvConEn=1AdvCoModSP=1之后，在回路處于自動狀態(tài)下，就可以切換到程序模式了。退出程序模式后的 PIDConL的工作狀態(tài)和程序模式的類型相關(guān)：如果采用遠程設(shè)置設(shè) 定值，那么退出之后工作在自動模式下；如果采用

23、的是直接輸出，則退出后工作在手動模式 下。2. 6如何使用PIDConL的仿真功能仿真功能(“ Simulation ”)是為了方便調(diào)試而設(shè)置的，激活該功能，可以在操作面板 上設(shè)置過程值和回讀值(Rbk)，開啟仿真功能之后，連接的實際PV和Rbk被屏蔽。在參數(shù)面板上點擊“ Simulation ”右側(cè)按鈕，然后在彈出的命令行中選擇“On ”，并通過“OK ”按鈕確認即可。Simulation1i1Esedition|Cancel丿 crc(i)/iiiao32dEnabled op&ratxoDiJs SettingsPID op t ini z at ion廠SJ* ；= PV in

24、 nanual node 匸SP ：= SP esteiftalFParaMeterServiceSimulationRelease fox naint.OffNo圖12開啟仿真功能進入仿真模式之后，回路的過程值PV和回讀值可以由操作員手動設(shè)置。圖13仿真狀態(tài)下設(shè)置過程值注：打開仿真功能需要當(dāng)前登錄用戶具有1100號授權(quán)(Highest process controlling)3 PIDConL的應(yīng)用3. 1分程控制普通的控制回路中一個 PID的輸出控制一個執(zhí)行機構(gòu)一一例如一個閥門來完成控制任務(wù)。某些工藝情況下，單個回路中存在兩個閥門，它們之間在動作上存在一定的先后順序， 此時則需要分程控制方

25、案。例如，使用兩個出口閥來調(diào)節(jié)一個反應(yīng)罐中物料的液位，當(dāng)物料液位過高時，增加A閥開度，如果A閥全開之后液位還是過高，則開啟并不斷增加B閥的開度；反之，如果物料液位過低，則先關(guān)小 B閥，在B閥全光之后再關(guān)小 A閥。兩個閥的動作關(guān)系如下圖所示：L 圖14閥門動作關(guān)系伸上圖中，兩個閥門的動作是相連續(xù)、服務(wù)于同一個調(diào)節(jié)回路的，為了實現(xiàn)分程控制，除了需要調(diào)用PIDConL塊來進行PID運算之外，系統(tǒng)還提供了分程功能塊SpIRange (FC372)，在APL功能庫下的“ Control ”中可以找到，該功能塊負責(zé)將控制輸出“分解”成 兩個閥的控制信號，在實際的使用過程中，兩個閥門的動作特性各不相同，需要

26、根據(jù)實際情 況配置相應(yīng)的參數(shù)。根據(jù)上例中兩個閥門的動作關(guān)系，分別設(shè)置分程塊SplRange的如下參數(shù):Out1Scale.High=0.0Out1Scale.Low=100.0Out2Scale.High=100.0Out2Scale.Low=0.0連接SplRange的輸入管腳In到PIDConL的控制輸出 MV，兩個輸出管腳 Out1和Out2分別將其通過CH_AO驅(qū)動塊輸出到對應(yīng)輸出通道。調(diào)節(jié)冋)的血塢舟;1上E-Q昭1tea】丹q3/£T-n100. KJ-Ia.9c *1*DlfiLZ1DD-0Stilt50,0QwtLJtrtTV ChJi=TELD曲andgCQJbCt

27、t»dDnJ7 QutWiD.DDllElBc&lEt工:工敘比一0-0EiiFV IsScalefhiTD-0SUtLVtlOdaArt.o附 斑】LBIBKfJ!5IffDHoBtNtPOS輔入It號分祥中ERIriQr-iLb冶h dT縣縣誼：各笛調(diào)節(jié)網(wǎng)2的通適垛OHIScal弟一段分程首出超怕FVB&d血 tLOScaleJ7£illTPV JiiUnaJV ChnST0=j'CQutimS1»FV 血SciLcGux0.0EcatcValaodAiZTfl-H5 KtltbUs&Mflod?!&»圖15分

28、程輸出CFC塊圖由于在分程控制中涉及到了兩個AO通道，所以和簡單單回路不同，需要將兩個驅(qū)動塊的QBad、Out of Service 等狀態(tài)進行"邏輯或”運算之后送到PIDConL塊中。在PCS 7中還提供了分程控制的過程標(biāo)簽類型(Process tag type )，打開“ PCS 7 APLibrary V71 ”的“ Templates "，其中可以找到“ SplitrangeControl ”，直接拷貝這個過程 標(biāo)簽類型到層級或者項目的主數(shù)據(jù)中，之后可以通過過程對象視圖(Process ObjectView )、IEA文件導(dǎo)入或者直接修改參數(shù)的方式來批量添加分程控制

29、程序。PCS 7軟件提供的過程標(biāo)簽類型除了完成分程控制之外，還增加了諸如帶輸出遲滯的回路仿真、控制器性能 監(jiān)視等功能。3. 2串級控制串級控制是應(yīng)用最為廣泛的一種復(fù)雜控制系統(tǒng)，主要運用于控制精度要求較高、對象具 有大遲滯特性的回路，通過將一個控制對象分解成兩個“串聯(lián)”的控制回路，從而達到降低 回路的遲滯時間、限制過程值波動范圍的目的。一個典型的串級控制包括主調(diào)節(jié)回路和副調(diào)節(jié)回路，主調(diào)節(jié)回路的控制輸出作為副調(diào)節(jié) 回路的設(shè)定值，畐碉節(jié)回路的對象直接影響主回路的控制對象。兩個調(diào)節(jié)回路有獨立的測量 值，而且副回路的響應(yīng)速度要快于主回路，以便干擾能夠地被抑制下來。如下圖所示的控制 系統(tǒng)方框圖描述了串級系

30、統(tǒng)的特性：在CFC中使用PIDConL來搭建串級控制程序，除了上述描述的兩個控制器之間的關(guān)聯(lián) 之外，還需要考慮以下幾個方面：-串級模式和其他控制模式的無擾切換。作為串級模式的一大主要特點，要求其中的控 制回路都處于自動模式，而且主回路的輸出要用作副回路的實際設(shè)定值。在其他控制模式(例如手動等)下，主回路的輸出要跟蹤副回路的過程值，以防止副回路出現(xiàn)設(shè)定值跳變。為此，可以使用 PIDConL的“ MV_TrkOn ”和“ MV_Trk ”兩個參數(shù)分別來開啟輸出跟蹤功 能和設(shè)置跟蹤值；-在調(diào)試串級回路時，需要先調(diào)節(jié)副回路，之后才是主回路，這就需要副回路能夠在串級和常規(guī)單回路中進行切換。針對這個功能，

31、可以使用PIDConL的外部設(shè)定值來連接主回路的功能塊，此外，PIDConL的輸出管腳上的“ CascaCut ”就是根據(jù)外部設(shè)定值投入使用 與否來判斷串級是否啟用；-副回路的設(shè)定值取決于主回路的輸出，這就需要主回路能夠準(zhǔn)確地將偏差的變化趨勢 傳遞到副回路中，但積分功能的存在可能會延遲這個傳遞過程，從而導(dǎo)致副回路振蕩幅度加 大，難以回到穩(wěn)定。尤其是在副回路的輸出已經(jīng)處于最高/最低的情況下，主回路的積分功能可能會讓副回路的設(shè)定值繼續(xù)不斷地增加/減少，而在主回路的偏差發(fā)生改變時，副回路不能快速地跟上響應(yīng)。為了解決這個問題，可以使用PIDConL的正向/反向積分抑制功能，在副回路的控制塊的輸出達到上

32、限之后，可以設(shè)置“IntHoldPos ”來抑制正向積分，反之亦然。和分程控制一樣，PCS 7庫中同樣提供了一個串級控制的過程標(biāo)簽類型，在“PCS 7AP Library V71 ”庫的“ Templates ”中，名為“ CascadeControl "，可以直接使用這個過程標(biāo)簽類型來完成串級控制。如果使用兩個PID功能塊來編程，可以參考這個標(biāo)簽類型，完IA&DT Service & SupportPage 23-21SIEMENSIA&DT Service & SupportPage #-21SIEMENSEx ternal PIDConL ContinnaoIncBoldPMVIntH d丄曲JT/_TEk:0nJTV TElf成如下管腳連接:外環(huán)輸岀作為內(nèi)環(huán)的外部i殳定值內(nèi)環(huán)串圾模式切除之后激活外壞的輸出跟蹤功能Incjernal PIDConL ronclnuo SP ExtDB32SP夕卜壞的輸出