PLC应用技术 教案 项目十 恒液位控制系统

PLC控制技术（西门子）项目八专项应用配套教案机械工业出版社项目十恒液位控制系统（理论）课题恒液位控制系统理论课时2周次项目序号教学分析知识目标熟悉模拟量模块的工作过程；熟悉PID的基本工作过程及要素；熟悉液位传感器的使用方法。能力目标掌握液位传感器及调节阀的接线方法；能根据任务要求编写PLC程序；能够能够组态并调节PID控制器。思政目标使学生意识到具备控制系统设计理念和守时意识的重要性，注重培养自己的职业素养；树立工程意识，培养分析和解决工程实际问题的能力。重点PID的工作过程；模拟量模块的使用方法。难点程序的编写及调试学法指导学情分析同学们之前学习过PLC的基本指令及部分应用指令，已经可以进行项目的分析、接线、编程及调试；本项目实施时采用任务引领，小组合作、理实结合的学习方法，通过任务引导同学们由理论到实践，再通过小组合作学习的方式完成本项目。教法选择启发式讲授、任务驱动教学法教具学具PLC、多媒体视频、课件教学过程导入新课在工业生产过程中，有很多像蒸馏塔这样大规模连续过程，温度、压力、流量和液位这四种是常见的过程变量。由于在控制过程中存在进料量和出料量的变化，从而导致液位波动。因此，高精度地进行液位控制是非常重要的一个课题。教学内容教师活动学生活动设计目的场景引入图片、视频展示各种恒液位控制系统的工作场景1.视频、图片展示恒液位控制系统。问题1：恒液位控制系统的工作任务有哪些？问题2：PLC如何控制模拟量。2.观看视频，分组讨论生活情境引入，激发学生学习兴趣提高学生积极探索新知能力以及小组合作意识教学内容教师活动学生活动设计目的一、PLC的模拟量控制简介在生产过程中，存在大量的物理量，如压力、温度、速度、旋转速度、pH值、粘度等。这些物理量都是连续量，而且是非电量。为了实现自动控制，这些模拟信号都需要被PLC来处理，这就需要相应的转换模块来对信号进行转换。PLC的模拟量输入一般包括信号为直流电压信号DC0～10V、直流电流信号4～20mA两种，对于不同的输入，可以通过拨码开关、参数设定或者接线方式的不同来进行区分。如图10-3所示为一个典型的模拟量处理过程，压力传感器检测的压力值为模拟量，经过变送器将其变为直流电压信号DC0～10V然后通过A/D（模数）转换模块变为数字量，将此数字量用于PLC的运算。1.教师讲解传感器的基本工作原理及典型应用案例2.教师让学生分组学习讨论，每组派一个代表进行讲解例题。并根据学生讲解情况进行更正及总结。1.学生听完教师的讲解后，在老师给出的案例上进行分析并讲解原理。2.小组讨论PID的基本控制过程；PID的控制要素。理论与实践相结合，讲完学完接着进行练习分析，让学生知识点掌握更牢固通过学生自习，小组讨论，让学生能够各抒己见，培养学生独立思考的能力及小组合作的精神。老师及时总结给正确答案加以强化，使学生能够记忆深刻。模拟量输入模块EMAE04的使用方法该模拟量模块共有4个模拟量输入端口，每两个为一组，可以选择电压输入或电流输入，其测量范围为±10V、±5V、±2.5V或0到20mA，其满量程范围为-27,648到27,648。该模块可以连接电流变送器送来的电流信号，有两种接法，分别对应2线制传感器和4线制传感器，如图10-5所示。该模块的电压测量范围及数字量对照见表10-1、电流测量范围及数字量对照见表10-2。1.教师讲解EMAE04模块的基本使用方法原理及典型应用案例2.教师让学生分组学习讨论，每组派一个代表进行讲解例题。并根据学生讲解情况进行更正及总结。1.学生听完教师的讲解后，在老师给出的案例上进行分析并讲解原理。2.小组讨论模拟量模块的接线方法；模拟量/数字量的转化过程。理论与实践相结合，讲完学完接着进行练习分析，让学生知识点掌握更牢固通过学生自习，小组讨论，让学生能够各抒己见，培养学生独立思考的能力及小组合作的精神。老师及时总结给正确答案加以强化，使学生能够记忆深刻。模拟量输出模块EMAQ02的使用方法该模拟量模块共有2个模拟量输出端口，可以选择电压输出或电流输出，其输出范围为±10V或0到20mA，其满量程范围为-27,648到27,648。该模块的电压输出范围及数字量对照见表10-3、电流输出范围及数字量对照见表10-4。教师讲解EMAQ02模块的基本使用方法原理及典型应用案例2.教师让学生分组学习讨论，每组派一个代表进行讲解例题。并根据学生讲解情况进行更正及总结。1.学生听完教师的讲解后，在老师给出的案例上进行分析并讲解原理。2.小组讨论模拟量模块的接线方法；模拟量/数字量的转化过程。理论与实践相结合，讲完学完接着进行练习分析，让学生知识点掌握更牢固通过学生自习，小组讨论，让学生能够各抒己见，培养学生独立思考的能力及小组合作的精神。老师及时总结给正确答案加以强化，使学生能够记忆深刻。PID控制的基本工作过程比例：来控制当前，误差值和一个负常数Р(表示比例）相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系。比如说，一个电热器的控制器的比例尺范围是10°C，它的预定值是20°C。那么它在10°C的时候会输出100%，在15°C的时候会输出50%，在19°C的时候输出10%，注意在误差是0的时候，控制器的输出也是0。积分：来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个PID回路系统会在预定值定下来。微分：来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。这个导数的控制会对系统的改变作出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。一些实际中的速度缓慢的系统可以不需要D参数。用更专业的话来讲，一个PID控制器可以被称作一个在频域系统的滤波器。这一点在计算它是否会最终达到稳定结果时很有用。如果数值挑选不当，控制系统的输入值会反复振荡，这导致系统可能永远无法达到预设值。教师讲解PID的控制过程常规的模拟PID控制系统原理框图，由模拟PID控制器和被控对象组成。其中rt)为系统给定值,c(t)为系统的实际输出值，给定值域实际输出值构成控制偏差e（t）。1.学生听完教师的讲解后，在老师给出的案例上进行分析并讲解原理。2.小组讨论PID的控制方法及控制过程每组派一名代表发言理论与实践相结合，讲完学完接着进行练习分析，让学生知识点掌握更牢固通过学生自习，小组讨论，让学生能够各抒己见，培养学生独立思考的能力及小组合作的精神。老师及时总结给正确答案加以强化，使学生能够记忆深刻。课堂小结1.掌握两种模拟量模块的的使用方法；2.掌握PID控制的过程及要点方法。3.了解PID各参数的含义及对控制过程的意义。作业布置查看任务的控制要求，了解系统的输入输出要点，为实训做好备;教学后记项目十恒液位控制系统教案（实训）项目名称恒液位控制系统实训课时4周次项目序号实训目标掌握PLC控制灌装生产线系统的外部接线及操作；2.学会PLC编写PLC控制恒液位控制系统程序，能完成程序的调试；3.培养学生实训操作的规范意识、节约意识，强化安全意识。作业准备各组长按照器材列表准备实训器材序号名称型号规格数量1可编程控制器200SMARTSR301只2模拟量输入模块EMAE041只3模拟量输出模块EMAQ021只4开关电源输入AC220V，输出DC24V1只5空气开关DZ47-C32/2P1只6熔断器RT18-32/201只7调节阀DN20（控制信号DC0-10V）1只8液位传感器SIN-MP-C1只9网孔板通用1块10电工工具1套11端子排TD20/15技术要求准确设置PLC参数；掌握电气图的阅读方法；注意事项1、通电调试前一定先用万用表测量确保各线路连接完好无误。2、梯形图无误。实训时间40分钟评分准备项目内容评估内容评估标准配分学生自评学生互评教师评价专业技能知识掌握情况1.能掌握PID控制的基本工作原理得3分；2.能正确使用模拟量模块得4分；3.能掌握PID的控制过程得3分。10前期准备和安全检查1.未检查电动机状况扣2分；2.未检查器件状况扣2分；3.未检查确认量工、量具扣2分；4.未检查确认耗材扣2分；5.未清洁工位扣2分。10元器件安装1.不按图纸安装扣5分；2.元件安装不牢固,每只扣2分；3.元件安装不整齐、不匀称、不合理,每只扣2分4.损坏元件扣5分；5.走线槽安装不符合要求,每处扣1分。10电路安装工艺1.错、漏、多接一根线扣5分；2.导线没有使用插针每处扣1分；3.连接的导线没有套打印的号码管每处扣1分；4.损伤导线绝缘或线芯,每根扣4分；5.接地线不完整扣10分；6.多余的导线没有放入线槽每处扣3分；7.配线不美观、不整齐、不合理,每处扣2分。20程序检查与运行液位传感器不能正确检测液位扣5分；不能正确控制调节阀的运行扣5分；不能实现恒液位控制扣10分20方法自主学习能力预习及做好上课准备5理解、总结能力能正确理解任务，善于总结5创新能力选用新方法、新工艺效果好5职业素养团队协作能力积极参与、小组协作5语言表达能力观点表达清楚，展示效果好5安全操作能力1.未穿工作服扣1分；2.未清洁、未归位工、量具扣2分；3.操作过程损坏元器件或工量具、有安全隐患扣2分。5合计100教法选择项目引领、任务驱动法教具学具课件、编程软件、PLC等操作步骤（详写）活动一：在教师引领、实训组长示范下，按任务规范要求，进行单项技能训练（2课时）任务1：任务分析（5分钟）在本项目中，阀门控制器采用调节阀控制，其外观如图10-9（a）所示，该调节阀能够接收DC0—10V信号来进行开度调节，其中10V代表100%开度，0V表示0%开度。PLC经过计算后，通过D/A转换模块将计算结果转换为DC0—10V的电压信号，用于调节阀的开度调节。本项目中使用液位传感器来检测容器中的实时液位，液位传感器外观如图10-9（b）所示，并通过变送器将其转换为DC0-10V的电压量。PLC通过A/D转换模块将此电压量转换为数字量用于程序的运算，西门子EM231模拟量控制模块如图10-9（c）所示。利用液位传感器的变送器，将0~1000mm的液位值转换为0~10V的电压信号，送到扩展模块EMAE04的模拟量输入通道1，扩展模块EMAE04将模拟量输入0~10V电压信号转换为数字量，电压信号与数字量值呈线性关系（如图10-10（b）所示），对应数值范围为0~27648，传送到S7-200SMARTCPU中。（a）调节阀（b）西门子EM231模拟量模块10-9调节阀与模拟量模块（a）液位传感器（b）数字量与液位变送器电压值的关系图10-10液位传感器及其A/D转换关系任务2：阅读电气原理图（5分钟）任务3：电气线路的安装与测量（50分钟）（1）安装元器件的技术规范1).安装前必须检查元器件有无损坏。2).安装要横平竖直，各器件留有一定的间距。3).不同电压等级的器件要分开安装。4).PLC要远离干扰源。5).元器件的安装要牢固可靠。（2）电气线路安装的要求1）.布线横平竖直、不凌乱、不架空，导线连接可靠、不松动；2）.导线颜色、线径使用正确；3）.导线两端均使用冷压插针、不伤线芯、不破皮、不露铜；4）.连接的导线套有写有编号的号码管；5）.导线正确进线槽，线槽外过长的要使用缠绕管；6）.接地可靠、完整。（3）测量电路测量电路正确性的目的是为通电调试做好准备，排除接线可能出现的错误，杜绝安全事故的发生。应测量的部位：电源部分、终端电路部分、输入电路部分、输出电路部分。任务4.配置硬件组态及模拟量模块通道设置（10分钟）（1）.配置硬件组态及模拟量模块通道设置图10-12系统块配置（1）在系统块的“CPU”中更改CPU型号为“CPUST30（DC/DC/DC）”,“EM0”中添加扩展模块“EMAE04（4AI）”，“EM1”中添加扩展模块“EMAQ02（2AQ）”。图10-13配置EMAE04模块（2）鼠标点击“EM0”的“EMAE04（4AI）”，弹出对话框如图10-13所示，勾选“用户电源”启用报警。然后鼠标点击左侧“模拟量输入”的“通道0”对此通道进行参数配置，配置的参数如图10-14所示：通道类型选择为“电压”、范围选择为“+/-10V”、抑制选择为“50Hz”、滤波选择为“弱（4个周期）”、勾选“超出上限”和“超出下限”报警。图10-14模拟量输入通道0设置图10-15模拟量输出通道0设置（3）鼠标点击“EM1”的“EMAQ02（2AQ）”，同样勾选“用户电源”启用报警。然后鼠标点击左侧“模拟量输出”的“通道0”对此通道进行参数配置，配置的参数如图10-15所示：通道类型选择为“电压”、范围选择为“+/-10V”、取消勾选“将输出冻结在最后一个状态”、勾选“超出上限”、“超出下限”和“短路”报警。设置结束之后鼠标点击“确定”按钮完成配置。任务5：配置PID向导（10分钟）（1）在菜单栏“工具”向导中，点击“PID”向导，在对话框中勾选“回路0（Loop0）”，如图10-16所示图10-16配置PID向导（2）鼠标单击左侧Loop0中的“参数”节点，向导对话框变为如图10-17所示。其中“增益”为比例作业、“积分时间”为积分作用、“微分时间”为微分作用、“采样时间”是PID控制器对反馈采样以及对重新计算输出值的时间间隔，此时我们先均采用默认值，后面在调试的过程中自整定。图10-17配置参数（3）鼠标单击左侧Loop0中的“输入”节点，向导对话框变为如图10-18所示。在这个地方指定回路过程变量的标定方式，根据外界模拟量输入的情况可以将其选择为“单极”。在“标定”选项中设置过程变量为“0~27648”，由于我们液位传感器的检测范围是0~1000mm，回路设置值可设置为“0~1000”，这样计算过程中就可以认定其为工程量了。图10-18配置输入（4）鼠标单击左侧Loop0中的“输出”节点，向导对话框变为如图10-19所示。在这个地方指定回路输出的标定方式，根据外界模拟量输出的情况可以将其选择为“单极”。范围设置为“0~27648”。图10-19配置输出（5）鼠标单击左侧Loop0中的“报警”节点，向导对话框变为如图10-20所示。勾选“启动下限报警”、“启动上限报警”和“启用模拟量输入错误”报警，报警值使用默认。图10-20配置报警（6）鼠标单击左侧Loop0中的“代码”节点，向导对话框变为如图10-21所示。勾选“添加PID的手动控制”，这样如果处于手动控制时就不执行PID运算，回路的输出由程序控制。图10-21配置子程序（7）鼠标单击左侧Loop0中的“存储器分配”节点，向导对话框变为如图10-22所示。PID向导为了完成PID运算需要120个字节的位存储器，我们在编写其他控制程序的时候一定要注意不再使用这些存储器。图10-22配置存储器分配（8）鼠标单击左侧Loop0中的“组件”节点，向导对话框变为如图10-23所示。向导列出了PID项目自动生成的组件。包括一个用于初始化PID的子程序、一个用于循环执行PID功能的中断程序、一个120个字节的数据页以及一个符号表。然后鼠标点击“生成”按钮，完成此PID的向导设置。图10-23该PID自动生成的组件（9）生成PID组件后，可以在项目树中展开“程序块”下的“向导”文件夹中查看生成的PID初始化子程序“PID0_CTRL(SBR1)”及PID运行中断程序“PID_EXE(INT1)”，可以双击打开程序说明。注意：这两个程序是加密的，无法查看程序内容，仅可查看程序说明；中断程序占用了“定时中断0”，编程的时候不能重复使用。在符号表中单击“PID0_SYM”选项卡可以查看PID的相关符号及地址信息，用于编程时参考。图10-24查看PID的初始化子程序和运行中断程序图10-25查看PID的符号表任务6：调用PID生成的子程序编程（10分钟）（1）在项目树中展开“指令”下的“调用子例程”文件夹（图10-26（a）），拖拽“PID0_CTRL(SBR1)”到main程序中，如图10-26（b）所示。图10-26（a）调用子例程图10-26（b）子程序添加到main程序中（2）子程序“PID0_CTRL(SBR1)”的引脚定义可以参考其变量表（如图10-27所示）。图10-27子程序“PID0_CTRL(SBR1)”的变量表（3）编写完整子程序“PID0_CTRL(SBR1)”的引脚定义，如图10-28所示。给使能端EN添加一个常ON触点“SM0.0（Always_On）”；过程变量输入端“PV_I”定义为“AIW16（EM0_输入0）”；设定值输入端“Setpoint_R”定义为“500.0（直接为工程量，目标液位500mm）”；自动/手动模式切换端“Auto_Manual”定义“M0.0”,也就是M0.0为ON时是自动模式、OFF时是手动模式；手动模式下所需的回路输出值“ManualOutput”端定义为“0.5”；PID输出端“Output”定义为“AQW32（EM1_输出0）”；上限报警输出端“HighAlam”定义为“M1.0”；下限报警输出端“LowAlam”定义为“M1.1”；模块错误报警输出端“ModuleErr”定义为“M1.2”。另外，查看图10-25所示PID的符号表，可以通过给定符号数据的方式改变PID的相关参数。编写完上述程序后，进行保存编译。图10-28子程序“PID0_CTRL(SBR1)”的引脚活动二：调试程序（1课时）任务1：下载调试（25分钟）（1）将经过编译的程序下载到PLC中，并将PLC的模式置为“RUN”。（2）将PID程序中用到的符号添加到状态图表中，并切换寻址显示的模式及数据显示格式，然后将状态图表切换为开始监控，如图10-29所示。此时将M0.0置为ON，自动经过运算后向PID输出，液位随之发生变化。（3）此时可以在状态图表中修改PID的控制参数，观察被控对象的变化状态。也可以通过触摸屏+程序的方式来调整PID的参数。更方便的是我们可以使用编程软件中的PID控制面板来自整定控制参数。图10-29状态图表任务2：使用PID