1、PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 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 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 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，会编写 PID参数表的初始化程序。 3.能使用模拟量输入输出模块组成PLC模拟 量控制系统，并能根据工艺要求设置模块参数、 编写控制程序。 PLC
2、应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 6.1 S76.1 S7- -200200系列系列PLCPLC模拟量模拟量I/OI/O模块模块 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。 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 放大器 增益调 节器 缓存器 输
3、入滤波器 图6-1 EM231模拟量输入模块输入回路框图 A/D转换器 A+ RA A- B+ RB B- C+ RC C- D+ RD D- 多路转换开关 （1）EM231模拟量输入模块的内部结构及数据格式 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 MSB LSB 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 数据值12位 0 0 0 单极性数据格式单极性数据格式 MSB LSB 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 数据值12位 0 0 0
4、0 双极性数据格式双极性数据格式 图6-2 模拟量输入数据的数字量格式 （1）EM231模拟量输入模块的内部结构及数据格式 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 （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
5、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 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 模拟量模块右下侧的DIP设置开关的作用 单极性 满量程 输入 分辨率 双极型 满量程 输入 分辨率 SW1 SW2 SW3 ON OFF ON 010V 2.5mV SW 1 SW2 SW3 ON OFF 05V 1.25mV OFF OFF ON +/-5V 2.5mV 020m A 5A ON OFF +
6、/-2.5V 1.25mV （3）EM231模拟量输入模块输入信号的整定 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 电流发送器 电压发送器 未用端子 配置开关 增益 没有使用 24VDC电源和公共端 图6-3 EM231模拟量输入模块端 子及DIP开关示意图 固定端子块 增益 DIP设定开关 开 关 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 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
7、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。 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 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
8、要数字，其关 系如图6-4所示。 图6-4 EM231转换曲线 偏 置 误 差 32000 0 10V PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 2EM231热电偶模块及热电阻模块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6-5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
9、 （Pt，Cu，Ni和电阻）。其接线端子示意图如图6-6所示。 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 图6-5 热电偶输入模块端子示意图 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 图6-6 热电阻输入模块端子示意图 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 表表6-2 热电偶类型选择热电偶类型选择 热电偶类型 SW1 SW2 SW3 热电偶类型 SW1 SW2
10、 SW3 J 0 0 0 R 1 0 0 K 0 0 1 S 1 0 1 T 0 1 0 N 1 1 0 E 0 1 1 +/-80mV 1 1 1 表表6-3 EM231热电偶模块热电偶模块DIP开关的其它项设置开关的其它项设置 DIP开 关 状 态 作用 项目名称 DIP开 关 状 态 作用 项目名称 SW5 1 负向标定 +3276.7 传感器熔断方 向的检测 SW7 1 华氏温度测量 温度测量单位的选 择 0 正向标定- 3276.7 0 摄氏温度测量 SW6 1 禁止断线检测电 流 导线断线检测 的选择 SW8 1 冷端补偿禁止 冷端补偿的选择 0 启动断线检测电 流 0 冷端补偿启
11、用 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 6.1.2 6.1.2 模拟量输出模块模拟量输出模块 1. EM232模拟量输出模块的内部结构及数据格式模拟量输出模块的内部结构及数据格式 电压-电流转换 器 电压输出缓冲 器 数-模转换器D/A 电流输出 电压输出 图6-7 EM232模拟量输出模块外部接线图及内部结构图 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 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6-8所示。
12、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。 MSB LSB 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 数据值11位 0 0 0 0 电流输出数据格式 MSB LSB 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 数据值12位 0 0 0 0 电压输出的数据格式 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 2. EM232模拟量输出模块的输出性能模拟量输出模块的输出性能 表表6-4 EM232模拟量输出模块的输出性能模拟量输
13、出模块的输出性能 项 目 信号范围 分辨率 数据字格式 精度典型250C 最大驱动 电压输出 +/-10V 12位 -32000 +32000 满量程的0.5% 最小5000 电流输出 020mA 11位 0+32000 满量程的0.5% 最大500 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 6.1.3 EM2356.1.3 EM235模拟量输入输出混合模块模拟量输入输出混合模块 图6-9 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 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业
14、技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 1. EM235模拟量输入输出模块的输入输出特性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。 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教
15、材 第6章 PLC模拟量控制功能 2. EM235模拟量输入输出模块的使用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6-5）。 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6-10所示
16、。 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 图6-10 EM235转换曲线 32000 0 10V 模拟量 输入值 数字量输出值 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 6.2.1 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 6.2 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 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划
17、教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 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
18、准化结果存入PID运算数据 存储区 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 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。 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术
19、教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 6.2.2 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。 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 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。 6.3 模拟量PID调节功能
20、 PID系统的组成 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 6.3.1 PID算法算法 1连续系统的连续系统的PID算法算法 dt tde TKMdtte T KcteKtY DCinitial t I C )( )( 1 )( 0 Y(t):回路控制算法的输出回路控制算法的输出(为时间的函数为时间的函数)； KC:回路增益；回路增益； e(t):误差误差(给定值与过程变量之差给定值与过程变量之差)； Minitial:回路控制算法输出的初始值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
21、加与比例项输出积分时间常数；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。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。前于比例项响应的时间。 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 6.3.1 PID算法算法 3离散系统的离散系统的PID算法算法 Yn为在采样时刻为在采样时刻n计算出的回路控制输出值；计算出的回路控制输出值； SPn为在采样时刻为在采样时刻n的给定值；的给定值； PVn为在采
22、样时刻为在采样时刻n的过程变量值。的过程变量值。 PVn-1为在采样时刻为在采样时刻n-1的过程变量值。的过程变量值。 T为采样周期；为采样周期； YX为在采样时刻为在采样时刻n-1的积分项的积分项(也称为积分和也称为积分和) )()( 1 1 nn DC initial n i i I C nCn ee T TK Ye T TK eKY = 1 ()()() D CnnCnnCnn I TT KSPPVKSPPVYXKPVPV TT PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 6.3.1 PID算法算法 4参数确定参
23、数确定 1）采样周期T的确定 2）KC，TI，TD的确定的确定 (1)由系统开环单位阶跃响应曲线确定由系统开环单位阶跃响应曲线确定Kc、t和和T； (2)计算系统响应率计算系统响应率 RKc/T-t； (3)若只采用比例环节，则取若只采用比例环节，则取 Kc=T/R.t； (4)若只取若只取PI环节环节,则取则取 Kc=0.9/R.t ，KI=0.27 Kc/R.t2； (5)若采用若采用PID,则取则取Kc=(1.22) /R.t，KI0.5Kc/t， KD=0.5Kc t。 = PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控
24、制功能 6.3.2 PID回路回路(PID Control Loop)指令指令 1指令格式 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。 2指令功能指令功能 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。 PID EN TBL LOOP TBL，LOOP PID PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 3回路表回路表 偏移地 址(VB) 变量名 数据格式 输入/输出 类型 取值范围 0 反馈量(PVn) 双字实
25、数 输入 在00、10之间 4 给定值(SPn) 双字实数 输入 在0010之间 8 输出值(Yn) 双字实数 输入/输出 在0010之间 12 增益(KC) 双字实数 输入 比例常数，可正可负 16 采样时间(T) 双字实数 输入 单位为秒，是正数 20 积分时间(TI) 双字实数 输入 单位为分钟，是正数 24 微分时间(TD) 双字实数 输入 单位为分钟，是正数 28 积分和或称 积分项前值(YX) 双字实数 输入/输出 在0010之间 32 反馈量前值 (PVn-1) 双字实数 输入/输出 最后一次执行PID指 令的过程变量值 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等
26、职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 4控制方式及特殊操作 ： 设有手动、自动切换机制，自动方式是指周期性的执 行PID运算的方式；而手动方式则是指不执行PID运算的情 况。为了保证由手动方式向自动方式的切换没有冲击，须将 手动方式中设定的输出值作为PID指令的一个输入写入到控 制参数表中的Yn 值中，然后才可切换到自动方式。 二二PID回路控制指令应用回路控制指令应用 = PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 2PID指令应用注意的问题指令应用注意的问题 环路编号的限制 ; 出错标志位
27、标准化问题及其逆问题 手动自动无抖动切换 根据被控对象的动力学特性的不同，控制量对 过程变量的作用会不同 环路增益Kc 设给定量为满水位的75，拟采用PI控制，参 数为：Kc=0.25，T=0.1s，TI=30m。要求开机后先由 手动控制水泵，一直到水位上升为75时，通过输 入点I0.0的置位切入自动状态。 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 本章小结本章小结 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
28、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填 写PID参数表，而其PID算法的实现完全由PID指令自己来完成。在填写 PID参数表及使用PID参数表的运算结果之前，需要注意过程量参数在 写入参数表时的标准化处理及将运算结果工程量处理的问题。 PLC应用技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等职业技术教育机电类专业规划教材 第6章 PLC模拟量控制功能 再见！
