基于PLC和WinCC的PID压力控制

王生龙，王建梅，马立新

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)

PID控制器是自动控制领域应用最广泛、最容易实现的闭环控制器。参数整定时不需要精确的系统模型，通过试凑法得到理想的控制参数，达到预期控制效果[1]。西门子S7-300 PLC的编程软件STEP7中提供了基于软件的PID连续控制模块FB41，可直接调用该模块，对设定值、反馈值和控制器输出值进行处理。通过WinCC监控界面可实时采集设定值、反馈值和输出值参数，并以曲线趋势的方式显示出来。同时，界面可进行相应参数设定，避免在PID控制程序中频繁改变参数并下载到PLC中的复杂步骤。

1 系统组成

1.1 控制对象及控制要求

在油膜轴承试验研究中，载荷是重要影响参数。油膜轴承试验台通过液压缸向试验轴承施加载荷，液压缸伸缩杆与轴承座上部接触。液压系统以液压泵为压力油源，通过比例溢流阀调节载荷大小[2]。保持载荷的稳定与精度是确保试验结果可靠的重要方面。

载荷大小由上位机监控界面输入给定，PLC模拟量输出模块(4-20 mA)输出控制电流，比例放大器将控制电流放大(100-800 mA)以驱动比例溢流阀电磁铁来调节阀的开度，进而调节载荷大小。实际载荷通过压力变送器(4-20 mA)采集。

系统控制要求：系统压力PI调节的响应速度应能够满足试验的基本要求，允许载荷在一定范围内存在误差，控制系统不允许存在过大超调，保证其安全稳定性。

1.2 控制系统组成

控制系统组成如图1所示。

图1 控制系统组成Fig.1 Control system

控制系统由PID控制器、比例放大器、比例溢流阀、压力变送器、A/D和D/A转换器构成闭环控制系统。PID控制器、A/D和D/A转换器由西门子S7-300 CPU315-2DP实现[3-4]。

2 PLC程序设计

2.1 数据块DB

2.1.1 背景数据

使用FB41进行PID控制，首先要建立FB41的背景数据块DB41[5]，如图2所示。

DB41中包含PID控制模块FB41所有引脚的地址和默认值。比例阀的PID控制使用的引脚包括：

MAN-ON：手动值开关，用于手动控制与自动控制的切换，默认值TRUE，地址DB41.DBX0.0；

P-SEL：比例作用开关，在调试的整个过程均需使用，默认值TRUE，地址DB41.DBX0.3；

I-SEL：积分作用开关，在调试比例因子时需关闭积分作用，将其置位为FALSE，默认值TRUE，DB41.DBX0.4；

CYCLE：采样时间，设定100ms，与OB35中断时间相同；

SP-INT：设定值，通过WinCC界面设定，DB41.DBD6；

PV-IN：实际值，通过WinCC界面显示，地址DB41.DBD10；

MAN：手动值，通过WinCC界面设定地址DB41.DBD16；

GAIN：比例因子，通过WinCC界面设定，地址DB41.DBD20；

TI：积分时间，通过WinCC界面设定，地址DB41.DBD24；

DEADB-W：死区宽度，可降低阀芯的动作频率，但需牺牲一定的精度；可通过WinCC界面设定，地址DB41.DBD36；

LMN-HLM：设定值上限，默认值100；

LMN-LLM：设定值下限，默认值0；

2.1.2 共享DB

建立共享数据块DB1，便于进行参数整定时在WinCC界面输入设定转速和载荷。DB1.DBD12存放设定的转速值，DB1.DBD20存放设定的压力值。

图3 共享数据块DB1 Fig.3 Shared data block DB1

2.2 参数的规格化处理

在进行模拟量的PID控制时，常将设定值、反馈值和控制器输出值进行规格化处理，即将给定和反馈值转换为0～100%范围内的实数，将控制器输出值(0～100%)转换为0～27648范围内的整数值。

设定值0-20 MPa对应0～100%；控制器输出0～100%对应0～27648，0～27648对应模拟量输出4-20 mA，4-20 mA对应比例溢流阀压力范围0-20 MPa；压力变送器4-20 mA经A/D转换和FC105处理后得到实际压力值，对应其量程0-25 MPa，0-20 MPa对应0～100%.规格化方法如式(1)-(3)所示，SP-INT、PV-IN、LMN为PID控制模块FB41的给定值、反馈值和输出值对应引脚。

(1)

(2)

(3)

规格化PLC程序如图4、图5、图6所示。

图4 给定值规格化程序Fig.4 Set-point standardization procedure

图6 输出值规格化程序Fig.6 Output standardization procedure

2.3 PID控制程序

图7 FB41程序Fig.7 Procedure of FB41

图7为FB41程序，PID控制程序FB41在组织块OB35中调用，OB35为定时中断模块，中断时间可在硬件组态——CPU315-2DP——循环中断中设定，如图8所示。此处设定中断间隔为100 ms，CPU可以定时中断去执行此模块中的程序，即每隔一段时间就停止当前的程序，转去执行定时中断组织块中的程序，执行结束后再返回。

图8 OB35中断时间设定Fig.8 Break period setting of OB35

3 WinCC界面设计

WinCC监控界面的作用为在线监测实际载荷并设定PID控制器参数进行参数整定[6]。界面的制作主要包括创建归档变量和设计过程界面。

3.1 创建归档变量

参数整定所需的归档变量及地址分配如表1所示。设定归档变量的采样和归档周期为500 ms，便于在监控界面快速反应参数变化状态。界面输入的积分时间单位为ms.

表1 WinCC的归档变量Tab.1 File variables of WinCC

3.2 过程画面

在创建归档变量的基础上，在画面设计窗口添加转速设定、压力设定、死区宽度、实际压力、比例因子、积分时间输入输出控件和手动值开关、积分功能开关按钮。此外，为了反映设定值、反馈值和控制器输出值的变化趋势，添加WinCC Online Trend Control控件，对该控件组态，添加设定值、反馈值和控制器输出值变量。过程画面见图9.

4 参数整定

4.1 整定步骤

(1)检查系统各设备是否可正常运行；

(2)检查PLC程序编写是否正确，包括给定值、反馈值和控制器输出值的规格化，FB41模块各端子与地址的对应情况；

(3)在设定值为0的情况下，采用手动控制方式，观察反馈的压力是否随着给定值的增加而在正常范围内增大；

(4)完成步骤(3)确定无问题后，将载荷减小至0，控制方式切换为自动，关闭积分作用，设定较小的比例因子，使设定值在适当的范围内发生阶跃变化，观察输出与反馈值曲线是否发生振荡；若无振荡，则适当增大比例因子，使设定值发生阶跃变化，观察曲线变化情况，直至曲线处于临界振荡，记下此时比例因子的大小，取略小于该比例因子的值；

(5)将载荷减小至0，开启积分作用，选择一个比较大的积分时间，使设定值在适当的范围内发生阶跃变化，观察输出与反馈值曲线是否发生振荡；若无振荡，则适当减小积分时间，使设定值发生阶跃变化，观察曲线变化情况，直至曲线处于临界振荡，记下此时积分时间的大小。然后在所取值的小范围内综合调节比例因子和积分时间，直至达到满意的控制效果。

4.2 整定结果

比例因子和积分时间的调试，主要是调节二者合适的搭配，使输出值能快速响应，使反馈值与设定值相等。在一定范围内，比例因子越大，积分时间越小，输出值上升的速率越大。但比例因子过大，积分时间过小会产生较大的超调量，使压力在较大范围内频繁波动，一方面会减小比例阀的寿命，另一方面则可能发生液压系统泄漏发生安全事故。

试验台比例溢流阀的非线性范围约为0～3 MPa，在此范围内，设定值发生微小阶跃(如0.1 MPa)时，系统就出现较大的超调量，如图9所示。

图9 大超调量曲线Fig.9 Large overshoot curve

因此在实际调试时，使比例阀工作在线性范围内，首先设定比例因子为1(为1时，偏差值在比例作用下即为其本身)，将积分时间设置为20 s，通过观察曲线情况可知，在此积分时间下，阀的响应时间为20 s.

使比例因子在1左右小范围调整，同时调节积分时间，使输出值和反馈值的曲线上升时间适当缩短。经过多次调试搭配，确定比例因子为0.80，积分时间为1 500 ms(1.5 s)，死区宽度0.5(即允许存在0.1 MPa的误差)，曲线如图10所示。

图10 参数整定结果曲线Fig.10 Parameter tuning result curve

在比例因子为0.80，积分时间为1 500 ms(1.5 s)的情况下，将压力加到10 MPa时，系统稳定。

5 结论

通过S7-300PLC和WinCC进行PID压力控制，得到参数整定结果为比例因子0.8、积分时间1 500 ms，通过调节死区宽度，将误差控制在0.1 MPa以内。该方法程序设计简单，界面显示直观，便于参数设定和数据采集，控制效果良好，满足试验要求，提高了油膜轴承试验台控制系统的精度和试验数据的合理性与可靠性。

参考文献：

[1] 王伟，张晶涛，柴天佑.PID参数先进整定方法综述[J].自动化学报，2000，26(3)：347-355.

[2] 孟继梅，韩晓明.基于闭环控制的压力控制系统研究[J].液压与气动，2009(9)：31-33.

[3] 张传斌，俞佳芝，张晓伟.PLC在液压比例控制系统中的应用[J].林业机械与木工设备，2005，33(5)：40-41.

[4] 张文庆.用PLC的软件实现PID闭环控制[J].自动化技术与应用，2003，22(2)：7-8.

[5] 罗庚兴，宁玉珊.基于WinCC和STEP7的PID控制[J].机电工程技术，2009，38(1)：39-42.

[6] 马立新，王建梅，薛亚文，等.大型油膜轴承试验台监控系统研制[J].轴承，2013(10)：30-33.