《可編程控制器應(yīng)用技術(shù)》模塊5任務(wù)5-1

模塊5S7-200PLC拓展應(yīng)用

PLC不僅可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量控制。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，控制系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，不僅要求能實(shí)現(xiàn)數(shù)字量控制，更要求能對(duì)更復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模擬量控制和運(yùn)動(dòng)量控制。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和系統(tǒng)在較大的范圍內(nèi)分布時(shí)，依靠單臺(tái)PLC來完成所有任務(wù)不僅不可能，也不合理，這就要求PLC具有組成多層次的工業(yè)化自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信控制的功能。通過4項(xiàng)與本模塊相關(guān)的任務(wù)的實(shí)施，在熟練掌握前述各種PLC指令的基礎(chǔ)上，掌握PLC在模擬量控制中的應(yīng)用，PLC與PLC之間、PLC與文本顯示器、PLC與變頻器之間的通信。任務(wù)5-1水箱水位恒定控制任務(wù)5-2S7-200PLC之間的通信任務(wù)5-3S7-200與文本顯示器的通信學(xué)習(xí)目標(biāo)任務(wù)5-4S7-200與變頻器的通信任務(wù)5-1水箱水位恒定控制（1）掌握S7-200PLC模擬量輸入、輸出模塊的功能。（2）掌握PID指令。（3）掌握PLC在模擬量控制中的應(yīng)用。（4）能夠編制PLC程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)水箱水位恒定控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制。任務(wù)目標(biāo)任務(wù)5-1水箱水位恒定控制任務(wù)5-1水箱水位恒定控制前導(dǎo)知識(shí)

PLC的模擬量處理功能主要通過模擬量輸入/輸出模塊及用戶程序來完成。模擬量輸入模塊接受各種傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到PLC中；PLC根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際要求，通過用戶程序?qū)D(zhuǎn)換后的信息進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果通過模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號(hào)去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。模擬量輸入/輸出模塊是PLC模擬量處理的硬件基礎(chǔ)，用戶程序數(shù)據(jù)處理是PLC模擬量處理的靈魂。S7-200系列PLC模擬量I/O模塊主要有EM231模擬量4路輸入、EM232模擬量2路輸出和EM235模擬量4輸入/1輸出混合模塊三種，另還有專門用于溫度控制的EM231模擬量輸入熱電偶模塊和EM231模擬量輸入熱電阻模塊。任務(wù)5-1水箱水位恒定控制前導(dǎo)知識(shí)1．模擬量輸入模塊——1）EM231模擬量輸入模塊

功能：是把模擬量輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)。存儲(chǔ)在16位模擬量寄存器AIW中的數(shù)據(jù)有效位為12位，其格式如圖5-1所示。最高有效位是符號(hào)位：0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)。圖5-1模擬量輸入數(shù)據(jù)的數(shù)字量格式任務(wù)5-1水箱水位恒定控制前導(dǎo)知識(shí)1．模擬量輸入模塊——1）EM231模擬量輸入模塊圖5-2所示為EM231模擬量輸入模塊端子，模塊上部共有12個(gè)端子，每3個(gè)為一組（如RA、A+、A-）可作為一路模擬量的輸入通道，共4組，對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)只用2個(gè)端子（如A+、A-），電流信號(hào)需用3個(gè)端子（如RC、C+、C-），其中RC與C+端子短接。對(duì)于未用的輸入通道應(yīng)短接（如B+、B-）。模塊下部左端M接DC24V電源負(fù)極，L+接電源正極。圖5-2EM231模擬量輸入模塊端子任務(wù)5-1水箱水位恒定控制前導(dǎo)知識(shí)1．模擬量輸入模塊——2）EM231模擬量輸入模塊的性能

EM231模擬量輸入模塊的性能主要有以下幾項(xiàng)，使用時(shí)要特別注意輸入信號(hào)的規(guī)格，不得超出其使用極限值。（1）數(shù)據(jù)格式：雙極性為-32000～+32000，單極性為0～32000。（2）輸入阻抗：大于等于10MΩ。（3）最大輸入電壓：30VDC。（4）最大輸入電流：32mA。（5）分辨率：最小滿量程電壓輸入時(shí)，為1.25mV；電流輸入時(shí)為5μA。（6）差入類型：差分輸入型。（7）輸入電壓電流范圍

·輸入電壓范圍：?jiǎn)螛O性為0～5V或0～10V，雙極性為±5V或±2.5V。

·輸入電流范圍：0～20mA。（8）擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換時(shí)間：小于250μs。任務(wù)5-1水箱水位恒定控制前導(dǎo)知識(shí)1．模擬量輸入模塊——3）EM231模擬量輸入模塊信號(hào)的整定輸入信號(hào)的類型及范圍通過模擬量輸入模塊右下側(cè)的DIP開關(guān)（SW1、SW2和SW3）設(shè)定。表5-1為EM231選擇模擬量輸入范圍的開關(guān)表。任務(wù)5-1水箱水位恒定控制前導(dǎo)知識(shí)1．模擬量輸入模塊——3）EM231模擬量輸入模塊信號(hào)的整定選擇好DIP開關(guān)后，還需對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整定，輸入信號(hào)的整定就是要確定模擬量輸入信號(hào)與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過調(diào)節(jié)DIP設(shè)定開關(guān)左側(cè)的增益旋鈕（圖5-2）可調(diào)整該模塊的輸入輸出關(guān)系。調(diào)整步驟如下：（1）在模塊脫離電源的條件下，通過DIP開關(guān)選擇需要的輸入范圍；（2）接通CPU及模塊電源，并使模塊穩(wěn)定15分鐘；（3）用一個(gè)電壓源或電流源，給模塊輸入一個(gè)零值信號(hào)；（4）讀取模擬量輸入寄存器AIW相應(yīng)地址中的值，獲得偏移誤差（輸入為0時(shí)，模擬量模塊產(chǎn)生的數(shù)字量偏差值），該誤差在該模塊中無法得到校正；（5）將一個(gè)工程量的最大值加到模塊輸入端，調(diào)節(jié)增益電位器，直到讀數(shù)為32000或所需要的數(shù)值為止。任務(wù)5-1水箱水位恒定控制前導(dǎo)知識(shí)2．模擬量輸出模塊

EM232模擬量輸出模塊具有兩路模擬量輸出通道。其功能是將PLC模擬量輸出寄存器AQW中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為可用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的模擬量。在16位模擬量輸出寄存器AQW中的數(shù)據(jù)有效位為12位，其格式如圖5-4所示。數(shù)據(jù)的最高有效位是符號(hào)位，最低4位在轉(zhuǎn)換為模擬量輸出值時(shí)，將自動(dòng)屏弊。圖5-4模擬量輸出數(shù)據(jù)的數(shù)字量格式任務(wù)5-1水箱水位恒定控制前導(dǎo)知識(shí)2．模擬量輸出模塊如圖5-5所示是EM232模擬量輸出模塊端子。模塊上部有7個(gè)端子，左端起的每3個(gè)點(diǎn)為一組，作為一路模擬量輸出，共兩組：第一組V0端接電壓負(fù)載、I0端接電流負(fù)載，M0為公共端；第二組V1、I1、M1的接法與第一組類似。輸出模塊下部M、L+兩端接入DC24V供電電源。圖5-5EM232模擬量輸出模塊端子任務(wù)5-1水箱水位恒定控制前導(dǎo)知識(shí)3．模擬量輸入/輸出模塊

EM235模擬量輸入輸出模塊具有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出，它的輸入回路與EM231模擬量輸入模塊的輸入回路稍有不同，如圖5-6所示。它增加了一個(gè)偏置電壓調(diào)整回路，通過調(diào)節(jié)輸出接線端子右側(cè)的偏置電位器可以消除偏置誤差。其輸入特性與EM231模塊不同之處主要表現(xiàn)在可供選擇的輸入信號(hào)范圍更加細(xì)致，以便適應(yīng)其更加廣泛的場(chǎng)合。圖5-6EM235模擬量輸入輸出模塊端子任務(wù)內(nèi)容任務(wù)5-1水箱水位恒定控制

某水箱水位控制系統(tǒng)如圖5-8所示。因水箱出水速度時(shí)高時(shí)低，所以采用變速水泵向水箱供水，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的恒定控制。設(shè)給定量為滿水位的75％，被控量水位值（為單極性信號(hào)）由液位計(jì)檢測(cè)后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入PLC，用于控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制量信號(hào)由PLC執(zhí)行PID指令后以單極性信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后送出。擬采用PI控制，其增益、采樣周期和積分時(shí)間分別為：Kc=0.25，T=0.1s，TI=30min。要求開機(jī)后先由手動(dòng)控制水泵，一直到水位上升為75％時(shí)，通過輸入點(diǎn)I0.0的置位切入自動(dòng)狀態(tài)。制定計(jì)劃工作計(jì)劃:

在實(shí)際行動(dòng)之前，預(yù)先對(duì)目標(biāo)和行動(dòng)方案作出選擇和具體安排，計(jì)劃是預(yù)測(cè)與構(gòu)想，即預(yù)先進(jìn)行行動(dòng)安排；圍繞預(yù)期的目標(biāo)，采取具體行動(dòng)措施的工作過程，隨著目標(biāo)的調(diào)整進(jìn)行行動(dòng)的調(diào)整。任務(wù)5-1水箱水位恒定控制任務(wù)實(shí)施任務(wù)5-1水箱水位恒定控制1．設(shè)計(jì)思路通過首次掃描調(diào)用子程序的方式，初始化PID參數(shù)表并為PID運(yùn)算設(shè)置時(shí)間間隔（定時(shí)中斷）。PID參數(shù)表的首地址為VD100，定時(shí)中斷事件為10，子程序編號(hào)為0。通過定時(shí)中斷每隔100ms調(diào)用一次中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中，采樣被控量的水位值并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后送入PID參數(shù)表，若系統(tǒng)處于手動(dòng)工作狀態(tài)，則做好切換到自動(dòng)工作方式的準(zhǔn)備（將手動(dòng)時(shí)水泵轉(zhuǎn)速的給定值經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后送PID參數(shù)表作為輸出值及積分和，將手動(dòng)時(shí)的水位值標(biāo)準(zhǔn)化后送PID參數(shù)表作為反饋量前值）；若系統(tǒng)為自動(dòng)工作狀態(tài)，則執(zhí)行PID運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成工程量后送模擬量輸出寄存器，通過D/A轉(zhuǎn)換以控制水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)水位恒定控制要求。任務(wù)實(shí)施任務(wù)5-1水箱水位恒定控制2．程序設(shè)計(jì)采用PLC梯形圖語言編寫的水箱水位控制主程序如圖5-9所示，水箱水位控制子程序如圖5-10所示，水箱水位控制定時(shí)中斷服務(wù)子程序如圖5-11、圖5-12所示。圖5-9水箱水位控制主程序任務(wù)實(shí)施任務(wù)5-1水箱水位恒定控制2．程序設(shè)計(jì)圖5-10水箱水位控制子程序（初始化PID參數(shù)表、設(shè)置PID運(yùn)算周期）任務(wù)實(shí)施任務(wù)5-1水箱水位恒定控制2．程序設(shè)計(jì)圖5-11水箱水位控制中斷服務(wù)子程序（讀水位值，自動(dòng)時(shí)啟動(dòng)PID運(yùn)算）任務(wù)實(shí)施任務(wù)5-1水箱水位恒定控制2．程序設(shè)計(jì)圖5-12水箱水位控制中斷服務(wù)子程序（手動(dòng)控制結(jié)果存PID參數(shù)表）任務(wù)實(shí)施任務(wù)5-1水箱水位恒定控制3．安裝配線按照?qǐng)D5-8進(jìn)行配線，完成水箱水位控制系統(tǒng)的接線。4．運(yùn)行調(diào)試（1）運(yùn)行STEP7Micro/WIN編程軟件，編寫控制程序并下載程序文件到PLC，使PLC進(jìn)入運(yùn)行方式。（2）打開狀態(tài)編輯器，錄入VD100、VD104、VD108、VD120、VD124、VD128、VD132，I0.0，I0.1，Q0.0，使其進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。（3）通過強(qiáng)制操作I0.1，使Q0.0得電，將變頻器接入電源。調(diào)節(jié)電位器旋鈕，使變頻器頻率由0逐漸上升，水箱水位逐漸提高。觀察水位上升過程中，VD100、VD108、VD128、VD132各存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)的變化情況。（4）待水箱水位接近75%滿水位時(shí)，強(qiáng)制I0.0得電，使系統(tǒng)進(jìn)入PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制狀態(tài)。加大或減小水箱水位量，觀察系統(tǒng)各量的變化過程。（5）通過寫操作，分別改變?cè)鲆妗⒎e分時(shí)間常數(shù)的大小，觀察系統(tǒng)的運(yùn)行效果。檢查評(píng)價(jià)成果展示按任務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。成果展示、分組交流任務(wù)5-1水箱水位恒定控制相關(guān)知識(shí)任務(wù)5-1水箱水位恒定控制在過程控制系統(tǒng)中，經(jīng)常涉及模擬量的控制，如溫度、壓力和流量控制等。為了使控制系統(tǒng)穩(wěn)定準(zhǔn)確，要對(duì)模擬量進(jìn)行采樣檢測(cè)，從而形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。檢測(cè)的對(duì)象是被控物理量的實(shí)際數(shù)值，也稱為過程變量；用戶設(shè)定的調(diào)節(jié)目標(biāo)值，也稱為給定值?？刂葡到y(tǒng)對(duì)過程變量與給定值的差值進(jìn)行PID（比例+積分+微分）運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，形成對(duì)模擬量的控制作用，這就是模擬量PID調(diào)節(jié)功能。這種作用的結(jié)構(gòu)如圖5-13所示。圖5-13PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖相關(guān)知識(shí)任務(wù)5-1水箱水位恒定控制1．PID回路表

S7-200系列PLC中，通過PID回路指令來處理模擬量是非常方便的，PID功能的核心是PID指令。PID指令需要為其指定一個(gè)V變量存儲(chǔ)區(qū)地址開始的PID回路表（或稱為參數(shù)表）、PID回路號(hào)。PID回路表提供了給定和反饋及PID參數(shù)等數(shù)據(jù)入口，PID運(yùn)算的結(jié)果也在回路表輸出，如表見表5-4所示。相關(guān)知識(shí)任務(wù)5-1水箱水位恒定控制1．PID回路表

PID回路有兩個(gè)輸入量，即給定值（SP）與過程變量（PV）。給定值通常是固定的值，過程變量是經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和計(jì)算后得到的被控量的實(shí)測(cè)值，給定值與過程變量都是現(xiàn)實(shí)存在的值，對(duì)于不同系統(tǒng)，它們的大小、范圍與工程單位有很大的區(qū)別。在回路表中它們只能被PID指令讀取，而不能改寫。PID指令對(duì)這些量運(yùn)算之前，還要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換。每次完成PID運(yùn)算后，都要更新回路表內(nèi)的輸出值Mn，它被限制在0.0～0.1之間。從手動(dòng)控制切換到PID自動(dòng)控制方式時(shí)，回路表中的輸出值可以用來初始化輸出值。增益Kc為正時(shí)為正作用回路，反之為負(fù)作用回路。如果不想要比例作用，應(yīng)將回路增益Kc設(shè)為0.0，對(duì)于增益為0.0的積分或微分控制，如果積分或微分時(shí)間為正，則為正作用回路，反之為負(fù)作用回路。如果使用積分控制，則上一次的積分值MX（積分和）要根據(jù)PID運(yùn)算結(jié)果來更新，更新后的數(shù)值作為下一次運(yùn)算的輸入。MX也應(yīng)限制在0.0～0.1之間，當(dāng)每次PID運(yùn)算結(jié)束時(shí)，將MX寫入回路表，供下一次PID運(yùn)算使用。相關(guān)知識(shí)任務(wù)5-1水箱水位恒定控制2．PID參數(shù)的設(shè)置方法

為執(zhí)行PID指令，要對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，參數(shù)設(shè)置對(duì)控制效果的影響非常大，PID控制器有4個(gè)主要的參數(shù)Ts、Kc、TI和TD需要設(shè)置。在P、I、D這3種控制作用中，比例（P）部分與誤差在時(shí)間上是一致的。只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就能及時(shí)地產(chǎn)生與誤差成正比的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)。比例系數(shù)Kc越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，但過大會(huì)使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。積分（I）部分與誤差的大小和誤差的歷史情況都有關(guān)系，只要誤差不為零，控制器的輸出就會(huì)因積分作用而變化，一直到誤差消失。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，積分部分才不再變化，因此積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是積分作用的動(dòng)作緩慢，滯后性強(qiáng)，可能給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能帶來不良影響。積分時(shí)間常數(shù)TI增大時(shí)，積分作用減弱，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性可能有所改善，但是消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。相關(guān)知識(shí)任務(wù)5-1水箱水位恒定控制2．PID參數(shù)的設(shè)置方法微分（D）部分反映了被控制量變化的趨勢(shì)，根據(jù)趨勢(shì)，微分部分提前給出較大的調(diào)節(jié)作用。它較比例調(diào)節(jié)更為及時(shí)，因此它具有超前和預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。當(dāng)微分時(shí)間常數(shù)TD增大時(shí)，可能會(huì)使超調(diào)量減少，動(dòng)態(tài)性能改善，但是抑制高頻干擾的能力下降。如果TD太大，則系統(tǒng)輸出量可能會(huì)出現(xiàn)頻率較高的振蕩。為了使采樣值能及時(shí)反映模擬量的變化，Ts越小越好。但Ts太小會(huì)增加CPU的運(yùn)算工作量，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒有什么變化，因此也不宜將Ts取得過小。相關(guān)知識(shí)任務(wù)5-1水箱水位恒定控制3．PID指令

S7-200系列PLC的PID指令沒有設(shè)置控制方式，執(zhí)行PID指令時(shí)為自動(dòng)方式；不執(zhí)行PID指令時(shí)為手動(dòng)方式。PID指令的功能是進(jìn)行PID運(yùn)算。該指令的格式及功能如表5-5所示。相關(guān)知識(shí)任務(wù)5-1水箱水位恒定控制3．PID指令說明：（1）LOOP為PID調(diào)節(jié)回路號(hào)，可在0～7范圍選?。粸楸ＷC控制系統(tǒng)的每一條控制回路都能正常調(diào)節(jié)，必須為調(diào)節(jié)回路號(hào)LOOP賦不同的值，否則系統(tǒng)將不能正常工作；（2）TBL為與LOOP相對(duì)應(yīng)的PID回路表的起始地址，指定PID運(yùn)算的有關(guān)參數(shù)，見表5-4，它由36個(gè)字節(jié)組成，存儲(chǔ)著9個(gè)參數(shù)，可尋址的地址為VB；（3）為了保證在切換過程中無擾動(dòng)、無沖擊，在轉(zhuǎn)換前必須把手動(dòng)控制輸出值寫入回路表的參數(shù)Mn。并對(duì)回路表內(nèi)的值進(jìn)行下列操作：①使SPn（給定值）=PVn（過程變量）；②使PVn-1（前一次過程變量）=PVn（過程變量的當(dāng)前值）；③使MX（積分和）=Mn（輸出量）。任務(wù)訓(xùn)練任務(wù)5-1水箱水位恒定控制某電爐恒溫控制系統(tǒng)，溫度在50～500℃可調(diào)。控制要求如下：（1）采用PLC的PID調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)。（2）采用EM231熱電偶模塊將熱電偶檢測(cè)到的溫度實(shí)際值送入PLC的AIW0單元中，作為溫度反饋信號(hào)。（3）采用EM232模擬量輸出模塊將PID運(yùn)算的結(jié)果輸出到晶閘管調(diào)功器，以控制交流電源通過的周期數(shù)，實(shí)現(xiàn)電爐的恒溫控制要求。小結(jié)任務(wù)5-1水箱水位恒定控制