项目9 PLC在过程控制系统中的应用《PLC编程与应用（S7-1200）》教学课件

《PLC编程与应用（S7-1200）》✩精品课件合集第X章XXXX项目九PLC在过程控制系统中的应用项目九PLC在过程控制系统中的应用——任务准备项目描述工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。过程控制也称实时控制，是计算机及时的采集检测数据，按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制和自动调节，如数控机床和生产流水线的控制等。在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（简称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数选定比较简单、调整方便等优点；而且它的参数整定方式简便，结构改变灵活（如可改为PI调节、PD调节等）。长期以来，PID控制器被广大科技人员及现场操作人员所采用，并积累了大量的经验。本章以S7-1200的PLC对模拟过程控制系统进行液位、压力、流量和温度的测量及控制。知识点1PID参数的含义和整定方法

一、PID简介1、比例（P）控制比例控制是一种最简单、最常用的控制方式，如放大器、减速器和弹簧等。比例控制器能够立即成比例的响应输入的变化量。但仅有比例控制时，系统输出存在着稳态误差。2、积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出量是输入量对时间的积累。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在静态误差，则称这个控制系统是具有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减少，直到等于零。因此，采用比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3、微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比的关系，自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大的惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。知识点1PID参数的含义和整定方法

一、PID简介4、PID控制器的优点PID控制器是应用最广的闭环控制器，这是因为它具有以下优点：（1）不需要被控对象的数学模型（2）结构简单，容易实现（3）有较强的灵活性和适应性（4）使用方便5、PID参数的整定（1）是理论计算整定法。它主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必能够直接使用，还必须要通过工程实际进行调整和修改。（2）是工程整定法。它主要是依赖于工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中得到广泛应用。PID控制器参数的整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。这三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器的参数进行整定。知识点2PID控制的系统结构

PID闭环控制系统框图如下图所示，虚线部分在PLC内。在模拟量闭环控制系统中，被控制量c(t)（即系统的输出量，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（例如直流调速装置、电动调节阀或变频器等）要求PLC输出模拟量信号M(t)，而PLC的CPU只能处理数字量。c(t)首先被测量元件和变送器转换为标准量程（例如DC4～20mA和0～10V）的直流电流信号或直流电压信号，然后通过A/D转换后得到与被测数字量成比例的PV(n)，CPU这时将它与设定的值SP(n)进行比较，并按某种控制规律（如PID控制算法）对误差值e(n)进行运算，将运算结果通过D/A模块转换成标准量程的电流信号或电压信号M(t)，用来控制执行机构，通过执行机构来控制被控对象，实现闭环控制。知识点2PID控制的系统结构

一、PID控制算法PID控制器调节输出，保证偏差（e）为零，使系统达到稳定状态，偏差是给定值（SP）和过程变量（PV）的差。PID控制的原理基于以下公式：其中M（t）是PID回路的输出，Kc是PID回路的增益，e是PID回路的编差（给定值与过程变量的差），是PID回路输出的初始值。由于以上的算式是连续量，必须将连续量离散化才能在计算机中运算，离散处理后的算式如下

知识点2PID控制的系统结构

式中，是在采样时刻n，PID回路的输出的计算值：

是PID回路的增益，

是积分项的比例常数，是微分项的比例常数；

是采样时刻n的回路的偏差值，是采样n-1的回路的偏差值，是采样时刻x的回路的偏差值；是PID回路输出的初始值。设=0，再对以上算式进行改进和简化，得出如下计算PID输出的算式。是第n采样时刻的比例项值，是第n采样时刻的积分项的值，是第n采样时刻微分项的值。知识点2PID控制的系统结构

是第n采样时刻的比例项值；是增益；中第n次采样时刻的给定值；是第n次采样时刻的过程变量值。很明显，比例项数值的大小和增益成正比，增益增加可以直接导致比例项的快速增加，从而直接导致的增加。式中，是增益；是回路的采样时间；是积分时间；是第n次采样时刻的给定值，是第n次采样时刻的过程变量值；是第n-1时刻的积分项（也称为积分前项）。很明显，积分项数值的大小随着积分时间的减少而增加，的减小可以直接导致积分项数值的增加，从而直接导致的增加。知识点2PID控制的系统结构

式中，增益；是回路采样时间；是微分时间；是第n次采样时刻的过程变量值；是第

n-1次采样时间的过程变量。很明显，微分项的数值的大小随着微分时间的增加而增加，的增加可以直接导致积分项数值的增加，从而直接导致的增加。关键点：式中是非常重要的。根据这几个公式，：增益值增加可以直接导致比例项的快速增加，的减小可以直接导致积分项数值的增加，微分项数值的大小随着积分时间的增加而增加，从而直接导致的增加，理解这一点，对于正确调节P、I、D三个参数是至关重要的。知识点2PID控制的系统结构

一、PID简介

PID器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性，确定PID控制器的比例系统、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，根据起来有如下两大项：一是理论计算整定法。它主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必能够直接使用，还必须要通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定法。它主要是依赖于工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中得到广泛应用。PID控制器参数的整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。这三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器的参数进行整定。理想的PID响应曲线如图9-2所示。知识点2PID控制的系统结构

PID整定口诀：参数整定找最佳，从小到大顺序查。先是比例后积分，最后再把微分加。曲线振荡很频繁，比例度盘要放大。曲线漂浮绕大弯，比例度盘往小扳。曲线偏离回复慢，积分时间往下降。曲线波动周期长，积分时间再加长。曲线振荡频率快，先把微分降下来。动差大来波动慢，微分时间应加长。理想曲线两个波，前高后低四比一。一看二调多分析，调节质量不会低。理想的PID整定曲线二、PID参数的整定图9-2知识点3S7-1200中PID模块调用及参数定义

S7-1200使用PID_Compact指令来实现PID控制，该指令的背景数据块称为PID_Compact技术对象。PID控制器具有参数自整定功能和自动、手动模式。PID控制器连续地采集测量的被控制变量的实际值（简称为实际值或输入值），并与期望的设定值（Setpoint）比较。根据得到的系统误差，PID控制器计算控制器的输出，使被控制变量尽可能快地接近设定值或进入稳态。PID控制器的输出值由以下3个分量组成：（1）与系统误差成比例的比例分量（2）与系统误差的积分成比例的积分分量（3）与系统误差的变化率（微分）成比例的微分分量，系统误差减小时，微分部分为负值。知识点3S7-1200中PID模块调用及参数定义

一、生成一个新的项目

关键点：因为程序执行的扫描周期不相同，一定要在循环中断里调用

PID指令。为保证以恒定的采样时间间隔执行

PID指令，必须在循环

OB中调用。知识点3S7-1200中PID模块调用及参数定义

二、调用PID_Compact指令

知识点3S7-1200中PID模块调用及参数定义

三、PID指令模式

1.未激活模式2.预调节模式3.精确调节模式4.自动模式5.手动模式6.带错误监视的替代输出值图9-6PID调试窗口知识点3S7-1200中PID模块调用及参数定义

四、组态基本参数

1.控制器类型默认值为“常规”，设定值与实际值的单位为%。可以用下拉式列表选择控制器类型为控制具体的物理量，例如转速、压力、流量等。被控量的单位随之而变，设置如图9-7所示。图9-7控制器类型

知识点3S7-1200中PID模块调用及参数定义

四、组态基本参数

2.反向调节3.控制器的输入/输出参数图9-8定义Input/Output参数4.过程值设置图9-9过程值的设置知识点3S7-1200中PID模块调用及参数定义

四、组态基本参数

5.组态控制器的控制参数（1）过程值监视（2）PWM限制（3）输出值限制图9-10设置过程监控值设置，与过程值限对比图9-11手动PID参数设置知识点3S7-1200中PID模块调用及参数定义

四、组态基本参数

6.用PID指令设置PID控制器的参数

图9-12PID_Compact指令参数数据类型描述SetpointREAL自动模式下的给定值InputREAL实数类型反馈值Input_PERWORD整数类型反馈值，可用于连接模拟量外设输入ManualEnableBOOL0到1上升沿

="手动模式"1到0下降沿

="自动模式"ManualValueREAL手动模式下的输出值ResetBOOL复位控制器与错误ScaledInputREAL当前的输入值OutputREAL实数类型输出值Output_PERWORD整数类型输出值Output_PWMBOOLPWM输出SetpointLimit_HBOOL当给定值大于高限时置SetpointLimit_LBOOL当给定值小于低限时置InputWarning_HBOOL当反馈值超过高限报警时置InputWarning_LBOOL当反馈值低于低限报警时置StateINT控制器状态0=Inactive,1=SUT,2=TIR,3=Automatic,4=ManualErrorDWordPID出错知识点4传感器和模块的使用

一、传感器的使用

1.投入式液位传感器主要参数：量程：0～2000米一体式

精度：0.25%FS外型尺寸长约110mm,直径26mm测量形式及范围

0～1～200mH2O允许过载

2倍满量程压力

工作温度

-20～60℃温度补偿

-10～60℃存储温度

-40～80℃

供电电源

15～36VDC(标定电压24VDC)图9-13实物及接线图知识点4传感器和模块的使用

一、传感器的使用

2.涡轮流量计

主要参数：环境条件:温度-10～+55℃，相对湿度5%～90%，大气压力86～106Kpa输出信号:脉冲频率信号，低电平≤0.8V高电平≥8V供电电源:+12VDC、+24VDC（可选）信号传输线:STVPV3×0.3（三线制）传输距离:≤1000m信号线接口:内螺纹M20×1.5防爆等级:ExdIIBT6防护等级:IP65

图9-14实物及接线图知识点4传感器和模块的使用

一、传感器的使用

3.压力变送器主要参数：供电电压：DC24V(12V-32V)量程：-0.1～100MPa内介质温度-40～°C至85°C补偿温度：-10～70°C最大工作压力：两倍量程输出信号：4-20mA;1-5V;0-10Ma;0-20Ma;0-5V外壳防护：IP65综合精度：0.1级、0.3级、0.5级可选图9-15实物及接线图知识点4传感器和模块的使用

一、传感器的使用

4.温度变送器具体参数：温度测量范围：-50～300℃输出信号：4-20mA负载电阻：≤500Ω供电电源：24VDC功耗：≤1W基本误差：0.2%～0.5%FS

图9-16实物及接线图知识点4传感器和模块的使用

一、模块的使用

1.变频器参数设定值说明P00031设用户访问级为标准级P00101快速调试P01000设置使用地区，0=欧洲，功率以KW表示，频率为50HZP0304380电动机额定电压（V）P03050.18电动机额定电流（A）P03070.12电动机额定功率（KW）P031050电动机额定频率（HZ）P03111300电动机额定转速（r/min）P07002命令源信号由外部给定P07011DIN1ON接通正转，OFF停止P10002频率源信号由外部模拟电压信号给定MM420（MICROMASTER420）系列变频器是西门子公司的通用变频器产品，属于第2代通用变频器。该项系统有多种型号，从单相电源电压，额定功率120W到三相电源电压，额定功率11KW可供用户选用。例如，本套设备中所用的变频器为单相220V电源电压，额定功率750W的MM420机型，其外型尺寸为A型，采用基本操作板（BOP）为操作面板。知识点4传感器和模块的使用

一、模块的使用

1.SM1234模拟量输入/输出模块本控制系统需要检测液位、温度、流量、压力模拟信号，并且需要输出模拟信号电压去变控制变频器以达到控制水泵的目的，所以我们选择SM1234模拟量输入/输出模块，它具有4路模拟量输入和2路模拟量输出。具体参数：尺寸W×H×D（mm）45×100×75重量：220g功耗：2.0W电流消耗（SM总线）：80mA电流消耗（24VDC）：60mA（无负载）AI4路模拟量输入类型：电压或电流范围：±10V、±5V、2.5V或0-20mA满量程范围：-27647～

+27648AO2路模拟量输出类型：电压或电流范围：±10V或0-20mA满量程范围:电压-27647～+27648电流0-27648

知识点4传感器和模块的使用

一、模块的使用

1.固态继电器固态继电器是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。具体参数：负载电压：

48-530V负载最大电流：100A隔离电压：大于等于2500VAC绝缘电压：大于等于2500VAC控制电压：3-32VDC控制电流：6mA-20mA通态压降：小于等于1.3V断态漏电流：小于等于3mA电压上升率：500v/us通断时间:10ms频率范围：47/63工作环境温度：-40-80摄氏度动作状态指示：LED

谢

谢项目九PLC在过程控制系统中的应用——任务1恒液位、恒流量、恒压力控制一、任务目标1.了解压力变送器、液位变送器、流量变送器的应用和安装2.掌握S7-1200中模数转换模块SM1234的使用方法3.掌握恒液位、恒流量、恒压力控制系统的设计与调试二、控制要求通过PLC控制器控制变频器驱动水泵电机将下水箱的水输送到上水箱，上水箱到下水箱设一手动放液阀，控制过程：通过传感器将检测到的上水箱的液位、压力、流量转化为电流信号，经过A/D处理后转换成数字量供PLC进行处理，可在人机界面上设置液位、压力、流量值，经过PLC将设置值与当前值进行比较后，通过变频器来控制水泵的转速，从而达到恒压力、恒流量、恒液位。可打开上水箱手动放水阀，来保证压力、液位、流量的动态平衡。图9-17过程控制系统组成任务1恒液位、恒流量、恒压力控制

系统控制包含压力、温度、流量、液位测量控制如图9-17，其压力、流量、液位传感器都为模拟量传感器。系统有A、B两个水箱，任务1恒液位、恒流量、恒压力控制

三、硬件电路设计名称型号数量PLCCPU1214CDC/DC/DC1模拟量模块SM12341按钮XB2-BVB1LC24V1绿1红变频器MM4201水泵JET-G17-371中间继电器RXM2LB2BD2液位传感器MIK-P2601涡轮流量计LWGYS-A理1压力变送器BST6600-BB1导线0.75m2若干1.硬件选择（见表）2.I/O地址分配（见表）输入输出正转启动按钮SB1I0.0变频器启动信号Q0.0停止按钮SB2I0.1变频器模拟电压输入QW96液位传感器IW96压力传感器IW98流量传感器IW100任务1恒液位、恒流量、恒压力控制

三、硬件电路设计3.电气原理图图9-18电气原理图任务1恒液位、恒流量、恒压力控制

四、程序设计1.硬件组态（1）新建工程。新建工程，我们无论是选择压力、流量和液位的控制，它的控制过程都是一样的，在此我们以压力的PID控制为例，并命名为“压力PID”。（2）硬件组态。如图9-3所示，点击“添加新设备”，最后展开“CPU1214C“，双击所要组态的CPU型号，用同样的方法组态模拟量模块SM1234。可以在通道中选择不同的测量类型和不同的范围，在此我们选择0-20mA电流输入。（见图9-22）任务1恒液位、恒流量、恒压力控制

四、程序设计2.参数组态（1）添加循环中断组织块（见图9-4）（2）基本参数组态。如图9-5所示，展开左侧的目录树，双击“工艺对象”中的“组态”参数，分别设置基本设置、过程值设置和高级设置的参数（见图9-19）。控制器的类型选择为“压力”，输入值“Input_PER”（模拟量整数反馈），输出值“Output_PER”（整数型类型输出）。图9-19PID组态的基本参数任务1恒液位、恒流量、恒压力控制

四、程序设计（3）反馈值量程化。模拟量输入经过A/D转换后最大值为27648.0，这个数值对应压力是0.6MPa，如图9-20所示。9-20PID的过程值标定任务1恒液位、恒流量、恒压力控制

四、程序设计（1）指令介绍

PID参数分为输入参数和输出参数，其含义见表9-2、9-3。（2）编写程序

程序如图9-26和图9-27图9-26OB1中的程序3.编写程序可参照图9-26、9-27编写，只是不同的模拟量输入信号，选择不同的模拟量输入地址（见表9-1）和将设定值根据不同的标定范围转换成0～27648的数字量即可。任务1恒液位、恒流量、恒压力控制

四、程序设计图9-27OB30中的程序任务1恒液位、恒流量、恒压力控制

四、程序设计4.程序调试通过路径：项目树

>PLC项目

>工艺对象

>PID_Compact>调试打开整定界面，如图9-21所示：图9-21PIDCompact调试面（1）采样时间：选择调试面板测量功能的采样时间；启动：激活

PIDCompact趋势采集功能。调节模式：选择整定方式；启动：激活调节模式。

（2）实时趋势图显示：以曲线方式显示

Setpoint（给定值），Input（反馈值），Output(输出值)。（3）标尺：更改趋势中曲线颜色和标尺中的最大/最小值。（4）调节状态：显示进度条与调节状态。当调节完成后，整定出的参数会实时更新至工艺对象背景数据块

>Retain>PID参数中。a.ErrorAck：确认警告和错误，点击时

ErrorAck=Ture，释放时

ErrorAck=False；b.上传

PID参数：将调节出的参数更新至初始值；c.转到

PID参数：转换到组态界面

>高级设置

>PID参数；d.若当进度条达或控制器调节功能看似受阻时，请单击“调节模式”中（上图部分

1）的“Stop”图标。检查工艺对象的组态，必要时请重新启动控制器调节功能。（5）可监视给定，反馈，输出值的在线状态，并可手动强制输出值。StopPID_Compact：禁用PID控制器至非活动状态。任务1恒液位、恒流量、恒压力控制

四、程序设计注意：上传参数时要保证软件与

CPU之间的在线连接，并且调试模板要在测量模式，即能实时监控状态值，点击上传按钮后，PID工艺对象数据块会显示与

CPU中的值不一致，因为此时项目中工艺对象数据块的初始值与

CPU中的不一致，可将此块重新下载。五、练习与提高1.如果变频器的命令源选择采用网络通信设置，变频器的参数设置及PLC的程序设计该是如何？设计控制方案并调试运行。2.变频器如何恢复出厂设置？3.改变A/D或D/A模块的量程，变频器的频率会有何变化？现象如何？谢

谢项目九PLC