西門子6ES7 214-1AG40-0XB0

3.1 控制帶

　　溫度控制回路是一個有明顯滯后特性的對象，這給實際的調節過程帶來了很多的問題，顯著的困難就是在過程值偏離設定值較大時，調節過程過于緩慢，而在接近設定值時容易出現較大的超調。

　　從上述的兩個問題出發，PID應該滿足這樣的功能：

　　- 在偏差超過一定的范圍時，PID輸出或者小的調節量，讓溫度值快速回到一個小的范圍中，以縮短回路的調節時間；

　　- 在設定值附近時，越靠近調節量變化越小，以防止超調。

　　為此，FB58提供了一個“控制帶(Control Zone)”功能，其工作原理是這樣的：

　　- 當過程值PV大于設定值SP_INT，且偏差的值超過CON_ZONE，則以輸出下限LMN_LLM作為輸出值；

　　- 當過程值PV小于設定值SP_INT，且偏差的值超過CON_ZONE，則以輸出上限LMN_HLM作為輸出值；

　　- 如果偏差的值小于CON_ZONE，則以實際PID的計算結果作為輸出值。

　　圖10 控制帶（正作用情況下，即GAIN>0.0）

　　默認參數中LMN_LLM是0.0，LMN_HLM是100.0，控制帶使能位CONZ_ON是False，控制帶范圍是100.0。

　　如上圖所示的控制帶解決了在偏差較大時PID調節過于緩慢的問題，但在控制帶范圍中要避免因大滯后導致的超調，需要弱化PID的輸出，要實現這個功能，可以通過降低比例參數和增加微分作用。在同樣的偏差情況下，比例增益越小，PID輸出變化越緩慢。微分作用簡單來看就是通過偏差的變化量來調節，在接近設定值的過程中，溫度變化速度在逐步變慢，此時的微分作用可以起到弱化控制輸出的功能，進而達到減少超調的目的。因此，推薦控制帶在有微分作用的前提下使用。參數裝載的過程也體現了這一點：

　　- 如果是裝載PI_CON下的參數，因為沒有微分功能，所以會設置CONZ_ON為False。

　　在使用過程中，控制帶參數CON_ZONE應該始終設置為一個大于等于0.0的值，否則會導致PID運算結果永遠不會被執行的故障現象。

　　3.2 脈沖輸出方式

　　和FB41不同，FB58中集成有脈寬調制輸出的功能，通過將PID的運算結果換算成對應的脈沖占空比來達到加熱/冷卻的控制。

　　在FB58的脈沖輸出環節中涉及到的關鍵參數有：

　　PULSE_ON：脈沖輸出使能；

　　PER_TM：輸出脈沖的周期時間；

　　CYCLE_P：脈沖輸出的刷新時間，推薦PER_TM/CYCLE_P>50，即將周期時間分為時間長度為CYCLE_P的“片”，在每個CYCLE_P時間間隔里，脈沖輸出單元運算一次以判斷下一個CYCLE_P中應該輸出高電平還是低電平，PER_TM和CYCLE_P的比值越大，說明輸出脈沖的精度就也高；

　　P_B_TM：小脈沖/小斷開時間。例如當PID的計算輸出接近于100.0時，那么輸出的脈沖中低電平時間接近于0，針對執行機構而言，其需要在極短的時間里關斷，然后再打開，這會嚴重縮短設備的工作壽命，為此，通過設置小脈沖斷開/脈沖時間就可以避免此問題。當需要輸出的高電平時間小于P_B_TM時，則不會輸出這個高電平；當需要輸出的高電平時間大于周期時間PER_TM-P_B_TM時，則整個周期都輸出高電平。P_B_TM設置的過長，可以降低對執行機構的沖擊，但會影響輸出脈沖和整個回路的控制精度；設置的過短，則對執行機構不利。

　　圖11 脈沖輸出

　　如上圖所示，LmnN為PID的運算結果，通過和脈沖周期時間PER_TM相乘得到高電平的輸出時間：

　　脈寬=LmnN*PER_TM/100

　　脈沖輸出單元每次執行都累加一個CYCLE_P，通過判斷累加值和脈寬，或者和周期與脈寬差值的比較來改變輸出點的狀態。

　　3.2.1 脈沖輸出和PID運算

　　在FB58中，脈沖輸出和PID計算是兩個相對獨立的過程，各自有自己的計算周期。對于PID計算來說，CYCLE參數可以看成是PID計算的循環周期時間，例如PID在OB35每次執行過程中都會被調用，而硬件組態過程中OB35的周期時間被設置成了500ms，則CYCLE應該填寫為0.5。對于脈沖輸出來說，其循環周期時間是CYCLE_P。這兩個時間參數可以一樣，也可以不一樣。PID的計算周期主要由被測量的變化規律決定的，而脈沖輸出的CYCLE_P參數由要求的脈沖輸出精度決定。

　　為了協調PID和脈沖輸出之間的矛盾，FB58提供了“SELECT”參數，其具體使用如下所示：

　　根據上表描述，FB58的調用可以有如下三種情況：

　　（1）SELECT=0，FB58只在周期中斷OB（例如OB35）中調用

　　此時的參數配置應該將CYCLE_P和周期中斷OB的中斷時間保持一致。因為PID計算的執行條件是CYCLE_P的累計值和CYCLE參數一致，而脈沖輸出周期PER_TM則應該CYCLE_P的整數倍，和CYCLE無關。

　　例如，在OB35中調用FB58，OB35的周期時間為50ms，FB58中的CYCLE_P是0.05s，CYCLE是1.0s，PER_TM是3.0s。

　　觀察參數之間的關系，CYCLE是CYCLE_P的20倍，即OB35每20個周期執行一次FB58里的PID計算，而輸出的脈沖周期是3秒鐘。

　　（2）FB58分別在OB1和周期中斷OB（例如OB35）中調用

　　在兩個OB塊中調用的FB58使用同樣的背景數據塊和參數，只是SELECT參數有所不同，在OB1中調用，SELECT設置為1；在周期中斷OB中調用，SELECT設置為2。為了縮短OB1執行時間，可以通過FB58背景數據塊中的“QC_ACT”來選擇是否執行FB58，當QC_ACT為TRUE時，執行，否則跳過。

　　在這種方式下，處理原理同（1）一致，不同的是PID運算總是在OB1中執行罷了。OB1的執行周期對PID運算、脈沖輸出均沒有影響。

　　（3）FB58在兩個不同周期時間的周期中斷OB（例如OB32和OB35）中調用

　　FB58分別在兩個周期中斷OB中調用，其中周期時間長的OB中調用的FB58的SELECT參數設置為3，時間短的設置為2。

　　同前面兩種情況不一樣，SELECT選擇為3時，PID的運算只和調用周期有關。例如OB32定義的周期時間是1000ms，OB35的周期時間是100ms，CYCLE_P是0.02s，PER_TM是1.0s。這樣在OB32中定義SELECT參數為3，則每1秒鐘就執行一次PID運算，并不是由CYCLE和CYCLE_P的關系來決定。

　　3.2.2 參數設置的經驗法則

　　前面的描述說明了CYCLE/CYCLE_P/PER_TM之間的關系，對于具體的參數設置，可以有如下幾條法則：

　　（1）CYCLE時間不能超過積分時間TI的10%；

　　（2）為了保證控制精度，脈沖周期時間PER_TM應該至少是CYCLE_P的50倍；

　　（3）脈沖周期時間CYCLE不能超過積分時間TI的5%