Hej där! Som Siemens PLC-leverantör har jag fått massor av frågor om att använda PID-kontrollfunktionen i Siemens PLC:er. Det är en superanvändbar funktion, men det kan vara lite knepigt att linda huvudet i början. Så jag tänkte dela med mig av några tips och tricks om hur man använder det effektivt.
Vad är PID-kontroll?
Innan vi dyker in i hur man använder PID-kontroll i Siemens PLC:er, låt oss snabbt gå igenom vad PID-kontroll är. PID står för proportionell, integral och derivat. Det är en kontrollalgoritm som används för att reglera en processvariabel, som temperatur, tryck eller flödeshastighet, till ett önskat börvärde.
Den proportionella termen justerar utgången baserat på strömfelet mellan börvärdet och processvariabeln. Integraltermen ackumulerar felet över tiden och justerar utsignalen för att eliminera alla fel i stationärt tillstånd. Derivattermen förutsäger det framtida felet baserat på förändringshastigheten för processvariabeln och justerar utmatningen för att förhindra översvängning.
Varför använda PID-kontroll i Siemens PLC:er?
Siemens PLC:er används i stor utsträckning inom industriell automation eftersom de är pålitliga, flexibla och lätta att programmera. PID-styrfunktionen i Siemens PLC:er låter dig implementera avancerade styrstrategier för att förbättra prestanda och effektivitet i dina processer.
Här är några av fördelarna med att använda PID-kontroll i Siemens PLC:er:
- Förbättrad processstabilitet:PID-kontroll hjälper till att upprätthålla en stabil processvariabel genom att justera uteffekten baserat på det aktuella felet och förändringshastigheten för processvariabeln.
- Minskad överskjutning och sättningstid:Den derivata termen i PID-kontroll hjälper till att förutsäga det framtida felet och justera utsignalen för att förhindra översvängning. Integraltermen hjälper till att eliminera alla steady-state-fel och minska inställningstiden.
- Ökad effektivitet:PID-kontroll hjälper till att optimera processen genom att justera uteffekten till den miniminivå som krävs för att bibehålla börvärdet. Detta kan resultera i energibesparingar och minskat slitage på utrustning.
Hur man använder PID-kontroll i Siemens PLC:er
Nu när vi har täckt vad PID-kontroll är och varför det är användbart, låt oss ta en titt på hur man använder det i Siemens PLC:er. Processen att använda PID-kontroll i Siemens PLC:er kan delas upp i följande steg:
- Definiera processvariabel och börvärde:Det första steget är att definiera den processvariabel som du vill kontrollera, som temperatur, tryck eller flödeshastighet, och önskat börvärde.
- Välj lämpligt PID-regulatorblock:Siemens PLC:er erbjuder en mängd olika PID-kontrollblock, alla med olika funktioner och möjligheter. Du måste välja lämpligt PID-regulatorblock baserat på dina applikationskrav.
- Konfigurera PID-regulatorblocket:När du har valt lämpligt PID-regulatorblock måste du konfigurera det genom att ställa in PID-parametrarna, som proportionell förstärkning, integraltid och derivattid.
- Anslut PID-regulatorblocket till processvariabeln och utgång:Nästa steg är att koppla PID-regulatorblocket till processvariabeln och utgången. Processvariabeln mäts vanligtvis med hjälp av en sensor, och utsignalen är vanligtvis en styrsignal som används för att justera processen.
- Ställ in PID-regulatorn:När du har konfigurerat PID-regulatorblocket och anslutit det till processvariabeln och utgången, måste du ställa in PID-regulatorn för att optimera dess prestanda. Detta innebär att justera PID-parametrarna för att uppnå önskat svar.
Låt oss ta en närmare titt på vart och ett av dessa steg.
Steg 1: Definiera processvariabel och börvärde
Det första steget i att använda PID-styrning i Siemens PLC:er är att definiera den processvariabel som du vill styra och önskat börvärde. Processvariabeln mäts vanligtvis med hjälp av en sensor, som en temperatursensor, trycksensor eller flödessensor. Börvärdet är det önskade värdet på den processvariabel som du vill behålla.
Låt oss till exempel säga att du kontrollerar temperaturen i en uppvärmningsprocess. Processvariabeln skulle vara temperaturen för uppvärmningsprocessen, och börvärdet skulle vara den önskade temperaturen som du vill bibehålla.
Steg 2: Välj lämpligt PID-kontrollblock
Siemens PLC:er erbjuder en mängd olika PID-kontrollblock, alla med olika funktioner och möjligheter. Du måste välja lämpligt PID-regulatorblock baserat på dina applikationskrav.
Några av de faktorer som du måste tänka på när du väljer ett PID-regulatorblock inkluderar:
- Antal ingångar och utgångar:PID-regulatorblocket bör ha tillräckligt med in- och utgångar för att tillgodose dina applikationskrav.
- PID-algoritm:PID-regulatorblocket bör stödja den PID-algoritm som du vill använda, som standard-PID-algoritmen eller PI-algoritmen.
- Samplingstid:Provtagningstiden för PID-regulatorblocket bör vara lämplig för dina applikationskrav.
- Skalnings- och ingenjörsenheter:PID-regulatorblocket bör stödja skalnings- och konstruktionsenheterna för din processvariabel och utgång.
Här är några av PID-regulatorblocken som är tillgängliga i Siemens PLC:er:
- FB41 (CONT_C):Detta är ett standard PID-kontrollblock som är tillgängligt i Siemens PLC:er. Den stöder standard PID-algoritmen och har en mängd olika funktioner och möjligheter, som auto-tuning, manuellt läge och anti-windup.
- FB42 (CONT_S):Detta är ett specialiserat PID-kontrollblock som är designat för användning i kontinuerliga processer. Den stöder PI-algoritmen och har en mängd olika funktioner och möjligheter, som auto-tuning, manuellt läge och anti-windup.
- FB43 (PULSEGEN):Detta är ett specialiserat PID-kontrollblock som är designat för användning i pulsbreddsmodulationsapplikationer (PWM). Den stöder standard PID-algoritmen och har en mängd olika funktioner och möjligheter, som auto-tuning, manuellt läge och anti-windup.
Steg 3: Konfigurera PID-kontrollblocket
När du har valt lämpligt PID-regulatorblock måste du konfigurera det genom att ställa in PID-parametrarna, som proportionell förstärkning, integraltid och derivattid. PID-parametrarna bestämmer hur PID-regulatorn reagerar på förändringar i processvariabel och börvärde.
Den proportionella förstärkningen bestämmer styrkan på den proportionella termen i PID-algoritmen. En högre proportionell förstärkning kommer att resultera i ett snabbare svar, men det kan också leda till översvängning och instabilitet. En lägre proportionell förstärkning kommer att resultera i ett långsammare svar, men det kan också leda till ett stabilare system.
Integraltiden bestämmer styrkan på integraltermen i PID-algoritmen. En kortare integraltid kommer att resultera i en snabbare eliminering av steady-state-fel, men det kan också leda till översvängning och instabilitet. En längre integraltid kommer att resultera i en långsammare eliminering av steady-state fel, men det kan också leda till ett mer stabilt system.
Derivattiden bestämmer styrkan på derivattermen i PID-algoritmen. En längre derivattid kommer att resultera i en snabbare förutsägelse av det framtida felet och ett snabbare svar, men det kan också leda till brus och instabilitet. En kortare derivattid kommer att resultera i en långsammare förutsägelse av det framtida felet och ett långsammare svar, men det kan också leda till ett mer stabilt system.
Processen att konfigurera PID-kontrollblocket kan vara lite knepig, speciellt om du är ny på PID-kontroll. Lyckligtvis erbjuder Siemens PLC:er en mängd olika verktyg och funktioner som hjälper dig att konfigurera PID-kontrollblocket, som PID-tunerverktyget och onlinehjälpsystemet.
Steg 4: Anslut PID Controller Block till Process Variable och Output
Nästa steg är att koppla PID-regulatorblocket till processvariabeln och utgången. Processvariabeln mäts vanligtvis med hjälp av en sensor, och utsignalen är vanligtvis en styrsignal som används för att justera processen.
Processen att ansluta PID-regulatorblocket till processvariabeln och utgången kan variera beroende på vilken typ av PID-regulatorblock som du använder och vilken typ av sensor och utgång som du använder. Den allmänna processen innefattar dock följande steg:
- Anslut processvariabeln till ingången på PID-regulatorblocket:Processvariabeln mäts vanligtvis med hjälp av en sensor, som en temperatursensor, trycksensor eller flödessensor. Du måste ansluta sensorns utgång till ingången på PID-regulatorblocket.
- Anslut utgången från PID-regulatorblocket till utgångsenheten:Utsignalen från PID-regulatorblocket är vanligtvis en styrsignal som används för att justera processen. Du måste ansluta utgången från PID-regulatorblocket till ingången på utgångsenheten, som en ventil, motor eller värmare.
- Konfigurera in- och utgångsskalningen:In- och utgångsskalningen bestämmer hur processvariabeln och utgången konverteras mellan de fysiska enheterna och de digitala värden som används av PID-regulatorblocket. Du måste konfigurera in- och utgångsskalningen baserat på specifikationerna för sensorn och utgångsenheten.
Steg 5: Ställ in PID-kontrollen
När du har konfigurerat PID-regulatorblocket och anslutit det till processvariabeln och utgången, måste du ställa in PID-regulatorn för att optimera dess prestanda. Detta innebär att justera PID-parametrarna för att uppnå önskat svar.
Processen att ställa in PID-regulatorn kan vara lite knepig, speciellt om du är ny på PID-kontroll. Det finns dock en mängd olika metoder och tekniker som du kan använda för att ställa in PID-regulatorn, som Ziegler-Nichols-metoden, Cohen-Coon-metoden och funktionen för automatisk justering.
Ziegler-Nichols-metoden är en populär metod för att ställa in PID-regulatorn. Det innebär följande steg:
- Ställ in integraltiden och derivattiden till noll:Det första steget är att ställa in integraltiden och derivattiden till noll och öka den proportionella förstärkningen tills systemet börjar oscillera.
- Registrera den kritiska vinsten och den kritiska perioden:Den kritiska förstärkningen är den proportionella förstärkningen vid vilken systemet börjar svänga, och den kritiska perioden är tidsperioden för svängningarna.
- Beräkna PID-parametrarna:När du har registrerat den kritiska förstärkningen och den kritiska perioden kan du beräkna PID-parametrarna med Ziegler-Nichols formler.
Cohen-Coon-metoden är en annan populär metod för att ställa in PID-regulatorn. Den liknar Ziegler-Nichols-metoden, men den tar hänsyn till processdynamiken och systemets dödtid.
Den automatiska inställningsfunktionen är ett bekvämt sätt att ställa in PID-regulatorn. Den är tillgänglig i vissa Siemens PLC:er och låter dig ställa in PID-regulatorn automatiskt genom att köra ett test på systemet.
Exempel på användning av PID-kontroll i Siemens PLC:er
Nu när vi har täckt grunderna för att använda PID-kontroll i Siemens PLC:er, låt oss ta en titt på några exempel på användning av PID-kontroll i verkliga applikationer.
Exempel 1: Temperaturkontroll
Låt oss säga att du styr temperaturen i en uppvärmningsprocess med hjälp av en Siemens PLC. Processvariabeln är temperaturen för uppvärmningsprocessen, och börvärdet är den önskade temperaturen som du vill bibehålla.
Följande steg beskriver hur du kan använda PID-kontroll för att kontrollera temperaturen i uppvärmningsprocessen:
- Definiera processvariabel och börvärde:Processvariabeln är temperaturen för uppvärmningsprocessen, och börvärdet är den önskade temperaturen som du vill bibehålla.
- Välj lämpligt PID-regulatorblock:Du måste välja lämpligt PID-regulatorblock baserat på dina applikationskrav. För det här exemplet, låt oss använda FB41 (CONT_C) PID-regulatorblocket.
- Konfigurera PID-regulatorblocket:Du måste konfigurera PID-regulatorblocket genom att ställa in PID-parametrarna, som proportionell förstärkning, integraltid och derivattid. För det här exemplet, låt oss använda följande PID-parametrar:
- Proportionell vinst: 2,0
- Integraltid: 100 s
- Derivattid: 10 s
- Anslut PID-regulatorblocket till processvariabeln och utgång:Du måste ansluta PID-regulatorblocket till processvariabeln och utgången. Processvariabeln mäts vanligtvis med hjälp av en temperatursensor, och utgången är vanligtvis en styrsignal som används för att justera värmaren.
- Ställ in PID-regulatorn:Du måste ställa in PID-regulatorn för att optimera dess prestanda. Detta innebär att justera PID-parametrarna för att uppnå önskat svar. För det här exemplet, låt oss använda Ziegler-Nichols-metoden för att ställa in PID-regulatorn.
Exempel 2: Tryckreglering
Låt oss säga att du styr trycket i ett hydraulsystem med hjälp av en Siemens PLC. Processvariabeln är trycket i hydraulsystemet, och börvärdet är det önskade trycket som du vill upprätthålla.
Följande steg beskriver hur du kan använda PID-kontroll för att kontrollera trycket i hydraulsystemet:
- Definiera processvariabel och börvärde:Processvariabeln är trycket i hydraulsystemet, och börvärdet är det önskade trycket som du vill upprätthålla.
- Välj lämpligt PID-regulatorblock:Du måste välja lämpligt PID-regulatorblock baserat på dina applikationskrav. För det här exemplet, låt oss använda FB41 (CONT_C) PID-regulatorblocket.
- Konfigurera PID-regulatorblocket:Du måste konfigurera PID-regulatorblocket genom att ställa in PID-parametrarna, som proportionell förstärkning, integraltid och derivattid. För det här exemplet, låt oss använda följande PID-parametrar:
- Proportionell vinst: 1,5
- Integraltid: 150 s
- Derivattid: 15 s
- Anslut PID-regulatorblocket till processvariabeln och utgång:Du måste ansluta PID-regulatorblocket till processvariabeln och utgången. Processvariabeln mäts vanligtvis med en trycksensor, och utsignalen är vanligtvis en styrsignal som används för att justera pumpen.
- Ställ in PID-regulatorn:Du måste ställa in PID-regulatorn för att optimera dess prestanda. Detta innebär att justera PID-parametrarna för att uppnå önskat svar. För det här exemplet, låt oss använda Cohen-Coon-metoden för att ställa in PID-regulatorn.
Slutsats
Sammanfattningsvis kan användningen av PID-kontroll i Siemens PLC:er vara ett kraftfullt sätt att förbättra prestanda och effektivitet i dina processer. Genom att följa stegen som beskrivs i det här blogginlägget kan du lära dig hur du använder PID-kontroll i Siemens PLC:er och tillämpar den på dina egna applikationer.
Om du är intresserad av att lära dig mer om att använda PID-kontroll i Siemens PLC:er eller om du letar efter en pålitlig Siemens PLC-leverantör, tveka inte att kontakta oss. Vi hjälper dig gärna med dina automatiseringsbehov.
Referenser
- Siemens Automation and Drives. (20XX). SIMATIC S7-1200 Systemmanual.
- Siemens Automation and Drives. (20XX). SIMATIC S7-1500 Systemmanual.
- Siemens Automation and Drives. (20XX). SIMATIC S7-200 Systemmanual.