西门子变频器6SL3210-1PE31-1UL0参数设置

　　西门子变频器6SL3210-1PE31-1UL0参数设置

　　1 FB58基本特性介绍

　　在标准库（Libraries/Standard Library/PID Control Blocks）中的PID控制块中提供了两个用于温度控制的功能块FB58和FB59。其中，FB58用于具有连续或脉冲输入信号的执行器的温度控制器，而FB59用于类似于定位电机的执行器的步进温度控制器。除了基本的功能之外，FB58还提供PID的参数自整定功能。

　　PID功能块是纯软件控制器，相关运算数据存放在相应的背景数据块中，对于不同的回路，应该使用不同的背景数据块，否则会导致PID运算混乱的错误。

　　FB58可以用在仅加热的温度控制回路（例如控制蒸汽的供给量来控制温度），也可以用在仅冷却的温度控制回路（例如控制冷却风扇的频率、或者冷媒的供给量来控制温度）。如果用于冷却，则回路工作在反作用状态，则需要给比例增益参数GAIN分配一个负数，其他保持不变。

　　2 FB58基本使用

　　2.1 功能块调用

　　在STEP 7中，提供了关于FB58和FB59的一个示例项目，其路径如下图所示：

　　图1 FB58/59示例项目

　　该示例项目包含有如下几个示例程序：

　　（1）连续控制器Continuous controller

　　输出类型是连续数值的一类控制器，其中的FB100和DB100是一个模拟的控制对象；

　　（2）脉冲控制Pulse control OB35, OB1

　　输出类型是单个脉冲信号的一类控制，在OB35和OB1中同时调用，其中的FB102和DB102是一个模拟的接收脉冲信号的控制对象；

　　（3）脉冲控制Pulse control OB35, OB32

　　输出类型是单个脉冲信号的一类控制，在OB35和OB32中同时调用，其中的FB102和DB102是一个模拟的接收脉冲信号的控制对象。和上一个项目不同，这个项目要求运行的CPU能够支持OB32定时中断，例如S7-400 CPU；

　　（4）脉冲控制器 Pulse controller

　　输出类型是单个脉冲信号的一类控制，只在OB35中调用，其中的FB102和DB102是一个模拟的接收脉冲信号的控制对象。和前面两个项目不同，这个项目只在OB35中调用一次FB58即可；

　　（5）步进控制器 Step controller

　　输出类型是两个脉冲信号的一类控制，只在OB35中调用，其中的FB101和DB101是一个模拟的控制对象，例如步进电动阀门。这是一个FB59的应用示例。

　　通过示例项目可以测试FB58的各项功能。在具体的编程过程中，可以从示例项目中将相关功能块、组织块、背景数据块拷贝过来，也可以直接编程调用。

　　在STEP 7中创建一个OB35，打开并在其中添加FB58：

　　图2 调用FB58

　　如上图所示，在左侧的总览列表中，依次进入“Libraries”?“Standard Library”?“PID Control Blocks”，在其中拖拽FB58到右侧编程窗口中。填写一个背景数据块（例如DB58），由于是新建的一个DB块，软件会弹出如下窗口：

　　图3 生成背景数据块

　　点击“Yes”即可生成一个用于FB58的背景数据块。

　　在块（“Blocks”）中找到刚生成的DB块，双击打开：

　　图4 背景数据块

　　在背景数据块中可以直接修改相关的控制参数，然后点击工具栏上的按钮

　　来下载参数。如果需要查看更加具体的参数信息，可以切换到数据视图：

　　图5 切换到数据视图

　　在数据视图中，可以点击工具栏上的

　　来进行在线监控。

　　2.2 过程值的处理

　　在FB58中，对模拟量的处理遵照如下流程图：

　　图6 过程值处理流程

　　如图中所示，FB58提供有两个过程值的输入通道：PV_IN和PV_PER，这两个通道用PVPER_ON来选择：

　　注：PVPER_ON的默认值为False。

　　对于PV_PER的输入，根据温度测量方式的不同，从模拟量输入通道过来的数据格式也有所不同，因此，FB58提供过程值格式转换的环节CRP_IN，其中涉及到参数PER_MODE：

　　注：PER_MODE的默认值为0。

　　从图1中的处理流程中可以看到经过CRP_IN之后，还有一个规格化（Normalize）的环节PV_NORM。该环节可以对过程值进行修正，对于温度值，可以规格化为百分比值，同样地，百分比的值也可以规格化为温度值。

　　其转换公式是：

　　PV_NORM的输出 = CPR_IN的输出*PV_FAC+PV_OFFS

　　例如，通过温度变送器将一个-200℃~1000℃范围里的温度值以4~20mA的信号送至模拟量输入通道PIW256中。在FB58中设置

　　通过如上的参数设置，则在“PV”参数中得到一个温度值。同样地，此时的设定值SP_INT可以直接设置为温度值。

　　设定值SP_INT的取值由过程值的处理过程所决定，如果过程值经过处理得到一个百分比的值，那么SP_INT就是一个量程的百分比；如果处理得到一个实际温度值，那么设定值SP_INT也必须是一个温度值。SP_INT必须要有和过程值一样的基本单位。

　　2.3 PID运算

　　PID运算是FB58的运算核心，主要通过对偏差信号（设定值SP_INT-过程值PV）进行比例、积分、微分运算来得到对阀门、变频器等执行机构的控制信号。具体流图如下图所示：

　　图7 PID运算流程

　　从上述流程图中有如下几点信息：

　　- 比例、积分和微分都是对比例和增益参数的乘积之积的运算，其在时间域上的表达式为：

　　- 特殊地，在积分时间TI和微分时间TD为0的时候，积分作用和微分作用被取消激活，此时为纯比例控制；

　　- 对于反作用方式，需要将增益GAIN设置为负数；

　　- PFAC_SP为比例弱化功能。在设定值SP_INT发生阶跃变化时，设置比例因子PFAC_SP，从而达到减弱因为设定值修改而导致的不稳定，该比例因子PFAC_SP的取值范围是0.0~1.0；

　　- 对于积分作用，在I_ITL_ON为1的时候，积分结果就是I_ITLVAL；

　　- 积分功能中的INT_HPOS和INT_HNEG参数为正向积分功能保持和反向积分功能保持，如果此时偏差ER和增益GAIN的乘积为正，且INT_HPOS为True，那么此次运算周期中积分的增加量为0，即积分项LMN_I的输出不会改变。INT_HNEG的作用与此类似。

　　- 微分功能中的D_F参数是微分因子，在微分运算中和周期时间CYCLE作用类似。

　　2.4 手动/自动切换

　　FB58的手动/自动切换是通过参数MAN_ON来完成的，在MAN_ON为True的时候，PID处在手动工作状态，此时，手动值通过参数MAN给出。

　　图8 控制输出

　　默认情况下，LMN_HLM和LMN_LLM分别是100.0和0.0，从上图中可以看出，手动值的有效数值范围也应该是0.0~100.0。

　　在参数MAN_ON为False的情况下，PID投入运行，控制回路处于自动工作状态。

　　为了降低手动/自动切换过程中扰动，算法通过如下措施来实现无扰切换：

　　- 在自动的状态下，比例和积分的运算结果之和会写入到单元MAN中，这样在由自动切换到手动的过程中不会引起控制输出波动；

　　- 在手动的状态下，积分项的输出等于MAN的值减去比例项的值（偏差ER*增益Gain），而在自动状态中，积分项是一个累计的结果，这样在切换到自动状态时积分项不会有太大的突变。

　　从上面的分析可以知道，FB58已经集成了相应的无扰切换的功能，不需要编写额外的程序来实现。

　　2.5 保存和重新装载参数

　　保存和重新装载控制器参数是FB58中的新功能，主要用来实现在多套参数之间的切换。

　　图9 控制参数保存和重新装载

　　从上图中可以看出，控制参数的处理有三种方式：

　　（1）从PID_CON/PI_CON中装载

　　要实现此装载，必须满足如下几种条件：

　　手动控制状态（MAN_ON=True）；

　　PID_CON.GAIN或者PI_CON.GAIN不为0；

　　LOAD_PID为1

　　如果参数PID_ON为1，则从PID_CON中装载如下参数：

　　GAIN、TI、TD，并计算CONZONE=250.0/GAIN

　　如果参数PID_ON为0，则从PI_CON中装载如下参数：

　　GAIN、TI、TD，并计算CONZONE=250.0/GAIN。特殊地，此时会关闭控制带功能，即设置CON_ZONE参数为0，并让微分参数TD设置为0.0。

　　装载完成之后，参数LOAD_PID会自动复位。

　　值得注意的是，如果PID_CON中保存的增益参数PID_CON.GAIN为0，则自动会修改PID_ON为0，并转而从PI_CON中获取参数。

　　注：PID_CON/PI_CON中的参数来自于自整定过程。

　　（2）保存参数

　　保存参数可以在任何工作状态下进行，只需设置参数SAVE_PAR为1即可。可以将如下参数保存找PAR_SAVE结构体中：

　　PFAC_SP、GAIN、TI、TD、D_F、CONZ_ON、CON_ZONE

　　在保存结束之后，参数位SAVE_PAR会自动复位。

　　（3）重新装载参数

　　重新装载是“保存参数”的逆过程，但其执行是需要条件的：

　　手动控制状态（MAN_ON=True）；

　　PAR_SAVE.GAIN不为0；

　　参数UNDO_PAR为1。

　　在重新装载完成之后，参数UNDO_PAR会自动复位。

　　3 高级功能

　　3.1 控制带

　　温度控制回路是一个有明显滞后特性的对象，这给实际的调节过程带来了很多的问题，显著的困难就是在过程值偏离设定值较大时，调节过程过于缓慢，而在接近设定值时容易出现较大的超调。

　　从上述的两个问题出发，PID应该满足这样的功能：

　　- 在偏差超过一定的范围时，PID输出或者的调节量，让温度值快速回到一个小的范围中，以缩短回路的调节时间；

　　- 在设定值附近时，越靠近调节量变化越小，以防止超调。

　　为此，FB58提供了一个“控制带(Control Zone)”功能，其工作原理是这样的：

　　- 当过程值PV大于设定值SP_INT，且偏差的值超过CON_ZONE，则以输出下限LMN_LLM作为输出值；

　　- 当过程值PV小于设定值SP_INT，且偏差的值超过CON_ZONE，则以输出上限LMN_HLM作为输出值；

　　- 如果偏差的值小于CON_ZONE，则以实际PID的计算结果作为输出值。

　　图10 控制带（正作用情况下，即GAIN>0.0）

　　默认参数中LMN_LLM是0.0，LMN_HLM是100.0，控制带使能位CONZ_ON是False，控制带范围是100.0。

　　如上图所示的控制带解决了在偏差较大时PID调节过于缓慢的问题，但在控制带范围中要避免因大滞后导致的超调，需要弱化PID的输出，要实现这个功能，可以通过降低比例参数和增加微分作用。在同样的偏差情况下，比例增益越小，PID输出变化越缓慢。微分作用简单来看就是通过偏差的变化量来调节，在接近设定值的过程中，温度变化速度在逐步变慢，此时的微分作用可以起到弱化控制输出的功能，进而达到减少超调的目的。因此，推荐控制带在有微分作用的前提下使用。参数装载的过程也体现了这一点：

　　- 如果是装载PI_CON下的参数，因为没有微分功能，所以会设置CONZ_ON为False。

　　在使用过程中，控制带参数CON_ZONE应该始终设置为一个大于等于0.0的值，否则会导致PID运算结果永远不会被执行的故障现象。

　　3.2 脉冲输出方式

　　和FB41不同，FB58中集成有脉宽调制输出的功能，通过将PID的运算结果换算成对应的脉冲占空比来达到加热/冷却的控制。

　　在FB58的脉冲输出环节中涉及到的关键参数有：

　　PULSE_ON：脉冲输出使能；

　　PER_TM：输出脉冲的周期时间；

　　CYCLE_P：脉冲输出的刷新时间，推荐PER_TM/CYCLE_P>50，即将周期时间分为时间长度为CYCLE_P的“片”，在每个CYCLE_P时间间隔里，脉冲输出单元运算一次以判断下一个CYCLE_P中应该输出高电平还是低电平，PER_TM和CYCLE_P的比值越大，说明输出脉冲的精度就也高；

　　P_B_TM：小脉冲/小断开时间。例如当PID的计算输出接近于100.0时，那么输出的脉冲中低电平时间接近于0，针对执行机构而言，其需要在极短的时间里关断，然后再打开，这会严重缩短设备的工作寿命，为此，通过设置小脉冲断开/脉冲时间就可以避免此问题。当需要输出的高电平时间小于P_B_TM时，则不会输出这个高电平；当需要输出的高电平时间大于周期时间PER_TM-P_B_TM时，则整个周期都输出高电平。P_B_TM设置的过长，可以降低对执行机构的冲击，但会影响输出脉冲和整个回路的控制精度；设置的过短，则对执行机构不利。

　　图11 脉冲输出

　　如上图所示，LmnN为PID的运算结果，通过和脉冲周期时间PER_TM相乘得到高电平的输出时间：

　　脉宽=LmnN*PER_TM/100

　　脉冲输出单元每次执行都累加一个CYCLE_P，通过判断累加值和脉宽，或者和周期与脉宽差值的比较来改变输出点的状态。

　　3.2.1 脉冲输出和PID运算

　　在FB58中，脉冲输出和PID计算是两个相对独立的过程，各自有自己的计算周期。对于PID计算来说，CYCLE参数可以看成是PID计算的循环周期时间，例如PID在OB35每次执行过程中都会被调用，而硬件组态过程中OB35的周期时间被设置成了500ms，则CYCLE应该填写为0.5。对于脉冲输出来说，其循环周期时间是CYCLE_P。这两个时间参数可以一样，也可以不一样。PID的计算周期主要由被测量的变化规律决定的，而脉冲输出的CYCLE_P参数由要求的脉冲输出精度决定。

　　为了协调PID和脉冲输出之间的矛盾，FB58提供了“SELECT”参数，其具体使用如下所示：

　　根据上表描述，FB58的调用可以有如下三种情况：

　　（1）SELECT=0，FB58只在周期中断OB（例如OB35）中调用

　　此时的参数配置应该将CYCLE_P和周期中断OB的中断时间保持一致。因为PID计算的执行条件是CYCLE_P的累计值和CYCLE参数一致，而脉冲输出周期PER_TM则应该CYCLE_P的整数倍，和CYCLE无关。

　　例如，在OB35中调用FB58，OB35的周期时间为50ms，FB58中的CYCLE_P是0.05s，CYCLE是1.0s，PER_TM是3.0s。

　　观察参数之间的关系，CYCLE是CYCLE_P的20倍，即OB35每20个周期执行一次FB58里的PID计算，而输出的脉冲周期是3秒钟。

　　（2）FB58分别在OB1和周期中断OB（例如OB35）中调用

　　在两个OB块中调用的FB58使用同样的背景数据块和参数，只是SELECT参数有所不同，在OB1中调用，SELECT设置为1；在周期中断OB中调用，SELECT设置为2。为了缩短OB1执行时间，可以通过FB58背景数据块中的“QC_ACT”来选择是否执行FB58，当QC_ACT为TRUE时，执行，否则跳过。

　　在这种方式下，处理原理同（1）一致，不同的是PID运算总是在OB1中执行罢了。OB1的执行周期对PID运算、脉冲输出均没有影响。

　　（3）FB58在两个不同周期时间的周期中断OB（例如OB32和OB35）中调用

　　FB58分别在两个周期中断OB中调用，其中周期时间长的OB中调用的FB58的SELECT参数设置为3，时间短的设置为2。

　　同前面两种情况不一样，SELECT选择为3时，PID的运算只和调用周期有关。例如OB32定义的周期时间是1000ms，OB35的周期时间是100ms，CYCLE_P是0.02s，PER_TM是1.0s。这样在OB32中定义SELECT参数为3，则每1秒钟就执行一次PID运算，并不是由CYCLE和CYCLE_P的关系来决定。

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