模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)演示文稿

模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)演示文稿第一頁，共30頁。在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量C(t)(例如壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等)是連續(xù)變化的模擬量，大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（例如晶閘管調(diào)速裝置、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和變頻器等）要求PLC輸出模擬信號(hào)MV(t),而PLC的CPU只能處理數(shù)字量。C(t)首先被測量元件（傳感器）和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流信號(hào)或直流電壓信號(hào)PV(t),例如4～20mA,1～５Ｖ，０～１０Ｖ，ＰＬＣ用A/D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字量PV(n).模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換和PID程序的執(zhí)行都是周期性的操作，其間隔時(shí)間稱為采樣周期TS。各數(shù)字量括號(hào)中的n表示該變量是第n次采樣計(jì)算時(shí)的數(shù)字量。

第二頁，共30頁。2.變送器的選擇變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流或直流電壓信號(hào)，例如DC0～10V和4～20mA。變送器分為電流輸出型和電壓輸出型，電壓輸出型變送器具有恒壓源的性質(zhì)，PLC模擬量輸入模塊的電壓輸入端的輸入阻抗很高，例如100kΩ～10MΩ。如果變送器距離PLC較遠(yuǎn)，通過線路遠(yuǎn)程傳送模擬量電壓信號(hào)時(shí)抗干擾能力很差。

第三頁，共30頁。

電流輸出具有恒流源的性質(zhì)，恒流源的內(nèi)阻很大。PLC的模擬量輸入模塊輸入電流時(shí)，輸入阻抗較低（例如250Ω）。線路上的干擾信號(hào)在模塊的輸入阻抗上產(chǎn)生的干擾電壓很低，所以模擬量電流信號(hào)適于遠(yuǎn)程傳送。電流傳送比電壓傳送的傳送距離遠(yuǎn)得多，S7-200的模擬量輸入模塊使用屏蔽電纜信號(hào)線時(shí)允許的最大距離為200m。二線式變送器4～20mA250Ω模擬量輸入模塊圖6-6二線式變送器第四頁，共30頁。6.1.5PLC的模擬量輸入接口

它的作用是把現(xiàn)場連續(xù)變化的模擬量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合可編程序控制器內(nèi)部處理的由若干位二進(jìn)制數(shù)字表示的信號(hào)。

圖6-7模擬量輸入電路框圖第五頁，共30頁。6.1.6PLC的模擬量輸出接口它的作用是將可編程控制器運(yùn)算處理后的若干位數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的模擬量信號(hào)輸出，以滿足生產(chǎn)過程現(xiàn)場連續(xù)控制信號(hào)的需求。第六頁，共30頁。6.2S7-200PLC的模擬量擴(kuò)展模塊6.2.1模擬量擴(kuò)展模塊的功能模擬量擴(kuò)展模塊提供了模擬量輸入/輸出的功能。具有以下特點(diǎn)：(1)最佳適應(yīng)性，可適用于復(fù)雜的控制場合。(2)直接與傳感器和執(zhí)行器相連，12位的分辨率和多種輸入/輸出范圍能夠不用外加放大器而與傳感器和執(zhí)行器直接相連，例如EM231RTD模塊可直接與PT100熱電阻相連(3)靈活性，當(dāng)實(shí)際應(yīng)用變化時(shí)，PLC可以相應(yīng)地進(jìn)行擴(kuò)展，并可非常容易的調(diào)整用戶程序。（4）擴(kuò)展模塊具有與基本單元相同的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，S7-200（CN）PLC的擴(kuò)展模塊種類很多，固定方式與CPU相同。如果需要擴(kuò)展模塊較多時(shí)，模塊連接起來會(huì)過長，這時(shí)可以使用擴(kuò)展轉(zhuǎn)接電纜重疊排布。（5）安裝方便，可以在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上安裝，模塊卡裝在緊挨CPU右側(cè)的導(dǎo)軌上，通過總線連接電纜與CPU互相連接。也可以直接安裝，模塊上有固定螺孔，也可以用螺釘將模塊固定安裝在柜板上，這種安裝方式建議在劇烈振動(dòng)的情況下使用。第七頁，共30頁。6.2.2S7-200PLC模擬量擴(kuò)展模塊的分類1.常規(guī)模擬量控制模塊

有EM231模擬量輸入模塊，有EM232模擬量輸出模塊,有EM235模擬量輸入輸出模塊。適用于CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226系列的PLC。圖6-9為EM235模塊端子接線圖。第八頁，共30頁。第九頁，共30頁。EM235配置------如何用DIP開關(guān)設(shè)置EM235模塊。開關(guān)1到6可選擇模擬量輸入范圍和分辨率。所有的輸入設(shè)置成相同的模擬量輸入范圍和格式。選擇單/雙極性（開關(guān)6）、增益（開關(guān)4和5）和衰減（開關(guān)1、2和3）。下表中，ON為接通，OFF為斷開。第十頁，共30頁。單極性滿量程輸入分辨率SW1

SW2

SW3

SW4

SW5

SW6

ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5μVOFFONOFFONOFFON0到100mV25μVONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250μVONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5μAOFFONOFFOFFOFFON0到10V2.5mV第十一頁，共30頁。2.熱電阻和熱電偶模塊

RTD（熱電阻）和熱電偶模塊用于CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226。熱電偶模塊端子接線圖RTD和熱電偶模塊安裝在一個(gè)穩(wěn)定的溫度環(huán)境內(nèi)時(shí)，具有最佳的性能。例如，EM231CT熱電偶模塊有專門的冷端補(bǔ)償電路。該電路在模塊連接器處測量溫度，并對(duì)測量值作出必要的修正，以補(bǔ)償基準(zhǔn)溫度和模塊處溫度之間的溫度差。如果EM231熱電偶模塊安裝環(huán)境的溫度變化很劇烈，則會(huì)引起附加的誤差。為了達(dá)到最大的精度和重復(fù)性，熱電阻擴(kuò)展模塊EM231RTD和熱電偶模塊EM231CT要安裝在環(huán)境溫度穩(wěn)定的地方。第十二頁，共30頁。第十三頁，共30頁。6.2.3根據(jù)模擬量輸入模塊的輸出值計(jì)算對(duì)應(yīng)的物理量1.模擬輸入量的模擬值數(shù)據(jù)格式模擬量輸入輸出模塊中模擬量對(duì)應(yīng)的數(shù)字稱為模擬值，模擬值用16位二進(jìn)制補(bǔ)碼來表示。最高位為符號(hào)位，正數(shù)的符號(hào)位為0，負(fù)數(shù)的符號(hào)位為1。對(duì)于單極性輸入模擬量滿量程對(duì)應(yīng)的模擬值為0～32767，雙極性輸入模擬量滿量程對(duì)應(yīng)-32768～+32767。2.應(yīng)用舉例【例6-1】壓力變送器的量程為0～10MPa，輸出信號(hào)為4～20mA，模擬量輸入模塊的量程為4～20mA，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為0～32000，設(shè)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字為N，試求以kPa為單位的壓力值。解：0～10MPa(0～10000kPa)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)換后的數(shù)字0～32000，轉(zhuǎn)換公式為:

P=10000

N/32000（kPa）第十四頁，共30頁。【例6-2】某溫度變送器的量程為?200℃～500℃，輸出信號(hào)為4～20mA，某模擬量輸入模塊將0～20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字0～32000，對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖6-12，設(shè)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字為N，求以0.1℃為單位的溫度值。解：單位為0.1℃的溫度值?2000～5000對(duì)應(yīng)于數(shù)字量6400～32000，根據(jù)比例關(guān)系（見圖6-12），得出溫度T的計(jì)算公式為:

(0.1℃)第十五頁，共30頁。6.3數(shù)字PID控制器1PID算法

PID控制的原理基于下面的算式；輸出M（t）是比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)。輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)

其中：M（t）--PID回路的輸出，是時(shí)間的函數(shù)KC--PID回路的增益e--PID回路的偏差（給定值與過程變量之差）Minitial--PID回路輸出的初始值簡化算式是：

(6-1)第十六頁，共30頁。2.PID方程的比例項(xiàng)3PID方程的積分項(xiàng)4.PID方程的微分項(xiàng)或第十七頁，共30頁。6.4S7-200PLC的PID控制及其應(yīng)用6.4.1PID功能

S7-200CPU提供了8個(gè)回路的PID功能，用以實(shí)現(xiàn)需要按照PID控制規(guī)律進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制任務(wù)，比如溫度、壓力和流量控制等。

PID運(yùn)算的任務(wù)就是根據(jù)反饋與給定的相對(duì)差值，按照PID運(yùn)算規(guī)律計(jì)算出結(jié)果，輸出到固態(tài)開關(guān)元件（控制加熱棒），或者變頻器（驅(qū)動(dòng)水泵）等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到自動(dòng)維持被控制的量跟隨給定變化的目的。

第十八頁，共30頁。1.PID指令

S7-200中PID功能的核心是PID指令。PID指令需要為其指定一個(gè)以V變量存儲(chǔ)區(qū)地址開始的PID回路表(TBL)，以及PID回路號(hào)(LOOP)。PID回路表提供了給定和反饋，以及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。PID指令（又稱為PID回路指令）的梯形圖指令盒的形式如圖6-13所示。使能輸入有效時(shí)，該指令利用回路表中的輸入信息和組態(tài)信息，進(jìn)行PID運(yùn)算。梯形圖的指令盒中有2個(gè)數(shù)據(jù)輸入端：TBL，回路表的起始地址，是由VB指定的字節(jié)型數(shù)據(jù)；LOOP，回路號(hào)，是0～7的常數(shù)。

STL指令格式：PID TBL,LOOP

圖6-13第十九頁，共30頁。2.PID回路表回路表有80字節(jié)長，它的格式如表6-1所示?；芈繁戆?個(gè)參數(shù)，用來控制和監(jiān)視PID運(yùn)算。這些參數(shù)分別是過程變量當(dāng)前值（PVn），過程變量前值（PVn-1），給定值（SPn），輸出值（Mn），增益（Kc），采樣時(shí)間（Ts），積分時(shí)間（TI），微分時(shí)間（TD）和積分項(xiàng)前值（MX）。為了讓PID運(yùn)算以預(yù)想的采樣頻率工作，PID指令必須用在定時(shí)發(fā)生的中斷程序中，或者用在主程序中被定時(shí)器所控制以一定頻率執(zhí)行。采樣時(shí)間必須通過回路表輸入到PID運(yùn)算中。

第二十頁，共30頁。偏移地址域(參數(shù)名）格式類型描述T+0過程變量（反饋（PVn）雙字-實(shí)數(shù)輸入過程變量，必須在0.0～1.0之間T+4設(shè)定值（給定）（SPn）雙字-實(shí)數(shù)輸入給定值，必須在0.0～1.0之間T+8輸出值（Mn）雙字-實(shí)數(shù)輸入/輸出輸出值，必須在0.0～1.0之間T+12增益（P參數(shù)）（KC）雙字-實(shí)數(shù)輸入增益是比例常數(shù)，可正可負(fù)T+16采樣時(shí)間（TS）雙字-實(shí)數(shù)輸入單位為秒，必須是正數(shù)T+20積分時(shí)間（I參數(shù)）（TI）雙字-實(shí)數(shù)輸入單位為分鐘，必須是正數(shù)T+24微分時(shí)間（D參數(shù)）（TD）雙字-實(shí)數(shù)輸入單位為分鐘，必須是正數(shù)T+28積分項(xiàng)前項(xiàng)（MX）雙字-實(shí)數(shù)輸入/輸出積分項(xiàng)前項(xiàng)，必須在0.0～1.0之間T+32過程變量前值（PVn-1）雙字-實(shí)數(shù)輸入/輸出最近一次PID運(yùn)算的過程變量值T+36至T+79保留給PID自整定的變量設(shè)置用第二十一頁，共30頁。3.回路控制類型的選擇4.回路輸入的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換的第一步是把16位整數(shù)值轉(zhuǎn)成浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)值。

下一步是將現(xiàn)實(shí)世界的值的實(shí)數(shù)值表達(dá)形式轉(zhuǎn)換成0.0～1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化值。下面的算式可以用于標(biāo)準(zhǔn)化給定值或過程變量值：

(6-10)其中：RNorm--標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值RRaw--沒有標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值或原值Offset--單極性為0.0，雙極性為0.5Span--值域大小，可能的最大值減去可能的最小值，單極性為32,000（典型值），雙極性為64,000（典型值）。

5.回路輸出值轉(zhuǎn)換成刻度整數(shù)值第一步是將回路輸出轉(zhuǎn)換成一個(gè)標(biāo)定的實(shí)數(shù)值

下一步是把回路輸出的刻度轉(zhuǎn)換成16位整數(shù)。

第二十二頁，共30頁。6.正作用或反作用回路

7.控制方式S7-200的PID回路沒有設(shè)置控制方式，只有當(dāng)PID指令盒接通時(shí)，才執(zhí)行PID運(yùn)算。在這種意義上說，PID運(yùn)算存在一種“自動(dòng)“運(yùn)行方式。當(dāng)PID運(yùn)算不被執(zhí)行時(shí)，我們稱之為“手動(dòng)”模式。

【例6-3】應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)水箱水位的PID閉環(huán)控制第二十三頁，共30頁。第二十四頁，共30頁。第二十五頁，共30頁。

6.4.2PID向?qū)TEP7–Micro/WIN提供了PIDWizard(PID指令向?qū)?，可以幫助用戶方便地生成一個(gè)閉環(huán)控制過程的PID算法。用戶只要在向?qū)У闹笇?dǎo)下填寫相應(yīng)的參數(shù)，就可以方便快捷的完成PID運(yùn)算的自動(dòng)編程。用戶只需在應(yīng)用程序中調(diào)用PID向?qū)傻淖映绦?，就可以完成PID控制任務(wù)。向?qū)ё疃嘣试S配置8個(gè)PID回路。1.PID向?qū)У氖褂玫诙摚?0頁。“Tools”＞“Instruction