1、第6章 S7-200 PLC在模拟量闭环控制中的应用1.模拟量单闭环控制系统的组成典型的PLC模拟量单闭环控制系统如图6-1所示，虚线中的部分是用PLC实现的。6.1模拟量闭环控制的基本概念控制器D/AA/D 测量元件执行机构被控对象SP(n)PV(n)-Ev(n)M(n)MV(t)C(t)PV(t)图 6-1 PLC模拟量闭环控制系统方框图?在模拟量闭环控制系统中，被控量C(t)(例如压力、温度、流量、转速等)是连续变化的模拟量，大多数执行机构（例如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等）要求PLC输出模拟信号MV(t),而PLC的CPU只能处理数字量。C(t)首先被测量元件（传感器）和变送器
2、转换为标准的直流电流信号或直流电压信号PV(t),例如420m A,1，用A/D转换器将它们转换为数字量PV(n).?模拟量与数字量之间的相互转换和PID程序的执行都是周期性的操作，其间隔时间称为采样周期TS。各数字量括号中的n表示该变量是第n次采样计算时的数字量。2.变送器的选择?变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换为标准的直流电流或直流电压信号，例如 DC010V和420mA。变送器分为电流输出型和电压输出型，电压输出型变送器具有恒压源的性质，PLC模拟量输入模块的电压输入端的输入阻抗很高，例如100k10M。如果变送器距离 PLC较远，通过线路远程传送模拟量电压信号时抗干扰能力很差。
3、电流输出具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。PLC的模拟量输入模块输入电流时，输入阻抗较低（例如250）。线路上的干扰信号在模块的输入阻抗上产生的干扰电压很低，所以模拟量电流信号适于远程传送。?电流传送比电压传送的传送距离远得多，S7-200的模拟量输入模块使用屏蔽电缆信号线时允许的最大距离为200m。二线式变送器420mA250模拟量输入模块图6-6 二线式变送器6.1.5 PLC的模拟量输入接口的模拟量输入接口?它的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合可编程序控制器内部处理的由若干位二进制数字表示的信号。图6-7 模拟量输入电路框图背板总多路采采UU线接口光隔离转换开关D/A样保
4、持样保持0I0nIn图6-8 模拟量输出电路框图6.1.6 PLC的模拟量输出接口的模拟量输出接口它的作用是将可编程控制器运算处理后的若干位数字量信号转换为响应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。6.2 S7-200PLC的模拟量扩展模块6.2.1 模拟量扩展模块的功能?模拟量扩展模块提供了模拟量输入/输出的功能。具有以下特点：?(1)最佳适应性，可适用于复杂的控制场合。?(2)直接与传感器和执行器相连，12 位的分辨率和多种输入/输出范围能够不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连，例如EM231RTD模块可直接与PT100 热电阻相连?(3)灵活性，当实际应用变化时，P
5、LC 可以相应地进行扩展，并可非常容易的调整用户程序。?（4）扩展模块具有与基本单元相同的设计特点，S7-200（CN）PLC 的扩展模块种类很多，固定方式与CPU相同。如果需要扩展模块较多时，模块连接起来会过长，这时可以使用扩展转接电缆重叠排布。?（5）安装方便，可以在标准导轨上安装，模块卡装在紧挨CPU 右侧的导轨上，通过总线连接电缆与CPU 互相连接。也可以直接安装，模块上有固定螺孔，也可以用螺钉将模块固定安装在柜板上，这种安装方式建议在剧烈振动的情况下使用。6.2.2 S7-200 PLC模拟量扩展模块的分类模拟量扩展模块的分类?1.常规模拟量控制模块常规模拟量控制模块有EM231模拟
6、量输入模块，有EM232模拟量输出模块,有EM235模拟量输入输出模块。适用于CPU 222、CPU224、CPU 224XP和CPU226系列的PLC。图6-9为EM235模块端子接线图。电电RAL+M图6-9 EM235 模块端子接线图+A+A-RBB+B-RCC+偏移量增益配置开关+-C-RDD-D+M0V0I0+24VDC电流变送器未用输入端未用输入端-电压变送器压负载流负载?EM 235配置配置?-如何用DIP开关设置EM 235模块。开关1到6可选择模拟量输入范围和分辨率。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。选择单/双极性（开关6）、增益（开关4和5）和衰减（开关1、2和3
7、）。下表中，ON为接通，OFF为断开。?单极性 满量程输入 分辨率?SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6ON OFF OFF ON OFF ON 0 到50mV 12.5V OFF ON OFF ON OFF ON 0 到100mV 25V ON OFF OFF OFF ON ON 0 到500mV 125uA OFF ON OFF OFF ON ON 0 到1V 250V ON OFF OFF OFF OFF ON 0 到5V 1.25mV ON OFF OFF OFF OFF ON 0 到20mA 5AOFF ON OFF OFF OFF ON 0 到10V 2.5mV?2.热电
8、阻和热电偶模块热电阻和热电偶模块RTD（热电阻）和热电偶模块用于CPU 222、CPU224、CPU 224XP和CPU226。热电偶模块端子接线图RTD和热电偶模块安装在一个稳定的温度环境内时，具有最佳的性能。例如，EM231CT热电偶模块有专门的冷端补偿电路。该电路在模块连接器处测量温度，并对测量值作出必要的修正，以补偿基准温度和模块处温度之间的温度差。如果EM231热电偶模块安装环境的温度变化很剧烈，则会引起附加的误差。为了达到最大的精度和重复性，热电阻扩展模块EM231RTD和热电偶模块EM231CT要安装在环境温度稳定的地方。+A+L+M图6-10 EM231 热电偶模块端子接线图+
9、-+-+-配置开关+-A-B+B-C+C-D+D-A+L+M图6-11 EM231 热电阻模块端子接线图+配置开关A-a+a-B+B-b+b-24VDC24VDC6.2.3 根据模拟量输入模块的输出值计算对应的物理量根据模拟量输入模块的输出值计算对应的物理量?1.模拟输入量的模拟值数据格式模拟输入量的模拟值数据格式?模拟量输入输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟值用16位二进制补码来表示。最高位为符号位，正数的符号位为0，负数的符号位为1。对于单极性输入模拟量满量程对应的模拟值为032767，双极性输入模拟量满量程对应-32768+32767。?2.应用举例?【例6-1】压力变送器的量程
10、为010MPa，输出信号为420mA，模拟量输入模块的量程为420mA，转换后的数字量为032000，设转换后得到的数字为N，试求以kPa为单位的压力值。?解：010MPa(010000kPa)对应于转换后的数字032000，转换公式为:?P=10000?N/32000 （kPa）【例6-2】某温度变送器的量程为?200500，输出信号为420mA，某模拟量输入模块将020mA的电流信号转换为数字032000，对应关系见图6-12，设转换后得到的数字为N，求以0.1为单位的温度值。?解：单位为0.1的温度值?20005000对应于数字量640032000，根据比例关系（见图6-12），得出温度
11、T的计算公式为:?6400320002000500064002000?NT200025600)6400(7000?NT(0.1)3200064004mA(-2000)20mA(5000)NT图6-12 模拟量和转换数值的对应关系0.16.3 数字PID控制器1 PID算法?PID控制的原理基于下面的算式；输出M（t）是比例项、积分项和微分项的函数。?输出=比例项+积分项+微分项?其中：M（t）-PID回路的输出，是时间的函数?KC-PID回路的增益?e-PID回路的偏差（给定值与过程变量之差）?Minitial-PID回路输出的初始值?简化算式是：简化算式是：?1?nnDnInCneeKMXe
12、KeKM(6-1)?dtdeKMedtKeKtMCinitialtCC/0?2.PID方程的比例项?3 PID方程的积分项?4.PID方程的微分项或?nncnPVSPKMP?*?MXPVSPTTKMInnIScn?/*?11/*?nnnnSDcnPVSPPVSPTTKMD?nnSDcnPVPVTTKMD?1/*6.4 S7-200PLC的PID控制及其应用?6.4.1 PID功能?S7-200 CPU提供了8个回路的PID功能，用以实现需要按照PID控制规律进行自动调节的控制任务，比如温度、压力和流量控制等。?PID运算的任务就是根据反馈与给定的相对差值，按照PID运算规律计算出结果，输出到固
13、态开关元件（控制加热棒），或者变频器（驱动水泵）等执行机构进行调节，以达到自动维持被控制的量跟随给定变化的目的。1.PID指令指令S7-200 中PID功能的核心是PID指令。PID指令需要为其指定一个以V变量存储区地址开始的PID回路表(TBL)，以及PID回路号(LOOP)。PID回路表提供了给定和反馈，以及PID参数等数据入口，PID运算的结果也在回路表输出。PID指令（又称为PID回路指令）的梯形图指令盒的形式如图6-13所示。使能输入有效时，该指令利用回路表中的输入信息和组态信息，进行PID运算。梯形图的指令盒中有2个数据输入端：TBL，回路表的起始地址，是由VB指定的字节型数据；L
14、OOP，回路号，是07的常数。STL指令格式：PIDTBL,LOOP图6-132.PID回路表回路表?回路表有80 字节长，它的格式如表6-1所示。?回路表包含9个参数，用来控制和监视PID运算。这些参数分别是过程变量当前值（PVn），过程变量前值（PVn-1），给定值（SPn），输出值（Mn），增益（Kc），采样时间（Ts），积分时间（TI），微分时间（TD）和积分项前值（MX）。?为了让PID运算以预想的采样频率工作，PID指令必须用在定时发生的中断程序中，或者用在主程序中被定时器所控制以一定频率执行。采样时间必须通过回路表输入到PID运算中。偏移地址域(参数名）格 式类 型描述T+0过程
15、变量（反馈（PVn）双字-实数输入过程变量，必须在 0.01.0之间T+4设定值（给定）（SPn）双字-实数输入给定值，必须在 0.01.0之间T+8输出值（Mn）双字-实数输入/输出输出值，必须在 0.01.0之间T+12增益（P参数）（KC）双字-实数输入增益是比例常数，可正可负T+16采样时间（TS）双字-实数输入单位为秒，必须是正数T+20积分时间（I参数）（TI）双字-实数输入单位为分钟，必须是正数T+24微分时间（D参数）（TD）双字-实数输入单位为分钟，必须是正数T+28积分项前项（MX）双字-实数输入/输出积分项前项，必须在 0.01.0之间T+32过程变量前值（PVn-1）双
16、字-实数输入/输出最近一次PID运算的过程变量值T+36至T+79保留给PID自整定的变量设置用3.回路控制类型的选择4.回路输入的转换和标准化转换的第一步是把16位整数值转成浮点型实数值。下一步是将现实世界的值的实数值表达形式转换成0.01.0之间的标准化值。下面的算式可以用于标准化给定值或过程变量值：(6-10)其中：RNorm-标准化的实数值RRaw-没有标准化的实数值或原值Offset-单极性为0.0，双极性为0.5Span-值域大小，可能的最大值减去可能的最小值，单极性为32,000（典型值），双极性为64,000（典型值）。?OffsetSRRPanRawNorm?/5.回路输出值
17、转换成刻度整数值第一步是将回路输出转换成一个标定的实数值下一步是把回路输出的刻度转换成16位整数。6.正作用或反作用回路7.控制方式S7-200的PID回路没有设置控制方式，只有当PID指令盒接通时，才执行PID运算。在这种意义上说，PID运算存在一种“自动“运行方式。当PID运算不被执行时，我们称之为“手动”模式。【例6-3】应用PLC实现水箱水位的PID闭环控制6.4.2 PID向导向导?STEP 7 Micro/WIN 提供了PID Wizard(PID指令向导)，可以帮助用户方便地生成一个闭环控制过程的PID算法。用户只要在向导的指导下填写相应的参数，就可以方便快捷的完成PID运算的自
18、动编程。用户只需在应用程序中调用PID向导生成的子程序，就可以完成PID控制任务。向导最多允许配置8个PID回路。1.PID向导的使用“Tools”“Instruction Wizard”，然后在指令向导窗口中选择PID向导进入配置。图6-17 设定PID回路参数2.PID向导符号表?完成PID向导配置后，会自动生成一个PID向导符号表，在这个符号表中可以找到P（比例）、I（积分）、D（微分）等参数的地址。利用这些参数地址用户可以方便在Micro/WIN 中使用程序、状态表或从HMI上修改PID参数值进行编程调试。如图6-22所示。图6-22 PID符号表6.4.3 PID自整定自整定?在硬件
19、上，S7-200 CPU V23以上版本已经支持PID自整定功能。在软件上，在STEP 7-Micro/WIN V4.0 以上版本中增加了PID调节控制面板。可以使用用户程序或PID调节控制面板来启动自整定功能。在同一时间，最多可以有8个PID回路同时进行自整定。.要想使用PID自整定，必须使用PID向导进行编程，然后进入PID调节控制面板，启动、停止自整定功能。另外从面板中可以手动改变PID参数，并可用图形方式监视PID回路的运行。单击导航栏“Tools”中的PID控制面板或从主菜单“Tools”“PID Tune Control Panel”进入PID调节控制面板。【例6-4】应用PLC的PID指令向导，实现水箱水位的PID闭环控制，系统的控制要求同例6-3类似。图6-24 根据PID向导设计的梯形图程序
