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S7-1200 西門子 6ES7321-1FH00-0AA0 數字量輸入/輸出模塊
FB41“CONT_C”用于在SIMATIC S7可編程控制器上，控制帶有連續輸入和輸出變量的工藝過程。在參數分配期間，用戶可以激活或取消激活PID控制器的部分功能，如積分凍結等，以使控制器適合實際的工藝過程。
FB41“CONT_C”可以將控制器用作PID固定設定值控制器，或者在多回路控制中用作級聯、混合或比率控制器。控制器的功能基于采樣控制器的PID控制算法，采樣控制器帶有一個模擬信號；如果需要的話，還可以擴展控制器的功能，增加一個脈沖生成器環節，以產生脈寬調制的輸出信號，用于帶有比例執行器的兩步或三步控制器。
FB41“CONT_C”必須在OB定時中斷內調用，并將CYCLE（采樣時間）管腳的調用時間與 OB定時中斷保持一致，即相等 。
圖1.FB41"CONT_C" 的方框圖
圖2. FB41"CONT_C" 程序塊
注：以TIA Portal V13 SP1為例，該功能塊在STEP 7中的管腳與其相同
表1. FB41"CONT_C" 的輸入參數
| 參數 | 變量類型 | 數據類型 | 取值范圍 | 默認 | 描述 | 應用 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| COM_RST | IN | BOOL | FALSE | 完全重啟動 |
置位后需手動去復位
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| MAN_ON | IN | BOOL | TRUE | 手/自動切換按鈕 |
MAN_ON: |
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| PVPER_ON | IN | BOOL | FALSE | 設定值選擇外設 |
PVPER_ON: |
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| PV_IN | IN | REAL | -100~100(%)或者 物理值 | 0.0 | 過程變量輸入 |
必須與SP_INT單位一致
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| PV_PER | IN | WORD | 16#0000 | 外設過程變量輸入 |
PIW xxx
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| SP_INT | IN | REAL | -100~100(%)或者 物理值 | 0.0 | 內部設定值 | |
| P_SEL | IN | BOOL | TRUE | 比例作用激活 |
P_SEL: |
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| I_SEL | IN | BOOL | TRUE | 積分作用激活 |
I_SEL:
0:關閉積分作用 1:激活積分作用 |
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| INT_HOLD | IN | BOOL | FALSE | 積分凍結 |
凍結當前積分作用 |
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| I_ITL_ON | IN | BOOL | FALSE | 積分設定值 |
I_ITL_ON: |
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| I_ITLVAL | IN | REAL | -100~100(%) | 0.0 | 積分初始值 | |
| D_SEL | IN | BOOL | FALSE | 微分作用打開 |
I_SEL:
0:關閉微分作用 1:激活微分作用 |
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| CYCLE | IN | TIME | >=1 ms | T#1s | 采樣時間 |
建議：與定時中斷時間設置相同
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| MAN | IN | REAL | -100~100(%) | 0.0 | 手動值 | |
| GAIN | IN | REAL | 2.0 | 比例因子 | ||
| TI | IN | TIME | >=CYCLE | T#20s | 積分時間 | |
| TD | IN | TIME | >=CYCLE | T#10s | 微分時間 | |
| TM_LAG | IN | TIME | 〉=CYCLE/2 |
T#2s |
微分作用的時間延遲 |
TM_LAG越大，微分作用越小
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| DEAD_W | IN | REAL | >=0.0 | 0.0 | 死區寬度 |
SP_INT-DEAD_W<PV_IN<SP_INT+DEAD_W |
| LMN_HLM | IN | REAL | 100.0 | 調節值上限 |
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| LMN_LLM | IN | REAL | 0.0 | 調節值上限 |
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| PV_FAC | IN | REAL | 1.0 | 過程變量因子 |
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| PV_OFF | IN | REAL | 0.0 | 過程變量偏移量 |
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| LMN_FAC | IN | REAL | 1.0 | 調節值因子 |
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| LMN_OFF | IN | REAL | 0.0 | 調節值偏移量 | ||
| DISV | IN | REAL | -100~100(%) | 0.0 | 干擾變量 |
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表2. FB41"CONT_C" 的輸出參數
| 參數 | 變量類型 | 數據類型 | 取值范圍 | 默認 | 描述 | 說明 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| LMN | OUT | REAL | 0.0 | 調節值 | ||
| LMN_PER | OUT | WORD | 16#0000 | 外設調節值 |
PQW xxx
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| QLMN_HLM | OUT | BOOL | FALSE | 調節值上限報警 |
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| QLMN_LLM | OUT | BOOL | FALSE | 調節值下限報警 |
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| LMN_P | OUT | REAL | 0.0 | 比例分量 |
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| LMN_I | OUT | REAL | 0.0 | 積分分量 |
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| LMN_D | OUT | REAL | 0.0 | 微分分量 |
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| PV | OUT | REAL | 0.0 | 當前值輸出 |
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| ER | OUT | REAL | 0.0 | 偏差 |
ER=SP_INT-PV_IN
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由圖 1 可知，FB41可以分為偏差產生、PID運算、PID輸出三部分。
以下為管道壓力控制實例說明：
升壓時，閥門開度增加；降壓時，閥門開度減小。
被控對象：0-100Kpa （壓力）輸入信號：4-20mA
設 定 值 ：60Kpa
執行元件：0-100% （閥門）輸出信號：4-20mA
表3.MAN_ON的選擇
| 參數 | 狀態 | 說明 |
|---|---|---|
| MAN_ON | 0 |
自動控制：PID經過程序塊計算輸出
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| MAN_ON | 1 |
手動控制：直接由MAN控制輸出
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表4.PVPER_ON的選擇
| 參數 | 狀態 | 說明 |
|---|---|---|
| PVPER_ON | 0 |
PV_IN有效
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| PVPER_ON | 1 |
PV_PER有效
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注：無論當前值選擇哪個管腳，SP_INT必須與其量綱相同
利用量程轉換塊FC105"SCALE"將過程變量轉換為實際工程量
圖3.FC105“SCALE”量程轉換塊
注：以TIA Portal V13 SP1為例，該功能塊在STEP 7中的管腳與其相同
表5.FC105“SCALE”參數引腳
| 參數 | 變量類型 | 數據類型 | 描述 | 說明 |
|---|---|---|---|---|
| IN | IN | INT | 輸入 |
PIW xxx
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| HI_LIM | IN | REAL | 輸出值上限 | |
| LO_LIM | IN | REAL | 輸出值下限 | |
| BIPOLAR | IN | BOOL | 極性選擇 |
BIPOLAR： |
| RET_VAL |
OUT |
WORD | 錯誤信息 | |
| OUT | OUT | REAL | 輸出 |
圖4.PVPER_ON=0時，PV_IN有效
直接將過程變量輸入到PV_PER管腳，會按照以下公式進行規格化轉換。
公式:PV=(PV_PER*100/27648)*PV_FAC+PV_OFF
默認轉換為0-100（%）
圖5.PVPER_ON=1時，PV_PER有效
表6.PID參數設定
| 參數 | 描述 | 說明 |
|---|---|---|
| GAIN | 比例增益 |
1,GAIN越大，比例作用越大; |
| TI | 積分時間 |
TI越大，積分作用越小
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| TD | 微分時間 |
TD越大，微分作用越大
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表7.PID輸出管腳
| 參數 | 類型 | 說明 |
|---|---|---|
| LMN | REAL |
默認輸出0-100(%)
|
| LMN_PER | WORD |
16#0-16#6C00 |
利用量程轉換塊FC106"UNSCALE"將LMN轉換為0-27648的工程量
圖6.FC106"UNSCALE"量程轉換塊
注：以TIA Portal V13 SP1為例，該功能塊在STEP 7中的管腳與其相同
表8.FC106"UNSCALE"參數引腳
| 參數 | 變量類型 | 數據類型 | 取值范圍 | 描述 | 說明 |
|---|---|---|---|---|---|
| IN | IN | REAL | 輸入 | ||
| HI_LIM | IN | REAL | 輸入值上限 | ||
| LO_LIM | IN | REAL | 輸入值下限 | ||
| BIPOLAR | IN | BOOL | 極性選擇 |
BIPOLAR： |
|
| RET_VAL |
OUT |
WORD | 錯誤信息 | ||
| OUT | OUT | INT | 輸出 |
直接將PQWxxx連接到LMN_PER管腳控制輸出
圖7.FB41"CONT_C"LMN_PER輸出
FB43 “PULSEGEN”用于構造一個PID控制器，以生成脈沖輸出，用于比例執行器。還可以配置帶有脈寬調制的兩步或三步PID控制器，通常與FB41一起使用。
圖1. FB41"CONT_C" 與FB43 “PULSEGEN”
圖2. FB43 “PULSEGEN" 程序塊
注：以TIA Potal V13 SP1為例，該功能塊在STEP 7中的管腳與其相同
表1. FB43 “PULSEGEN" 的輸入參數
| 參數 | 變量類型 | 數據類型 | 取值范圍 | 默認 | 描述 | 應用 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| INV | IN | REAL | -100~100(%) | 0.0 | 模擬量輸入 |
上一級PID (FB41) 輸出
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| PER_TM | IN | TIME |
T#1s |
脈沖周期 |
上一級PID (FB41) 周期 |
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| P_B_TM | IN | TIME |
T#50 ms |
最小脈沖開/關時間 |
防止執行器頻繁開關 |
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| RATIOFAC | IN | REAL | 0.1~10.0 | 1.0 | 比率因子 |
改變正負脈沖寬度之比
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| STEP3_ON | IN | BOOL |
TRUE |
三步控制 |
激活三步控制，兩個脈沖輸出都在激活狀態
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| ST2BI_ON | IN | BOOL | FALSE | 兩步控制 | ||
| MAN_ON | IN | BOOL | FALSE | 手/自動切換按鈕 |
MAN_ON: |
|
| POS_P_ON | IN | BOOL | FALSE | QPOS_P手動輸出 | ||
| NEG_P_ON | IN | BOOL | FALSE | QNEG_P手動輸出 | ||
| SYS_ON | IN | BOOL | TRUE | 周期同步 |
MAN_ON: |
|
| COM_RST | IN | BOOL | FALSE | 完全重啟動 | ||
| CYCLE | IN | TIME |
T#10ms |
采樣時間 | FB43 采樣時間與調用組織塊相同 |
表2. FB43 “PULSEGEN" 的輸出參數
| 參數 | 變量類型 | 數據類型 | 取值范圍 | 默認 | 描述 | 說明 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| QPOS_P | OUT | BOOL | FALSE | 正向脈沖 | ||
| QNEG_P | OUT | BOOL | FALSE | 負向脈沖 |
表3. FB43 “PULSEGEN" 的靜態變量
| 參數 | 變量類型 | 數據類型 | 取值范圍 | 默認 | 描述 | 說明 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| siZaehlPer | STATS | INT | 0 | 總脈沖數 | 一個脈沖周期內的脈沖個數，倒數計數 | |
| siZaehlPTm | STATS | INT | 0 | 實際高電平脈沖數 | 一個脈沖周期內的實際高電平脈沖個數，倒數計數 |
在每個周期持續時間內，脈沖的持續時間和輸入變量成比例。 通過 PER_TM 分配的周期與 PULSEGEN 指令的處理周期不同。 相反，PER_TM 周期由 PULSEGEN 指令的多個處理周期組成，因此每個 PER_TM 周期中 PULSEGEN 調用的次數決定了脈沖寬度的精度。
圖3. FB43 “PULSEGEN" 脈寬調制
由上圖可見:
“采樣比率”為 1:10（CONT_C 調用與 PULSEGEN 調用之比）時，此示例中的調節值精度將限制為 10%，換言之，只能在輸出 QPOS_P 以 10% 為步長的脈沖持續時間對設置的輸入值 INV 進行模擬。
精度將隨每次 CONT_C 調用中 PULSEGEN 調用的次數的增加而提高。
例如，如果調用 PULSEGEN 的頻率是調用 CONT_C 頻率的 100 倍，則獲得的操作值范圍的精度為 1%。
可以使脈沖輸出與更新輸入變量 INV 的指令（例如 CONT_C）自動同步。 這樣可以確保盡快將輸入變量的變化輸出為脈沖。
脈沖執行器以對應周期持續時間 PER_TM 的時間間隔評估輸入值 INV，并將該值轉換成相應長度的脈沖信號。
由于通常以較慢的循環中斷等級計算 INV，因此在 INV 更新之后，脈沖執行器應盡快開始將離散值轉換為脈沖信號。
為此，塊可以使用以下步驟來與周期的起始點同步：
如果 INV 發生變化，且塊調用不在周期的第一個或最后兩個調用循環中，則執行同步。 脈沖持續時間將重新計算，并在下一個循環與新周期一起輸出。
圖4. FB43 “PULSEGEN" 自動同步
如果 SYN_ON = FALSE，自動同步將關閉。
FB58 “TCONT_CP“ STEP 7 V5.5 控制面板
FB58 “TCONT_CP“ TIA V13 SP1控制面板
打開路徑如下:
圖1. STEP 7 V5.5PID 控制面板路徑
打開軟件后，找到需要調試的項目及背景數據塊
圖2. STEP 7 V5.5 PID程序調試路徑
1. 打開項目;
2. 找到需要調試的項目;
3. 打開程序塊;
4. 選擇在線"on line";
5. 選擇FB41“CONT_C”的背景數據塊
圖3. STEP 7 V5.5 PID控制面板
1, Process Variable:過程量(反饋)處理
| 名稱 | 對應變量 | 備注 |
|---|---|---|
| internal | PVPER_ON | PVPER_ON=0 |
| I/O | PVPER_ON=1 | |
| Normalization factor | PV_FAC | 過程變量因子 |
| Normalization offset | PV_OFF | 過程變量偏移量 |
2，PID Parameters:PID參數
| 名稱 | 對應變量 | 備注 |
|---|---|---|
| Proportional | GAIN | 比例 |
| Reset Time | TI | 積分 |
| Initial Value | I_ITLVAL | 積分初始值 |
| Derivative | TD | 微分 |
| Integral Action Hold | INT_HOLD | 積分保持 |
| Delay time | TM_LAG | 微分延遲 |
注:勾選項為是否激活該功能
3，Manipulated Variable:手/自動選擇及PID輸出控制
| 名稱 | 對應變量 | 備注 |
|---|---|---|
| Automatic Operation | MAN_ON | MAN_ON=0 |
| Manual Operation | MAN_ON=1 | |
| Upper Limit | LMN_HLM | 調節值上限 |
|
Lower Limit |
LMN_LLM | 調節值下限 |
| Normalization factor | LMN_FAC | 調節值因子 |
| Normalization offset | LMC_OFF | 調節值偏移量 |
4，Dead Band: 死區
Dead Band Width:DEAD_W(死區寬度)
STEP 7 V5.5 的PID 控制面板可提供曲線監控，如下圖所示
圖4. 控制面板曲線
1，打開曲線
2，選擇曲線:可選擇設定值、反饋值、輸出等等(如下圖)
3，啟動曲線
圖5. 曲線選擇
相比較STEP 7 V5.5，TIA V13 SP1的控制面板相對簡單，主要由組態與調試兩個部分構成：
圖6. TIA V13 SP1調試路徑
雙擊組態進入調試界面
圖7. 過程變量控制
圖8. PID參數設置
圖9. PID輸出控制
圖10. PID 調試面板
打開路徑如下:
圖11. FB58 “TCONT_CP“ 控制面板路徑
圖12. FB58 “TCONT_CP“ 控制面板
1，采樣時間與死區
| 名稱 | 對應變量 | 備注 |
|---|---|---|
| Controller_sampling | CYCLE | 采樣時間 |
| Dead band width | DEAD_W | 死區 |
2，Process Value：過程量(反饋)處理
| 名稱 | 對應變量 | 備注 |
|---|---|---|
| Active I/O | PVPER_ON | PVPER_ON=0 |
| I/O mode | PVPER_ON=1 | |
| Standard | PER_MODE | PER_MODE=0 |
| Climatic | PER_MODE=1 | |
| Current/voltage | PER_MODE=2 | |
| Factor | PV_FAC | 過程變量因子 |
| Offset | PV_OFFS | 過程變量偏移量 |
注：勾選復選框表示PVPER_ON=1
3，PID Parameters：PID參數
| 名稱 | 對應變量 | 備注 |
|---|---|---|
| Proportional gain | GAIN | 比例 |
| Integral time | TI | 積分 |
| Derivative time | TD | 微分 |
| Initialize integral action | I_ITL_ON | 積分設定使能 |
| Factor for setpoint change | PFAC_SP | 設定值比例因子 |
| Derivative factor | D_F | 微分因子 |
| Initial value | I_ITLVAL | 積分初始值 |
4，Control Zone：控制帶
| 名稱 | 對應變量 | 備注 |
|---|---|---|
| Enable | CONZ_ON | 控制帶使能 |
| Width | CON_ZONE | 控制帶寬度 |
注：勾選復選框表示CONZ_ON=1
5，Manipulated Variable：PID輸出控制
| 名稱 | 對應變量 | 備注 |
|---|---|---|
| Upper limit | LMN_HLM | 調節值上限 |
| Lower limit | LMN_LLM | 調節值下限 |
| Factor | LMN_FAC | 調節值因子 |
| Offset | LMN_OFFS | 調節值偏移量 |
6，Pulse Generator：脈沖發生器
| 名稱 | 對應變量 | 備注 |
|---|---|---|
| Enable | PULSE_ON | 激活脈沖功能 |
| Sampling time | CYCLE_P | 脈沖整形器作用的采樣時間 |
| Minimum pulse/break time | P_B_TM | 最小脈沖/中斷時間 |
| Period | PER_TM | 周期時間 |
注：勾選復選框表示PULSE_ON=1
FB58"TCONT_CP"自整定控制面板操作參看自整定章節
相比較STEP 7 V5.5，TIA V13 SP1的控制面板相對簡單，主要由組態與調試兩個部分構成：
圖13. 過程變量控制
圖14. PID參數設置
圖15. PID輸出控制
圖16. 調試面板
S7-1200 西門子 6ES7321-1FH00-0AA0
