本程序的设计主要是针对水箱液位的在线控制而设计的，利用PID控制方式，使下水箱液位达到控制要求。本人设计了两套系统，一个是单闭环的一个是三闭环的，对其控制效果进行比较，得出两系统优缺点。下面对本程序的设计作详细介绍。在本程序中，使用的主要模块有：OB35，DB41，DB42, DB43，DB44，DB1，OB1和FB41。
2.4.1 OB35模块
S7 CPU提供循环中断OB，可用于按一定间隔中断循环程序的执行，循环中断按间隔触发，间隔的时间是从STOP状态到RUN时开始计算。
时间间隔不能小于5ms，如果时间间隔过短，还没有执行完循环中断程序又开始调用它，将会产生时间错误事件。在本程序中，使用循环中断OB35，其默认的时间间隔为100ms，程序运行后每隔100ms将自动调用一次OB35，周期性地执行闭环控制系统的PID运算程序[3]。
2.4.2 FB41模块
FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量，其功能是S7-300提供的标准的已经为用户编制好程序模块，用户可以直接调用它们，以便高效地编制自己的程序，但不能修改这些功能块。系统功能块有存储功能，其变量保存在指定给它的背景数据块中。FB41的框图如图2.1所示。
图2.1 FB41的框图
（1） 对设定值、过程变量和误差的处理
设定值的输入：浮点数格式的设定值用变量SP_INT（内部设定值）输入。 过程变量的输入：可以用两种方式输入过程变量（即反馈值）：
1、用PV_IN（过程输入变量）输入浮点格式的过程变量，此时开关量PVPER_ON（外围设备过程变量ON）应为0状态。
2、用PV_PER（外围设备过程变量）输入外围设备（I/O）格式的过程变量，即用模拟量输入输出的数字值作为PID调节的过程变量，此时开关量PVPER_ON应为1状态。
外围设备过程变量转换为浮点数：外围设备（即模拟量输入模块）正常范围的最大输出值（100.0%）为27648（6C00H），功能CRP_IN将外围设备输入值转换为-100.0%至100.0%之间的浮点数格式的数值，CPR_IN的输出（以%为单位）用下式计算：
PV_R=PV_PER*100/27648 （2.1）
外围设备过程变量的标准化：PV_NORM功能用下面的公式将CPR_IN的输出PV_R格式化：
PV_NORM的输出=PV_R*PV_FAC+PV_OFF （2.2）
式中：PV_FAC —— 过程变量的系数，默认值为1.0；
PV_OFF —— 过程变量的偏移量，默认值为0.0。 PV_FAC和PV_OFF用来调节过程输入的范围。
如果设定值有物理意义，实际值（即反馈量）也可以转换为该物理值。 （2） 手动模式
参数MAN_ON（手动值ON）为1时为手动模式，为0时为自动模式。在手动模式中，控制变量（Manipulated Variable，即控制器的输出值）被手动选择的值MAN（手动值）代替。
在手动模式时如果令微分分项为0，将积分部分（INT）设置为LMN-LMN_P-DISV，可以保证手动到自动的无忧切换，即切换时控制器的输出值不会突变，DISV为扰动输入变量。 （3） 输出限幅
LMNLIMIT（输出量限幅）功能用于将控制器输出值（Manipulated Value）限幅。 LMNLIMIT功能的输入量超出控制器输出值的上极限LMN_HLM时，信号位QLMN_HLM（输出超出上限）变为1状态；小于下极限值LMN_LLM时，信号位QLMN_LLM（输出超出下限）变为1状态。 （4） 输出量的格式化处理
LMN_NORM（输出量格式化）功能用下述公式来讲功能LMNLIMIT的输出量LMN_LIM格式化：
LMN=LMN_LIM×LMN_FAC+LMN_OFF （2.3）
式中：LMN —— 格式化后浮点数格式的控制器输出值；
LMN_FAC —— 输出量的系数，默认值为1.0； LMN_OFF —— 输出量的偏移量，默认值为0.0； LMN_FAC和LMN_OFF用来调节控制器输出量的范围。 （5） 输出量转换为外围设备（I/O）格式
控制器输出值如果要送给模拟量输出模块中的D/A转换器，需要用“CPR_OUT”功能转换为外围设备（I/O）格式的变量LMN_PER。转换公式为：
LMN_PER=LMN×27648/100 （2.4）
用参数赋值工具可以进行参数检查，给出错误信息[3,6]。FB41的输入参数见表2.1。
表2.1 FB41的输入参数
参数名称 COM_RST CYCLE SP_INT PV_IN PVPER_ON PV_PER PV_FAC PV_OFF DEADB_W GAIN TI TD TM_LAG P_SEL I_SEL D_SEL I_ITLVAL I_ITL_ON 数据类型 BOOL TIME REAL REAL BOOL WORD REAL REAL REAL REAL TIME TIME TIME BOOL BOOL BOOL REAL BOOL 地址 0.0 2 6 10 0.2 14 48 52 36 20 24 28 32 0.3 0.4 0.7 64 0.6 说明 默认值 完全重新起动，为1时执行初始化FALSE 程序 采样时间，两次块调用之间的时间，T#1s 取值范围>=20ms 内部设定值输入，取值范围为±0.0 100.0%或物理值 浮点数格式的过程变量输入 使用外围设备输入的过程变量 0.0 FALSE 外围设备输入的I/O格式的过程变 16#0000 量值 输入的过程变量的系数 输入的过程变量的偏移量 1.0 0.0 死区宽度，误差变量死区带的大0.0 小，>= 0.0或物理值 比例增益输入，用于设置控制器的2.0 增益 积分时间输入，积分器的响应时间，T#20s 取值范围应>= CYCLE 微分时间输入，微分器的响应时间 T#10s 微分操作的延迟时间输入 为1时打开比例（P）操作 为1时打开积分（I）操作 为1时打开微分（D）操作 积分操作的初始值 积分作用初始化，为1时将输入I_ITLVAL作为积分器的初值 T#2s TURE TURE FALSE 0.0 FALSE
表2.2 FB41的输入参数（续2.1）
参数名称 INT_HOLD DISV MAN_ON MAN LMN_HLM LMN_LLM LMN_FAC LMN_OFF 数据类型 BOOL REAL BOOL REAL REAL REAL REAL REAL 地址 0.5 68 0.1 16 40 44 56 60 说明 默认值 为1时积分操作保持，为1时积分FALSE 输出被冻结 扰动输入变量 0.0 为1时控制循环将被中断，手动值TURE 被设置为操作值 操作员接口输入的手动值，取值范0.0 围±100.0%或物理量 控制器输出上限值，取值范围100.0 LMN_LLM~100.0%或物理值 控制器输出下限值，取值范围0.0 -100.0%~ LMN_HLM或物理值 控制器输出量的系数 控制器输出量的偏移量 1.0 0.0 FB41的输出参数见表2.3。
表2.3 FB41的输出参数
参数名称 PV ER LMN_P LMN_I LMN_D QLMN_HLM QLMN_LLM LMN LMN_PER 数据类型 REAL REAL REAL REAL REAL BOOL BOOL REAL WORD 地址 92 96 80 84 88 78.0 78.1 72 76 说明 格式化的过程变量输出 死区处理后的误差输出 控制器输出值中的比例分量 0.0 0.0 0.0 默认值 控制器输出值中的积分分量 0.0 控制器输出值中的微分分量 0.0 控制器输出超过上限 控制器输出小于下限 浮点数格式的控制器输出值 I/O格式的控制器输出值 FALSE FALSE 0.0 16#0000
西门子S7-300 PLC简介
