STEP7中PID仿真实验的实现方法

【摘要】PID控制在化工等连续生产行业的控制策略中起着重要的作用，虽然PID控制器参数较少，控制方式较为简单，但是不熟悉P、I、D三个参数所起作用和各参数之间相互联系，相互影响，想要找到一组合适的调节参数也是非常困难的。使用西门子公司STEP7的程序仿真环境对生产环节的仿真控制来学习PID调节器的使用，对仪控和工艺操作人员，都有着重要的意义。本文主要介绍了如何通过STEP7和Wincc搭建PID仿真平台来学习PID调节。

【关键词】PID控制；STEP7；Wincc；被控对象仿真

一、PID仿真实验在化工行业培训教中的实用性

PID控制是在化工生产过程中实用性最强、使用范围最广泛的一种自动控制系统。在实际生产过程中，DCS或者PLC系统中的PID模块组态简单，使用方便，所需硬件少，所需调节参数少，调节器设定值、输出值和被控变量的实时和历史趋势查看方便，成本及维护费用低等优点，使得DCS或PLC控制系统中的软调节器代替了大部分的PID调节器模块。

在连续生产的化工行业，温度、压力等被控变量控制精度要求较高，不允许较大的波动和超调现象出现。在实际生产过程中，P、I、D调节参数的投用切除和参数值的修改都会引起调节品质的变化，而且三个参数都对调节品质有影响，所以需要足够的经验才可以将PID调节器参数调至合适。在实际的生产过程中，被控变量达到调节要求并趋于稳定后，调节参数不能随意修改，即使遇到有调节需要的仪表回路，有可能因为调节参数设置不当，造成被调参数的振荡，导致物料的浪费甚至停车事故，所以在生产过程中工艺及自控人员没有足够多的机会去积累PID调节方便的经验，在停车检修过程中，又没有真实生产过程供工艺及自控人员练习。

西门子STEP7是西门子S7 300＼400系列PLC的组态编程环境，其仿真环境PLCSIM可以很好的模拟S7 300＼400系列PLC控制器和用户程序的运行。西门子S7 300＼400系列PLC具有强大的PID控制功能，并具有FB41（连续控制器）、FB42（步进控制器）、FB43（脉冲发生器）、用于温度控制的FB58和FB59等PID相关的功能块和相应的系统功能块，并可以通过软件来实现自整定功能。

实际生产过程中，通过对被控对象的数学模型的研究发现，大部分生产过程都属于用一阶惯性环节、二阶振荡环节、一阶纯滞后环节、二阶纯滞后环节，通过PLC编程，可实现对实际生产过程的仿真模拟，达到与实际的生产过程相似的条件，便于操作人员的学习。

二、PID控制功能块在化工生产过程中的应用

西门子S7 300＼400系列CUP均可处理FB41、FB42、FB43、FB58、FB59功能块，其中FB41用于模拟量的连续控制，在实际生产应用最为广泛。

FB41功能块允许操作人员将控制器切至手动模式，在检测回路需要维修时切出或者工况不稳定时进行手动调节。在手动模式下，控制器输出值由操作人员人在操作画面上手动输入值代替，不再受PID控制器控制，同时控制器的在手自动切换过程中输出值是不变化的，即无扰动切换。

PID控制器既可以用作定值控制器，也可以在复杂回路中用作串级、比值、混合控制器，实现复杂运算。同时在DISV端连接一个干扰变量，则不需要做更多的组态，可以方便的实现前馈控制。

PID控制器采用的是位置式PID算法，比例、积分、微分三个控制器作用是并行相加共同作用的，P控制器、I控制器、D控制器可并行连接，同时在组态时，根据生产工况和被调对象的特性可以分别进启用和停止P、I、D运算，以便组成P、PI、PID不同的控制器搭配形式。

三、被控对象的仿真程序设计

1.二阶振荡环节的数学模型

在工业生产过程中，大多数被控对象可以用一阶系统、二阶系统、一阶纯滞后系统、二阶纯滞后系统这几种数学模型来近似表达，采用二阶振荡环节的数学模型来代替生产过程中的被控对象，具有较强的代表性。

二阶惯性系统的数学模型为：

根据公式（4-4）进行迭代计算，可计算出二阶振荡环节仿真系统的输出。

2.二阶振荡环节对象仿真程序设计

根据二阶振荡环节数学模型的差分方程，按以下流程将该对象数学模型转化为STEP7程序。

同时，可以通过编写一阶、二阶、滞后环节等不同数学模型的功能块，在Wincc画面中进行选择调用，可以通过不同的仿真对象来研究PID调节器和被控对象之间的关系。

四、WINCC仿真界面组态

在编写好的STEP7“PID控制仿真程序”中直接创建WINCC程序，可以将STEP7中的变量直接传送给WINCC，可以减少创建WINCC变量花费的时间，避免变量地址出现错误。

在计算机控制面板中打开设置PC/PG接口，在弹出的对话框中，将“应用程序访问节点”设置成“S7ONLINE（STEP7）àPLCSIM（MPI）”和“MPI（Wincc）àPLHCSIM（MPI）”，打开“PID控制仿真程序”，在项目名称上点击右键插入一个“OS站点”。打开STEP7中定义的变量符号表，选择需要传送给WINCC的变量，点击右键选择“特殊对象属性”，在右侧选项中选择“操作员监控”，选择的变量前边出现绿色的小三角，然后对OS站进行编译，编译成功后检查OS站内WINCC项目中是否将STEP7变量传送到WINCC中。

在WINCC画面编辑器中创建一幅带有闭环负反馈调节回路的液位流程图画面及包含该调节回路PV值、SP值、OP值的历史趋势画面，通过流程图画面可以方便观察模拟液位的升降，在PID调节面板中，可以设定PID调节器的各个参数，同时可以观察调节器的输出变化，同时修改液位的SP值，给PID调节器提供一个阶跃响应信号，观察调节器的调节效果。在历史趋势画面中，可以观察到PID调节器的整个调节过程的趋势曲线，为PID整定提供一个调整的依据。

通过以上步骤对STEP7和Wincc进行组态，即可在计算机教学平台上搭建一个简易的PID仿真教学系统。采用西门子STEP7和WINCC搭建的仿真平台开发时间短，所需资金少，不影响实际的生产过程，同时也可以熟悉S7系列PLC的PID控制块如何组态和工作，这是采用生产过程教学或编写专业的软件仿真系统不可比拟的优势，在专业培训教学过程中，可以起到重要的作用。

参考文献

[1]吕卫阳.控制系统的基本算法及软件实现[J].自动化博览，2009（10）.

[2]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术（第3版）[M].机械工业出版社，2011-12-01.

[3]关朝旺，廖常初.西门子S7-PLCSIM仿真软件的应用[D].电工技术，2004（01）.

[4]王立勇，姚贵宇.仿真PLC技术在PLC程序调试中的应用[D].工业控制计算机，2007（11）.

[5]朱勇，叶华，刘成良.使用WinCC在机电一体化系统中实现过程监控[J].仪表技术与传感器，2004（6）.

作者简介：卫苏军，男，助理工程师，现供职于天津津滨石化设备有限公司，从事化工电气仪表维护工作。