西门子PLCS7-300教学8-程序设计2省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

第7章S7-300程序设计方法

（模拟量控制）1/657.1S7-300程序结构7.2系统设计标准7.3系统设计内容7.4程序设计方法与过程7.5开关量控制系统设计7.6关于模拟量I/O模块7.7模拟量控制系统设计7.8关于乒乓控制7.9关于PID控制2/65

7.6关于模拟量I/O模块

生产过程物理量标准模拟信号传感器变送器•压力•温度•流量•速度•pH值•粘性•等±500mV±1V±5V±10V±20mA4...20mA等DAC

PQW...PQW...:::PQW...模拟量输出模块MR模块ADC结果存放器PIW...PIW...:::PIW...模拟量输入模块CPU::::::LPIW304TPQW320:模拟执行器

物理量......................................量程卡3/651量程卡4/652S7-300模拟量模块寻址IM256

to270336

to350352

to366368

to382304

to318320

to334272

to286288

to302(发送)槽口号 234567891011384

to398400

to414432

to446448

to462464

to478480

to494496

to510416

to430机架1R0电源模块IM(接收)

电源模块CPU512

to526528

to542544

to558560

to574576

to590592

to606608

to622624

to638机架2IM(接收)

电源模块机架3640to654656to670672to686688

to702704

to718720

to734736

to750752

to766IM(接收)

电源模块5/653模拟量模块SM335(输入)6/654模拟模块SM335(输出)7/655模拟输入模块SM3318/656模拟量表示方式和测量值分辨率20212223242526272829210211212213214VZ16进制.位值十进制0123456789101112131415位序号单位位分辨率+符号111***************15*=0

或

18000000001128********8402010840000000000000000000002164132116181412*********************************************************************910111213149/657在不一样测量范围下模拟量表示方式范围超上限超上界额定范围超下界超下限测量范围±10V电压比如：>=11.75911.7589:

10.000410.007.50

:-7.5-10.00-10.0004:

-11.759<=-11.76单位3276732511:

276492764820736

:-20736-27648-27649:

-32512-32768测量范围4..20mA电流比如：>=22.81522.810:

20.000520.00016.000

::4.0003.9995:

1.1852<=1.1845单位3276732511:

276492764820736

::0-1:

-4864-32768测量范围-200...+850ºC温度比如

Pt100单位3276710000:

85018500:

::--:

-2430-32768>=1000.11000.0:

850.1850.0:

::-200.0-200.1:

-243.0<=-243.1测量范围0...300Ohm电阻比如：>=352.778352.767:

300.011300.000225.000

::0.000不允许负值单位3276732511:

276492764820736

::0-32768-1:

-486410/658模拟输入量规范化(可随模块带软件块FC105)500,00,002764811/659模拟量输出规范化(可随模块带软件块FC106)2764800,0100,012/6510模拟输出量表示形式范围超上限超上界额定范围超下界超下限单位>=3276732511:

2764927648:

0:-6912-6913:::-27648-27649:

-32512<=-32513

输出范围：电压011.7589:

10.000410.0000:

00to10V1to5V05.8794:

5.00025.0000:

1.0000011.7589:

10.000410.0000:

0:::::::-10.0000-10.0004:

-11.75890±10V00.9999

00输出范围：

电流023.515:

20.000720.000:

00to20mA4to20mA022.81:

20.00520.000:

4.000023.515:

20.000720.000:

0:::::::-20.000-20.007:

-23.5150±20mA03.9995

0013/6511配置模拟量模块SM33514/6512

配置模拟量模块SM33115/6513结构化极限监视功效(可随模块带软件块FB120)FB120ACTVHLLLHYSQHQLLIMIT模拟变量实际值HLLLHYSHYSQHQLt功效符号LO_LIMHI_LIM16/657.7模拟量控制系统设计1.关于模拟量控制系统模拟量控制系统是指输入信号为模拟量控制系统。控制系统控制方式上可分为开环控制和闭环控制。闭环控制依据其设定值不一样，又可分为调整系统和随动系统两种。调整系统设定值是由控制系统控制器给出，控制器作用就是使反馈值向给定值靠近，以反馈值对设定值偏差最小为目标。随动系统设定值是由被控制对象给出，控制器作用就是使控制目标不停地向被控对象靠近。各种跟踪系统都是随动系统。

模拟量控制系统设计中应该注意抗干扰问题。处理干扰方法有4个。其一是接地问题。这里包含PLC接地端接地，要真接地不要假接地。这里所说接地就是接大地。其二是模拟信号线屏蔽向题，屏蔽线始端和终端都要接地。信号线屏蔽是预防干扰主要方法。其三是对一些高频信号要处理匹配问题。假如不匹配很轻易在信号传送中引进干扰，使信息失真。其四是对信号进行滤波。17/652.模拟量控制系统设计举例

（1）搅拌控制系统线性程序设计（S7-PRO111）•初始状态及操作工艺

…•硬件设计

…•软件系统结构18/65•OB1块19/65OB1续20/65OB1续21/65OB1续22/65•OB100块23/65•系统仿真I0.0=ONPIW256<100Q4.0=ONPIW256>=100Q4.0=OFFQ4.1=ONPIW256>=200Q4.1=OFFQ4.2=OFFT1T1=ONQ4.2=OFFQ4.3=ONPIW256=0T2T2=ONQ4.3=OFF24/65（3）结构化软件设计（S7-PRO112）•系统结构•OB1块25/65•OB1续26/65•OB1续27/65•OB1续28/65•FB1•FC129/65•FC230/65•OB10031/65•DB1•DB232/65•系统仿真I0.0=ONPIW256<100Q4.0=ONPIW256>=100Q4.0=OFFQ4.1=ONPIW256>=200Q4.1=OFFQ4.2=OFFT1T1=ONQ4.2=OFFQ4.3=ONPIW256=0T2T2=ONQ4.3=OFF33/657.8关于乒乓控制1乒乓控制算法2乒乓控制算法实现（S7_PRO113）•FC1块34/65FC1续35/65•DB1块•OB1块36/65•仿真检测值小于低限，输出为ON。检测值大于低限，输出为OFF。37/657.9关于PID控制1闭环PID控制

PID控制器管理输出数值，方便将偏差(e)为零，使系统到达稳定状态。偏差是给定值（SP）和过程变量（PV）差。

38/652PID算法PID控制标准以以下公式为基础，其中将输出M(t)表示成百分比项、积分项和微分项函数：

其中

M(t)为PID运算输出，是时间函数

Kp为

PID回路百分比系数

Ki为

PID回路积分系数

Kd为PID回路微分系数

e为PID回路偏差（给定值和过程变量之差）

Minital为PID回路输出初始值39/65为了在数字计算机内运行此控制函数，必须将连续函数化成为偏差值间断采样。数字计算机使用以下对应公式为基础离散化PID运算模型。

其中:Mn

为采样时刻nPID运算输出值

Kp为

PID回路百分比系数

Ki为

PID回路积分系数

Kd为PID回路微分系数

en为采样时刻nPID回路偏差

en-1为采样时刻n-1PID回路偏差

el

为采样时刻lPID回路偏差

Minital为PID回路输出初始值40/65在此公式中，第一项叫做百分比项，第二项由两项和组成，叫积分项，最终一项叫微分项。百分比项是当前采样函数，积分项是从第一采样至当前采样函数，微分项是当前采样及前一采样函数。在数字计算机内，这里既不可能也没有必要存放全部偏差项采样。因为从第一采样开始，每次对偏差采样时都必须计算其输出数值，所以，只需要存放前一次偏差值及前一次积分项数值。利用计算机处理重复性，可对上述计算公式进行简化。简化后公式为：其中:Mn

为采样时刻nPID运算输出值

Kp为

PID回路百分比系数

Ki为

PID回路积分系数

Kd为PID回路微分系数

en为采样时刻nPID回路偏差

en-1为采样时刻n-1PID回路偏差

MX

为积分项前值41/65•计算回路输出值CPU实际使用对上述简化公式略微修改格式。修改后公式为：

其中:Mn

为采样时刻n回路输出计算值MPn为采样时刻n回路输出百分比项MIn为采样时刻n回路输出积分项MDn为采样时刻n回路输出微分项•百分比项百分比项MP是PID回路百分比系数(Kp)及偏差(e)乘积，为了方便计算取Kp=Kc。CPU采取计算百分比项公式为：

其中:MPn

为采样时刻n输出百分比项值Kc

为回路增益SPn

为采样时刻n设定值PVn

为采样时刻n过程变量值42/65•积分项积分项MI与偏差和成百分比。为了方便计算取。CPU采取积分项公式为：

其中:MIn为

采取时刻n输出积分项值Kc为回路增益Ts

为采样时间间隔Ti

为积分时间SPn

为采样时刻n设定值PVn

为采样时刻n过程变量值MX为采样时刻n-1积分项(又称为积分前项)积分项(MX)是积分项全部先前数值和。每次计算出MIn以后，都要用MIn去更新MX。其中MIn能够被调整或被限定。MX初值通常在第一次计算出输出之前被置为Minitai（初值）。其它几个常量也是积分项一部分，如增益、采样时刻(PID循环重新计算输出数值循环时间)、以及积分时间(用于控制积分项对输出计算影响时间)。

43/65•微分项微分项MD与偏差改变成百分比，方便计算取

。

计算微分项公式为：

为了防止步骤改变或因为对设定值求导而带来输出改变，对此公式进行修改，假定设定值为常量(SPn=SPn-1)，所以将计算过程变量改变，而不计算偏差改变，计算公式能够改进为：

其中：

MDn为

采取时刻n输出微分项值Kc为回路增益Ts

为采样时间间隔Td

为微分时间SPn

为采样时刻n设定值SPn-1

为采样时刻n-1设定值PVn

为采样时刻n过程变量值PVn-1

为采样时刻n-1过程变量值44/65•回路控制选择假如不需要积分运算(即在PID计算中不需要积分运算)，则应将积分时间(Ti)指定为无限大，因为积分和MX初始值，即使没有积分运算，积分项数值也可能不为零。这时积分系数Ki=0.0假如不需要求导运算(即在PID计算中不需要微分运算)，则应将求导时间(Td)指定为零。这时微分系数Kd=0.0假如不需要百分比运算(即在PID计算中不需要百分比运算)，而需要积分(I)或积分微分(ID)控制，则应将回路增益数值(Kc)指定为0.0，这时百分比系数Kp=0.0。因为回路增益(Kc)是计算积分及微分项公式内系数，将回路增益设定为0.0，将影响积分及微分项计算。因而，当回路增益取为0.0时，在PID算法中，系统自动地把在积分和微分运算中回路增益取为1.0，此时

45/653PID算法实现•运算框图46/65•PID控制软件（S7_Pro4）OB147/65OB3548/65FB149/65FB1续50/65FB1续51/65FB1续52/65DB253/65仿真：观察过程量PIW256改变，PID输出控制PQW350改变54/654PID控制模块（1）PID模块工作原理55/65（2）PID模块•FM355：4路闭环控制模块内含：4AI+8DI+4DI56/65FM355（续）：输入地址PIW256-257输出地址PQW256-25757/65FM355（续）：基本参数有没有中止中止类型工作方式58/65（3）PID参数•百分比项：名称数据类型默认值功效

P_SELBOOLTRUE百分比项使能控制GAINREAL2.0放大倍数•积分项：名称数据类型默认值功效

I_SELBOOLTRUE积分项使能控制TITIMET#20S积分时间INT_HOLDBOOLFALSE积分输出保持控制I_ITL_ONBOOL-积分输出再输入允许I_ITLVALREAL0.0积分初值•微分项：名称数据类型默认值功效

D_SELBOOLTRUE微分项使能控制TDTIMET#10S微分时间TM_LAGTIMET#2S微分滞后时间•过程参数………59/65（4）模板初始化功效（SFC块）•SFC50：名称功效

WR_PARM

将动态参数写入模板•SFC56：名称功效

WR_DPARM将预定参数写入模板•SFC57：名称功效

PARM_MOD赋模板参数•SFC58名称功效

WR_REC写模板专用数据统计•SFC59名称功效

RD_REC读模板专用数据统计（5）模板初始化功效调用例：调用SFC50CALL"RD_LGADR“…‘SFC50形参60/65（6）利用PID模块设计过程61/655闭环控制系统功效块•系统功效块SFB41 用于连续控制SFB42 用于步进控制SFB43 用于脉冲宽度控制•SFB41~SFB43调用 指令树￫LIBRARY￫STANDARDLIBRARY￫ SYSTEMFUNCTIONBLOCKS￫6闭环控制软件包•功效块 FB41 ､FB42､FB43与SF41､SF42､SF43兼容，用于PID控制。•FB41~FB43调用

…￫STANDARDLIBRARY￫PIDCONTROLBLOCKS￫62/65•SFB41(连续控制）输入参数参数名称数据类型地址说明默认值CON_RETBOOL0.0完全重新开启，为1小时执行初始化FALSECYCLETIME2采样时间，20MST#1SSP_INTREAL6内部设定值，100或物理值0.0PV_INREAL10过