化学反応器では、発熱反応や供給速度の変化にもかかわらず、温度を +/- 0.5°C 以内に維持する必要があります。蒸留塔では、製品の純度は変動する負荷条件による正確な圧力制御に依存します。これらは珍しい実験室の実験ではありません。これらは現代のプロセスプラントの日常的な要件です。動的外乱下でプロセス変数を設定値に維持する機能はプロセス制御の本質であり、PID (比例積分微分) アルゴリズムは依然として産業オートメーションで最も広く導入されている制御手法です。 Siemens PLC プラットフォーム、特に S7-1500 および S7-1200 シリーズは、これらの厳しい要件を満たす複雑な PID 制御戦略を実装するための堅牢なフレームワークを提供します。
この記事では、その仕組みについて体系的なテクニカル分析を提供します。シーメンス PLCプロセスプラントにおける複雑なPID制御を処理します。ここでは、PID アルゴリズムのアーキテクチャ、実行サイクル管理、パラメータ調整方法、およびカスケード制御、フィードフォワード制御、比率制御などの高度な制御戦略について説明します。 TIA ポータルとの統合と、シーメンス関数ライブラリで利用可能な特定の PID ブロックについて、プロセス プラント アプリケーションの実際的な考慮事項とともに検証します。この記事では、適切な PID コントローラー タイプの選択、プロセス外乱の処理、安全性と冗長性機能の実装についても説明します。
シーメンス PLC プラットフォームは、さまざまな拡張機能を備えた標準 PID アルゴリズムを実装する PID 制御ブロックの包括的なスイートを提供します。 TIA ポータルの主要な PID ブロックは、PID_Compact、PID_3Step、および PID_Temp ブロックです。それぞれが特定の制御アプリケーション向けに設計されており、自動チューニング、アンチワインドアップ保護、組み込みの入出力スケーリングなどの機能が含まれています。 Siemens PLC のコア PID アルゴリズムは、次の標準形式に従っています。
出力 = Kp × 誤差 + Ki × ∫ 誤差 dt + Kd × d(誤差)/dt
ここで、Kp は比例ゲイン、Ki は積分ゲイン、Kd は微分ゲイン、Error は設定値とプロセス変数の差です。 Siemens の実装には、いくつかの機能強化が含まれています。 PID_Compact ブロックは、設定値のランピングを自動的に処理し、アクチュエーターの飽和を防ぐために出力を制限します。また、手動モードと自動モード間の切り替え時にスムーズな移行を保証する組み込みのバンプレス伝達関数が含まれています。 PID_3Step ブロックは、電動バルブなどの 3 ステップ出力 (開、閉、停止) を使用するアクチュエーター向けに特別に設計されており、バルブ位置制御の機能が含まれています。
次の表は、Siemens PLC で使用できる主要な PID ブロックの比較を示しています。
| PIDブロック | 主な用途 | 出力タイプ | 主な特長 |
| PID_コンパクト | 標準アナログ制御（圧力、流量、レベル） | アナログ (0-10V、4-20mA) | 自動チューニング、アンチワインドアップ、セットポイントランピング、バンプレス転送 |
| PID_3ステップ | バルブの位置決め（電動バルブ） | デジタル（開、閉、停止） | バルブ位置制御、不感帯補償、トラベルリミット監視 |
| PID_温度 | 温度制御（加熱・冷却） | アナログまたはPWM | 加熱冷却用PWM出力、ヒーター電流監視 |
適切な PID ブロックの選択は、特定の用途と使用するアクチュエータのタイプによって異なります。標準的なアナログ制御の場合、PID_Compact ブロックが推奨されます。バルブ制御の場合、PID_3Step が正しい選択です。加熱および冷却出力を備えた温度制御アプリケーションの場合、PID_Temp は温度プロセスを管理するための特定の機能を提供します。で岳陽通図電子商取引株式会社当社の技術チームは、さまざまなシーメンス PLC アプリケーションに適切な PID ブロックの選択と構成に関するガイダンスを提供します。
PID アルゴリズムの実行サイクルは、制御ループの安定性とパフォーマンスに影響を与える重要なパラメーターです。一貫したサンプル時間を確保するには、PID ブロックを一定の間隔で呼び出す必要があります。実行時間が不規則であると、積分項および微分項に誤差が生じ、制御が不安定になる可能性があります。 Siemens PLC は、固定間隔で呼び出される周期割り込み OB (Organization Block) を使用することでこの問題に対処します。 PID ブロックは周期割り込み OB 内で呼び出され、サンプル時間が一貫していることが保証されます。
サンプル時間の選択は、プロセスのダイナミクスによって異なります。温度制御などの遅いプロセスの場合、1 ～ 5 秒のサンプル時間が適切な場合があります。圧力制御などの高速プロセスの場合、0.1 ～ 1 秒のサンプル時間が必要になる場合があります。安定した制御を確保するには、サンプル時間はプロセス時定数より少なくとも 10 倍速くなければなりません。 Siemens PLC の周期割り込み OB は TIA ポータルで設定され、サンプル時間は OB プロパティで設定されます。 PID ブロックは、内部計算でこのサンプル時間を使用します。
実行サイクルとプロセスのダイナミクスの関係は重要です。次の表は、プロセスの応答時間に基づいてサンプル時間を選択するための一般的なガイドを示しています。
| プロセスの種類 | 代表的な時定数 | 推奨サンプル時間 | 周期割り込み OB |
| 温度（大容量） | 10～60秒 | 1～5秒 | OB30 (10 Hz) または OB32 (5 Hz) |
| 温度（小容量） | 1～10秒 | 0.1～1秒 | OB32 (5 Hz) または OB33 (2 Hz) |
| 圧力（気体、大容量） | 5～30秒 | 0.5～3秒 | OB31 (8 Hz) または OB32 (5 Hz) |
| 圧力（液体、微量） | 0.5～5秒 | 0.1～0.5秒 | OB33 (2 Hz) または OB34 (1 Hz) |
| 流れ（液体） | 0.1～1秒 | 0.05～0.2秒 | OB34 (1 Hz) または OB35 (0.5 Hz) |
決定的な動作を保証するには、サンプル時間に加えて、PID ブロックの実行サイクルも管理する必要があります。複数の PID ループを持つ複雑なプロセス プラントでは、競合を避けるためにすべての PID ブロックの実行時間をスケジュールする必要があります。 Siemens PLC S7-1500 は、スキャン サイクルへの影響を最小限に抑えながら、多数の PID ループを処理できます。次の要因がサイクル タイムに影響するため、考慮する必要があります。 PID ブロックの数。 PIDパラメータの複雑さ。高度な機能の使用。利用可能な処理能力。 Yueyang Tongtu E-commerce Co., Ltd. では、お客様がシーメンス PLC システムで PID 実行サイクルを構成できるように支援し、制御ループが確実かつ予測どおりに実行されるようにします。
PID コントローラーのパフォーマンスは、Kp、Ki、および Kd パラメーターが正しく選択されているかどうかに依存します。これらのパラメータは、プロセスの特性に合わせて調整する必要があります。 Siemens PLC は、チューニング プロセスを簡素化するためのいくつかのチューニング方法とツールを提供します。 TIA ポータルの主要なチューニング ツールは PID コンパクト チューナーであり、エンジニアリング環境に統合されています。チューナーはモデルベースのアプローチを使用して、最適な PID パラメーターを自動的に決定します。
PID コンパクト チューナーは次のシーケンスを実行します。まず、ステップ テストがプロセスに適用されます。プロセスの応答が記録されます。次に、プロセスの数学的モデルは、一次プラスデッドタイム (FOPDT) モデルを使用してステップ応答から導出されます。 3 番目に、プロセス モデルに基づいて確立された調整ルール (ジーグラー・ニコルズやコーエン・クーンなど) を使用して PID パラメーターが計算されます。調整プロセスはユーザーによって指示され、コントロールの積極性を調整するためのオプションが含まれています。ユーザーは、高速応答 (より高いゲイン) と安定した応答 (より低いゲイン) を選択できます。
PID パラメーターをオンラインで更新する必要があるアプリケーションの場合、Siemens PLC は PID_Compact ブロックの「プレチューニング」機能を介したセルフチューニングをサポートします。この機能は、ユーザーまたはプログラム ロジックによってアクティブ化されると、チューニング シーケンスを自動的に開始します。自動調整は多段階のプロセスです。まず、コントローラーは設定値のステップ変更を適用し、プロセス応答を記録します。次に、コントローラーは応答に基づいて新しい PID パラメーターを計算します。自動チューニング プロセスはコミッショニングを目的としており、セットポイントの変更が必要なため、継続的なオンライン チューニングには推奨されません。次の表は、Siemens PLC で使用できるチューニング方法の比較を示しています。
| チューニング方法 | 説明 | 利点 | 制限事項 |
| PIDコンパクトチューナー（マニュアル） | TIA ポータルの対話型ツール。ユーザーはステップテストを適用し、調整パラメータを選択します | ユーザーは積極的なチューニングを制御できます。クリティカルなループに適しています | ユーザーの介入が必要です。複数回の反復が必要になる場合があります |
| PID_Compact プレチューニング (自動) | PLCはチューニングシーケンスを自動的に実行します。ユーザーコマンドによってトリガーされる | 完全に自動化されています。エンジニアリングツールは必要ありません | 設定値のステップ変更が必要です。通常動作時は使用できません |
| PIDパラメータの手動調整 | ユーザーは操作中に Kp、Ki、Kd を手動で調整します | フレキシブル;複雑なプロセスの微調整に使用可能 | 経験が必要です。調整を誤ると不安定になる可能性があります |
複雑なプロセスプラントでは、動作条件に基づいて PID パラメータを調整する必要がある場合があります。たとえば、化学反応器は、低、中、高の供給速度で異なる動力学を示す可能性があります。このような場合、適応制御戦略が必要になる場合があります。シーメンス PLC は、プログラム ロジックを通じて PID パラメータの適応をサポートし、プロセス状態に基づいて PID パラメータを変更できるようにします。
基本的なシングル ループ PID 制御は多くのアプリケーションに十分ですが、複雑なプロセス プラントでは、相互作用するループ、変動する負荷、および長い時間遅延を処理するための高度な制御戦略が必要になることがよくあります。 Siemens PLC は、TIA ポータルの PID ブロックと標準機能ブロックを使用して実装できる一連の高度な制御戦略をサポートしています。
カスケード制御:これは、時定数が長いプロセスの応答を改善するために広く使用されている戦略です。これには 2 つのコントローラーが含まれており、主コントローラー (マスター) の出力が副コントローラー (スレーブ) の設定値として使用されます。スレーブ コントローラーはより高速なセカンダリ プロセスを処理し、マスター コントローラーはプライマリ プロセスを処理します。例えば、温度制御用途では、ジャケット付き反応器が一次温度コントローラーと二次ジャケット温度コントローラーを備えている場合があります。二次コントローラは冷却材の流れの乱れに迅速に応答し、一方、一次コントローラは二次コントローラの設定値を調整して原子炉温度を維持します。
フィードフォワード制御:この戦略では、測定された外乱を使用して、外乱がプロセスに影響を与える前にコントローラーの出力を積極的に調整します。たとえば蒸留塔では、供給流量からのフィードフォワード信号を使用して、供給の乱れが製品組成に影響を与える前に、リボイラーへの蒸気流量を調整できます。 Siemens PLC は、PID ブロック出力にフィードフォワード信号を追加することにより、フィードフォワード制御をサポートします。フィードフォワード信号は、外乱測定に基づいて必要な調整を計算する機能ブロックによって生成できます。
比率制御:この戦略は、2 つのプロセス変数間の特定の比率を維持するために使用されます。たとえば、反応物と触媒を特定の比率で混合する必要があるプロセスでは、比率コントローラーは触媒の流量が反応物の流量に比例することを保証します。 Siemens PLC は、一次流量測定値をスケールして二次流量コントローラの設定値を生成する乗算器ブロックの使用による比率制御をサポートします。
オーバーライド コントロール (セレクター コントロール):この戦略は、プロセス変数が安全限界を超えることを防ぐために使用されます。オーバーライド コントローラーはプロセス変数を監視し、変数が限界に近づくとプライマリ コントローラーをオーバーライドします。たとえば、反応器では、温度オーバーライド コントローラーによって供給速度を下げて、温度が安全な動作限界を超えるのを防ぐことができます。 Siemens PLC は、適切な制御信号を選択するコンパレータおよびセレクタ ブロックの使用によるオーバーライド制御をサポートしています。
以下の表は、Siemens PLC によってサポートされる高度な制御戦略をまとめたものです。
| 制御戦略 | 主な用途 | シーメンス PLC の主要な機能 |
| カスケード制御 | 時定数の長いプロセス (温度、レベル) | 2 つの PID ブロック。一方が他方を駆動します。マスターの出力はスレーブの設定値です |
| フィードフォワード制御 | 測定可能な外乱を伴うプロセス (流れ、組成) | フィードフォワード信号が PID 出力に追加されます。外乱測定をファンクションブロックで処理 |
| レシオコントロール | 2 つのストリームを一定の比率で混合する必要があるプロセス | Multiplier ブロックは一次流量をスケールして二次流量の設定値を生成します |
| オーバーライド制御 | 安全限界のあるプロセス (温度、圧力) | コンパレータとセレクタのブロックは、安全性を維持するために適切な制御信号を選択します |
岳陽通図電子商取引株式会社 では、シーメンス PLC システムにこれらの高度な制御戦略を実装する豊富な経験があります。当社の技術チームは、プロセス プラント アプリケーション向けの複雑な制御ソリューションの設計と構成を支援できます。
プロセス プラントに PID 制御を実装するには、PID ブロックの基本構成を超えた実際的な考慮事項が必要になります。これらの考慮事項には、信号調整、アクチュエータの選択、ノイズ フィルタリング、安全性の実装が含まれます。 Siemens PLC は、これらの実際的な要件に対処する機能を提供します。
信号調整とスケーリング:プロセス変数 (PV) と設定値 (SP) は、適切な工学単位に合わせて調整する必要があります。 Siemens PLC は、センサーからの生のアナログ入力信号 (例: 4 ～ 20mA または 0 ～ 10V) を工学単位 (例: °C、bar、m3/h) に変換するスケーリング機能 (SCALE_X および NORM_X) を提供します。 PID ブロックは工学単位を使用するため、PID パラメーターの解釈とプロセスの監視が簡素化されます。スケーリングは、プロセス変数がプロセス範囲の 0 ～ 100% の範囲になるように構成する必要があります。これにより、PID パラメータの一貫性が確保され、さまざまなプロセス範囲に適用できるようになります。
アクチュエータの選択と特性:アクチュエータ (バルブ、ポンプ、ヒーター) は、制御ループの重要なコンポーネントです。 PID ブロックはアクチュエータのタイプに一致する必要があります。線形特性を持つ制御バルブの場合は、線形 PID 出力が適切です。非線形特性を持つバルブの場合、出力曲線を調整した PID ブロックが必要になる場合があります。 Siemens PLC PID ブロックを使用すると、ユーザーは出力タイプと範囲を選択して、アクチュエータとの互換性を確保できます。電動バルブを使用するアプリケーションの場合、PID_3Step ブロックはバルブのアクチュエーターに特定の制御信号を提供するように設計されています。
ノイズフィルタリング:センサーからのプロセス変数信号には、特に高周波の外乱があるアプリケーションや干渉を受けやすいセンサーを使用している場合に、ノイズが多くなることがあります。 Siemens PLC は、フィルター ブロックまたは PID ブロックの内部フィルターによるプロセス変数のフィルター処理をサポートしています。 PID ブロックには、PV 信号内のノイズを低減するために調整できる平滑化パラメーターが含まれています。過度の位相遅延を加えずに高周波ノイズを除去するには、フィルタリングを使用する必要があります。
次の表は、プロセス プラントにおける PID 制御に関する実際的な考慮事項をまとめたものです。
| 考慮 | 説明 | シーメンス PLC での実装 |
| 信号のスケーリング | 生のアナログ信号を工学単位に変換する | SCALE_X および NORM_X 関数。 PIDブロックでPVレンジを設定 |
| アクチュエータのマッチング | アクチュエータのタイプに合わせて PID ブロックを選択してください | アナログ出力の場合は PID_Compact。バルブ制御用の PID_3Step;温度の場合は PID_Temp |
| ノイズフィルタリング | PV信号のノイズを低減 | PID ブロックの内部平滑化パラメーターまたは外部フィルター関数 |
| フェールセーフ動作 | センサー故障時の安全な動作を確保 | エラー検出時に安全な出力を設定するように PID ブロックを構成する |
| 冗長性 | 重要なループに冗長性を提供する | スイッチオーバー付きの 2 つの PID ブロック。冗長I/O構成 |
質問 1: Siemens S7-1500 PLC が処理できる PID ループの最大数はどれくらいですか?
回答: Siemens S7-1500 PLC が処理できる PID ループの最大数は、特定の CPU モデル、実行サイクル タイム、および PID ブロックの複雑さによって異なります。一般的な S7-1500 CPU は、CPU の処理能力とサンプル時間に応じて、スキャン サイクルに大きな影響を与えることなく 100 ～ 200 の PID ループを処理できます。たとえば、CPU 1516-3 PN/DP は、100 ミリ秒のサンプル時間で最大 200 の PID ループを処理できます。ただし、実際の数は実行サイクルとループの複雑さによって異なります。高性能要件については、代表的な数の PID ループを使用してシステムをテストすることをお勧めします。
質問 2: エンジニアリング ツールを使用せずに、Siemens PLC の PID コントローラーを調整するにはどうすればよいですか?
回答: Siemens PLC の PID_Compact ブロックには、エンジニアリング ツールなしでアクティブ化できるプレチューニング機能が含まれています。プレチューニング機能は、コントローラーのインターフェイスで特定のビットを設定することによってトリガーされます。コントローラーは自動的に設定値のステップ変更を適用し、最適な Kp、Ki、および Kd パラメーターを計算します。プレチューニング プロセスには、典型的な応答を備えた安定したプロセスが必要です。試運転やプロセスダイナミクスがよく理解されているアプリケーションに適しています。
質問 3: PID 制御ループのバルブ不感帯はどのように処理すればよいですか?
回答: バルブのデッドバンドは、電動バルブを使用した制御ループでよく見られる問題です。 Siemens PLC の PID_3Step ブロックには、この問題に対処するデッドバンド補償機能が含まれています。不感帯補償は、不感帯を克服するために小さな追加出力信号を適用し、バルブが制御出力の小さな変化に確実に応答できるようにします。デッドバンド パラメーターは PID_3Step ブロック設定で構成されます。
質問 4: Siemens PLC の PID_Compact と PID_3Step の違いは何ですか?
回答: PID_Compact は、アナログ出力用に設計された汎用 PID コントローラーです。連続アナログ信号 (4 ～ 20mA または 0 ～ 10V など) を受け入れるアクチュエータを備えたアプリケーションに適しています。 PID_3Step は、電動バルブなどの 3 段階の出力 (開、閉、停止) を必要とするアクチュエーター向けに特別に設計されています。 PID_3Step ブロックには、PID_Compact には存在しないバルブ位置決め、不感帯補償、移動限界監視の機能が含まれています。適切なブロックの選択は、使用するアクチュエータのタイプによって異なります。
質問 5: Siemens PLC を使用してカスケード制御を実装するにはどうすればよいですか?
回答: カスケード制御は 2 つの PID ブロックを使用して実装されます。プライマリ (マスター) PID ブロックの出力は、セカンダリ (スレーブ) PID ブロックの設定値として使用されます。スレーブ PID ブロックの出力はアクチュエーターを駆動します。マスター PID ブロックは一次プロセス変数を制御し、スレーブ PID ブロックは二次プロセス変数 (高速内部ループなど) を制御します。スムーズな移行を確保するには、カスケード コントロールを適切なスケーリングとバンプレス転送で構成する必要があります。
シーメンス PLC プラットフォームは、プロセス プラントで複雑な PID 制御を実装するための堅牢で柔軟なフレームワークを提供します。複数のブロック タイプとパラメータ調整方法を備えた PID アルゴリズム アーキテクチャにより、エンジニアはさまざまなアプリケーションの特定の要件を満たす制御ループを設計できます。実行サイクル管理により一貫したサンプル時間が保証される一方、高度な制御戦略 (カスケード、フィードフォワード、比率、オーバーライド) がループの相互作用やさまざまな外乱の課題に対処します。信号調整、アクチュエータの選択、ノイズフィルタリング、およびフェールセーフ動作の実践的な考慮事項がシーメンスプラットフォームに統合されており、信頼性の高い安全な制御が可能になります。
シーメンス PLC による PID 制御のサポートは、プロセス産業で PID 制御が広く採用される重要な要素です。 TIA ポータルとの統合により、PID ループの構成、調整、監視のための強力なエンジニアリング環境が提供されます。標準の機能ブロックと一貫したプログラミング手法の使用により、開発とメンテナンスが簡素化されます。シーメンス PLC は、数百もの制御ループを備えた複雑なプロセス プラントに、拡張性と信頼性の高いソリューションを提供します。
岳陽通図電子商取引株式会社 では、シーメンス PLC 製品とプロセス制御アプリケーションの技術サポートを提供しています。当社のエンジニア チームは、幅広いプロセス産業向けの PID 制御ソリューションの設計と実装に豊富な経験を持っています。技術相談、製品選定支援、エンジニアリングサポートを行っております。シーメンス PLC 製品およびサービスの詳細については、お問い合わせください。
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