可編程邏輯控制器（基于S7-200系列）課件 第6章 PLC模擬量采集及閉環(huán)PID控制

第6章

PLC模擬量采集及PID控制回路

連續(xù)變化的物理量通常稱為模擬量。計(jì)算機(jī)接收、處理和輸出的只能是離散的、二進(jìn)制表示的數(shù)字量。為此，在計(jì)算機(jī)控制和檢測系統(tǒng)中，需要檢測的自然界的模擬量必須首先轉(zhuǎn)換為數(shù)字量（稱為模-數(shù)轉(zhuǎn)換或A/D轉(zhuǎn)換），然后輸入給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。而計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量（控制信號），需要轉(zhuǎn)換為模擬量（稱為數(shù)-模轉(zhuǎn)換或D/A轉(zhuǎn)換），以實(shí)現(xiàn)對外部執(zhí)行部件的控制。

。6.1模擬量及閉環(huán)控制系統(tǒng)6.1.1模擬信號獲取及變換

傳感器能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出信號的器件或裝置稱為傳感器。傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。顧名思義，傳感器的功能是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。傳感器一般應(yīng)由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路組成。在工業(yè)生產(chǎn)過程中常用傳感器有電阻應(yīng)變式傳感器、熱電阻傳感器、熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光電傳感器、壓力傳感器、渦輪流量傳感器等.例：

被測溫度通過熱電偶傳感器將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的熱電勢（mv）輸入給熱電偶變送器，變送器采用二線制供電兼輸出接線方式，24VDC電源的正極與變送器的V+連接、負(fù)極通過負(fù)載（一般為250

電阻）與變送器的V-連接，變送器電流輸出為與被測溫度成線性關(guān)系的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號電流。該電流通過250電阻將其轉(zhuǎn)換為1~5V電壓，作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入信號，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量信號可以直接輸入給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。6.1.2閉環(huán)控制

計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)：

被控設(shè)備（對象）輸出的物理量（即被控參數(shù)或稱系統(tǒng)輸出參數(shù)），經(jīng)傳感器、變送器、A/D轉(zhuǎn)換后反饋到輸入端，與期望值（即給定值或稱系統(tǒng)輸入?yún)?shù)）進(jìn)行比較，當(dāng)二者產(chǎn)生偏差時(shí)，對該偏差進(jìn)行決策或PID運(yùn)算處理，其處理后的信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，控制執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使輸出參數(shù)按輸入給定的條件或規(guī)律變化。由于系統(tǒng)是閉和的，輸出量的變化經(jīng)變送器反饋到輸入端與輸入量進(jìn)行比較，由于反饋的輸出量與輸入量相位相反，所以也稱閉環(huán)控制負(fù)反饋系統(tǒng)。

6.1.3PID控制算法及應(yīng)用特點(diǎn)

1.PID表達(dá)式

在模擬量作為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)中，為了使被控參數(shù)按照一定的規(guī)律變化，需要在控制回路中設(shè)置比例（P）、積分（I）、微分（D）運(yùn)算及其運(yùn)算組和作為控制器輸出信號。S7-200設(shè)置了專用于PID運(yùn)算的回路表參數(shù)和PID回路指令，可以方便地實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算操作。在一般情況下，控制系統(tǒng)主要針對被控參數(shù)PV（又稱過程變量）與期望值SP（又稱給定值）之間產(chǎn)生的偏差e進(jìn)行PID運(yùn)算。其數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式為：2.PID控制參數(shù)的物理意義（1）比例控制（P）

比例控制是控制系統(tǒng)最基本的控制方式，其控制器的輸出量與控制器輸入量（偏差）成比例關(guān)系，輸出量由比例系數(shù)Kp控制，比例系數(shù)越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，（2）積分控制（I）

積分控制是指控制器的輸出量與控制器輸入量（偏差）的成積分關(guān)系，積分控制可以消除偏差，提高控制精度。（3）微分控制（D）

微分控制是指控制器的輸出量與控制器輸入量（偏差）的成微分關(guān)系，或者說，只要系統(tǒng)有偏差的變化率，控制器輸出量就按期變化率的大小變化（而不管其偏差的大小），即使在偏差很小時(shí)，但其偏差的變化率存在，控制器輸出仍然會(huì)產(chǎn)生較大的變化。6.2S7-200PLC對模擬信號的處理

6.2.1模擬量輸入輸出模塊

在S7-200CPU系列中，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬信號處理的僅有CPU224XP，內(nèi)置2輸入/1輸出模擬量端口。

S7-200還配備了3種模擬量擴(kuò)展模塊，分別為EM231、EW232、EW235，以滿足系統(tǒng)需要。為了方便工業(yè)生產(chǎn)過程已經(jīng)廣泛使用熱電偶、熱電阻傳感器對溫度的測量，S7-200還配備了EM231熱電偶擴(kuò)展模塊直接以熱電偶輸出的電勢作為輸入信號、EM231熱電阻輸入擴(kuò)展模塊提供了與多種熱電阻的連接口。EM235模擬量擴(kuò)展模塊接線圖

6.2.2模擬量/數(shù)字量與物理量的標(biāo)度變換

模擬量信號輸入信號為0-20mA，，則在S7-200CPU內(nèi)部，0–20mA對應(yīng)于數(shù)字量的范圍0–32000（十進(jìn)制表示，下同）；對于4-20mA的信號，由于線性關(guān)系，則對應(yīng)的內(nèi)部數(shù)字量應(yīng)為6400-32000。

例：模擬量編程示例。采用CPU222PLC，僅帶一個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊EM235，該模塊的第一個(gè)通道地址為AIW0，輸入端連接一塊溫度變送器，該變送器輸入量程Tmax-Tmin=100攝氏度，輸出電流為4—20mA。則溫度T與AIW0單元數(shù)字量D轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

T=((D-D0)(Am-A0)/(Dm-D0))×(Tmax-Tmin)/(Am-A0)=((AIW0-6400)(20-4)/(32000-6400))×(100-0)/(20-4)=(AIW0-6400)/256數(shù)字量轉(zhuǎn)換為溫度值梯形圖程序6.3PID控制指令及應(yīng)用

S7-200設(shè)置了專用于PID運(yùn)算的回路表參數(shù)和PID回路指令，可以方便地實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算操作。

PID算法控制系統(tǒng)主要針對被控參數(shù)PV（又稱過程變量）與期望值SP（又稱給定值）之間產(chǎn)生的偏差e進(jìn)行PID運(yùn)算。其數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式為：6.3.1PID回路輸入、輸出轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

（1）PID回路

S7-200為用戶提供了8條PID控制回路，回路號為0～7，即可以使用8條PID指令實(shí)現(xiàn)8個(gè)回路的PID運(yùn)算。（2）回路輸入轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)每個(gè)PID回路有兩個(gè)輸入量，給定值（SP）和過程變量（PV）。在PID指令對這些物理量進(jìn)行運(yùn)算之前，必須對它們及其它輸入量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即通過程序?qū)⑺鼈冝D(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)型表達(dá)形式。（3）回路輸出值轉(zhuǎn)換成標(biāo)定數(shù)據(jù)

PID回路輸出的是0.0~1.0之間標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值，回路輸出在驅(qū)動(dòng)模擬執(zhí)行部件之前，必須將標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值轉(zhuǎn)換成一個(gè)16位的標(biāo)定整數(shù)值。6.3.3正作用和反作用回路

為了保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，在控制對象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反作用確定后，必須正確選擇PID控制器（回路）輸入與輸出之間的正、反作用。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，如果選擇為正作用，PID輸出表達(dá)式為（回路增益）正號；如果選擇為反作用，PID輸出表達(dá)式（回路增益）為負(fù)號。對于增益值為0.0的I或D控制，如果設(shè)定積分時(shí)間、微分時(shí)間為正，就是正作用回路；如果設(shè)定其為負(fù)值，就是反作用回路。

由于系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)（執(zhí)行器、對象）輸入輸出之間的正反作用是由生產(chǎn)工藝需求決定的，因此，必須確定包括PID回路在內(nèi)的閉環(huán)控制系統(tǒng)為負(fù)反饋，才能保證控制質(zhì)量指標(biāo)。如果系統(tǒng)為正反饋，則系統(tǒng)輸出得不到控制，反而愈演愈烈甚至引起系統(tǒng)崩潰。6.3.5PID回路表

用于填寫PID運(yùn)算公式的9個(gè)參數(shù)。回路表用來存放控制和監(jiān)視PID運(yùn)算的參數(shù)，每個(gè)PID控制回路都有一個(gè)確定起始地址（TBL）的回路表。PID回路表6.3.6PID回路指令

PID運(yùn)算通過PID回路指令來實(shí)現(xiàn)。

EN：啟動(dòng)PID指令輸入信號；

TBL：PID回路表的起始地址（由變量存儲(chǔ)器VB指定字節(jié)性數(shù)據(jù)）；

LOOP：PID控制回路號（0～7）。指令功能：在輸入有效時(shí)，根據(jù)回路表（TBL）中的輸入配置信息，對相應(yīng)的LOOP回路執(zhí)行PID回路計(jì)算，其結(jié)果經(jīng)回路表指定的輸出域輸出。注意：●在使用該指令前，必須建立回路表，因?yàn)樵撝噶钍且曰芈繁鞹BL提供的過程變量、設(shè)定值、增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間、輸出等進(jìn)行運(yùn)算的?！馪ID指令不檢查回路表中的一些輸入值，必須保證過程變量和設(shè)定值在0.0到1.0之間?！裨撝噶畋仨毷褂迷谝远〞r(shí)產(chǎn)生的中斷程序中?！袢绻鸓ID算術(shù)運(yùn)算發(fā)生錯(cuò)誤，則特殊存儲(chǔ)器標(biāo)志位SM1.1置1，并且中止PID指令的執(zhí)行。6.3.7PID參數(shù)工程整定

在穩(wěn)定系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)受到干擾，偏離了平衡狀態(tài)，但系統(tǒng)經(jīng)過控制器的調(diào)整仍然能夠恢復(fù)到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)），這個(gè)所謂的調(diào)整就是對PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

如何確定PID算法中的比例增益Kp、積分時(shí)間Ti、微分時(shí)間Td（PID參數(shù)設(shè)置），是決定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程及靜態(tài)指標(biāo)的重要因素。PID參數(shù)設(shè)置又稱為PID參數(shù)工程整定，常用的整定方法有臨界比例（度）法、衰減曲線法、反應(yīng)曲線法及經(jīng)驗(yàn)法。6.3.8PID控制回路的編程步驟

1）首先指定內(nèi)存變量區(qū)回路表的首地址（設(shè)為VB200）；

2）將設(shè)定值SPn（雙字，下同）、增益Kc、采樣時(shí)間Ts、積分時(shí)間Ti、微分時(shí)間Td寫入表中。

3）設(shè)置定時(shí)中斷初始化程序，PID指令必須使用在定時(shí)中斷程序中（中斷事件號為9或10）。

4）讀取過程變量模擬量（如AIW2），并進(jìn)行回路輸入轉(zhuǎn)換及標(biāo)準(zhǔn)化處理后寫入回路表首單元VD200

；

5）執(zhí)行PID回路運(yùn)算指令；

6）對PID回路運(yùn)算的輸出結(jié)果單元VD208進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后送入模擬量輸出。

參看教材圖6-11

PID回路表及定時(shí)0中斷初始化子程序?qū)嵗?/p>

6.4PID指令向?qū)?/p>

為了更方便地應(yīng)用PID指令，在SETP7-Micro/WINV4.0編程環(huán)境中，提供