模塊七PLC模擬量及PID控制課件

模塊七PLC模擬量及PID控制學習目標了解各種模擬量輸入輸出模塊。掌握模擬量的輸入及輸出，能使用模擬量輸入輸出模塊組成PLC模擬量控制系統(tǒng)，并能根據工藝要求設置模塊參數，編寫控制程序。掌握PID調節(jié)指令的格式及功能，會編寫PID參數表初始化程序。任務一：PLC模擬量控制及應用與S7—22XCPU配套的A/D、D/A模塊有EM231（4路12位模擬量輸入）、EM232（2路12位模擬量輸出）、EM235（4路12位模擬量輸入/1路12位模擬量輸出）。任務一：PLC模擬量控制及應用1．模擬量輸入（2）模擬量輸入的配置使用EM231和EM235輸入模擬量時，首先要進行模塊的配置和校準。通過調整模塊中的DIP開關，可以設定輸入模擬量的種類（電流、電壓）以及模擬量的輸入范圍、極性，如圖7-1、7-2所示。任務一：PLC模擬量控制及應用1．模擬量輸入（2）模擬量輸入的配置 電流發(fā)送器電壓發(fā)送器未用端子配置開關增益沒有使用24VDC電源和公共端圖7-1EM231模擬量輸入模塊端子及DIP開關示意圖固定端子塊增益DIP設定開關開關任務一：PLC模擬量控制及應用1．模擬量輸入（2）模擬量輸入的配置 電流發(fā)送器電壓發(fā)送器未用端子配置開關增益沒有使用24VDC電源和公共端圖7-1EM231模擬量輸入模塊端子及DIP開關示意圖固定端子塊增益DIP設定開關開關任務一：PLC模擬量控制及應用1．模擬量輸入（3）模擬量輸入校準校準調節(jié)影響所有的輸入通道。即使在校準以后，如果模擬量多路轉換器之前的輸入電路的元件值發(fā)生變化，從不同通道讀入同一個輸入信號，其信號值也會有微小的不同。校準輸入的步驟如下：切斷模塊電源，用DIP開關選擇需要的輸入范圍。接通CPU和模塊電源，使模塊穩(wěn)定15min。用一個變送器、一個電壓源或電流源，將零值信號加到模塊的一個輸入端。讀取該輸入通道在CPU中的測量值。調節(jié)模塊上的OFFSET（偏置）電位器，直到讀數為零，或所需要的數字值。將一個滿刻度模擬量信號接到某一個輸入端子，讀出A/D轉換后的值。調節(jié)模塊上的GAIN（增益）電位器，直到讀數為32000，或所需要的數字值。必要時重復上述校準偏置和增益的過程。任務一：PLC模擬量控制及應用1．模擬量輸入（4）輸入模擬量的讀取每個模擬量占用一個字長（16位），其中數據占12位，依據輸入模擬量的極性，其數據字格式有所不同，其格式如圖7-3所示。模擬量轉換為數字量的12位讀數是左對齊的，對單極性格式，最高位為符號位，最低3位是測量精度位，即A/D轉換是以8為單位進行的；對雙極性格式，最低4位為轉換精度位，即A/D轉換是以16為單位進行的。在讀取模擬量時，利用數據傳送指令MOV_W可以從指定的模擬量輸入通道將其讀取到內存中，然后根據其極性，利用移位指令或整數除法指令將其規(guī)格化，以便于處理其數據值部分。任務一：PLC模擬量控制及應用2．模擬量輸出（1）模擬量輸出（AQ）尋址通過D/A模塊，S7-200CPU把一個字長（16位）的數字量按比例轉換成電流或電壓?？梢杂脜^(qū)域標識符（AQ）、數據長度（W）和模擬通道的起始地址來存儲這些量，其格式為：AQW[起始自節(jié)地址]因為模擬輸出量為一個字長，且從偶數字節(jié)開始，所以必須從偶數字節(jié)地址存儲這些值，如AQW0、AQW2、AQW4等。模擬量輸出值是只寫數據，用戶不能讀取模擬量輸出值。任務一：PLC模擬量控制及應用2．模擬量輸出（2）模擬量的輸出b）EM232輸出回路框圖電壓-電流轉換器電壓輸出緩沖器數-模轉換器D/A電流輸出電壓輸出空閑電壓負載電流負載電壓負載電流負載空閑端子24VDC電源和公共端子a）EM232模塊接線端子圖圖7-4EM232模擬量輸出模塊外部接線圖及內部結構圖任務一：PLC模擬量控制及應用2．模擬量輸出（2）模擬量的輸出每個模擬量占用一個字長（16位），依據輸出模擬量的類型，其數據字格式有所不同，其格式如圖7-5所示。模擬量數據輸出值是左對齊的，最高有效位是符號位，0表示正值。最低4位是四個連續(xù)的0，在轉換為模擬量輸出值時，將自動屏蔽，不會影響輸出信號值。在輸出模擬量時，首先根據電流輸出方式或電壓輸出方式，利用移位指令或整數乘法指令對其數據值部分進行處理，然后利用數據傳送指令MOV_W將其從指定的模擬量輸出通道輸出。任務一：PLC模擬量控制及應用3．模擬量數據的處理（1）模擬量輸入信號的整定通過模擬量輸入模塊轉換后的數字信號直接存儲在S7-200系列PLC的模擬量輸入存儲器AIW中，這種數字量與被轉換的過程之間有一定的函數對應關系，但在數值上并不相等，必須經過某種轉換才能使用，這種將模擬量輸入的數字信號在PLC內部按一定函數關系進行轉換的過程稱為模擬量輸入信號的整定。任務一：PLC模擬量控制及應用3．模擬量數據的處理模擬量輸入信號的整定通常需要考慮以下問題：5）標準化問題從模擬量輸入模塊采集到的過程量都是實際的工程量，其幅度、范圍和測量單位都會不同，在PLC內部進行數據運算之前，必須將這些值轉換為無量綱的標準化格式。6）數字量濾波問題電壓、電流等模擬量常常會因為現(xiàn)場的瞬時干擾而產生較大波動，這種波動經A/D轉換后亦反映在PLC的數字量輸入端，若僅用瞬時采樣值進行控制計算，將會產生較大誤差，有必要進行數字濾波。工程上的數字濾波方法有平均值濾波、去極值平均濾波以及慣性濾波法等。算術平均值濾波的效果與采樣次數有關，采樣次數越多效果越好。但這種濾波方法對于強干擾的抑制作用不大，而去極值平均濾波方法則可有效地消除明顯的干擾信號，消除的方法是對多次采樣值進行累加后，找出最大值和最小值，然后從累加和中減去最大值和最小值，再進行平均值濾波。慣性濾波的方法就是逐次修正，它類似于較大慣性的低通濾波功能。這些方法也可同時使用，效果更好。任務一：PLC模擬量控制及應用3．模擬量數據的處理（2）模擬量輸出信號的整定模擬量輸出信號的整定就是要將PLC的運算結果按照一定的函數關系轉換為模擬量輸出寄存器中的數字值，以備模擬量輸出模塊轉換為現(xiàn)場需要的輸出電壓或電流。已知某溫度控制系統(tǒng)由PLC控制其溫度的升降。當PLC的模擬量輸出模塊輸出10V電壓時，要求系統(tǒng)溫度達到5000C，現(xiàn)PLC運算結果為2300C，則應向模擬量輸出存儲器AQWX寫入的數字量為多少？這就是一個模擬量輸出信號的整定問題。任務一：PLC模擬量控制及應用4．模擬量輸入/輸出舉例例1從模擬量輸入通道AIW2讀取0～10V的模擬量，并將其存入VW100中。程序如圖所示。EM231的DIP開關中SW1、SW2、SW3分別設置為ON、OFF、ON，設定的量程為單極性0～10V，輸入數據范圍為0～32000，其數據格式參見前文所述。利用實驗板上的電位器可以輸入0～10V電壓，可以用“圖狀態(tài)”方式觀察VW100中數據的變化。任務二：PID控制及應用在工業(yè)生產中，常需要用閉環(huán)控制方式來實現(xiàn)溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量控制。無論使用模擬控制器的模擬控制系統(tǒng)，還是使用計算機(包括PLC)的數字控制系統(tǒng)，PID控制都得到了廣泛的應用。過程控制系統(tǒng)在對模擬量進行采樣的基礎上，一般還要對采樣值進行PID（比例+積分+微分）運算，并根據運算結果，形成對模擬量的控制作用。這種作用的結構如圖7-8所示圖7-8

PID控制系統(tǒng)結構圖PID執(zhí)行器控制對象PID輸出Y過程變量PV偏差e-給定量SPPV+—任務二：PID控制及應用PID運算中的積分作用可以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，提高精度，加強對系統(tǒng)參數變化的適應能力；微分作用可以克服慣性滯后，提高抗干擾能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可改善系統(tǒng)動態(tài)響應速度；比例作用可對偏差作出及時響應。因此，對于速度、位置等快過程及溫度、化工合成等慢過程，PID控制都具有良好的實際效果。若能將3種作用的強度作適當的配合，可以使PID回路快速、平穩(wěn)、準確地運行，從而獲得滿意的控制效果。PID的3種作用是相互獨立，互不影響的。改變一個參數，僅影響一種調節(jié)作用，而不影響其他的調節(jié)作用。任務二：PID控制及應用S7-200CPU提供了8個回路的PID功能，用以實現(xiàn)需要按照PID控制規(guī)律進行自動調節(jié)的控制任務，比如溫度、壓力和流量控制等。PID功能一般需要模擬量輸入，以反映被控制的物理量的實際數值，稱為反饋；而用戶設定的調節(jié)目標值，即為給定。PID運算的任務就是根據反饋與給定的相對差值，按照PID運算規(guī)律計算出結果，輸出到固態(tài)開關元件（控制加熱棒）或者變頻器（驅動水泵）等執(zhí)行機構進行調節(jié)，以達到自動維持被控制的量跟隨給定變化的目的。S7-200中PID功能的核心是PID指令。PID指令需要為其指定一個以V為變量存儲區(qū)地址開始的PID回路表，以及PID回路號。PID回路表提供了給定和反饋，以及PID參數等數據入口，PID運算的結果也在回路表輸出。任務二：PID控制及應用1．PID控制器的優(yōu)點（1）不需要被控對象的數學模型自動控制理論中的分析和設計方法主要是建立在被控對象的線性定常數數學模型的基礎上的。這種模型忽略了實際系統(tǒng)中的非線性和時變性，與實際系統(tǒng)有較大的差距。對于許多工業(yè)控制對象，根本就無法建立較為準確的數學模型，因此自動控制理論中的設計方法很難用于大多數控制系統(tǒng)。對于這一類系統(tǒng)，使用PID控制可以得到比較滿意的效果。（2）結構簡單，容易實現(xiàn)PID控制器的結構典型，程序設計簡單，計算工作量較小，各參數有明確的物理意義，參數調整方便，容易實現(xiàn)多回路控制、串級控制等復雜的控制。任務二：PID控制及應用1．PID控制器的優(yōu)點（3）有較強的靈活性和適應性根據被控對象的具體情況，可以采用PID控制器的多種變種和改進的控制方式，例如PI、PD、被控量微分PID、積分分離PID等，但比例控制一般是不可少的。隨著智能控制技術的發(fā)展，PID控制與神經網絡控制等現(xiàn)代控制方法結合，可以實現(xiàn)PID控制器的參數自整定，使PID控制器具有經久不衰的生命力。（4）使用方便現(xiàn)在已有很多PLC廠家提供具有PID控制功能的產品，如PID控制模塊、PID控制系統(tǒng)功能塊等，它們使用簡單方便，只需要設置一些參數即可。STEP7-Micro/MIN的PID指令向導使PID指令的應用更加簡單方便。任務二：PID控制及應用3．PID回路表的格式及初始化（1）PID回路表說明：1）PLC可同時對多個生產過程（回路）實行閉環(huán)控制。由于每個生產過程的具體情況不同，其PID算法的參數亦不同。因此，需建立每個控制過程的參數表，用于存放控制算法的參數和過程中的其它數據。當需要作PID運算時，從參數表中把過程數據送至PID工作臺，待運算完畢后，將有關數據結果再送至參數表。2）表中反饋量PVn和給定值SPn為PID算法的輸入，只可由PID指令來讀取而不可更改；通常反饋量來自模擬量輸入模塊，給定量來自人機對話設備，如TD200、觸摸屏、組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)等。3）表中回路輸出值Yn由PID指令計算得出，僅當PID指令完全執(zhí)行完畢才予以更新。該值還需用戶按工程量標定通過編程轉換為16位數字值，送往PLC的模擬量輸出寄存器AQWx。4）表中增益(KC)、采樣時間(T)、積分時間(TI)和微分時間(TD)是由用戶事先寫入的值，通常也可通過人機對話設備，如TD200、觸摸屏、組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)輸入。5）表中積分和YX由PID算法來更新，且此更新值用作下一次PID運算的輸入值。任務二：PID控制及應用3．PID回路表的格式及初始化（2）PID回路表初始化為執(zhí)行PID指令，要對PID回路表進行初始化處理，即將PID回路表中有關的參數（給定值SPn、增益KC、采樣時間TS、積分時間TI、微分時間TD），按照地址偏移量寫入到變量寄存器V中。一般是調用一個子程序，在子程序中，對PID回路表進行初始化處理。在采用人機界面的系統(tǒng)中，初始化參數通過人機界面直接輸入。任務二：PID控制及應用

4．PID向導的應用STEP7-Micro/WIN提供了PIDWizard(PID指令向導)，可以幫助用戶方便地生成一個閉環(huán)控制過程的PID算法。用戶只要在向導的指導下填寫相應的參數，就可以方便快捷的完成PID運算的自動編程。用戶只要在應用程序中調用PID向導生成的子程序，就可以完成PID控制任務。向導最多允許配置8個PID回路。PID向導既可以生成模擬量輸出的PID控制算法，也支持開關量輸出；既支持連續(xù)自動調節(jié)，也支持手動參與控制，并能實現(xiàn)手動到自動的無擾切換。除此之外，它還支持PID反作用調節(jié)。PID功能塊只接受0.0～1.0之間的實數作為反饋、給定與控制輸出的有效數值，如果是直接使用PID功能塊編程，必須保證數據在這個范圍之內，否則會出錯。其他如增益、采樣時間、積分時間和微分時間都是實數。但PID向導已經把外圍實際的物理量與PID功能塊需要的輸入輸出數據之間進行了轉換，不再需要用戶自己編程進行輸入/輸出的轉換與標準化處理。任務二：PID控制及應用

4．PID向導的應用點擊編程軟件指令樹中的“\向導\PID”圖標，或執(zhí)行菜單命令“工具”→“指令向導”，在出現(xiàn)的對話框中，設置PID回路的編號、設定值的范圍、增益、采樣周期、積分時間、微分時間、輸入/輸出量是單極性還是雙極性，以及它們的變化范圍。還可以設置是否使用報警功能，以及占用的V存儲區(qū)地址。完成了向導的設置工作后，將會自動生成子程序PIDx_INIT(x=0～7)和中斷程序PID_EXE。完成了向導配置后，會自動生成一個PID向導符號表，在這個符號表中可以找到P（比例）、I（積分）、D（微分）等參數的地址。利用這些參數地址用戶可以方便地在Micro/WIN中使用程序、狀態(tài)表或從HMI上修改PID參數值進行編程調試。S7-200CPU和Micro/WIN已經有了PID自整定功能。用戶可以使用用戶程序或PID調節(jié)控制面板來啟動自整定功能，使用這些整定值可以使控制系統(tǒng)得到最優(yōu)化的PID參數，達到最佳的控制效果。若要使用PID自整定功能，必須用PID向導完成編程任務。任務二：PID控制及應用5.應用實例例1有一個通過變頻器驅動的水泵供水的恒壓供水水箱如圖7-9所示，維持水位在滿水位的70%。開機后，手動控制電機，水位上升到7