第7章 PLC的过程控制功能及应用.ppt

学习内容, S7-200系列PLC模拟量模块, 模拟量数据的处理, 模拟量PID调节功能,学习目标: 1.理解各种模拟量输入输出模块的使用方法及模拟量数据在PLC程序中的处理方法； 2.理解PID调节指令的格式及功能，会使用PID指令向导配置相关参数； 3.熟悉PID子程序指令输入输出参数的意义。 4.能使用模拟量输入输出模块组成PLC过程控制系统，并能根据工艺要求设置模块参数、调用PID子程序指令编写的控制程序。,7.1 S7-200系列PLC模拟量I/O模块 S7-200系列PLC模拟量I/O模块主要有EM231模拟量4路输入、EM232模拟量2路输出和EM235模拟量4输入/1输出混合模块三种，另还有专门用于温度控制的EM231模拟量输入热电偶模块和EM231模拟量输入热电阻模块。,（1）EM231模拟量输入模块的内部结构及数据格式,（1）EM231模拟量输入模块的内部结构及数据格式,（2）EM231模拟量输入模块的性能 EM231模拟量输入模块的性能主要有以下几项，使用时要特别注意输入信号的规格，不得超出其使用极限值： 数据格式 对单极性为-32000+32000，对双极性为032000 输入阻抗 大于等于10M 最大输入电压 30VDC 最大输入电流 32mA 分辨率 最小满量程电压输入时，为1.25mV；电流输入时为5A 输入类型 差分输入型 输入电压电流范围 输入电压范围：对单极性为05V或010V 对双极性为5V或2.5V 输入电流范围：020mA 模拟量到数字量的转换时间 小于250s,模拟量模块右下侧的DIP设置开关的作用,（3）EM231模拟量输入模块输入信号的整定,输入信号进行整定，输入信号的调整步骤如下： 在模块脱离电源的条件下，通过DIP开关选择需要的输入范围； 接通CPU及模块电源，并使模块稳定15分钟； 用一个电压源或电流源，给模块输入一个零值信号； 读取模拟量输入寄存器AIW相应地址中的值，获得偏移误差（输入为0时，模拟量模块产生的数字量偏差值），该误差在该模块中无法得到校正；图6-4 EM231转换曲线偏置误差32000010V 将一个工程量的最大值加到模块输入端，调节增益电位器，直到读数为32000，或所需要的数值。,经上述调整后，若输入电压范围为010V的模拟量信号，则对应的数字量结果应为032000或所需要数字，其关系如图6-4所示。,2EM231热电偶模块及热电阻模块 EM231热电偶模块是专门用于对热电偶输出信号进行A/D转换的智能模块。它可以连接7种类型的热电偶（J，K，E，N，S，T和R），还可用于测量0到+/-80mV范围的低电平模拟信号。其接线端子示意图如图7-5所示。 EM231热电阻模块是专门用于将热电阻信号转为数字量信号的智能模块，它可以连接四种类型的热电阻（Pt，Cu，Ni和电阻）。其接线端子示意图如图7-6所示。,图7-5 热电偶输入模块端子示意图,图7-6 热电阻输入模块端子示意图,7.1.2 模拟量输出模块,1. EM232模拟量输出模块的内部结构及数据格式,图7-7 EM232模拟量输出模块外部接线图及内部结构图,在16位模拟量输出寄存器AQW中的数字量其有效位为12位，格式如图7-8所示。数据的最高有效位是符号位，最低4位在转换为模拟量输出值时，将自动屏弊。,2. EM232模拟量输出模块的输出性能,7.1.3 EM235模拟量输入输出混合模块,图7-9 EM235输入输出混合模块端子、DIP设置开关及校准电位器示意图,EM235模拟量输入输出模块的输入输出特性 EM235模拟量输入输出模块的输入回路与EM231模拟量输入模块的输入回路稍有不同，它增加了一个偏置电压调整回路，通过调节输出接线端子右侧的偏置电位器（如图6-9所示）可以消除偏置误差，其输入特性较EM231模块的输入特性，其不同之处主要表现在可供选择的输入信号范围更加细致，以便适应其更加广泛的场合。EM235模块的输出特性同EM232模块，此处不再秉述。,EM235模拟量输入输出模块的使用 EM235模拟量输入输出混合模块输入信号整定的步骤： 在模块脱离电源的条件下，通过DIP开关选择需要的输入范围（见表7-5）。 接通CPU及模块电源，并使模块稳定15分钟。 用一个电压源或电流源，给模块输入一个零值信号。 调节偏置电位器，使模拟量输入寄存器的读数为零或所需要的数值。 将一个满刻度的信号加到模块输入端，调节增益电位器，直到读数为32000，或所需要的数值。 经上述调整后，若输入最大值为010V的模拟量信号，则对应的数字量结果应为32000或所需数字，其关系如图7-10所示。,7.2.1 模拟量输入信号的整定,模拟量输入信号的整定需要考虑以下问题：,模拟量输入值的数字表示方法,模拟量输入值的数字量表示范围,过程量的最大变化范围,7.2 模拟量数据的处理,系统偏移量的修正,标准化问题,线性化问题,模拟输入量的转换及标准化,XORD AC0，AC0 /清累加器AC0 MOVW AIW0，AC0 /读模拟量存入AC0 LDW= AC0，0 /若模拟量为正 JMP K0 /则转到标号为K0的程序段进 行直接转换 NOT /否则(即模拟量为负) ORD 16#FFFF0000，AC0 /AC0中的符号处理 LBL K0 DTR AC0，AC0 /将32位整数格式转换为实数格式 /R 64000.0，AC0 /将AC0中的值标准化 +R 05，AC0 /将所得结果转移到范围0.0，1.0 MOVR AC0，VDl00 /将标准化结果存入PID运算数据 存储区,数字量信号的滤波方法,工程上的数字滤波方法有：,平均值滤波：算术平均值滤波的效果与采样次数有关，采样次数越多效果越好。但这种滤波方法对于强干扰的抑制作用不大 去极值平均滤波：可有效地消除明显的干扰信号，消除的方法是对多次采样值进行累加后，找出最大值和最小值，然后从累加和中减去最大值和最小值，再进行平均值滤波。 惯性滤波：逐次修正，它类似于较大惯性的低通滤波功能。,7.2.2 模拟量输出信号的整定,在模拟量输出信号整定过程中，需考虑模拟量信号的最大范围、DA转换器可容纳的最大位值以及系统的偏移量值等因素。,模拟量的输出整定过程是一个线性处理过程。各输出量的位值，由输出的实际控制量范围与最大数字量位值的关系确定。,在系统稳态运行时，PID控制器的作用就是通过调节其输出使偏差为零。偏差由给定量(SP，希望值)与过程变量(PV，实际值)之差来确定。,7.3 模拟量PID调节功能,PID系统的组成,7.3.1 PID算法 1连续系统的PID算法,Y(t):回路控制算法的输出(为时间的函数)； KC:回路增益； e(t):误差(给定值与过程变量之差)； Minitial:回路控制算法输出的初始值; TI :积分时间常数；就是积分项的输出量每增加与比例项输出量相等的值所需要的时间。 TD :微分时间常数；就是对于相同的输出调节量，微分项超前于比例项响应的时间。,7.3.1 PID算法 3离散系统的PID算法,Yn为在采样时刻n计算出的回路控制输出值； SPn为在采样时刻n的给定值； PVn为在采样时刻n的过程变量值。 PVn-1为在采样时刻n-1的过程变量值。 T为采样周期； YX为在采样时刻n-1的积分项(也称为积分和),=,7.3.1 PID算法 4参数确定 1）采样周期T的确定,2）KC，TI，TD的确定 (1)由系统开环单位阶跃响应曲线确定Kc、t和T； (2)计算系统响应率 RKc/T-t； (3)若只采用比例环节，则取 Kc=T/R.t； (4)若只取PI环节,则取 Kc=0.9/R.t ，KI=0.27 Kc/R.t2； (5)若采用PID,则取Kc=(1.22)/R.t，KI0.5Kc/t，KD=0.5Kct。,=,7.3.2 PID回路(PID Control Loop)指令 1指令格式及功能,LOOP为回路号，可在0-7范围选取；TBL为回路表的起始地址，指定PID运算的有关参数，可寻址的地址为VB。 指令功能：PID回路控制指令利用以TBL为起始地址的回路表中提供的回路参数，进行PID运算。,TBL，LOOP,PID,2PID参数表的格式及初始化,2PID参数表的格式及初始化,说明： 1）PLC可同时对多个生产过程（回路）实行闭环控制。由于每个生产过程的具体情况不同，其PID算法的参数亦不同。因此，需建立每个控制过程的参数表，用于存放控制算法的参数和过程中的其它数据。当需要作PID运算时，从参数表中把过程数据送至PID工作台，待运算完毕后，将有关数据结果再送至参数表。 2）表中反馈量PVn和给定值SPn为PID算法的输入，只可由PID指令来读取而不可更改；通常反馈量来自模拟量输入模块，给定量来自人机对话设备，如TD400、触摸屏、组态软件监控系统等。,说明： 3）表中回路输出值Yn由PID指令计算得出，仅当PID指令完全执行完毕才予以更新。该值还需用户按工程量标定，通过编程转换为16位数字值，送往PLC的模拟量输出寄存器AQWx。若采用PID指令向导生成PID子程序指令，则不需要用户来转换。 4）表中增益(KC)、采样时间(T)、积分时间(TI)和微分时间(TD)是由用户事先写入的经验值，如表7-10所示。通常也可通过人机对话设备，如TD400、触摸屏、组态软件监控系统输入。,2PID参数表的格式及初始化,2PID参数表的格式及初始化,2PID参数表的格式及初始化,5）表中积分和YX由PID算法来更新，且此更新值用作下一次PID运算的输入值。当计算出的输出值超出范围时（即小于0.0或大于1.0），则可根据下式来调整积分和： YX=1.0-(YPn+YDn)当计算出的Yn1.0时； YX=YPn+YDn当计算出的Yn<0.0时。 式中：YX是调整后的积分和，调整值必须是0.0，1.0间的实数；YPn是在采样时刻n的回路输出中的比例项；YDn是在采样时刻n的回路输出中的微分项；Yn是在采样时刻n的回路输出值。,（2）PID参数表初始化 为执行PID指令，要对PID参数表进行初始化处理，即将PID参数表中有关的参数（给定值SPn、增益KC、采样时间T、积分时间TI、微分时间TD），按照地址偏移量写入到变量寄存器V中。一般是调用一个子程序，在子程序中，对PID参数表进行初始化处理。在采用人机界面的系统中，初始化参数通过人机界面直接输入。若采用PID指令向导配置PID，则PID参数表将自动包含在PID向导生成的子程序中，无需用户编程初始化PID参数表。,2PID参数表的格式及初始化,3.PID调节指令的手动自动切换 PID调节指令通过使能端子控制执行。所谓的手动工作方式是指不执行PID运算的方式；所谓的自动工作方式是指周期性的执行PID运算的方式。 为了保证由手动方式向自动方式的切换没有冲击，切换前须将手动方式中设定的输出值写入到PID参数表中的Yn值区域中，并使SPn (设定值)=PVn (反馈量)、PVn-1 (前一次反馈量)=PVn、YX (积分和)=Yn (输出值)，然后才可切换到自动方式。在采用PID指令向导配置PID指令时，可将手动模式配置其中，这样在执行向导生成的PID子程序时，会自动平滑完成手自动切换。,4.PID参数整定 通常情况下,增大比例系数Kc会加快系统的响应速度,有利于减少静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调,并产生振荡使稳定性变差。减小积分时间常数TI将减少积分作用,有利于减少超调使系统稳定,但系统消除静差的速度变慢。增加微分时间常数TD有利于加快系统的响应,使超调减少,稳定性增加,但对干扰的抑制能力会减弱。在试凑时,一般可根据以上参数对控制过程的影响趋势,对参数实行先比例、后积分、再微分的步骤进行整定。,1）整定比例控制 首先将积分时间常数TI和微分时间常数TD取零,即取消微分和积分作用,采用纯比例控制。将比例系数Kc由小到大变化,观察系统的响应,直至速度快,且有一定范围的超调为止。如果系统静差在规定范围之内,且响应曲线已满足设计要求,那么只需用纯比例调节器即可。 2）整定积分环节 如果比例控制系统的静差达不到设计要求,这时可以加入积分作用。在整定时将积分时间常数TI置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，直到消除静差的速度满意为止。这时的超调量会比原来加大,应适当的降低一点比例系数Kc。 3）整定微分环节 若使用比例积分控制器经反复调整仍达不到设计要求，或不稳定，这时应加入微分作用。整定时先置微分时间常数TD=0，然后逐渐加大TD，观察系统的超调量和稳定性，同时相应地微调比例系数Kc、积分时间常数TI，逐步试凑，直至获得满意的控制效果为止。,4.PID参数整定,5PID指令向导的设置 在STEP 7-Micro/WIN编程软件界面章选择菜单命令工具，点击指令向导，将弹出指令向导窗口，如图7-25所示。在指令向导窗口，选择PID，点击下一步，弹出PID指令向导，按照PID指令向导提示，便可轻松的实现对PID指令的编程。,7.3.2 PID调节指令 5PID指令向导的设置,（1）配置PID回路号,7.3.2 PID调节指令 5PID指令向导的设置,（2）设定 PID 回路参数,7.3.2 PID调节指令 5PID指令向导的设置,（3）设定回路输入输出值,7.3.2 PID调节指令 5PID指令向导的设置,（4）设定回路报警,7.3.2 PID调节指令 5PID指令向导的设置,（5）指定 PID 运算数据存储区,7.3.2 PID调节指令 5PID指令向导的设置,（6）命名初使化子程序和中断程序，选择是否手动控制,7.3.2 PID调节指令 5PID指令向导的设置,（7）生成 PID 子程序、中断程序及符号表、局部变量表等,7.3.2 PID调节指令 5PID指令向导的设置,（8）调用向导生成的 PID 子程序,7.3.2 PID调节指令 5PID指令向导的设置,（8）调用向导生成的 PID 子程序,PID子程序调用后，在局部变量表中，可以查看到有关的参数解释及取值范围，如表7-11所示。,7.3.2 PID调节指令 5PID指令向导的设置,（8）调用向导生成的 PID 子程序,表中变量说明： 1）EN端必须用SM0.0来使能PIDx_INIT子程序，SM0.0后不能串联任何其他条件，而且也不能有越过它的跳转；如果在子程序中调用PIDx_INIT子程序，则调用它的子程序也必须使用SM0.0调用，以保证正常运行。 2）PV_I端为过程值（反馈）的模拟量输入地址，可以是AIWx，也可以是经过一定处理后所保存的过程值地址，如VW1000等。,7.3.2 PID调节指令 5PID指令向导的设置,（8）调用向导生成的 PID 子程序,表中变量说明： 3）Setpoint_R端为给定值输入地址（VDxx），也可以直接输入一个0.0100.0的实数。例：若输入20，即为过程值的20，假设过程值AIW0输入的是量程为0200度的温度值，则此处的设定值20代表40度（即200度的20）；如果向导中给定值设定范围为0.0200.0，则此处的20相当于20度。 4）Auto_Manual端为手/自动方式选择输入端，当其为1时，经PID运算从AQW0输出；当其为0时，PID将停止计算，AQW0输出由Manual Output端的值决定。,7.3.2 PID调节指令 5PID指令向导的设置,（8）调用向导生成的 PID 子程序,表中变量说明： 5）ManualOutput端为PID手动状态下的输出端，此处可输入手动设定值的变量地址（VDxx），或直接输入常数，数值范围为0.01.0之间的一个实数，代表输出范围的百分比。如输入0.5，则设定为输出的50。若在向导中没有选择PID手动功能，则此项不会出现。 6）Output端为PID算法输出端，当选择模拟量输出时，此端子输出单极性或双极性的数字值；当选择数字量输出时，此端子按照设定的占空比连续输出脉冲。,7.3.2 PID调节指令 5PID指令向导的设置,（8）调用向导生成的 PID 子程序,表中变量说明： 7）High_Alarm端为高报警条件满足时的数字量输出端。若向导中没有使能高报警功能，则此项不会出现。 8）LowAlarm端为低报警条件满足时的数字量输出端，若向导中没有使能低报警功能，则此项不会出现。 9）ModuleErr端为模拟量输入模块出错报警时的数字量输出端，若向导中没有使能模块错误报警功能，则此项不会出现。,7.3.2 PID调节指令 5PID指令向导的设置,（9）实际运行并调试 PID 参数,7.3.2 PID调节指令 5PID指令向导的设置,（9）实际运行并调试 PID 参数,本章小结 本章介绍了PLC模拟量输入输出模块的结构及作用，模拟量信号的处理内容及PID模拟量调节功能的PLC实现方法。 1PLC模拟量处理功能通过模拟量输入输出模块来完成。模拟量输入输出模块是PLC内部数字量与外部设备模拟量之间的接口模块。被控过程量经过模拟量输入模块转换成PLC能够接受的数字量后，经过PLC的数据处理，最后输出控制结果。控制结果可以是数字量通断信号的输出，也可以是连续的模拟量电压电流的输出。连续的模拟量电压电流的输出需通过模拟量输出模块输出给执行器件，以达到模拟量控制的目的。 2使用PLC的模拟量输入输出模块时，要特别注意过程量信号的性质及范围。采用规定的方法正确设定输入输出信号的范围是用好模拟量输入输出模块的前提。 3使用S7-200系列PLC的PID调节指令时，只需要在程序中正确设置PID向导，PID算法的实现完全由PID向导生成的子程序来完成。,