FX系列PLC编程与应用(廖常初)第7、8章

FX系列PLC编程与应用(廖常初)第7、8章第一页，共37页。2．模拟量与数字量的转换PLC用模拟量输入模块中的A-D转换器将模拟量转换为数字量。

模拟量输出模块中的D-A转换器将PID控制器的数字输出量转换为模拟量电压或电流，再去控制执行机构。3．模拟量模块的性能指标

（1）分辨率与精度

模拟量输入模块的分辨率有8位和12位两种。FX2N系列的模拟量模块的满量程模拟量（例如0～10V）一般对应于数字0～4000。

（2）转换速度FX2N-2AD的转换时间为2.5ms/通道，而FX3U-4AD的转换时间为500μs/通道。

（3）量程

模拟量输入、输出信号可以是电压或电流，可以是单极性或双极性的。4．模拟量I/O模块、特殊适配器和功能扩展卡的特性

它们的简要特性见表7-1和表7-2，详细特性见有关手册。电压输入的输入电阻一般为200k，电流输入的输入电阻一般为250。满量程的总体精度一般为±1％。电压输出时的外部负载电阻一般为2k～1M，电流输出时小于500。温度检测模块是温度变送器与模拟量输入模块的组合。第二页，共37页。7.1.2模拟量输入模块的应用1．模拟量输入模块的接线FX2N-4AD模块有4个通道，最大分辨率为12位，可选量程–10～+10V、4～20mA和–20～20mA，转换后的数字量分别为–2000～2000、0～1000和–1000～1000。DC24V电源接在模块的“24+”和“24–”端。

直流信号接在“V+”和“VI–”端，电流输入时将V+和I+端短接。2．平均值滤波

平均值滤波用于滤除窄脉冲干扰信号，可以设置滤波的采样周期数。取平均值会降低PLC对外部输入信号的响应速度。

第三页，共37页。3．模拟量输入模块输出数据的读出FX2N-4AD模拟量输入模块的缓冲存储器的功能如下：BFM#0中的4位十六进制数用来设置通道1～通道4的量程，最低位对应于通道1。0～2对应的量程分别为–10V～+10V、4～20mA和–20～+20mA，为3时关闭通道。BFM#1～4分别是通道1～4求平均值时的采样周期数（1～4096）。BFM#5～8分别是通道1～4的转换数据的平均值。BFM#9～12分别是通道1～4的转换数据的当前值。BFM#15为0时为正常速度转换，为1时为高速转换。BFM#29为错误状态信息。

在下例中，通道1和通道2被设置为–10V～+10V的电压输入，通道3、4被禁止。模拟量输入模块安装在紧靠基本单元的地方，其模块编号为0号。平均值滤波的周期数为4，数据寄存器D0和D1用来存放通道1和通道2的数字量输出的平均值。下面的指令TOP中的P表示脉冲执行。LD M8002 //首次扫描时TOP K0 K0 H3300K1//H3300→BFM#0，设置通道1、2的量程TOP K0 K1 K4K2//设置通道1、2平均值滤波的周期数为4第四页，共37页。LDP X1FROM K0 K29 K4M10K1//将模块运行状态读入M10～M25LDI M10 //如果模块运行没有错误ANI M20 //且数字量输出未超出允许范围FROM K0 K5 D0K2//将通道1、2的平均采样值存入D0和D14．模拟量输入模块的校准FX系列采用软件校准法。FX2N-4AD定义通道的数字量输出为零时模拟输入量的值为偏移量，通道的数字量输出为1000时对应的模拟输入量为增益值。BFM#23和BFM#24分别用于存放指定通道的偏移量和增益,电压输入的单位为mV，电流输入的单位为A。

BFM#21的最低两位为二进制数01时，允许调节增益和偏移量，为二进制数10时，禁止调节增益和偏移量。BFM#22的低8位用于1～4号通道的偏移量和增益调节，BFM#22为3时允许调节1号通道的增益和偏移量。

下例中将FX2N-4AD的1号通道（CH1）的偏移量设为0V，增益设为2.5V。FX2N-4AD的模块编号为0号。第五页，共37页。LD X10 SET M0 //调节开始LD M0TOP K0 K0 H0 K1//设置各通道的量程为–10V～+10VTOP K0 K21 K1 K1//1→BFM#21，允许调节增益和偏移量TOP K0 K22 K0 K1//0→BFM#22，复位调节位OUT T0 K4 //延时0.4sLD T0TOP K0 K23 K0 K1//0→BFM#23，令偏移量为0TOP K0 K24 K2500 K1//2500→BFM#24，令增益为2.5VTOP K0 K22 H3 K1//3→BFM#22，调节通道1OUT T1 K4 //延时0.4sLD T1RST M0 //调节结束TOP K0 K21 K2 K1//2→BFM#21，禁止调节增益和偏移量FX3G、FX3U、FX3UC的模拟量模块的使用方法见手册《FX3G、FX3U、FX3UCPLC用户手册模拟量控制篇》。第六页，共37页。【例7-2】某温度变送器的输入信号范围为−100℃～500℃，输出信号为4～20mA，FX2N-2AD将4～20mA的电流转换为0～4000的数字量，设转换后得到的数字为N，求以0.1℃为单位的温度值。温度值−1000～5000（单位为0.1℃）对应于数字量0～4000，根据图7-3中有关线段的比例关系得5．将模拟量输入值转换为物理量

【例7-1】量程为0～3.5MPa的压力传感器的输出信号为4～20mA，设置FX2N-4AD的量程为4～20mA，转换后的数字量为0～1000，设转换后得到的数字为N，求以kPa为单位的压力值。

解：因为0～3500kPa对应于数字量0～1000，转换公式为P=3500

N/1000（kPa）。第七页，共37页。7.1.3模拟量输出模块的应用1．模拟量输出模块的接线FX2N-2DA输出电压时，负载的一端接在“VOUT”端，另一端接在短接后的“IOUT”和“COM”端。电流型负载接在“IOUT”和“COM”端子上。2．模拟量输出模块的调节

建议FX2N-2DA输入的数字量0～4000对应于模拟量输出的满量程（例如0～10V或4～20mA）。可以取一个比较小的值来代替量程的下限值，例如在输出量程为0～10V时，可以取数字量为40，输出电压100mV作为低端的调节点。第八页，共37页。3．模拟量输出模块的编程FX2N-2DA模块只用了下面两个缓冲存储器（BFM）：1）BFM#16的低8位（b7～b0）用于写入输出数据的当前值，高8位保留。2）在BFM#17的b0、b1位的下降沿时，通道2、通道1的D-A转换开始；在b2位的下降沿时，D-A转换的低8位数据被锁存。

假设FX2N-2DA模块为1号模块，要写入通道1的数据存放在数据寄存器D10中。X0变为ON时，起动通道1的D-A转换，转换程序如下：LD X0 MOV D10 K4M10 //将D10中的数字量传送到M10～M25TOP K1 K16 K2M10 K1//将D10的低8位写入BFM#16TOP K1 K17 H0004 K1//将BFM#17的b2位置1TOP K1 K17 H0000 K1//BFM#17的b2位下降沿锁存低8位数据TOP K1 K16 K1M18 K1//写入高4位数据（M18～M21）TOP K1 K17 H0002 K1//将BFM#17的b1位置1 TOP K1 K17 H0000 K1//在b1位的下降沿，启动通道1的转换第九页，共37页。7.2PID闭环控制系统与PID指令7.2.1模拟量闭环控制系统1．模拟量闭环控制系统

被控量c(t)被传感器和变送器转换为标准量程的直流电流、电压信号pv(t)，模拟量输入模块中的A-D转换器将它们转换为多位二进制数过程变量PVn。SVn为设定值，误差EVn=

SVn

PVn。模拟量输出模块的D-A转换器将PID控制器的数字量输出值MVn转换为模拟量mv(t)，再去控制执行机构。PID程序的执行是周期性的操作，其间隔时间称为采样周期TS。

加热炉温度闭环控制系统举例。第十页，共37页。2．闭环控制的工作原理

闭环负反馈控制可以使测量值PVn等于或跟随设定值SVn。假设实际温度值c(t)低于给定的温度值，误差EVn为正，mv(t)将增大，使执行机构（电动调节阀）的开度增大，进入加热炉的天然气流量增加，加热炉的温度升高，最终使实际温度接近或等于设定值。3．闭环控制反馈极性的确定

闭环控制必须保证系统是负反馈，如果系统接成了正反馈，将会失控。

调试时断开模拟量输出模块与执行机构之间的连线，在开环状态下运行PID控制程序。如果控制器有积分环节，因为反馈被断开，模拟量输出模块的输出会向一个方向变化。这时如果假设接上执行机构，能减小误差，则为负反馈，反之为正反馈。4．闭环控制带来的问题

以洗澡水温度的人工调节为例，由于闭环中的滞后因素，PID控制器的参数整定得不好时，阶跃响应曲线将会产生很大的超调量，系统甚至会不稳定。7.2.2PID控制器与PID指令1．PID控制器的输入输出关系式第十一页，共37页。图7-8是模拟量控制系统，sv(t)是设定值，pv(t)为测量值，c(t)为被控量，PID控制器的输入输出关系式为误差信号ev(t)=sv(t)–pv(t)，mv(t)是PID控制器的输出值，Kp是比例增益，TI和TD分别是积分时间和微分时间。mv(t)右边的前3项分别是它的比例部分、积分部分和微分部分。可以选用P、PD或PI控制器。2．改进的PID控制算法图7-9的SVn等下标中的n表示是第n次采样时的数字量。PID指令执行的周期称为采样周期TS。第十二页，共37页。

（1）一阶惯性数字滤波

模拟量反馈信号pv(t)采样后用一阶惯性数字滤波器来滤除干扰噪声，Tf是滤波器的时间常数。输入滤波常数=Tf/（Tf+TS），TS为采样周期。（0～1）越大滤波效果越好；过大会使系统的响应迟缓。

（2）不完全微分PID

微分容易引入高频干扰。为此在微分部分增加了一阶惯性滤波。下式是不完全微分PID的传递函数，微分增益KD是不完全微分的滤波时间常数与微分时间TD的比值。第十三页，共37页。

（3）反馈量微分PID

设定值SVn的突变将会使误差EVn和PID的输出量MVn突变，为了消除给定值突变的影响，只对反馈量PVnf微分。不考虑给定值的变化（即令SVn为常数），有3．PID指令

图7-10中模拟量反馈信号pv(t)被模拟量输入模块FX2N-4AD转换为数字量PV，经滤波和PID运算后，将PID控制器的输出量MV送给模拟量输出模块FX2N-4DA，后者输出的模拟量mv(t)送给执行机构。PID回路运算指令的(S1)和(S2)分别用来存放给定值SV和本次采样的测量值（即反馈值）PV，PID指令占用起始软元件号为(S3)的连续的25个数据寄存器。第十四页，共37页。PID输出值MV用目标操作数(D)存放。

在开始执行PID指令之前，应将各参数和设定值预先写入指令指定的数据寄存器（见表7-3）。在执行PID指令之前应使用MOVP指令将(S3)+7清零。4．正动作与反动作在开环状态下，PID输出值控制的执行机构的输出增加使被控量增大的是正动作（例如加热炉）；使被控量减小的是反动作（例如空调的压缩机）。用PID指令的参数ACT的第0位来设置采用正动作或反动作。第十五页，共37页。7.3PID控制器参数整定方法7.3.1PID参数的物理意义1．闭环控制系统的主要性能指标

系统进入并停留在稳态值c(∞)上下±5%（或2％）的误差带内的时间tS称为调节时间。

被控量c(t)从0上升，第一次到达稳态值c(∞)的时间称为上升时间tr。

稳态误差是指响应进入稳态后，输出量的期望值与实际值之差。2．对比例控制作用的理解PID控制器输出中的比例部分与误差成正比，增益太小，调节的力度不够，使调节时间过长。增益过大，调节力度太强，造成调节过头，使被控量来回震荡，超调量过大。如果闭环系统没有积分作用，单纯的比例控制的稳态误差与增益成反比，很难兼顾动态性能和静态性能。第十六页，共37页。3．对积分控制作用的理解

积分对应于图7-15中误差曲线ev(t)与坐标轴包围的面积（图中的灰色部分）。一般用图7-15中的矩形面积之和来近似精确积分。积分控制根据当时的误差值，每个采样周期都要微调PID的输出。只要误差不为零，控制器的输出就会因为积分作用而不断变化。积分部分的作用是消除稳态误差，提高控制精度。积分有滞后特性，积分作用太强，会使系统的动态性能变差，超调量增大。积分作用太弱，消除稳态误差的速度太慢。第十七页，共37页。4．对微分控制作用的理解

在误差曲线ev(t)上作一条切线，该切线与

x轴正方向的夹角

α的正切值tgα即为该点处误差的一阶导数de(t)/dt。微分项与误差的变化速率成正比，微分部分反映了被控量变化的趋势。

在图7-18中启动过程的上升阶段，被控量尚未超过其稳态值，超调还没有出现。但是因为被控量不断增大，误差e(t)不断减小，控制器输出量的微分分量为负，使控制器的输出量减小，相当于减小了温度控制系统加热的功率，提前给出了制动作用，以阻止温度上升过快。因此微分具有超前和预测的作用，适当的微分控制作用可以减小超调量，缩短调节时间。微分作用太强（TD太大），将会使响应曲线变化迟缓。第十八页，共37页。第十九页，共37页。7.3.2PID参数的整定方法1．PID参数的整定方法1）为了减少需要整定的参数，首先可以采用PI控制器。给系统输入一个阶跃给定信号，观察系统输出量的波形。由PV的波形可以获得系统性能的信息，例如超调量和调节时间。2）如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能进入稳态或者根本不稳定，应减小控制器的增益Kp或增大积分时间TI。

3)如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整上述参数。4）如果消除误差的速度较慢，应适当减小积分时间，增强积分作用。5）反复调节增益和积分时间，如果超调量仍然较大，可以加入微分作用，即采用PID控制。微分时间TD从0逐渐增大，反复调节Kp、TI和TD，直到满足要求。需要注意的是在调节增益Kp时，同时会影响到积分分量和微分分量的值，而不是仅仅影响到比例分量。第二十页，共37页。6）如果响应曲线第一次到达稳态值的上升时间较长（上升缓慢），可以适当增大增益KP。如果因此使超调量增大，可以通过增大积分时间和调节微分时间来补偿。

2．采样周期的确定确定采样周期时，应保证在被控量迅速变化的区段，有足够多的采样点，以保证不会因为采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。3．怎样确定PID控制器的初始参数

为了保证系统的安全，避免在首次投入运行时出现系统不稳定或超调量过大的异常情况，在第一次试运行时增益不要太大，积分时间不要太小，以保证不会出现较大的超调量。试运行后根据响应曲线的特征和调整PID控制器参数的规则，来修改控制器的参数。7.3.3PID参数整定的实验

为了学习整定PID控制器参数的方法，必须做闭环实验，开环运行PID程序没有任何意义。

全部用硬件来组成闭环需要的设备较多，可以用以运算放大器为核心的模拟电路来代替现场的被控对象。第二十一页，共37页。3．纯软件闭环PID实验

西门子的S7-300/400PLC的功能块FB41是PID控制的子程序，S7-300/400的仿真软件PLCSIM可以对FB41仿真。此外西门子还提供了一个用来模拟被控对象、检测元件和执行机构的功能块FB100。用FB41和FB100可以组成虚拟的PID闭环控制系统，用计算机对PID控制系统仿真。

作者编写的《跟我动手学S7-300/400PLC》和《S7-300/400PLC应用技术》第3版详细介绍了纯软件闭环PID仿真程序的设计方法和做仿真实验的方法。这两本书的随书光盘提供了PID闭环控制仿真程序和仿真所需的全部软件。4．S7-300/400PID闭环控制仿真结果介绍图7-20第二十二页，共37页。

图7-20的PV曲线超调量过大，将积分时间由2s改为4s，新参数下载到仿真PLC后，图7-21中响应曲线的超调量和震荡次数明显减小。

图7-20和图7-22的P、I参数相同，微分时间由0.8s增大为2s。适当增大微分时间后，图7-22中响应曲线的超调量和震荡次数明显减小。第二十三页，共37页。

图7-22和图7-23的P、D参数相同，积分分时间由2s增大为8s。增大积分时间后，图7-23中响应曲线的超调量进一步减小，但是上升时间增大。

图7-21和图7-24的P、I参数相同，微分时间由0.8s增大为4s。因为微分作用过强，曲线大的趋势变得迟缓，在误差剧烈变化时，曲线上出现了“毛刺”。第二十四页，共37页。

图7-25和图7-26的微分时间均为0（PI控制），积分时间均为8s。比例增益分别为2.0和1.0，减小比例增益后，同时减弱了比例作用和积分作用。可以看出，减小比例增益能显著降低超调量。但是付出的代价是上升时间tr增大。第二十五页，共37页。第8章PLC应用中的一些问题8.1PLC控制系统的可靠性措施

8.1.1硬件可靠性措施1．电源的抗干扰措施

干扰较强时，可以在PLC的电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器，或使用抗干扰电源和净化电源产品。

2．布线的抗干扰措施

长距离数字量信号、模拟量信号、高速信号（例如旋转编码器输出的信号）和通信应使用屏蔽电缆。PLC应远离强干扰源，在开关柜内PLC应远离动力线。不同类型的导线应分别装入不同的电缆管或电缆槽中。I/O线与电源线应分开走线，交流信号与直流信号、数字量与模拟量I/O线应分开敷设。一般情况下屏蔽电缆的屏蔽层应两端接金属机壳。

信号线应和它的返回线绞合在一起，模拟量信号线应使用双屏蔽的双绞线。不要把不同的模拟量信号置于同一个公共返回线。

应确保需要用通信电缆连接的所有设备共享一个共同的参考点，或者进行隔离，以防止不必要的电流造成通信故障或损坏设备。

第二十六页，共37页。

远程传送的模拟量信号应采用4～20mA的电流传输方式。干扰较强的环境应选用有光隔离的模拟量I/O模块。

3．PLC的接地

控制设备有两种地：1）安全保护地（或称电磁兼容性地），电动机的外壳和控制屏的金属屏体应连接到安全保护地。2）信号地（或称控制地、仪表地）是电子设备的电位参考点，例如PLC输入回路电源的负极应接到信号地。

控制系统中所有的控制设备需要接信号地的端子应保证一点接地。如果将各控制屏或设备的信号地就近连接到当地的安全保护地网络上，烧电焊可能烧毁设备的通信接口或通信模块。4．防止变频器干扰的措施

变频器已经成为PLC最常见的干扰源。变频器的输入、输出电流含有丰富的高次谐波，它通过电力线干扰其他设备。可以在变频器输入侧与输出侧串接电抗器，或安装谐波滤波器（见图8-1），以吸收谐波，抑制高频谐波电流。PLC的信号线和变频器的输出线应分别穿管敷设，变频器的输出线一定要使用屏蔽电缆或穿钢管敷设。变频器应使用专用接地线，且用粗短线接地。第二十七页，共37页。5．强烈干扰环境中的隔离措施

强烈的干扰可能使PLC输入端的光耦合器中的发光二极管发光，使PLC产生误动作。可以用小型继电器来隔离用长线引入PLC的开关量信号。长距离的串行通信信号可以用光纤来传输和隔离，或使用带光耦合器的通信接口。6．PLC输出的可靠性措施

负载要求的输出功率超过PLC的允许值或负载电压为DC220V时，应设置外部继电器。第二十八页，共37页。7．感性负载的处理PLC内控制感性负载的触点或电子元件断开时，电路中会产生高于电源电压数倍甚至数十倍的反电势，对系统产生干扰。PLC的输出端接有感性元件时，直流电路可以在负载两端并联型号为IN4001的续流二极管，要求提高关断速度时，可以串接一个稳压管。交流电路应在负载两端并联阻容电路，要求较高时，可以在负载两端并联压敏电阻。8.1.2故障的检测与诊断的编程

实践表明，PLC外部的输入元件与输出元件的故障率远远高于PLC本身的故障率，为了及时发现故障和保护系统，可以用梯形图程序实现故障的自诊断和自动处理。第二十九页，共37页。1．逻辑错误检测

某龙门刨床在前进运动时如果碰到“前进减速”行程开关X4，将进入步M2，工作台减速前进。碰到“前进换向”行程开关X2，将进入再下一步。

在前进步M1，如果没有碰到前进减速行程开关，就碰到了前进换向行程开关，说明前进减速行程开关出现了故障。这时转换条件

满足，将从步M1转换到步M6，工作台停止运行，并用触摸屏显示“前进减速行程开关故障”。操作人员按下故障复位按钮X7后，故障信息被清除，系统返回初始步。2．超时检测

机械设备在各工步的动作所需的时间一般是固定的或变化不大。在图8-3中的减速前进步M2，用定时器T1监视步M2的运行情况，T1的设定值比减速前进步正常运行的时间略长，正常运行时T1不会动作。如果前进换向行程开关X2出现故障，在T1设置的时间到时，T1的常开触点闭合，系统由步M2转换到步M7，工作台停止运行，触摸屏显示“前进换向行程开关故障”。第三十页，共37页。8.2PLC在变频器控制中的应用8.2.1电动机转速与旋转方向的控制

控制电动机转速的方法：1．用PLC的模拟量输出模块提供频率给定信号

硬件接线简单，模拟量输出模块价格较高。2．用PLC的开关量输出信号有级调节频率

接线简单，抗干扰能力强，可以满足大多数系统的要求。3．用串行通信提供频率给定信号

通过通信，还可以传送大量的参数设置信息和状态信息。第三十一页，共37页。4．PLC控制变频器的例子

按下“接通电源”按钮SB1，X0变为ON，Y10被置位，KM接通变频器的电源。按下“断开电源”按钮SB2，X1变为ON，如果X2、X3均为OFF，变频器未运行，则Y10被复位，变频器电源被切断。第三十二页，共37页。

变频器出现故障时，X4为ON，亦使变频器的电源断电。当电动机正转或反转时，X2或X3的常闭触点断开，以防止在