《可编程控制器应用技术》模块5任务5-1

模块5S7-200PLC拓展应用

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。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5-2S7-200PLC之间的通信任务5-3S7-200与文本显示器的通信学习目标任务5-4S7-200与变频器的通信任务5-1水箱水位恒定控制（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。任务目标任务5-1水箱水位恒定控制任务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DC24V电源负极，L+接电源正极。图5-2EM231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5-5EM232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5-6EM235模拟量输入输出模块端子任务内容任务5-1水箱水位恒定控制

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。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任务5-1水箱水位恒定控制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。任务实施任务5-1水箱水位恒定控制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实施任务5-1水箱水位恒定控制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）任务实施任务5-1水箱水位恒定控制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）任务实施任务5-1水箱水位恒定控制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）任务实施任务5-1水箱水位恒定控制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STEP7Micro/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。检查评价成果展示按任务质量评价标准进行。成果展示、分组交流任务5-1水箱水位恒定控制相关知识任务5-1水箱水位恒定控制在过程控制系统中，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5-13PID控制系统结构图相关知识任务5-1水箱水位恒定控制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。相关知识任务5-1水箱水位恒定控制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。相关知识任务5-1水箱水位恒定控制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。相关知识任务5-1水箱水位恒定控制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。相关知识任务5-1水箱水位恒定控制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。相关知识任务5-1水箱水位恒定控制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）。任务训练任务5-1水箱水位恒定控制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。小结任务5-1水箱水位恒定控制