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林小宁


PLC不仅可以取代传统的继电器控制系统, 实现数字量控制。随着生产的发展,控制系统规 模的不断扩大,不仅要求能实现数字量控制,更 要求能对更复杂的过程控制系统实现模拟量控制 和运动量控制。当现场设备和系统在较大的范围 内分布时,依靠单台PLC来完成所有任务不仅不 可能,也不合理,这就要求PLC具有组成多层次 的工业化自动化网络实现通信控制的功能。

学习目标 通过4项与本模块相关的任务的实施,在熟练掌握前 述各种PLC指令的基础上,掌握PLC在模拟量控制中的应 用,PLC与PLC之间、PLC与文本显示器、PLC与变频器之 间的通信。
任务5-1 水箱水位恒定控制 任务5-2 S7-200 PLC之间的通信 任务5-3 S7-200与文本显示器的通信 任务5-4 S7-200与变频器的通信

任务5-1 水箱水位恒定控制

任务5-1 水箱水位恒定控制
?任务目标

(1)掌握S7-200PLC模拟量输入、输出模块的功能。 (2)掌握PID指令。 (3)掌握PLC在模拟量控制中的应用。 (4)能够编制PLC程序实现对水箱水位恒定控制系统 的自动控制。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?前导知识

PLC的模拟量处理功能主要通过模拟量输入/输出模块及用户 程序来完成。模拟量输入模块接受各种传感器输出的标准电压信 号或电流信号,并将其转换为数字信号存储到PLC中;PLC根据生 产实际要求,通过用户程序对转换后的信息进行处理,并将处理 结果通过模拟量输出模块转换为标准电压或电流信号去驱动执行 元件。模拟量输入/输出模块是PLC模拟量处理的硬件基础,用户 程序数据处理是PLC模拟量处理的灵魂。 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。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?前导知识

1.模拟量输入模块——1)EM231模拟量输入模块 功能:是把模拟量输入信号转换为数字量信号。 存储在16位模拟量寄存器AIW中的数据有效位为12位,其格式 如图5-1所示。最高有效位是符号位:0表示正数,1表示负数。

图5-1

模拟量输入数据的数字量格式

任务5-1 水箱水位恒定控制
?前导知识

1.模拟量输入模块——1)EM231模拟量输入模块
图5-2所示为EM231模拟量 输入模块端子,模块上部共有 12个端子,每3个为一组(如 RA、A+、A-)可作为一路模拟 量的输入通道,共4组,对应 电压信号只用2个端子(如A+、 A-),电流信号需用3个端子 (如RC、C+、C-),其中RC与 C+端子短接。对于未用的输入 通道应短接(如B+、B-)。模 块下部左端M接24V DC电源负 极,L+接电源正极。
图5-2 EM231模拟量输入模块端子

任务5-1 水箱水位恒定控制
?前导知识

1.模拟量输入模块——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。
(1)数据格式:双极性为-32000~+32000,单极性为0~32000。 (2)输入阻抗:大于等于10MΩ。 (3)最大输入电压:30VDC。 (4)最大输入电流:32mA。 (5)分辨率:最小满量程电压输入时,为1.25mV;电流输入时为5μA。 (6)差入类型:差分输入型。 (7)输入电压电流范围 · 输入电压范围:单极性为0~5V或0~10V,双极性为±5V或±2.5V。 · 输入电流范围:0~20mA。 (8)拟量到数字量的转换时间:小于250μs。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?前导知识

1.模拟量输入模块——3)EM231模拟量输入模块信号的整定 输入信号的类型及范围通过模拟量输入模块右下侧的DIP开关 (SW1、SW2和SW3)设定。表5-1为EM231选择模拟量输入范围的开 关表。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?前导知识

1.模拟量输入模块——3)EM231模拟量输入模块信号的整定 选择好DIP开关后,还需对输入信号进行整定,输入信号的整 定就是要确定模拟量输入信号与数字信号转换结果的对应关系。 通过调节DIP设定开关左侧的增益旋钮(图5-2)可调整该模块的 输入输出关系。调整步骤如下:
(1)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; (2)接通CPU及模块电源,并使模块稳定15分钟; (3)用一个电压源或电流源,给模块输入一个零值信号; (4)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; (5)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或所需要的数值为止。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?前导知识

2.模拟量输出模块 EM232模拟量输出模块具有两路模拟量输出通道。其功能是将 PLC模拟量输出寄存器AQW中的数字量转换为可用于驱动执行元件 的模拟量。 在16位模拟量输出寄存器AQW中的数据有效位为12位,其格式 如图5-4所示。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。

图5-4

模拟量输出数据的数字量格式

任务5-1 水箱水位恒定控制
?前导知识

2.模拟量输出模块 如图5-5所示是EM232 模拟量输出模块端子。模 块上部有7个端子,左端起 的每3个点为一组,作为一 路模拟量输出,共两组: 第一组V0端接电压负载、 I0端接电流负载,M0为公 共端;第二组V1、I1、M1 的接法与第一组类似。输 出模块下部M、L+两端接入 DC24V供电电源。
图5-5 EM232模拟量输出模块端子

任务5-1 水箱水位恒定控制
?前导知识

3.模拟量输入/输出模块
EM235模拟量输入输出 模块具有4路模拟量输入和 1路模拟量输出,它的输入 回路与EM231模拟量输入模 块的输入回路稍有不同, 如图5-6所示。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 的偏置电位器可以消除偏 置误差。其输入特性与 EM231模块不同之处主要表 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。

图5-6

EM235模拟量输入输出模块端子

任务5-1 水箱水位恒定控制
?任务内容

某水箱水位控制系统如图5-8所示。因水箱出水速度时高时低,所以 采用变速水泵向水箱供水,以实现对水位的恒定控制。 设给定量为满水位的75%,被控量水位值(为单极性信号)由液位 计检测后经A/D转换送入PLC,用于控制电动机转速的控制量信号由PLC执 行PID指令后以单极性信号经D/A转换后送出。拟采用PI控制,其增益、 采样周期和积分时间分别为:Kc=0.25,T=0.1s,TI=30min。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。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?制定计划

工作计划: 在实际行动之前,预先对目标和行动方案作出选择和具体安 排,计划是预测与构想,即预先进行行动安排;围绕预期的目标, 采取具体行动措施的工作过程,随着目标的调整进行行动的调整。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?任务实施

1.设计思路 通过首次扫描调用子程序的方式,初始化PID参数表并为PID 运算设置时间间隔(定时中断)。PID参数表的首地址为VD100, 定时中断事件为10,子程序编号为0。 通过定时中断每隔100ms调用一次中断服务程序。在中断服务 程序中,采样被控量的水位值并进行标准化处理后送入PID参数表, 若系统处于手动工作状态,则做好切换到自动工作方式的准备 (将手动时水泵转速的给定值经标准化处理后送PID参数表作为输 出值及积分和,将手动时的水位值标准化后送PID参数表作为反馈 量前值);若系统为自动工作状态,则执行PID运算,并将运算结 果转换成工程量后送模拟量输出寄存器,通过D/A转换以控制水泵 的转速,实现水位恒定控制要求。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?任务实施

2.程序设计 采用PLC梯形图语言编写的水箱水位控制主程序如图5-9所示, 水箱水位控制子程序如图5-10所示,水箱水位控制定时中断服务 子程序如图5-11、图5-12所示。

图5-9

水箱水位控制主程序

任务5-1 水箱水位恒定控制
?任务实施

2.程序设计

图5-10 水箱水位控制子程序(初始化PID参数表、设置PID运算周期)

任务5-1 水箱水位恒定控制
?任务实施

2.程序设计

图5-11 水箱水位控制中断服务子程序(读水位值,自动时启动PID运算)

任务5-1 水箱水位恒定控制
?任务实施

2.程序设计

图5-12 水箱水位控制中断服务子程序(手动控制结果存PID参数表)

任务5-1 水箱水位恒定控制
?任务实施

3.安装配线 按照图5-8进行配线,完成水箱水位控制系统的接线。 4.运行调试
(1)运行STEP 7 Micro/WIN编程软件,编写控制程序并下载程序文件到 PLC,使PLC进入运行方式。 (2)打开状态编辑器,录入VD100、VD104、VD108、VD120、VD124、 VD128、VD132,I0.0,I0.1,Q0.0,使其进入监控状态。 (3)通过强制操作I0.1,使Q0.0得电,将变频器接入电源。调节电位器 旋钮,使变频器频率由0逐渐上升,水箱水位逐渐提高。观察水位上升过 程中,VD100、VD108、VD128、VD132各存储单元数据的变化情况。 (4)待水箱水位接近75%满水位时,强制I0.0得电,使系统进入PID自动 调节控制状态。加大或减小水箱水位量,观察系统各量的变化过程。 (5)通过写操作,分别改变增益、积分时间常数的大小,观察系统的运 行效果。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?检查评价

按任务质量评价标准进行。
?成果展示、分组交流 ?成果展示

任务5-1 水箱水位恒定控制
?相关知识

在过程控制系统中,经常涉及模拟量的控制,如温度、压力 和流量控制等。为了使控制系统稳定准确,要对模拟量进行采样 检测,从而形成闭环控制系统。检测的对象是被控物理量的实际 数值,也称为过程变量;用户设定的调节目标值,也称为给定值。 控制系统对过程变量与给定值的差值进行PID(比例+积分+微分) 运算,根据运算结果,形成对模拟量的控制作用,这就是模拟量 PID调节功能。这种作用的结构如图5-13所示。

图5-13

PID控制系统结构图

任务5-1 水箱水位恒定控制
?相关知识

1.PID回路表
S7-200系列PLC中,通过PID回路指令来处理模拟量是非常方便的,PID功能的 核心是PID指令。PID指令需要为其指定一个V变量存储区地址开始的PID回路表 (或称为参数表)、PID回路号。PID回路表提供了给定和反馈及PID参数等数据入 口,PID运算的结果也在回路表输出,如表见表5-4所示。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?相关知识

1.PID回路表
PID回路有两个输入量,即给定值(SP)与过程变量(PV)。给定值 通常是固定的值,过程变量是经过A/D转换和计算后得到的被控量的实测 值,给定值与过程变量都是现实存在的值,对于不同系统,它们的大小、 范围与工程单位有很大的区别。在回路表中它们只能被PID指令读取,而 不能改写。PID指令对这些量运算之前,还要进行标准化转换。每次完成 PID运算后,都要更新回路表内的输出值Mn,它被限制在0.0~0.1之间。 从手动控制切换到PID自动控制方式时,回路表中的输出值可以用来初始 化输出值。 增益Kc为正时为正作用回路,反之为负作用回路。如果不想要比例 作用,应将回路增益Kc设为0.0,对于增益为0.0的积分或微分控制,如 果积分或微分时间为正,则为正作用回路,反之为负作用回路。 如果使用积分控制,则上一次的积分值MX(积分和)要根据PID运算 结果来更新,更新后的数值作为下一次运算的输入。MX也应限制在0.0~ 0.1之间,当每次PID运算结束时,将MX写入回路表,供下一次PID运算使 用。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?相关知识

2.PID参数的设置方法
为执行PID指令,要对某些参数进行初始化设置,参数设置对控制效 果的影响非常大,PID控制器有4个主要的参数Ts、Kc、TI和TD需要设置。 在P、I、D这3种控制作用中,比例(P)部分与误差在时间上是一致 的。只要误差一出现,比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作 用,具有调节及时的特点。比例系数Kc越大,比例调节作用越强,但过 大会使系统的输出量振荡加剧,稳定性降低。 积分(I)部分与误差的大小和误差的历史情况都有关系,只要误差 不为零,控制器的输出就会因积分作用而变化,一直到误差消失。当系 统处于稳定状态时,积分部分才不再变化,因此积分部分可以消除稳态 误差,提高控制精度。但是积分作用的动作缓慢,滞后性强,可能给系 统的动态性能带来不良影响。积分时间常数TI增大时,积分作用减弱, 系统的动态稳定性可能有所改善,但是消除稳态误差的速度减慢。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?相关知识

2.PID参数的设置方法 微分(D)部分反映了被控制量变化的趋势,根据趋势,微分 部分提前给出较大的调节作用。它较比例调节更为及时,因此它 具有超前和预测的特点。当微分时间常数TD增大时,可能会使超 调量减少,动态性能改善,但是抑制高频干扰的能力下降。如果 TD太大,则系统输出量可能会出现频率较高的振荡。 为了使采样值能及时反映模拟量的变化,Ts越小越好。但Ts 太小会增加CPU的运算工作量,相邻两次采样的差值几乎没有什么 变化,因此也不宜将Ts取得过小。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?相关知识

3.PID指令 S7-200系列PLC的PID指令没有设置控制方式,执行PID指令时 为自动方式;不执行PID指令时为手动方式。PID指令的功能是进 行PID运算。该指令的格式及功能如表5-5所示。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?相关知识

3.PID指令 说明: (1)LOOP为PID调节回路号,可在0~7范围选取;为保证控 制系统的每一条控制回路都能正常调节,必须为调节回路号LOOP 赋不同的值,否则系统将不能正常工作; (2)TBL为与LOOP相对应的PID回路表的起始地址,指定PID 运算的有关参数,见表5-4,它由36个字节组成,存储着9个参数, 可寻址的地址为VB; (3)为了保证在切换过程中无扰动、无冲击,在转换前必须 把手动控制输出值写入回路表的参数Mn。并对回路表内的值进行 下列操作:① 使SPn(给定值)=PVn(过程变量);② 使PVn-1 (前一次过程变量)= PVn(过程变量的当前值);③ 使MX(积 分和)=Mn(输出量)。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?任务训练

某电炉恒温控制系统,温度在50~500℃可调。控制要求如下: (1)采用PLC的PID调节功能实现。 (2)采用EM231热电偶模块将热电偶检测到的温度实际值送 入PLC的AIW0单元中,作为温度反馈信号。 (3)采用EM232模拟量输出模块将PID运算的结果输出到晶闸 管调功器,以控制交流电源通过的周期数,实现电炉的恒温控制 要求。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?小结

(1)PLC模拟量处理功能通过模拟量输入输出模块来完成。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指令时,只需要在程序中正确填写PID回路 表,而其PID算法的实现完全由PID指令自己来完成。在填写PID回路表及 使用PID回路表的运算结果之前,需要注意过程量参数在写入回路表时的 标准化处理及将运算结果工程量处理的问题。

任务5-1 水箱水位恒定控制
?思考练习

1.模拟量输入/输出模块的作用是什么? 2.模拟量输入信号在PLC内部处理时应考虑哪些问题? 3.模拟量输出信号处理时应考虑哪些因素? 4.与S7-200系列PLC配套的模拟量输入模块有哪几个? 5.S7-200系列PLC在工程实际中对模拟量的处理方式是什么? 6.EM231模拟量输入模块输入信号校对的步骤是什么? 7.PID指令控制中回路表的含义是什么?有何作用? 8.某水箱水位控制系统如图5-8所示。启动时首先采用手动方式 使水位上升到给定值的70%,然后再切换到自动方式进行PID调节。 不论水箱出水速度快慢,系统均能自动调节水位,使水位保持在 给定值不变。试编写实现这一控制功能的PLC控制程序。


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