In een chemische reactor moet de temperatuur ondanks exotherme reacties en variërende voedingssnelheden binnen +/- 0,5°C worden gehouden. In een destillatiekolom hangt de productzuiverheid af van nauwkeurige drukregeling door middel van fluctuerende belastingsomstandigheden. Dit zijn geen exotische laboratoriumexperimenten; het zijn de routinevereisten van moderne procesinstallaties. Het vermogen om procesvariabelen op instelpunten te houden onder dynamische verstoringen is de essentie van procescontrole, en het PID-algoritme (Proportional-Integral-Derivative) blijft de meest gebruikte regelmethodologie in de industriële automatisering. Het Siemens PLC-platform, met name de S7-1500- en S7-1200-serie, biedt een robuust raamwerk voor het implementeren van complexe PID-regelstrategieën die aan deze veeleisende eisen voldoen.
Dit artikel biedt een systematische technische analyse van hoeSiemens-PLCverzorgt de complexe PID-regeling in procesinstallaties. De discussie behandelt de architectuur van het PID-algoritme, het beheer van de uitvoeringscyclus, methoden voor het afstemmen van parameters en geavanceerde regelstrategieën zoals cascaderegeling, feedforward-regeling en verhoudingsregeling. De integratie met TIA Portal en de specifieke PID-blokken die beschikbaar zijn in de Siemens-functiebibliotheek worden onderzocht, samen met praktische overwegingen voor procesinstallatietoepassingen. Het artikel gaat ook in op de selectie van geschikte typen PID-regelaars, de afhandeling van processtoringen en de implementatie van veiligheids- en redundantievoorzieningen.
Het Siemens PLC-platform biedt een uitgebreide reeks PID-besturingsblokken die het standaard PID-algoritme met verschillende verbeteringen implementeren. De primaire PID-blokken in TIA Portal zijn de PID_Compact-, PID_3Step- en PID_Temp-blokken. Elk is ontworpen voor specifieke besturingstoepassingen en bevat functies zoals automatische afstemming, bescherming tegen opwinden en ingebouwde invoer- en uitvoerschaling. Het kern-PID-algoritme in Siemens PLC volgt de standaardvorm:
Uitgang = Kp × Fout + Ki × ∫ Fout dt + Kd × d(Fout)/dt
Waar Kp de proportionele versterking is, is Ki de integrale versterking, Kd de afgeleide versterking en Error het verschil tussen het instelpunt en de procesvariabele. De implementatie van Siemens omvat verschillende verbeteringen. Het PID_Compact-blok regelt automatisch de stijging van het instelpunt, beperkt de output om verzadiging van de actuator te voorkomen, en bevat een ingebouwde schokloze overdrachtsfunctie die zorgt voor soepele overgangen bij het schakelen tussen handmatige en automatische modus. Het PID_3Step-blok is speciaal ontworpen voor actuatoren die een driestapsuitgang gebruiken (openen, sluiten en stoppen), zoals gemotoriseerde kleppen, en bevat functies voor regeling van de kleppositionering.
De volgende tabel geeft een vergelijking van de belangrijkste PID-blokken die beschikbaar zijn in Siemens PLC.
| PID-blok | Primaire toepassing | Uitvoertype | Belangrijkste kenmerken |
| PID_Compact | Standaard analoge regeling (druk, flow, niveau) | Analoog (0-10V, 4-20mA) | Automatische afstemming, anti-opwinding, instelpunttoename, schokloze overdracht |
| PID_3Stap | Kleppositionering (gemotoriseerde kleppen) | Digitaal (openen, sluiten, stoppen) | Regeling van kleppositionering, compensatie van de dode band, bewaking van de slaglimiet |
| PID_Temp | Temperatuurregeling (verwarmen/koelen) | Analoog of PWM | PWM-uitgang voor verwarming/koeling, verwarmingsstroombewaking |
De selectie van het juiste PID-blok hangt af van de specifieke toepassing en het gebruikte type actuator. Voor standaard analoge besturing is PID_Compact het voorkeursblok. Voor klepbediening is PID_3Step de juiste keuze. Voor temperatuurregelingstoepassingen met verwarmings- en koeluitgangen biedt PID_Temp specifieke functies voor het beheren van temperatuurprocessen. BijYueyang Tongtu E-commerce Co., Ltd., biedt ons technisch team begeleiding bij de selectie en configuratie van het juiste PID-blok voor verschillende Siemens PLC-toepassingen.
De uitvoeringscyclus van het PID-algoritme is een kritische parameter die de stabiliteit en prestaties van de regellus beïnvloedt. Het PID-blok moet met regelmatige tussenpozen worden opgeroepen om een consistente bemonsteringstijd te garanderen. Onregelmatige uitvoeringstijden kunnen fouten introduceren in de integrale en afgeleide termen, wat leidt tot onstabiele controle. De Siemens PLC pakt dit aan door het gebruik van een cyclische interrupt OB (Organization Block), die met een vast interval wordt opgeroepen. Het PID-blok wordt aangeroepen binnen de cyclische interrupt OB, waardoor wordt verzekerd dat de bemonsteringstijd consistent is.
De keuze van de bemonsteringstijd is afhankelijk van de procesdynamiek. Voor langzame processen zoals temperatuurregeling kan een bemonsteringstijd van 1 tot 5 seconden geschikt zijn. Voor snellere processen zoals drukregeling kan een bemonsteringstijd van 0,1 tot 1 seconde nodig zijn. De monstertijd moet minstens 10 keer sneller zijn dan de procestijdconstante om een stabiele controle te garanderen. De cyclische interrupt-OB in Siemens PLC wordt geconfigureerd in TIA Portal en de bemonsteringstijd wordt ingesteld in de OB-eigenschappen. Het PID-blok gebruikt deze bemonsteringstijd vervolgens in zijn interne berekeningen.
De relatie tussen de uitvoeringscyclus en de procesdynamiek is van cruciaal belang. De volgende tabel biedt een algemene richtlijn voor het selecteren van de bemonsteringstijd op basis van de procesresponstijd.
| Procestype | Typische tijdconstante | Aanbevolen monstertijd | Cyclische onderbreking OB |
| Temperatuur (groot volume) | 10-60 seconden | 1-5 seconden | OB30 (10 Hz) of OB32 (5 Hz) |
| Temperatuur (klein volume) | 1-10 seconden | 0,1-1 seconde | OB32 (5 Hz) of OB33 (2 Hz) |
| Druk (gas, groot volume) | 5-30 seconden | 0,5-3 seconden | OB31 (8 Hz) of OB32 (5 Hz) |
| Druk (vloeistof, klein volume) | 0,5-5 seconden | 0,1-0,5 seconden | OB33 (2 Hz) of OB34 (1 Hz) |
| Stroom (vloeistof) | 0,1-1 seconde | 0,05-0,2 seconden | OB34 (1 Hz) of OB35 (0,5 Hz) |
Naast de bemonsteringstijd moet de uitvoeringscyclus van het PID-blok worden beheerd om deterministisch gedrag te garanderen. In een complexe procesinstallatie met meerdere PID-lussen moet de uitvoeringstijd van alle PID-blokken worden gepland om conflicten te voorkomen. De Siemens PLC S7-1500 kan een groot aantal PID-lussen aan met minimale impact op de scancyclus. De volgende factoren beïnvloeden de cyclustijd en moeten in overweging worden genomen: het aantal PID-blokken; de complexiteit van de PID-parameters; het gebruik van geavanceerde functies; en de beschikbare verwerkingscapaciteit. Bij Yueyang Tongtu E-commerce Co., Ltd. helpen we onze klanten met de configuratie van PID-uitvoeringscycli in Siemens PLC-systemen, waardoor we ervoor zorgen dat de regellussen betrouwbaar en voorspelbaar worden uitgevoerd.
De prestaties van een PID-regelaar zijn afhankelijk van de juiste selectie van de parameters Kp, Ki en Kd. Deze parameters moeten worden afgestemd op de kenmerken van het proces. Siemens PLC biedt verschillende afstemmingsmethoden en -hulpmiddelen om het afstemmingsproces te vereenvoudigen. De primaire tuningtool in TIA Portal is de PID Compact Tuner, die is geïntegreerd in de engineeringomgeving. De tuner gebruikt een modelgebaseerde aanpak om automatisch de optimale PID-parameters te bepalen.
De PID Compact Tuner voert de volgende reeks uit. Eerst wordt een stappentest op het proces toegepast. De procesreactie wordt geregistreerd. Ten tweede wordt uit de stapresponsie een wiskundig model van het proces afgeleid met behulp van een FOPDT-model (eerste orde plus dode tijd). Ten derde worden de PID-parameters berekend met behulp van gevestigde afstemmingsregels (zoals Ziegler-Nichols of Cohen-Coon) op basis van het procesmodel. Het afstemmingsproces wordt door de gebruiker begeleid en omvat opties voor het aanpassen van de agressiviteit van de besturing. De gebruiker kan kiezen tussen een snelle respons (hogere gain) en een stabiele respons (lagere gain).
Voor toepassingen waarbij de PID-parameters online moeten worden bijgewerkt, ondersteunt de Siemens PLC zelfafstemming via de "pretuning" -functie van het PID_Compact-blok. Deze functie start automatisch de afstemsequentie wanneer deze wordt geactiveerd door de gebruiker of door een programmalogica. De autotuning is een proces dat uit meerdere fasen bestaat. Eerst past de regelaar een setpointstapwijziging toe en registreert de procesreactie. Ten tweede berekent de controller nieuwe PID-parameters op basis van de respons. Het autotuning-proces is bedoeld voor inbedrijfstelling en wordt niet aanbevolen voor continue online-tuning vanwege de noodzaak van wijzigingen in het instelpunt. De volgende tabel geeft een vergelijking van de afstemmingsmethoden die beschikbaar zijn in Siemens PLC.
| Afstemmethode | Beschrijving | Voordelen | Beperkingen |
| PID Compact-tuner (handmatig) | Interactieve tool in TIA Portal; gebruiker past staptest toe en selecteert afstemmingsparameters | De gebruiker heeft controle over de agressiviteit van het afstemmen; geschikt voor kritische lussen | Vereist tussenkomst van de gebruiker; kunnen meerdere iteraties nodig zijn |
| PID_Compacte voorafstemming (automatisch) | PLC voert de afstemmingssequentie automatisch uit; geactiveerd door een gebruikersopdracht | Volledig geautomatiseerd; vereist geen technische hulpmiddelen | Vereist een wijziging van de instelwaarde; kan niet worden gebruikt tijdens normaal gebruik |
| Handmatige aanpassing van de PID-parameter | De gebruiker past handmatig Kp, Ki, Kd aan tijdens bedrijf | Flexibele; kan worden gebruikt voor het verfijnen van complexe processen | Vereist ervaring; kan bij verkeerde afstelling tot instabiliteit leiden |
In complexe procesinstallaties moeten de PID-parameters mogelijk worden aangepast op basis van de bedrijfsomstandigheden. Een chemische reactor kan bijvoorbeeld een verschillende dynamiek hebben bij lage, gemiddelde en hoge voedingssnelheden. In dergelijke gevallen kunnen adaptieve controlestrategieën nodig zijn. De Siemens PLC ondersteunt aanpassing van PID-parameters via programmalogica, waardoor de PID-parameters kunnen worden gewijzigd op basis van de processtatus.
Een eenvoudige PID-regeling met één lus is voor veel toepassingen voldoende, maar complexe procesinstallaties vereisen vaak geavanceerde regelstrategieën om op elkaar inwerkende lussen, variërende belastingen en lange vertragingen aan te kunnen. Siemens PLC ondersteunt een reeks geavanceerde besturingsstrategieën die kunnen worden geïmplementeerd met behulp van de PID-blokken en de standaard functieblokken in TIA Portal.
Cascaderegeling:Dit is een veelgebruikte strategie om de respons van processen met lange tijdconstanten te verbeteren. Het gaat om twee regelaars, waarbij de uitgang van de primaire regelaar (master) wordt gebruikt als setpoint van een secundaire regelaar (slave). De slavecontroller verzorgt een sneller secundair proces, terwijl de mastercontroller het primaire proces afhandelt. In een toepassing voor temperatuurregeling kan een reactor met mantel bijvoorbeeld een primaire temperatuurregelaar en een secundaire manteltemperatuurregelaar hebben. De secundaire controller reageert snel op verstoringen in de koelmiddelstroom, terwijl de primaire controller het instelpunt van de secundaire controller aanpast om de reactortemperatuur op peil te houden.
Feedforward-besturing:Deze strategie maakt gebruik van een gemeten verstoring om de controlleruitgang proactief aan te passen voordat de verstoring het proces beïnvloedt. In een destillatiekolom kan bijvoorbeeld een voorwaarts signaal van het voedingsdebiet worden gebruikt om de stoomstroom naar de herverdamper aan te passen voordat de voedingsverstoring de productsamenstelling beïnvloedt. De Siemens PLC ondersteunt feedforward-besturing door de toevoeging van een feedforward-signaal aan de PID-blokuitgang. Het feedforward-signaal kan worden gegenereerd door een functieblok dat op basis van de verstoringsmeting de benodigde aanpassing berekent.
Verhoudingscontrole:Deze strategie wordt gebruikt om een specifieke verhouding tussen twee procesvariabelen te behouden. In een proces waarbij een reactant en een katalysator bijvoorbeeld in een specifieke verhouding moeten worden gemengd, zorgt de verhoudingsregelaar ervoor dat de stroom van de katalysator evenredig is aan de stroom van de reactant. De Siemens PLC ondersteunt verhoudingsregeling door het gebruik van een vermenigvuldigingsblok dat de primaire stroommeting schaalt om het instelpunt voor de secundaire stroomregelaar te genereren.
Overbruggingsbediening (Selectiebediening):Deze strategie wordt gebruikt om te voorkomen dat een procesvariabele een veilige limiet overschrijdt. Een override-controller bewaakt de procesvariabele en overschrijft de primaire controller wanneer de variabele de limiet nadert. In een reactor kan een temperatuuroverride-controller bijvoorbeeld de voedingssnelheid verlagen om te voorkomen dat de temperatuur een veilige bedrijfslimiet overschrijdt. De Siemens PLC ondersteunt override-besturing door het gebruik van comparator- en selectorblokken die het juiste stuursignaal selecteren.
De onderstaande tabel geeft een overzicht van de geavanceerde besturingsstrategieën die door Siemens PLC worden ondersteund.
| Controlestrategie | Primaire toepassing | Belangrijkste Siemens PLC-functies |
| Cascaderegeling | Processen met lange tijdconstanten (temperatuur, niveau) | Twee PID-blokken, waarvan de één de ander aanstuurt; uitgang van master is setpoint van slave |
| Feedforward-controle | Processen met meetbare verstoringen (stroming, samenstelling) | Feedforward-signaal toegevoegd aan PID-uitvoer; verstoringsmeting verwerkt door functieblok |
| Verhoudingscontrole | Processen waarbij twee stromen in een vaste verhouding gemengd moeten worden | Het vermenigvuldigingsblok schaalt de primaire stroom om een instelpunt voor de secundaire stroom te genereren |
| Controle overschrijven | Processen met veiligheidslimieten (temperatuur, druk) | Comparator- en selectieblokken selecteren het juiste stuursignaal om de veiligheid te behouden |
Bij Yueyang Tongtu E-commerce Co., Ltd. hebben we uitgebreide ervaring met het implementeren van deze geavanceerde besturingsstrategieën in Siemens PLC-systemen. Ons technische team kan helpen bij het ontwerpen en configureren van complexe besturingsoplossingen voor procesinstallatietoepassingen.
Het implementeren van PID-regeling in een procesinstallatie brengt praktische overwegingen met zich mee die verder gaan dan de basisconfiguratie van het PID-blok. Deze overwegingen omvatten signaalconditionering, actuatorselectie, ruisfiltering en veiligheidsimplementatie. De Siemens PLC biedt functies die aan deze praktische eisen voldoen.
Signaalconditionering en schaling:De procesvariabele (PV) en het instelpunt (SP) moeten worden geschaald naar de juiste technische eenheden. De Siemens PLC biedt schaalfuncties (SCALE_X en NORM_X) die het ruwe analoge ingangssignaal van een sensor (bijv. 4-20 mA of 0-10V) omzetten naar technische eenheden (bijv. °C, bar, m³/h). Het PID-blok maakt gebruik van technische eenheden, wat de interpretatie van de PID-parameters en de bewaking van het proces vereenvoudigt. De schaling moet zo worden geconfigureerd dat de procesvariabele varieert van 0 tot 100% van het procesbereik. Dit zorgt ervoor dat de PID-parameters consistent zijn en over verschillende procesbereiken kunnen worden toegepast.
Actuatorselectie en kenmerken:De actuator (klep, pomp, verwarming) is een cruciaal onderdeel van de regelkring. Het PID-blok moet worden afgestemd op het actuatortype. Voor regelkleppen met een lineaire karakteristiek is een lineaire PID-uitgang geschikt. Voor kleppen met een niet-lineaire karakteristiek kan een PID-blok met een aangepaste uitgangscurve nodig zijn. Met de Siemens PLC PID-blokken kan de gebruiker het uitgangstype en het bereik selecteren, waardoor compatibiliteit met de actuator wordt gegarandeerd. Voor toepassingen met gemotoriseerde kleppen is het PID_3Step-blok ontworpen om de specifieke stuursignalen voor de actuator van de klep te leveren.
Ruisfiltering:Het procesvariabele signaal van de sensor kan ruis vertonen, vooral in toepassingen met hoogfrequente storingen of bij gebruik van sensoren die gevoelig zijn voor interferentie. De Siemens PLC ondersteunt het filteren van de procesvariabele via een filterblok of via de interne filtering in het PID-blok. Het PID-blok bevat een afvlakkingsparameter die kan worden aangepast om de ruis in het PV-signaal te verminderen. Er moet gebruik worden gemaakt van filtering om hoogfrequente ruis te verwijderen zonder overmatige fasevertraging toe te voegen.
De volgende tabel vat de belangrijkste praktische overwegingen voor PID-regeling in procesinstallaties samen:
| Overweging | Beschrijving | Implementatie in Siemens-PLC |
| Signaalschaling | Converteer onbewerkt analoog signaal naar technische eenheden | SCALE_X- en NORM_X-functies; stel het PV-bereik in in het PID-blok |
| Actuatoraanpassing | Selecteer PID-blok om overeen te komen met het actuatortype | PID_Compact voor analoge uitgangen; PID_3Stap voor klepbediening; PID_Temp voor temperatuur |
| Ruisfiltering | Verminder ruis in het PV-signaal | Interne afvlakkingsparameter in PID-blok of externe filterfunctie |
| Faalveilige werking | Zorg voor veilig gedrag bij sensorstoring | Configureer PID-blok om een veilige uitgang in te stellen bij foutdetectie |
| Ontslag | Zorg voor redundantie voor kritieke lussen | Twee PID-blokken met omschakeling; redundante I/O-configuratie |
Vraag 1: Wat is het maximale aantal PID-lussen dat een Siemens S7-1500 PLC aankan?
Antwoord: Het maximale aantal PID-lussen dat een Siemens S7-1500 PLC aankan, hangt af van het specifieke CPU-model, de uitvoeringscyclustijd en de complexiteit van de PID-blokken. Een typische S7-1500 CPU kan 100-200 PID-lussen verwerken zonder noemenswaardige impact op de scancyclus, afhankelijk van de CPU-verwerkingskracht en de bemonsteringstijd. De CPU 1516-3 PN/DP kan bijvoorbeeld maximaal 200 PID-lussen verwerken met een bemonsteringstijd van 100 ms. Het werkelijke aantal hangt echter af van de uitvoeringscyclus en de complexiteit van de lus. Voor hoge prestatievereisten raden wij aan het systeem te testen met een representatief aantal PID-lussen.
Vraag 2: Hoe stem ik een PID-regelaar in Siemens PLC af zonder engineeringtool?
Antwoord: Het PID_Compact-blok in Siemens PLC bevat een voorafstemmingsfunctie die zonder engineeringtool kan worden geactiveerd. De voorafstemmingsfunctie wordt geactiveerd door een specifieke bit in de interface van de controller in te stellen. De regelaar past automatisch een stapsgewijze wijziging van het setpoint toe en berekent de optimale Kp-, Ki- en Kd-parameters. Het voorafstemmingsproces vereist een stabiel proces met een typische respons. Het is geschikt voor inbedrijfstelling en voor toepassingen waarbij de procesdynamiek goed wordt begrepen.
Vraag 3: Hoe ga ik om met de dode band van de klep in een PID-regellus?
Antwoord: De dode band van de kleppen is een veelvoorkomend probleem in regelcircuits met gemotoriseerde kleppen. Het PID_3Step-blok in Siemens PLC bevat een functie voor dodebandcompensatie die dit probleem verhelpt. De dodebandcompensatie past een klein extra uitgangssignaal toe om de dode band te overwinnen, zodat de klep reageert op kleine veranderingen in de stuuruitgang. De dodebandparameter wordt geconfigureerd in de PID_3Step-blokinstellingen.
Vraag 4: Wat is het verschil tussen PID_Compact en PID_3Step in Siemens PLC?
Antwoord: PID_Compact is een PID-regelaar voor algemeen gebruik, ontworpen voor analoge uitgangen. Het is geschikt voor toepassingen met actuatoren die een continu analoog signaal accepteren (bijvoorbeeld 4-20mA of 0-10V). PID_3Step is speciaal ontworpen voor actuatoren die een driestapsuitgang vereisen (openen, sluiten en stoppen), zoals gemotoriseerde kleppen. Het PID_3Step-blok bevat functies voor kleppositionering, dodebandcompensatie en bewaking van de slaglimiet die niet aanwezig zijn in PID_Compact. De selectie van het juiste blok is afhankelijk van het gebruikte type actuator.
Vraag 5: Hoe implementeer ik cascaderegeling met Siemens PLC?
Antwoord: Cascaderegeling wordt geïmplementeerd met behulp van twee PID-blokken. De uitgang van het primaire (master) PID-blok wordt gebruikt als het instelpunt voor het secundaire (slave) PID-blok. De uitgang van het slave-PID-blok stuurt de actuator aan. Het master-PID-blok bestuurt de primaire procesvariabele, en het slave-PID-blok bestuurt een secundaire procesvariabele (bijvoorbeeld een snelle binnenlus). De cascaderegeling moet worden geconfigureerd met de juiste schaling en schokloze overdracht om een soepele overgang te garanderen.
Het Siemens PLC-platform biedt een robuust en flexibel raamwerk voor het implementeren van complexe PID-regeling in procesinstallaties. De PID-algoritmearchitectuur, met zijn meerdere bloktypen en parameterafstemmingsmethoden, stelt ingenieurs in staat regellussen te ontwerpen die voldoen aan de specifieke eisen van diverse toepassingen. Het beheer van de uitvoeringscyclus zorgt voor consistente bemonsteringstijden, terwijl de geavanceerde controlestrategieën (cascade, feedforward, ratio, override) de uitdagingen van op elkaar inwerkende lussen en variërende verstoringen aanpakken. De praktische overwegingen van signaalconditionering, actuatorselectie, ruisfiltering en fail-safe werking zijn geïntegreerd in het Siemens-platform, waardoor een betrouwbare en veilige besturing mogelijk is.
De ondersteuning van de Siemens PLC voor PID-regeling is een sleutelfactor voor de wijdverbreide toepassing ervan in de procesindustrie. De integratie met TIA Portal biedt een krachtige engineeringomgeving voor het configureren, afstemmen en bewaken van PID-lussen. Het gebruik van standaardfunctieblokken en consistente programmeerpraktijken vereenvoudigt de ontwikkeling en het onderhoud. Voor complexe procesinstallaties met honderden regelcircuits biedt de Siemens PLC een schaalbare en betrouwbare oplossing.
Bij Yueyang Tongtu E-commerce Co., Ltd. bieden we Siemens PLC-producten en technische ondersteuning voor procesbesturingstoepassingen. Ons team van ingenieurs heeft uitgebreide ervaring met het ontwerpen en implementeren van PID-regeloplossingen voor een breed scala aan procesindustrieën. Wij bieden technisch advies, hulp bij productselectie en technische ondersteuning. Neem contact met ons op voor meer informatie over onze Siemens PLC-producten en -diensten.
Neem contact op met Yueyang Tongtu E-commerce Co., Ltd.voor meer informatie over Siemens PLC-oplossingen voor procesbesturing.
