西門子PLCsmart200-PID 自動/手動調節的無擾動切換

PID 自動/手動調節的無擾動切換

有些工程項目中可能需要根據工藝要求在不同的時刻投入、或者退出 PID 自動控制；退出 PID 自動控制時，控制器的輸出部分可以由操作人員直接手動控制。這就是所謂的 PID 手動/自動切換。

PID 控制處于自動方式時，PID 控制器（S7-200 SMART 中的 PID 調節功能）會按照 PID 算法，自動通過輸出的作用使過程反饋值跟隨給定值變化，并保持穩定。這是一個自動的閉環控制系統。操作人員可以根據現場工藝的要求，改變給定（即設定值）的值。

PID 控制處于手動方式時，PID 控制器不再起自動計算的作用。這時，控制回路的輸出是由操作人員手動控制、調整，由操作人員觀察現場的控制效果，從而構成人工閉環控制。

 所謂 PID 自動/手動控制，就是看控制系統的輸出是由 PID 控制器自動控制，還是由操作人員手動控制。

有些控制系統的執行機構不能承受較大的沖擊，這就要求在進行 PID 自動/手動切換時，保持控制輸出的穩定。這就是要求無擾動切換。

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 向導編程兩種情況作一介紹。

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“調用/不調用”指令的方式控制自動/手動模式。因為 PID 指令本身已經具有實現無擾動切換的能力，此時在 PID 指令控制環節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“能流歷史狀態位”，以記錄指令的狀態切換。在 EN 端從“0”變為”“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偏差，使之不存在調整的要求；當然如果有工藝要求，也可以后續調整設定值。其他的動作都是為了使 PID 在后續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容（見數據塊或系統手冊的相關部分內容）。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，操作人員可以調整設定值。

2.使用 PID 向導編程時的 PID 自動/手動無擾切換

使用 PID 指令向導編程時，指令向導會自動調用 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 指令向導時，需要在用戶程序中用 SM0.0 調用指令向導生成的子程序（如 PIDx_CTRL 子程序）。PID 向導可以生成帶自動/手動切換功能的子程序，這個子程序使用一個數字量點為“1”、“0”的狀態來控制是否投入 PID 自動控制。

 到目前為止（STEP 7-Micro/WIN SMART），使用 PID 向導生成的子程序時，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 1. PID 向導生成的指令

圖中：

1. 過程反饋量
2. 設定值，實數
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
5. PID 控制輸出值

要實現無擾動切換，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時，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：

圖 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，如何將該指令庫導入到Micro/WIN SMART 中可參見如何將Micro/WIN 的庫文件導入到Micro/WIN SMART中。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，或者根據反饋與給定的取值范圍決定是否需要換算。

為了更好地理解 PID向導的自動/手動無擾切換的使用，可參考下面的例程。

使用環境： STEP 7 Micro/WIN SMART V2.3.2

實現功能： PID向導的自動/手動無擾切換

 PID向導自動/手動無擾切換 （工程文件下載鏈接）：

www.ad.siemens.com.cn/productportal/prods/s7-200-smart-portal/200smarttop/function/PID/files/PID_Switch.smart

程序截圖全部如下：

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本例程僅供參考，程序中的CPU版本、類型可能與用戶實際使用不同，用戶可能需要先對例子程序做修改和調整，才能將其用于測試。本例程的作者和擁有者對于該例程的功能性和兼容性不負任何責任，使用該例程的風險完全由用戶自行承擔。由于它是免費的，所以不提供任何擔保，錯誤糾正和熱線支持，用戶不必為此聯系西門子技術支持與服務部門。