安徽西门子S7-200SMART模块代理经销商

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通用闭环控制模板也是特殊的功能模板，用来实现PID的闭环控制功能，例如，西门子公司S7-300 PLC系列中的FM 355模板（见图2-7）就是这种类型的模板，它是专门用来实现温度PID闭环控制的，下面我们详细介绍这一模板的性能和技术指标。

    1) FM 355模板的概述。

    如图2-7所示，这是一种专门用于温度控制的4通道闭环控制模块，具有方便的集成在线自设定优化控制功能。模板具有加热作用输出和冷却作用输出，能实现加热和冷却控制以及组合控制，模板具有预编程控制器结构，有2种控制算法：

    ①FM 355 C作为连续作用控制器。

    ②FM 355 S作为步级或脉冲控制器。

    即用于通用型号执行器的直接控制的4个模拟输出( FM 355 C)或8个数字量输出(FM 355 S)。即使CPU停止工作或发生故障，控制模板也能继续工作，不受影响。

    2) FM 355模板的应用范围。

    FM 355闭环控制模块是集成的4通道温度控制模块。它可以应用于以下场合，例如，通用机械工程、设备制造、工业窖炉、冷却和加热器械、食品和饮料工业、橡胶和塑料机器、化学和过程控制工业、玻璃和陶瓷工业、木材和造纸工业等。

    3) FM 355模板有两种类型

    FM 355C，带有控制模拟执行器的4个模拟量输出的连续控制器；FM 355S，带有控制脉冲宽度调制执行器或二进制位控制执行器（如电热片和电热管）的8个数字输出的脉冲控制器。

    FM 355可以用在SIMATIC S7-300 PLC和ET 200 M中（以S7-300/400作为DP主站，ET 200 M是DP从站）。

    4) FM 355具有以下特点：

    接线简单：传感器和执行器通过两个分开的20针前连接器进行连接。

    发光二极管指示功能：红色发光二极管表示故障（组故障），绿色发光二极管表示数字量输入状态，黄色发光二极管表示备份操作方式。

    能进行高性能的测量数据采集：模块有4个模拟量输入，用于模拟量值和扰动变量输入以及1个附加的模拟量输入，用于使用热电偶时作为热补偿的模拟值输入。

    可以使用不同的传感器，如热电偶、Pt 100电阻、电压传感器、电流传感器。

    5) FM 355模板的I/O范围。

    ①FM 355 C：4个模拟输出用于模拟执行器。

    ②FM 355 S：带有控制脉冲宽度调制执行器或二进制位控制执行器的8个数字输出的脉冲控制器，执行器所用的DC 24V电压由外部供电。

    6) FM 355模板的分辨率和精度。

    模板上模拟量转换为数字量的分辨率达到14位，这一优点在使用热电偶时特别突出。

    7) FM 355模板的组态软件包。

    模板提供的组态软件包(CD)，包含模板与CPU进行数据交换的标准功能块，参数化屏幕格式以及使用手册。

    8) FM 355模板的功能。

    FM355有4个独立的闭环控制通道。控制器具有以下特点：

    ①预置的控制器结构组态取决于所选择的控制器结构，可以将多个不同类型的控制器相互连接成单一的结构，允许组态的结构有固定的设定点控制、级联式控制、比例控制、3部件控制。

    根据所选控制器结构，几个控制器可以组合成为一种结构。

    ②控制器有多种方式选择，有自动模式、手动模式、安全模式、跟随模式和备份模式。

    ③采样时间为100~ 500ms（取决于使能的模拟输入数目）。

    ④PID算法，集成在线自设定优化控制功能在模块内，不需要组态工具就可以执行，例如通过操作模板。新的优化算法可以在接近稳态时（温度近似达到稳定状态）时启动，它不需要等待冷却到环境温度后，在一个加热过程中完成。PID的参数在步响应达到工作点后很快被确定。这样能快速地得到工作点的参数。

    ⑤由于参考支路和反馈支路的P比例项是连续的，因此在设定点阶跃变化时以及在一个优化的控制响应情况下，比例项的效应是精确地、成比例地减小。

    ⑥控制器具有一个可调整的控制域。如果实际值处在控制域内，则控制器将以闭环控制方式运行。当实际值处在闭环控制域外时，将自动转为开环控制方式，并以大的加热或冷却设置工作，从而保证快速地进入运行点。

    ⑦备份模式。一旦CPU发生故障或CPU停止工作，控制器能够独立地继续工作。为此目的，利用“备份模式”功能，设定一个可参数化的安全设定点，或一个可参数化的安全

操纵变量进行工作。

    ⑧扰动变量输入。模拟输入除了用作实际值采集外，如果有必要的话，还可用来作为前馈补偿输入。

    ⑨温度补偿。在使用热电偶时，模板提供了下面几种温度补偿方式，集成的温度传感器、外部的Pt 100电阻、参数化的比较温度。

    使用FM 355模板时，随模板提供一个软件SIMATIC S7 FM 355-2 Temperature Control V5.1，当在STEP 7软件中安装上述FM 355-2模板软件后，为模板提供了若干的功能块(FB)，在表2-2中，总结了，这些功能块的意义。

    表2.2    FM 355模板内置功能块说明

    PID，PID回路指令。使能输入有效时，该指令利用回路表中的输入信息和组态信息，进行PID运算。梯形图的指令盒中有2个数据输入端：TBL，回路表的起始地址，是由VB的字节型数据；LOOP，回路号，是0～7的常数。

    指令影响的特殊标志存储器位：SM1.1（溢出）。

    使能流输出ENO断开的出错条件：SM1.1（溢出）、SM4.3（运行时间）、0006（间接寻址）。

    指令格式：PID    TBL，LOOP

    (1) PID回路号。

    用户程序中多可有8条PID回路，不同的PID回路指令不能使用相同的回路号，否则，会因PID运算的相互干扰而产生不可预料的结果。

    (2)数值转换及标准化。

    给定值和过程变量都可能是现实世界的值，它们的大小、范围和工程单位都可能不一样。在PID指令对这些现实世界的值进行运算之前，必须把它们转换成标准的浮点型表达形式。

    给定值和过程变量的标准化公式：RNom=RRaw／Span +Offset

    式中：RNom    标准化的实数值

    RRav    给定值和过程变量的原值

    Span    值域的大小，为可能的大值减可能的小值

    Offset    偏移量，单极性为0，双极性为0.5

    通过上述公式可以将给定值和过程变量转化为0～1.0之间的标准值（双极性标准值在0.5上下变化；单极性在0.0和1.0之间变化）。

    PID回路输出为0~1.0之间的标准化实数值，在回路输出可以用于驱动模拟输出之前，必须将其转换成一个16位的标定整数值。

    回路输出转换成标定实数值公式：Rscal=(Mn- Offset)×Span

    式中：Rscal    回路输出的标定实数值

    Mn    回路输出的标准化实数值

    Span    值域的大小，为可能的大值减可能的小值

    Offset    偏移量，单极性为0，双极性为0.5

    (3)选择PID回路类型。

    在大部分模拟量的控制中，使用的回路控制类型并不是比例、积分和微分三者俱全。例如，只需要比例回路或只需要比例积分回路，通过对常量参数的设置，可以关闭不需要的控制类型。

    关闭积分回路：把积分时间TI设置为无穷大，此时虽然由于有初值MX使积分项不为零，但积分作用可以忽略。

    关闭微分回路：把微分时间TD设置为0，微分作用即可关闭。

    关闭比例回路：把比例增益Kc设置为0，则可以只保留积分和微分项。

    (4) PID控制方式。

    为了让PID运算以预想的采样频率工作，PID指令必须用在定时发生的中断程序中，或者用在主程序中被定时器所控制以一定频率执行。采样时间则必须通过回路表输入到PID运算中。

    S7-200的PID指令回路没有设置控制方式，只有当PID指令盒有能流流入时，才执行PID运算。执行PID运算称为“自动”方式。不被执行PID运算时，称为“手动”模式。PID指令的使能位检测到信号的正跳变后，PID指令执行一系列的动作，使PID指令从手动方式无扰动地切换到自动方式。为了达到无扰动切换，在转变到自动方式前，必须把手动方式下的输出值填入回路表中的Mn栏。

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