有的西門子S7-300信號模塊具有對信號進行監(jiān)視（診斷）和過程中斷的智能功能。
1.模塊診斷功能
通過模塊診斷可以確定數(shù)字量模塊獲取的信號是否正確，或模擬量模塊的處理是否正確。
數(shù)字量I/O模塊可以診斷出無外部電壓、共模故障、組態(tài)／參數(shù)錯誤、斷線、測量范圍上溢出或下溢出等故障。模擬量輸出模塊可以診斷出無外部電壓、組態(tài)／參數(shù)錯誤、斷線和對地短路等故障。
2.過程中斷
通過過程中斷，可以對過程信號進行監(jiān)視和響應(yīng)。
根據(jù)設(shè)置的參數(shù)，可以選擇數(shù)字量輸入模塊的每個通道組是否在信號的上升沿、下降沿產(chǎn)生過程中斷，或在兩個邊沿都產(chǎn)生過程中斷。信號模塊可以對每個通道的一個中斷進行暫存。
模擬量輸入模塊通過上限值和下限值定義一個工作范圍，模塊將測量值與上、下限值進行比較，如果通過限制，則執(zhí)行過程中斷。
執(zhí)行過程中斷時，CPU暫停執(zhí)行用戶程序，或暫停執(zhí)行低優(yōu)先級的中斷程序，來處理相應(yīng)的診斷中斷功能模塊( OB40)。

在工業(yè)控制中，pid控制器是一種廣泛應(yīng)用的控制方法，可編程序控制器plc是一種新型的工業(yè)控制裝置，利用plc實現(xiàn)對模擬量的pid閉環(huán)控制，具有性能價格比高、用戶使用方便、可靠性高、抗干擾能力強等特點。用plc對模擬量進行數(shù)字pid控制時，可采用3種方法：使用pid專用過程控制模塊、使用plc內(nèi)部的pid功能塊或功能指令或者用戶自己編制pid控制程序。前兩種方法要么價格昂貴，在大型控制系統(tǒng)中才使用；要么算法固定，不夠靈活。為了方便構(gòu)建與靈活應(yīng)用 pid控制器，本文通過對 pid控制算法及西門子plc功能塊性能分析，在siemens s7-300的基礎(chǔ)上，提出一種實現(xiàn)pid功能塊的結(jié)構(gòu)化設(shè)計及具體編制方法，后通過調(diào)用及仿真，證明該功能塊結(jié)構(gòu)及功能完備正確、調(diào)用及算法更替簡單方便。

2  pid控制器在plc中的實現(xiàn)算法

在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的pid閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1所示。圖1中s(t)為給定值，p(t)為反饋量，y(t)為系統(tǒng)輸出量，u(t)為pid控制器輸出量。

圖1 pid閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

pid的控制規(guī)律為：

(1)   

plc控制實際上是計算機采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。故plc的pid控制器的設(shè)計需要將連續(xù)系統(tǒng)的pid控制規(guī)律數(shù)字化寫成離散形式的控制方程，再跟據(jù)離散方程進行控制程序設(shè)計。在此選擇采樣周期為t，積分初值為0，對式(1)進行離散化得到公式(2)

(2)

由式(2)可得出控制器輸出增量為

(3)

3  pid結(jié)構(gòu)化功能塊設(shè)計

3.1 功能塊需求分析及參數(shù)定義

在此設(shè)計的pid功能塊包括三部分的實現(xiàn)功能。一是主體部分，pid主體算法的實現(xiàn)；二是功能塊開始結(jié)束部分，pid功能塊的初始化及退出前處理的實現(xiàn)；三是采樣定時處理部分，在pid功能塊內(nèi)部實現(xiàn)每隔一個采樣時間進行一次pid主體算法部分的計算。

部分：根據(jù)公式(3)，結(jié)合plc的算術(shù)運算指令，得出程序的分解算法如下：

   (4)

迭代：e2=e1，e1= x2，u1=u0；

終輸出控制量：u=u0；

由式(4)可以得出實現(xiàn)pid算法需要的參數(shù)有：sv0給定值輸入量，pv0反饋輸入量，控制器參數(shù)kp、ki、kd；輸出控制量u；過程迭代變量e1、e2、u1及過程普通變量x1、x2、x3、uv、u0。

第二部分：作為一個結(jié)構(gòu)完整的功能塊，還需要有初始化及退出前處理功能，并要求在整個功能塊的調(diào)用過程中各只操作一次。在此需增加輸入信號start及設(shè)置內(nèi)部變量p、n。其中，輸入信號start將實現(xiàn)pid功能塊的啟動與結(jié)束，變量p、n將配合start在功能塊內(nèi)部實現(xiàn)：start的上升沿時刻進行功能塊啟動初始化，start的下降沿時刻進行功能塊結(jié)束前必要的復(fù)位處理。

圖2 pid功能塊初始及退出處理功能實現(xiàn)

第三部分：pid算法是每隔一個采樣時間計算一次，實現(xiàn)的方式有多種，通常是采用外部每隔一個采樣時間調(diào)用一次功能塊的方式，在此為盡量降低pid功能塊調(diào)用的復(fù)雜性，采用內(nèi)部直接處理的方式。在此只需增加輸入變量：定時器t，采樣時間t_s，內(nèi)部編程實現(xiàn)每隔一個采樣時間計算一次功能塊主體部分算法。

pid功能塊三部分所輸要的參數(shù)匯總?cè)绫?所示： 

表1  pid功能塊參數(shù)設(shè)置

3.2 功能塊具體編制實現(xiàn)

在simatic管理器中，插入一個fb塊，如fb1，首先在接口(interface)中按表一所列定義各種參數(shù)，接下是程序?qū)崿F(xiàn)部分：

network1～2，如圖2所示；為pid功能塊初始化及退出處理功能，只在start的上升沿或下降沿進行一次操作。

#start初始接通的上升沿時刻，子程序進行初始化處理；u1=u=0；e1=e2=0；t復(fù)位=0；#start斷開的下降沿時刻，子程序進行結(jié)束退出處理；u=0；t復(fù)位。

network3，如圖3所示；為pid功能塊采樣時間及定時器處理部分。定時器t采用ss型(保持接通延時定時器線圈)，由上升沿觸發(fā)，時間到達(dá)后定時器輸出位t=1，斷電后需要用到復(fù)位指令輸出位才能置0。

圖3 pid功能塊采樣定時功能實現(xiàn)

在此用(start&~t)=(0→1)上升沿接通定時器t開始計時，采樣時間到達(dá)后定時器輸出位t=1。功能塊初始掃描時通過初始化處理有~t=1，故個掃描時刻是由start=(0→1)觸發(fā)定時器，以后的掃描時刻都是start=1，由~t=(0→1)來觸發(fā)定時器。

network4～6，如圖4所示；為pid主體算法實現(xiàn)部分，具體算法參照式(4)中所列步驟編制如下：

定時器輸出位t=1時

network4：x2=sv0-pv0；x1=x2-e1；x3=x1+( e2- e1)；

network5：uv=kp×x1+ki×x2+kd×x3；u0=uv+u1；

network6：迭代e2=e1，e1=x2，u1=u0，輸出u=u0，后復(fù)位定時器t。

功能塊的主體算法開頭都放置有定時器輸出位t，t每一個采樣定時時間接通一次，故pid主體算法跟隨t每個采樣時間計算一次。

值得注意的是，在算法結(jié)束時，需要對定時器t進行復(fù)位，這樣在下一個掃描周期時，network3才能由~t=(0→1)重新觸發(fā)定時器開始下一輪的采樣計時等待，同時使在采樣計時等待過程中pid主體算法無法激活。

應(yīng)用

在啟動和運行時，通過SM 374可以為用戶提供便捷的程序調(diào)試。

設(shè)計

該模板的前面板包括：

這些操作單元通過前面板保護。該模板卡裝到導(dǎo)軌上并連接到S7-300背板總線上。通過背板總線供電。

圖4 pid功能塊主體算法實現(xiàn)

3.3 功能塊的調(diào)用

   pid功能塊可在主循環(huán)ob1中調(diào)用，圖5為主掃描程序ob1對pid功能塊的調(diào)用測試，輸入及輸出信號如表一所示，md100、md110及md120分別為功能塊測試時輸入輸出測驗值的實數(shù)寄存器。

值得注意的是，調(diào)用之前必須設(shè)置好調(diào)用條件en及功能塊輸入信號start的關(guān)系，即實現(xiàn)在start接通及斷開的掃描時刻，功能塊的使能端en處于接通狀態(tài)，使功能塊能夠?qū)崿F(xiàn)初始化及退出處理功能。將使能端en設(shè)置為無條件狀態(tài)即能完成此功能需求，但為減少功能塊沒有被調(diào)用時plc的掃描對象，本文采用條件調(diào)用方式來實現(xiàn)。

network1中，在信號start的基礎(chǔ)上設(shè)計了start_en信號，保證接通時，start_en與start同時接通；斷開時，start_en比start慢一個掃描周期斷開。由這兩信號的關(guān)聯(lián)特性，在network2中將 “start_en”信號作為pid功能塊的調(diào)用使能條件，“start”作為pid功能塊的開始停止輸入信號。這樣即滿足上述條件要求，又可在pid功能塊無調(diào)用時減少plc掃描對象，提高plc運行效率。

圖5 pid功能塊的調(diào)用

4  pid功能塊的仿真驗證

對于plc中的pid功能塊，進行離線的仿真驗證比較困難，這里借助matlab軟件工具對pid功能塊進行驗證核對。圖6是pid算法在matlab中的仿真框圖，其中的s_pid函數(shù)與pid功能塊主體算法式(4)完全一致，控制參數(shù)取圖5中pid功能塊調(diào)用輸入?yún)?shù)，即采樣時間t_s=10ms，參數(shù)[kp ki kd] =[0.5 1 0.1]，將matlab仿真得到的過程數(shù)據(jù)[sv0 pv0 u]取出保存。

在simatic manager中打開s7-plcsim仿真工具，仿真時采用single scan模式，將[sv0 pv0]實數(shù)值逐一成對輸入給md100、md110，每輸入一對數(shù)據(jù)進行一步仿真，將得到的plc中md120變量的實數(shù)值與matlab中得到的[u]作比較，比較結(jié)果如表2所示，在采用相同采樣時間、控制參數(shù)的條件下，兩者基本符合一致。

表2：pid功能塊驗證數(shù)據(jù)

圖6 pid算法在matlb中的仿真框圖

比較指令又稱觸點比較指令，其功能是將兩個數(shù)據(jù)按指定條件進行比 較，條件成立時觸點閉合，否則觸點斷開。 6.2.1字節(jié)觸點比較指令 字節(jié)觸點比較指令用于比較兩個字節(jié)型整數(shù)值 IN1 和 IN2 的大小，字 節(jié)比較的數(shù)值是無符號的整數(shù)觸點比較指令整數(shù)觸點比較指令用于比較兩個字型整數(shù)值 IN1 和 IN2 的大小，整數(shù) 比較的數(shù)值是有符號的，比較的整數(shù)范圍是?32768～+32767，用十六進制 表示為 16#8000～16#7FFFF。