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西門子S7-1500作為西門子迄今為止功能大、性價(jià)比高的PLC，得到了廣大客戶關(guān)注，今天與大家分享西門子西門子S7-1500與S7-300、S7-400相PK 的幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)以及型譜對(duì)照。

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首先，它的外觀設(shè)計(jì)更人性化，選用時(shí)更容易被工程現(xiàn)場(chǎng)人員所接受。S7-1500模塊大小比S7-300稍大，機(jī)架類似于S7-300，前連接器安裝時(shí)具有接線位置，并提供專門的電源元件和屏蔽支架及線卡，使接線更方便，可靠性更高；尤其讓工程人員心動(dòng)的是CPU上配置有LED顯示屏，可方便顯示CPU狀態(tài)和故障信息等。

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其次，從硬件方面來(lái)說(shuō)，S7-1500PLC的處理速度更快，聯(lián)網(wǎng)能力更強(qiáng)，診斷能力和安全性更高，不僅可節(jié)省成本，提高生產(chǎn)效率，而且安全可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單方便，真正成為工廠客戶和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的控制器。例如，相對(duì)于S7-300/400，S7-1500 PLC采用新型的背板總線技術(shù)，采用高波特率和高傳輸協(xié)議，使其信號(hào)處理速度更快；S7-1500所有CPU集成1-3個(gè)PROFINET接口，可實(shí)現(xiàn)低成本快速組態(tài)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信和公司網(wǎng)絡(luò)通信，而S7-300/400PLC只有個(gè)別型號(hào)CPU才集成有PROFINET接口；S7-1500 PLC的模塊集成有診斷功能，診斷級(jí)別為通道級(jí)，無(wú)需進(jìn)行額外編程，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可快速準(zhǔn)確地識(shí)別受影響的通道，減少停機(jī)時(shí)間，這是S7-300/400PLC所*的。

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S7-1500PLC的組態(tài)和編程效率時(shí)更容易被工程現(xiàn)場(chǎng)人員所接受。S7-1500模塊大小比S7-300稍大，機(jī)架類似于S7-300，前連接器安裝時(shí)具有接線位置，并提供專門的電源元件和屏蔽支架及線卡，使接線更方便，可靠性更高；尤其讓工程人員心動(dòng)的是CPU上配置有LED顯示屏，可方便顯示CPU狀態(tài)和故障信息等。

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其次，從硬件方面來(lái)說(shuō)，S7-1500PLC的處理速度更快，聯(lián)網(wǎng)能力更強(qiáng)，診斷能力

相對(duì)于S7-300/400PLC，S7-1500PLC支持的數(shù)據(jù)類型更廣泛。S7-1500PLC的基本數(shù)據(jù)類型的長(zhǎng)度大到64位，而S7-300/400 PLC支持的基本數(shù)據(jù)類型長(zhǎng)度大為32位；S7-1500PLC支持Pointer、Any和Variant三種類型指針，S7-300/400PLC只支持前兩種。這些特點(diǎn)，均使S7-1500PLC的編程更加靈活。

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另外，S7-1500 PLC無(wú)需使用其它模塊即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制功能。通過(guò)PLCopen 技術(shù)，控制器可使用標(biāo)準(zhǔn)組件連接支持PROFIdrive 的各種驅(qū)動(dòng)裝置；此外，S7-1500 PLC還支持所有CPU 變量的TRACE 功能，提高了調(diào)試效率，優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)和控制器的性能。

小結(jié)

總之，S7-1500 PLC的功能不僅涵蓋了絕大多數(shù)S7-300/400PLC，而且有過(guò)之而無(wú)不及，適用范圍廣泛，加之其具有上述的優(yōu)點(diǎn)，使其在今后的發(fā)展中，必將廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域之中。

S7-300與1500對(duì)應(yīng)型號(hào)

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為了達(dá)到 PID 自動(dòng)/手動(dòng)控制的無(wú)擾動(dòng)切換，需要在編程時(shí)注意一些相關(guān)事項(xiàng)。下面分別就直接使用 PID 指令編程，和使用 PID 向?qū)Ь幊虄煞N情況作一介紹。

1.直接使用 PID 指令編程時(shí)的 PID 自動(dòng)/手動(dòng)無(wú)擾切換

直接使用 PID 指令塊編寫 PID 控制程序時(shí)，可以簡(jiǎn)單地使用“調(diào)用/不調(diào)用”指令的方式控制自動(dòng)/手動(dòng)模式。因?yàn)?PID 指令本身已經(jīng)具有實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換的能力，此時(shí)在 PID 指令控制環(huán)節(jié)之外編程沒(méi)有多大必要。

PID 指令的 EN 輸入端使能（為“1”）時(shí)，我們認(rèn)為是自動(dòng)控制模式；EN 輸入端未使能（為“0”）時(shí)，我們認(rèn)為是手動(dòng)控制模式。

PID 指令本身有一個(gè)“能流歷史狀態(tài)位”，以記錄指令的狀態(tài)切換。在 EN 端從“0”變?yōu)?rdquo;“1”時(shí)，PID 指令認(rèn)為這是從“手動(dòng)”模式向“自動(dòng)”模式切換。PID 指令此時(shí)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行一系列動(dòng)作，以配合無(wú)擾動(dòng)切換：

• 使設(shè)定值（ SPn） = 當(dāng)前過(guò)程反饋?zhàn)兞浚≒Vn）
• 設(shè)置上次采樣過(guò)程變量（PVn-1） = 當(dāng)前過(guò)程反饋?zhàn)兞浚≒Vn）
• 設(shè)置積分偏差和（或所謂積分前項(xiàng)）（Mx） = 當(dāng)前輸出值（Mn）

使設(shè)定值等于當(dāng)前反饋值可以避免出現(xiàn)偏差，使之不存在調(diào)整的要求；當(dāng)然如果有工藝要求，也可以后續(xù)調(diào)整設(shè)定值。其他的動(dòng)作都是為了使 PID 在后續(xù)的操作中不改變輸出的值。

在編程時(shí)要注意：

• 從自動(dòng)模式向手動(dòng)模式切換時(shí)，PID 指令的 EN 端不再有能流，計(jì)算停止，輸出值 Mn 不再變化。此時(shí)如果需要操作人員人工觀察控制的結(jié)果，手動(dòng)控制輸出量，就可以通過(guò)用戶程序直接改變回路表中的輸出值存儲(chǔ)單元內(nèi)容（見(jiàn)數(shù)據(jù)塊或系統(tǒng)手冊(cè)的相關(guān)部分內(nèi)容）。如果有必要，操作人員的操作可能要進(jìn)行一些標(biāo)準(zhǔn)化換算。
• 為保證從手動(dòng)模式向自動(dòng)模式的切換無(wú)擾動(dòng)，需要在手動(dòng)控制時(shí)，或在切換過(guò)程中，禁止對(duì) PID 回路表中設(shè)定值的更新，以便切換時(shí) PID 指令用當(dāng)前過(guò)程反饋值替代設(shè)定值。切換完成后，操作人員可以調(diào)整設(shè)定值。

2.使用 PID 向?qū)Ь幊虝r(shí)的 PID 自動(dòng)/手動(dòng)無(wú)擾切換

使用 PID 指令向?qū)Ь幊虝r(shí)，指令向?qū)?huì)自動(dòng)調(diào)用 PID 指令，并且編寫外圍的控制變量標(biāo)準(zhǔn)化換算、定時(shí)采樣等功能。用戶在使用 PID 指令向?qū)r(shí)，需要在用戶程序中用 SM0.0 調(diào)用指令向?qū)傻淖映绦颍ㄈ?PIDx_INIT 子程序）。PID 向?qū)Э梢陨蓭ё詣?dòng)/手動(dòng)切換功能的子程序，這個(gè)子程序使用一個(gè)數(shù)字量點(diǎn)為“1”、“0”的狀態(tài)來(lái)控制是否投入 PID 自動(dòng)控制。

到目前為止（STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP5），使用 PID 向?qū)傻淖映绦驎r(shí)，由于用戶程序不能直接使用 PID 指令，它的無(wú)擾切換能力因?yàn)楦袅送鈿ぷ映绦?，所以受到了局限。如果?duì)無(wú)擾切換要求比較嚴(yán)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 4.1.1. PID 向?qū)傻闹噶?/p>

圖中：

1. 過(guò)程反饋量
2. 設(shè)定值，實(shí)數(shù)
3. 自動(dòng)/手動(dòng)控制，“1”=自動(dòng)，“0”=手動(dòng)
4. 手動(dòng)控制輸出值，0.0 - 1.0 之間的一個(gè)實(shí)數(shù)
5. PID 控制輸出值

要實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換，必須：

• 在從自動(dòng)向手動(dòng)切換時(shí)，使手動(dòng)輸出值（VD2004）等于當(dāng)前的實(shí)際控制輸出值；
• 在從手動(dòng)向自動(dòng)切換使，使設(shè)定值相當(dāng)于當(dāng)前的過(guò)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：

4.1.2. 無(wú)擾切換處理程序

圖中：

1. 自動(dòng)/手動(dòng)切換控制點(diǎn)
2. 從自動(dòng)向手動(dòng)切換時(shí)，使手動(dòng)輸出值等于實(shí)際當(dāng)前值
3. 從手動(dòng)向自動(dòng)切換時(shí)，把當(dāng)前反饋量換算為相應(yīng)的給定值

上述程序中的 Scale_I_to_R 就是量程變換指令庫(kù)中的子程序。這是為了解決過(guò)程反饋與設(shè)定值之間的換算問(wèn)題。用戶也可以自己編程換算，或者根據(jù)反饋與給定的取值范圍決定是否需要換算。

此段程序適用于 STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP5 及以前版本，僅供參考，如果在實(shí)際項(xiàng)目中使用，上述程序未必一定適用。用戶需要根據(jù)實(shí)際工藝決定自己的編程思路。

4.2. PID調(diào)節(jié)步驟簡(jiǎn)介

建議PID參數(shù)調(diào)節(jié)步驟：

（1）前提條件：反饋信號(hào)是否穩(wěn)定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否正常以及控制器的正反作用。（確保PID在自動(dòng)模式下）

（2）積分時(shí)間設(shè)置為無(wú)窮大INF（或9999.9），此時(shí)積分作用近似為0；將微分時(shí)間設(shè)置為0.0，此時(shí)微分作用為0 。然后開(kāi)始調(diào)節(jié)比例作用，逐步增大比例增益

（3）當(dāng)過(guò)程變量達(dá)到給定值且在給定值上下波動(dòng)，將調(diào)好的比例系數(shù)調(diào)整到50%~80%后，由大到小減小積分時(shí)間，直到過(guò)程值與設(shè)定值相等或無(wú)限接近

PID調(diào)節(jié)有很多種方法，以上僅是建議步驟，也并未考慮微分作用，客戶依據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)節(jié)，同時(shí)可以參考反饋與給定的曲線圖

用戶經(jīng)常會(huì)遇到這樣的問(wèn)題：嘗試了很多組PID參數(shù)，都無(wú)法滿足控制器的要求， 此時(shí)需要考慮PID的采樣時(shí)間是否適合當(dāng)前系統(tǒng)。采樣時(shí)間就是對(duì)反饋進(jìn)行采樣的間隔。短于采樣時(shí)間間隔的信號(hào)變化是不能測(cè)量到的。采樣時(shí)間過(guò)短，兩次實(shí)測(cè)值的變化量太小，也不合適，而且增加PLC的運(yùn)算負(fù)擔(dān)；采樣間隔過(guò)長(zhǎng)，將會(huì)引起有用信號(hào)的丟失，使系統(tǒng)品質(zhì)變差，不能滿足擾動(dòng)變化比較快、或者速度響應(yīng)要求高的場(chǎng)合。除此以外，也有可能是系統(tǒng)自身的問(wèn)題，無(wú)法調(diào)節(jié)到穩(wěn)定，例如， 不規(guī)律的干擾，或者反饋信號(hào)不穩(wěn)定。

. 手動(dòng)調(diào)節(jié)PID至穩(wěn)定問(wèn)題與解決方法：

1. PID輸出總是輸出很大的值，并在這一區(qū)間內(nèi)調(diào)節(jié)變化。

產(chǎn)生原因：增益（Gain）值太高
PID掃描時(shí)間（sample time）太長(zhǎng)（對(duì)于快速響應(yīng)PID的回路）

解決方法：降低增益（Gain）值并且/或選擇短一些的掃描時(shí)間

2. 過(guò)程變量超過(guò)設(shè)定值很多（超調(diào)很大）

產(chǎn)生原因：積分時(shí)間（Integral time)可能太高。

解決方法：降低積分時(shí)間 3. 得到一個(gè)非常不穩(wěn)定的PID。

• 如果用了微分，可能是微分參數(shù)有問(wèn)題
• 沒(méi)有微分，可能是增益（Gain）值太高

解決方法：

• 調(diào)整微分參數(shù)到0－1的范圍內(nèi)
• 根據(jù)回路調(diào)節(jié)特性將增益值降低，低可從0.x 開(kāi)始逐漸增大往上調(diào)，直到獲得穩(wěn)定的PID。

如何獲取一組合適的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速并穩(wěn)定的PID控制？

PID調(diào)節(jié)過(guò)程中，用戶通常需要做多次的參數(shù)調(diào)節(jié)才能獲得的控制效果。從下面反饋（過(guò)程變量）與給定之間的曲線圖中，可以看到黃色曲線較理想。用戶可以將調(diào)節(jié)的PID反饋與給定曲線與下圖中對(duì)比，并修改相關(guān)參數(shù)（但是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)情況不一樣，用戶還需具體問(wèn)題具體對(duì)待，下圖中的建議僅供參考：

圖 4.3.4 反饋與給定曲線

1.超調(diào)過(guò)大，減小比例，增大積分時(shí)間

2.迅速變化，存在小超調(diào)

3.實(shí)際值緩慢接近設(shè)定值，并且無(wú)超調(diào)的達(dá)到設(shè)定值

4.增益系數(shù)太小和/或微分時(shí)間太長(zhǎng)

5.益系數(shù)太小和/或積分時(shí)間太長(zhǎng)

常見(jiàn)問(wèn)題

沒(méi)有采用積分控制時(shí)，為何反饋達(dá)不到給定？

這是必然的。因?yàn)榉e分控制的作用在于消除純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)固有的“靜差”。沒(méi)有積分控制的比例控制系統(tǒng)中，沒(méi)有偏差就沒(méi)有輸出量，沒(méi)有輸出就不能維持反饋值與給定值相等。所以永遠(yuǎn)不能做到?jīng)]有偏差。

對(duì)于某個(gè)具體的PID控制項(xiàng)目，是否可能事先得知比較合適的參數(shù)？有沒(méi)有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)？

雖然有理論上計(jì)算PID參數(shù)的方法，但由于閉環(huán)調(diào)節(jié)的影響因素很多而不能全部在數(shù)學(xué)地描述，計(jì)算出的數(shù)值往往沒(méi)有什么實(shí)際意義。因此，除了實(shí)際調(diào)試獲得參數(shù)外，沒(méi)有什么可用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值存在。甚至對(duì)于兩套看似一樣的系統(tǒng)，都可能通過(guò)實(shí)際調(diào)試得到*不同的參數(shù)值。

PID控制不穩(wěn)定怎么辦？如何調(diào)試PID？

閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試，首先應(yīng)當(dāng)做開(kāi)環(huán)測(cè)試。所謂開(kāi)環(huán)，就是在PID調(diào)節(jié)器不投入工作的時(shí)候，觀察：

• 反饋通道的信號(hào)是否穩(wěn)定
• 輸出通道是否動(dòng)作正常

可以試著給出一些比較保守的PID參數(shù)，比如放大倍數(shù)（增益）不要太大，可以小于1，積分時(shí)間不要太短，以免引起振蕩。在這個(gè)基礎(chǔ)上，可以直接投入運(yùn)行觀察反饋的波形變化。給出一個(gè)階躍給定，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)是的方法。

如果反饋達(dá)到給定值之后，歷經(jīng)多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不穩(wěn)定，應(yīng)該考慮是否增益過(guò)大、積分時(shí)間過(guò)短；如果反饋遲遲不能跟隨給定，上升速度很慢，應(yīng)該考慮是否增益過(guò)小、積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)……

總之，PID參數(shù)的調(diào)試是一個(gè)綜合的、互相影響的過(guò)程，實(shí)際調(diào)試過(guò)程中的多次嘗試是非常重要的步驟，也是必須的。

5.PID自整定

S7-200 中使用的自整定算法是基于 K.J.?str?m 和 T. H?gglund 在 1984 年提出的延時(shí)反饋算法。經(jīng)過(guò)這二十年，繼電反饋算法已被應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域?？梢允褂貌僮鲉T面板中的用戶程序或者 PID 整定控制面板來(lái)啟動(dòng)自整定功能。在同一時(shí)間，不僅僅只有一個(gè) PID 回路可以進(jìn)行自整定，如果需要的話，所有 8 個(gè) PID 回路可以同時(shí)進(jìn)行自整定。PID自整定算法向您*增益值、積分時(shí)間值和微分時(shí)間值。您也可以為您的調(diào)節(jié)回路選擇快速響應(yīng)、中速響應(yīng)、慢速響應(yīng)或者極慢速響應(yīng)等調(diào)節(jié)類型。

5.1. PID自整定先決條件

啟動(dòng)自整定先決條件：

要進(jìn)行自整定的回路必須處于自動(dòng)模式

在開(kāi)始PID自整定調(diào)整前，整個(gè)PID控制回路必須工作在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)（穩(wěn)定的PID是指過(guò)程變量接近設(shè)定值，輸出不會(huì)不規(guī)則的變化，且回路的輸出值在控制范圍中心附近變化。）

理想狀態(tài)下，自整定啟動(dòng)時(shí)，回路輸出值應(yīng)該在控制范圍中心附近。 自整定過(guò)程在回路的輸出中加入一些小的階躍變化，使得控制過(guò)程產(chǎn)生振蕩。 如果回路輸出接近其控制范圍的任一限值，自整定過(guò)程引入的階躍變化可能導(dǎo)致輸出值超出小或大范圍限值。 如果發(fā)生這種情況，可能會(huì)生成自整定錯(cuò)誤條件，當(dāng)然也會(huì)使*值并非化。

為什么啟動(dòng)自整定之前，需要PID控制回路工作在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)？

啟動(dòng)自整定后,回路計(jì)算自滯后序列時(shí)，不能執(zhí)行正常的 PID 計(jì)算，此時(shí)回路輸出時(shí)一個(gè)定值，不會(huì)根據(jù)偏差變化。 因此，在啟動(dòng)自整定序列之前，控制過(guò)程應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。 這樣可以得到更好的滯后值結(jié)果，同時(shí)也可以保證自滯后序列期間控制過(guò)程不會(huì)失控。

5.2. PID自整定參數(shù)介紹

S7-200 中的 PID自整定參數(shù)是回路表40-80字節(jié)，見(jiàn)下圖：

PID擴(kuò)展回路表

a. AT控制（ACNTL）： 啟動(dòng)/中止自整定

b.AT狀態(tài)（ASTAT）：自整定的輸出狀態(tài)字節(jié)，PID控制面板自整定時(shí)的相關(guān)狀態(tài)也是根據(jù)由該字節(jié)判斷。

圖 5.2.3. PID自整定AT狀態(tài)字節(jié)

c.AT結(jié)果（ARES）：PID自整定結(jié)果，需要注意，啟動(dòng)PID自整定之前需要確保該字節(jié)0位為0，尤其是自己編程啟動(dòng)自整定，可能需要手動(dòng)設(shè)置為0。