西门子模块6ES7412-2XJ05-0AB0/OABO西门子模块6ES7412-2XJ05-0AB0/OABO原装***CPU412-1满足中等控制规模的低成本解决方案。可用于具有少量I/O配置的较小型系统中。具有组合的MPI/DP接口，可在PROFIBUSDP网络中运行。CPU412-2适用于中等性能范围的应用，它具有两个PROFIBUSDP主站系统。设计CPU412-1和CPU412-2的特点:功能强大的处理器：CPU对每个二进制指令的执行时间可短到0.75µs。CPU412-1:288KBRAM(其中，程序和数据各使用144KB);CPU412-2:512KBRAM(其中，程序和数据各使用256KB);快速RAM用于执行部分用户程序灵活扩展：***高65536个数字量以及4096个模拟量输入/输出。MPI多点接口：通过MPI，可将***多32个站连成简单网络，数据传输速率高达12Mbit/s。CPU可与通讯总线（C总线）和MPI的站之间建立***多16个连接。模式选择开关：波动开关设计。诊断缓冲区：***后的120个故障和中断事件保存在一个环形缓冲器中，用于进行诊断。可以对输入数目进行设定。实时时钟：日期和时间附加在CPU的诊断消息后面。存储卡：用于扩展内置的装载存储器。存储在装载存储器中的信息包括S7-400参数数据以及程序，因此需要2倍的存储空间。其结果是：内置装载存储器的容量显著提高，因此，基本上不需要存储器卡。CPU412-2还具有：PROFIBUS-DP接口和组合的MPI/DP接口：通过PROFIBUSDP主站接口，可以实现分布式自动化组态，从而提高了速度，便于使用。对用户来说,分布式I/O单元可作为一个集中式单元来处理(相同的组态、编址和编程).组合式配置：SIMATICS5和SIMATICS7可以作为PROFIBUS主站符合EN50170规范。功能块保护：通过密码来防止***访问用户程序集成的HMI服务:用户只需为HMI设备定义数据源和目的地。这些数据通过系统周期地以及自动地进行传输。集成的通讯功能：PG/OP通讯全局数据通讯S7标准通讯S7通讯可编程属性STEP7工具“Ha***areConfiguration”可用于对S7-400（含CPU）的性能和响应进行参数化，例如：多点MPI接口：定义节点地址启动/循环行为***大循环时间和通讯负荷的规定地址分配：I/O模块的编址保持区域：定义保持性位存储器、计数器、定时器和时钟存储器。过程映像、局部数据的大小诊断缓存区的长度保护级：设置访问程序和数据的权限系统诊断：确定诊断信息的处理方法和范围实时中断:设定周期显示功能与信息功能状态和故障指示灯：LED指示内部和外部故障和运行模式（如RUN、STOP、重启、测试功能等）测试功能：编程器可用于显示程序执行过程中的信号状态，***于用户程序而修改过程变量，读取堆栈存储器的内容，运行各个程序步，并禁止程序组件。信息功能：编程器可为用户提供存储器容量、CPU的运行模式以及工作存储器及装载存储器的当前利用率等信息。1概述为满足工艺生产上的需要，对生产流程进行精准控制并节约人力资源，我们常常需要对现有PLC程序进行优化，增加各类如流量、压力、温度、液位等的闭环可调控制回路，并实现系统的手动/自动无扰动切换。但是如何快速准确的实现以上功能,下面将对其做详细的介绍。2模拟量闭环控制系统的基本概念2.1模拟量闭环控制系统的组成典型的PLC模拟量闭环控制系统如图1所示，虚线中的部分是PLC实现的。图1PLC模拟量闭环控制系统方框图在模拟量闭环控制系统中，被控量c(t)（例如压力、温度、流量、液位等）是连续变化的模拟量，大多数执行机构（例如气动调节阀和变频器等）要求PLC输出模拟信号mv(t)，而PLC的CPU只能处理数字量。c(t)首先被测量元件（传感器）和变送器转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号pv(t)，例如4-20mA和0-5V的信号，PLC用模拟量输入模块中的A/D转换器将它们转换为数字量pv(n)。模拟量与数字量之间的相互转换和PID程序的执行都是周期性的操作，其间隔时间称为采样周期，各数字量括号中的n表示第n次采样计算时的数字量。图1中的sp(n)是给定值，pv(n)为A/D转换后的反馈量，误差ev(n)=sp(n)-pv(n)。D/A转换器将PID控制器输出的数字量mv(n)转换为模拟量（直流电压或直流电流）mv(t),再去控制执行机构。闭环负反馈控制可以使控制系统的反馈量pv(n)等于或者是跟随给定值sp(n)。闭环控制系统结构结构简单，容易实现自动控制,现在各个领域被广泛应用。2.2S7-300/400的模拟量闭环控制功能S7-300/400为用户提供了功能强大、使用简单方便的模拟量闭环控制功能。2.2.1闭环控制模块S7-300的FM335和S7-400的FM455是智能的4路和16路闭环控制模块。可以用于化工和过程控制，模块带有A/D转换器和D/A转换器。2.1.2用于闭环控制的系统功能块除了专用的闭环控制模块，S7-300/400也可以用PID控制功能块来实现PID控制。但是需要配置模拟量输入模块和模拟量输出模块（或者数字量输出模块）。系统功能块SFB41“CONT_C”用于连续控制，SFB42“CONT_S”用于步进控制，SFB43“PULSEGEN”用于脉冲宽度调制。2.2.3闭环控制软件包程序编辑器的文件来“\库\StandardLibrary(标准库)\PIDController(PID控制器)”中的FB41～FB43适用于所有的S7-300和S7-400的CPU的PID控制，F***和FB59适用于PID温度控制。FB41～FB43与SFB41～SFB43兼容。PID自整定软件包(PIDSelfTuner可以提供控制优化支持。本文模拟量闭环控制系统就依SFB/FB41“CONT_C”连续控制功能块的实现来加以说明，下面将介绍SFB/FB41“CONT_C”功能。3连续PID控制器SFB413.1描述SFB/FB"CONT_C"(连续控制器)在SIMATICS7可编程逻辑控制器上使用，通过持续的输入和输出变量来控制工艺过程。在参数分配期间，可以通过***或取消***PID控制器的子功能使控制器适应过程的需要。使用参数分配工具可以轻松完成分配(菜单路径：开始>Simatic>Step7>分配PID控制参数)注意只有在以固定时间间隔调用块时，在控制块中计算的值才是正确的。为此，应该在周期性中断OB(OB30至OB38)中调用控制块。在CYCLE参数中输入采样时间。可以外设（如触摸屏）或以浮点格式输入过程变量。CRP_IN功能根据以下公式将PV_PER外设值转换为介于-100和+100%间的浮点格式值：PV_R=PV_PER*100/27648输出根据以下公式将浮点值LMN转换为外设值：LMN_PER=LMN*27648/1003.2SFB/FB41“CONT_C”框图图2SFB/FB"CONT_C"框图3.3PID控制算法3.3.1误差的计算与处理用浮点数格式设定值SP_INT减去转换为浮点数格式的过程变量PV(反馈值)，便得到负反馈的误差。为***由于控制器输出量的量化造化的连续较小的振荡，用死区(DeadBand)非线性对误差进行处理。死区的宽度由参数DEADB_W来定义，如果令DEADB_W为0。死区被关闭。3.3.2控制器的结构SFB41比例、积分(INT)和微分(DIF)操作以并联方式连接，因而可以分别***或取消***。这使对P、PI、PD和PID控制器进行组态成为可能。还可以对纯I和D控制器进行组态。扰动量DISV（Disturbance）可以实现前馈控制，一般设置DISV为0.0。GAIN为比例部分的增益或比例系数，TI和TD分别为积分时间常数和微分时间常数，参数TM_LAG为微分操作的延迟时间，建议该参数设为TM_LAG=TD/5。P_SEL(比例作用)为1时***比例作用，反之禁止比例作用，默认值为1。I_SEL(积分作用)为1时***积分作用，反之禁止积分作用，默认值为1。D_SEL(微分作用)为1时***微分作用，反之禁止微分作用，默认值为0。默认的控制方式为PI控制。LNM_P、LNM_I和LNM_D分别是PID控制器输出量中的比例分量、积分分量和微分分量，编程时可引出到外设（如触摸屏）上，供调试时使用。3.3.3积分器的初始值SFB“CONT_C”有一个初始化的程序，在输入参数COM_RST设置为1时被执行。在初始化过程中，如果I_ITL_ON(积分作用初始化)为1状态，将输入变量I_ITLVAL作为积分器的初始值。如果在一个循环中断优先级调用它，它将从该数值开始继续运行，所有其它输出都被设置为其默认值。INT_HOLD为1时积分操作保持，积分输出被***，一般不***积分输出。3.4控制器输出值的处理3.4.1．手动/自动模式变量MAN_ON为1时为手动模式，为0时为自动模式。在手动模式，控制器的输出值被手动输入值MAN代替。在手动模式，控制器输出中的积分分量被自动设置为LMN-LMN_P-DISV，微分分量被自动设置为0，这样可以保证手动到自动的无扰动切换，使切换前后PID控制器的输出值LMN不会突变。如果要用编程的方法来实现手动/自动无扰动切换，可以按如下思路进行：在手动切模式换成自动模式时，将系统的PV_IN值赋给SP_INT值。在自动模式切换成手动模式时，将系统的LMN值赋给MAN值。根据我们的经验，在赋值过程中需要注意的是数据的格式转换问题。3.4.2输出限幅LMNLIMIT的输入量超出控制器输出值的上极限LMN_HLM时，信号位QLMN_HLM（输出超出上限）变为1状态；小于下限值LMN_LLM时，信号位QLMN_LLM（输出超出下限）变为1状态。LMN_HLM和LMN_LLM的默认值分别为100%和0.0%。3.4.3输出量的格式化处理格式化公式如下：LMN=LMN_LIM*LMN_FAC+LMN_OFF式中，LMN是格式化后浮点数格式的控制器输出值；LMN_FAC为输出量的系数，默认值为1.0；LMN_OFF为输出量的偏移量，默认值为0.0；LMN_FAC和LMN_OFF用来调节控制器输出量的范围。4程序示例与仿真4.1程序结构主体程序为***块OB1、OB100和OB35，PLC刚进入RUN模式时CPU自动执行OB100，可设置相关的初始化数据。在HWconfig中将循环中断***块OB35的时间间隔设置为200ms，保存后将组态数据***到CPU模块。程序运行时将每隔200ms自动调用一次OB35。示例程序选择系统为***量闭环调节控制系统，外设假设为由一支流量计和一个调节阀组成的闭环控制回路。PIW288为流量计输入值（量程0-200m3/h），PQW304为调节阀输出值（范围0-27648）。4.1.1***块OB1在OB1中，计算出流量计输入值，并将该值放入MD76，在SFB41中将MD76赋给PV_IN，图3是该段的程序。图3OB1中的梯形图4.1.2启动***块OB100在OB100中调用SFB41时，只设置两个输入变量的实参：（1）令启动标志COM_RST为TRUE，执行PID重启功能，将PID控制器的内部参数复位为默认值。（2）设置采样周期CYCLE为200ms。4.1.3循环中断***块OB35在循环中断***块OB35中调用SFB41，背景数据块为DB41，见程序段1。默认的设置为PI控制器，将参数D_SEL设置为1（TRUE），该控制器则为PID控制器。将PID控制器的输出变量LMN_PER送给PQW304用来控制调节阀的开度。为实现负反馈，将比例增益设为负数。积分时间取值应大于采样时间。微分时间TD一般可以设置为TI的几分之一，微分部分的延迟时间TM_LAG建议值为TD/5。为实现手动/自动无扰动切换,程序段2中，在自动状态时，将LMN值赋给MAN；程序段3中，在手动状态时，将PV_IN的值赋给SP_INT。其中，M40.1为手动/自动切换的BOOL变量。程序段1：CALL"CONT_C",DB41COM_RST:=MAN_ON:=M40.1PVPER_ON:=P_SEL:=TRUEI_SEL:=TRUEINT_HOLD:=I_ITL_ON:=D_SEL:=TRUECYCLE:=T#200MSSP_INT:=PV_IN:=MD76PV_PER:=MAN:=GAIN:=-1.500000e+000TI:=T#30STD:=T#5STM_LAG:=DEADB_W:=LMN_HLM:=LMN_LLM:=PV_FAC:=PV_OFF:=LMN_FAC:=LMN_OFF:=I_ITLVAL:=DISV:=LMN:=LMN_PER:=PQW304QLMN_HLM:=QLMN_LLM:=LMN_P:=LMN_I:=LMN_D:=PV:=ER:=NOP0程序段2：ANM40.1JNB_001LDB41.DBD72TDB41.DBD16_001:NOP0程序段3：AM40.1JNB_002LDB41.DBD10TDB41.DBD6_002:NOP04.2系统仿真4.2.1S7-PLCSIM仿真为方便调试，采用仿真软件S7-PLCSIM代替PLC硬件来进行程序仿真。S7-PLCSIM与SETP7编程软件集成在一起，用于在计算机上模拟S7-300和S7-400CPU的功能，可以在开发阶段发现和排除错误，从而提高用户程序的质量和降低试车成本，同时S7-PLCSIM也是S7-300/400编程、程序调试和故障诊断的有力工具。利用S7-PLCSIM模拟PLC的过程映像输入/输出，并通过在仿真窗口中改变输入变量的ON/OFF状态，来控制程序运行，见图4。图4S7-PLCSIM仿真窗口4.2.2仿真结果与分析通过S7-PLCSIM仿真，修改系统设定值SP_INT和系统测量值PV_IN，并监视系统输出值LMN的变化趋势(图5)。我们可以看出，该系统具有良好的动态特性，且程序能够满足对系统的闭环控制的绝大多数要求，并且在手动/自动切换过程中实现了系统无扰动切换。但针对不同的控制对象（温度、压力、流量、液位等），需要在调试中反复修改控制参数(如果控制参数是通过人机界面接口HMI直接连接到背景数据块的地址,则比例是实际的,TI和TD的单位是毫秒)，以期使系统达到相对***佳的控制效果。图5监视背景数据块FB415、总结本文结合编程及现场实践经验，针对S7-300/400闭环控制系统的如何实现，归纳总结出了一套切实可行的的编程方法，并就如何在手动/自动切换时，实现系统的无扰动提出了解决方案。对于初涉PLC的编程者有很好的指导意义。)