西门子模块6ES7223-1PL22-0XA8技术支持
1.PID控制
在工业控制中，PID控制（比例-积分-微分控制）得到了广泛的应用，这是因为PID控制具有以下优点：
1）不需要知道被控对象的数学模型。实际上大多数工业对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。据日本统计，目前PID及变型PID约占总控制回路数的90%左右。
2）PID控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。
3）有较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用各种PID控制的变种和改进的控制方式，如PI、PD、带死区的PID、积分分离式PID、变速积分PID等。随着智能控制技术的发展，PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。
2. PLC实现PID控制的方法
如图6-35所示为采用PLC对模拟量实行PID控制的系统结构框图。用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法：
图6-35 用PLC实现模拟量PID控制的系统结构框图
1）使用PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模块。
2）使用PID功能指令。现在很多中小型PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与A/D、D/A模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，价格却便宜得多。
3）使用自编程序实现PID闭环控制。有的PLC没有有PID过程控制模块和PID控制指令，有时有PID控制指令，但用户希望采用变型PID控制算法。在这些情况下，都需要由用户自己编制PID控制程序。
3.FX2N的PID指令
PID指令的编号为FNC88，如图6-36所示源操作数［S1］、［S2］、[S3]和目标操作数[D]均为数据寄存器D，16位指令，占9个程序步。［S1］和［S2］分别用来存放给定值SV和当前测量到的反馈值PV，［S3］~[S3]＋6用来存放控制参数的值，运算结果MV存放在［D］中。源操作数［S3］占用从［S3］开始的25个数据寄存器。
图6-36 PID指令
PID指令是用来调用PID运算程序，在PID运算开始之前，应使用MOV指令将参数（见表6-3）设定值预先写入对应的数据寄存器中。如果使用有断电保持功能的数据寄存器，不需要重复写入。如果目标操作数[D]有断电保持功能，应使用初始化脉冲M8002的常开触点将其复位。
表6-3 PID控制参数及设定
PID指令可以多次使用，用于运算的[S3]、[D]的数据寄存器元件号不能重复。
PID指令可以在定时中断、子程序、步进指令和转移指令内使用，应将［S3］＋7清零（采用脉冲执行的MOV指令）之后才能使用。
控制参数的设定和 PID运算中的数据出现错误时，“运算错误”标志M8067为ON，错误代码存放在D8067中。
PID指令采用增量式PID算法，控制算法中还综合使用了反馈量一阶惯性数字滤波、不完全微分和反馈量微分等措施，使该指令比普通的PID算法具有更好的控制效果。
PID控制是根据“动作方向”（[S3]+1）的设定内容，进行正作用或反作用的PID运算。PID运算公式如下：
以上公式中：△MV是本次和上一次采样时PID输出量的差值，MVn是本次的PID输出量；EVn和EVn-1分别是本次和上一次采样时的误差，SV为设定值；PVn是本次采样的反馈值，PVnf、PVnf-1和PVnf-2分别是本次、前一次和前两次滤波后的反馈值，L是惯性数字滤波的系数；Dn和Dn-l分别是本次和上一次采样时的微分部分；Kp是比例增益，T S是采样周期，T I和T D分别是积分时间和微分时间，αD是不完全微分的滤波时间常数与微分时间TD的比值。
4.PID参数的整定
PID控制器有4个主要的参数K p、T I、T D和TS需整定，无论哪一个参数选择得不合适都会影响控制效果。在整定参数时应把握住PID参数与系统动态、静态性能之间的关系。
在P（比例）、I（积分）、D（微分）这三种控制作用中，比例部分与误差信号在时间上是一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作用，具有调节及时的特点。比例系数Kp越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；对于大多数系统，K p过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。
积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化。积分部分可以消除稳态误差，tigao控制精度，积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响。积分时间常数TI增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，消除稳态误差的速度减慢。
微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，微分部分具有超前和预测的特点。微分时间常数TD增大时，超调量减小，动态性能得到改善，抑制高频干扰的能力下降。
选取采样周期TS时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。为使采样值能及时反映模拟量的变化，T S越小越好。TS太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，也不宜将T S取得过小
PLC经过不断地发展，一般都具有“开关I/0、模拟I/0、网络通信”功能；工程师们只需要使用开关I/O、少量的模拟I/O、以及简单的编程技巧，就可开发出约80%的工业应用。
①(单机独立完成)开关量的采集与控制
如：电动机的启停、定时控制，电磁阀的开阀、关阀控制，仓库门的开门、关门控制，产品的计数控制，机械手、生产线、组合机床、电梯等设备的运行控制，等等。
②(单机独立完成)模拟量的采集与控制
如：温度、压力、liuliang等过程量的采集与PID控制，位移、速度等运动量的采集与控制。
③(与上位机连网)作为系统(如集散型控制系统DCS)现场端的采集器和控制器
1-n台PLC与上位机(工控机IPC、人机界面HMI等)连网通信，由上位机实现“集中管理”，由PLC实现“分散采集+分散控制”/或“集中采集+集中控制”。
1)整体式——主机+(叠装式)扩展单元
2）模块式——机架 +（插装式）扩展单元
(插装式)模块是遵守同一总线协议的电路板。
[电源块、CPU块、I/0块]等都插装在[机架]上。
985年，国际电工委员会(IEC)对PLC作出如下定义：
可编程控制器PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻缉运算、顺序控制、定时、计数与算术运算等操作指令，并通过数字、模拟式的输入、输出，控制各种类型的机械或生产过程；可编程控制器及其有关外围设备的设计，都要按照“易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则”进行。
由该定义可知：PLC是一种由“事先存贮的程序”来确定控制功能的工控类计算机。
20世纪60年代，汽车生产线的自控系统基本上由继电器控制装置构成。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期变短，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，这不仅费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，希望用新的控制装置来取代继电器控制装置，并提出了以下10项招标指标：
①编程方便，现场可修改程序；
②维修方便，采用模块化结构；
③可靠性高于继电器控制装置；
④体积小于继电器控制装置；
⑤数据可直接送入起管理作用的(上位)计算机；
⑹成本可与继电器控制装置竟争；
⑺输入可以是交流115V(注：我们中国是AC220V)；
⑻输出为(交流115V，2A以上)，能直接驱动电磁阀、接触器等；
⑼在扩展时，原系统只需要进行很小的变更；
⑽用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。
1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出台PLC，并在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工控装置，以其体积小、可变性好、可靠性高、使用寿命长、简单易懂、操作维护方便等一系列优点，很快就在美国的许多行业里得到推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等行业。
这一新型的工控装置的出现，受到世界上许多国家的高度重视。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了他们的第1台PLC。1973年，西欧国家也研制出他们的第1台PLC。我国从1974年始研制，到1977年开始应用于工控领域。
早期的PLC，一般称为“可编程逻辑控制器”(Programmable LogicController)。这时的PLC基本上是(硬)继电器控制装置的替代物，主要用于实现原先由继电器完成的顺序控制、定时、计数等功能。它在硬件上以“准计算机”的形式出现，在I/O接口电路上做了改进以适应工控现场要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，并采用磁芯存储器。还采取了一些措施，以tigao抗干扰能力。在软件编程上，采用类似于电气工程师所熟悉的继电器控制线路的方式——梯形图(Ladder)语言。早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点是简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故障显示、能重复使用等。其中PLC特有的编程语言——梯形图语言一直沿用至今。
20世纪70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨变。美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的CPU(中央处理单元)，这样使PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持原有的逻缉运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理、网络通信、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块，并扩大了存储器的容量，还提供一定数量的数据寄存器。
到了20世纪80年，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍tigao。早期的PLC一般采用8位的CPU，现在的PLC一般采用16位或32位的CPU。为了tigaoPLC的处理速度，各制造厂还纷纷研制开发出专用的逻辑处理芯片，这就使得PLC的软、硬件功能有了巨变。
目前，世界上约有200家PLC生产厂商，其中，美国的Rockwell、GE，德国的西门子(Siemens)，法国的施耐德(Schneider)，日本的三菱、欧姆龙(Omron)，他们掌控着全世界80%以上的PLC市场份额，他们的系列产品从只有几十个点(I/O总点数)的微型PLC到有上万个点的巨型PLC，应有尽有。
经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，但尚未形成颇具规模的生产能力，国内PLC应用市场仍然以国外产品为主，如：Siemens的S7-200小系列、S7-300中系列、S7-400大系列，三菱的FX小系列、Q中大系列，0mron的CPM小系列、C200H中大系列等。
值得一提的是，湖北黄石的科威自控公司(www.kwzk.com)的创新产品——“嵌入式PLC”。
小系统用户希望在数据处理上像DCS、可靠性上像PLC、价格上像单片机嵌入系统。嵌入式PLC正好满足用户的这些愿望。嵌入式PLC是指“将支持PLC(梯形图)编程语言的内核EasyCore以小板芯的形式”嵌入到特定的控制装置中，使该装置除了具有自身的专用功能之外，还具有PLC的基本功能；开发人员能够在该PLC编程语言平台上，轻而易举地设计出通用型PLC、客户型PLC、以及各种特型控制板。嵌入式PLC是科威公司立足原有的自动化仪表技术、现场总线技术和10多年的自动化工程项目经验，在华中科技大学、武汉理工大学的协作下，经过3年多的努力攻关，首创成功的。由于嵌入式PLC的社会及经济价值十分巨大，2005年被列为国家攻关计划。迄今为止，科威公司的嵌入式PLC产品——通用型PLC、(按照客户要求定制的)客户型PLC、特型控制板，已在纺织机械、工业窑炉、塑料机械、印刷包装机械、食品机械、数控机床、恒压供水设备、环保设备等行业中成功应用，并且在窑炉自动化系统的应用中占有明显的技术优势。
长期以来，PLC始终是工业自动化的主角，并且与DCS(集散控制系统)及IPC(工控机)形成三足鼎立之势。PLC也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是IPC所带来的冲击。微型化、网络化、IPC化、开放性是PLC未来发展的主要方向。PLC依然前途无限。