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、轉速等)是連續(xù)變化的模擬量，大多數(shù)執(zhí)行機構（例如晶閘管調速裝置、電動調節(jié)閥和變頻器等）要求PLC輸出模擬信號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）和變送器轉換為標準的直流電流信號或直流電壓信號PV(t),例如4～20mA,1～５Ｖ，０～１０Ｖ，ＰＬＣ用A/D轉換器將它們轉換為數(shù)字量PV(n).模擬量與數(shù)字量之間的相互轉換和PID程序的執(zhí)行都是周期性的操作，其間隔時間稱為采樣周期TS。各數(shù)字量括號中的n表示該變量是第n次采樣計算時的數(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換為標準的直流電流或直流電壓信號，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，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，通過線路遠程傳送模擬量電壓信號時抗干擾能力很差。

第三頁，共30頁。

電流輸出具有恒流源的性質，恒流源的內阻很大。PLC的模擬量輸入模塊輸入電流時，輸入阻抗較低（例如250Ω）。線路上的干擾信號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適于遠程傳送。電流傳送比電壓傳送的傳送距離遠得多，S7-200的模擬量輸入模塊使用屏蔽電纜信號線時允許的最大距離為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)變化的模擬量標準信號轉換成適合可編程序控制器內部處理的由若干位二進制數(shù)字表示的信號。

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算處理后的若干位數(shù)字量信號轉換為響應的模擬量信號輸出，以滿足生產(chǎn)過程現(xiàn)場連續(xù)控制信號的需求。第六頁，共30頁。6.2S7-200PLC的模擬量擴展模塊6.2.1模擬量擴展模塊的功能模擬量擴展模塊提供了模擬量輸入/輸出的功能。具有以下特點：(1)最佳適應性，可適用于復雜的控制場合。(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，當實際應用變化時，PLC可以相應地進行擴展，并可非常容易的調整用戶程序。（4）擴展模塊具有與基本單元相同的設計特點，S7-200（CN）PLC的擴展模塊種類很多，固定方式與CPU相同。如果需要擴展模塊較多時，模塊連接起來會過長，這時可以使用擴展轉接電纜重疊排布。（5）安裝方便，可以在標準導軌上安裝，模塊卡裝在緊挨CPU右側的導軌上，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的情況下使用。第七頁，共30頁。6.2.2S7-200PLC模擬量擴展模塊的分類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開關設置EM235模塊。開關1到6可選擇模擬量輸入范圍和分辨率。所有的輸入設置成相同的模擬量輸入范圍和格式。選擇單/雙極性（開關6）、增益（開關4和5）和衰減（開關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穩(wěn)定的溫度環(huán)境內時，具有最佳的性能。例如，EM231CT熱電偶模塊有專門的冷端補償電路。該電路在模塊連接器處測量溫度，并對測量值作出必要的修正，以補償基準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，則會引起附加的誤差。為了達到最大的精度和重復性，熱電阻擴展模塊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算對應的物理量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應的數(shù)字稱為模擬值，模擬值用16位二進制補碼來表示。最高位為符號位，正數(shù)的符號位為0，負數(shù)的符號位為1。對于單極性輸入模擬量滿量程對應的模擬值為0～32767，雙極性輸入模擬量滿量程對應-32768～+32767。2.應用舉例【例6-1】壓力變送器的量程為0～10MPa，輸出信號為4～20mA，模擬量輸入模塊的量程為4～20mA，轉換后的數(shù)字量為0～32000，設轉換后得到的數(shù)字為N，試求以kPa為單位的壓力值。解：0～10MPa(0～10000kPa)對應于轉換后的數(shù)字0～32000，轉換公式為:

P=10000

N/32000（kPa）第十四頁，共30頁?！纠?-2】某溫度變送器的量程為?200℃～500℃，輸出信號為4～20mA，某模擬量輸入模塊將0～20mA的電流信號轉換為數(shù)字0～32000，對應關系見圖6-12，設轉換后得到的數(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對應于數(shù)字量6400～32000，根據(jù)比例關系（見圖6-12），得出溫度T的計算公式為:

(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、積分項和微分項的函數(shù)。輸出=比例項+積分項+微分項

其中：M（t）--PID回路的輸出，是時間的函數(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3PID方程的積分項4.PID方程的微分項或第十七頁，共30頁。6.4S7-200PLC的PID控制及其應用6.4.1PID功能

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運算的任務就是根據(jù)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。

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以V變量存儲區(qū)地址開始的PID回路表(TBL)，以及PID回路號(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運算的結果也在回路表輸出。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，該指令利用回路表中的輸入信息和組態(tài)信息，進行PID運算。梯形圖的指令盒中有2個數(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，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?個參數(shù)，用來控制和監(jiān)視PID運算。這些參數(shù)分別是過程變量當前值（PVn），過程變量前值（PVn-1），給定值（SPn），輸出值（Mn），增益（Kc），采樣時間（Ts），積分時間（TI），微分時間（TD）和積分項前值（MX）。為了讓PID運算以預想的采樣頻率工作，PID指令必須用在定時發(fā)生的中斷程序中，或者用在主程序中被定時器所控制以一定頻率執(zhí)行。采樣時間必須通過回路表輸入到PID運算中。

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-實數(shù)輸入過程變量，必須在0.0～1.0之間T+4設定值（給定）（SPn）雙字-實數(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-實數(shù)輸入增益是比例常數(shù)，可正可負T+16采樣時間（TS）雙字-實數(shù)輸入單位為秒，必須是正數(shù)T+20積分時間（I參數(shù)）（TI）雙字-實數(shù)輸入單位為分鐘，必須是正數(shù)T+24微分時間（D參數(shù)）（TD）雙字-實數(shù)輸入單位為分鐘，必須是正數(shù)T+28積分項前項（MX）雙字-實數(shù)輸入/輸出積分項前項，必須在0.0～1.0之間T+32過程變量前值（PVn-1）雙字-實數(shù)輸入/輸出最近一次PID運算的過程變量值T+36至T+79保留給PID自整定的變量設置用第二十一頁，共30頁。3.回路控制類型的選擇4.回路輸入的轉換和標準化轉換的第一步是把16位整數(shù)值轉成浮點型實數(shù)值。

下一步是將現(xiàn)實世界的值的實數(shù)值表達形式轉換成0.0～1.0之間的標準化值。下面的算式可以用于標準化給定值或過程變量值：

(6-10)其中：RNorm--標準化的實數(shù)值RRaw--沒有標準化的實數(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.回路輸出值轉換成刻度整數(shù)值第一步是將回路輸出轉換成一個標定的實數(shù)值

下一步是把回路輸出的刻度轉換成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回路沒有設置控制方式，只有當PID指令盒接通時，才執(zhí)行PID運算。在這種意義上說，PID運算存在一種“自動“運行方式。當PID運算不被執(zhí)行時，我們稱之為“手動”模式。

【例6-3】應用PLC實現(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向導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(shù)，就可以方便快捷的完成PID運算的自動編程。用戶只需在應用程序中調用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。1.PID向導的使用第二十六頁，共30頁?！癟ools”＞“Instruction