第6章 S7-200 PLC在模拟量闭环控制中的应用.ppt

1、第6章S7-200 PLC模拟闭环控制中6.1模拟闭环控制的基本概念6.1.1模拟闭环控制系统的配置1。模拟单闭环控制系统的配置典型的PLC模拟单闭环控制系统由虚线部分PLC实现，如图6-1所示。在模拟闭环控制系统中，控制的C(t)(例如压力、温度、流量、速度等)是连续变化的仿真，大多数执行机构(例如晶闸管调速装置、电气控制阀、变频器等)要求PLC输出模拟信号MV(t)，PLC的CPUC(t)首先将测量的组件(传感器)和发射器转换为标准直流电流信号(例如4-20m A、1-5v、0-10v)或直流电压信号PV(t)，PLC使用A/D转换器转换为数字量PV(n)模拟量和数字量之间的相互转换和PI

2、D程序的执行是一个周期性活动，间隔称为采样周期TS。每个数字量括号中的n表示该变量是第n次采样计算的数字量。图6-1中的SP(n)是值，PV(n)是A/D转换后的反馈量，错误Ev(n)=SP(n)-PV(n)。D/A转换器将从PID控制器输出的数字M (n)转换为模拟(直流电压或直流电流)MV(t)，并控制执行机构。例如，在加热炉温度闭环控制系统中，使用热电偶检测炉温，温度发射器将热电偶输出中的弱电压信号转换为标准范围内的电流或电压，然后给模拟输入模块，获得与A/D转换后温度成正比的数字量，CPU将其与温度设定值进行比较，根据特定控制规则(例如PID控制算法)计算错误值，将计算结果(数字)给模

3、拟输出模块，将D/A转换后的电流信号或电压信号更改为电流信号。C(t)是系统的输出量，例如加热炉的温度。模拟控制系统分为恒值控制系统和伺服系统。指定给定值控制系统的值由操作员提供，通常很少更改，如温度控制系统、速度控制系统等。伺服系统的输入量是高炮的瞄准控制系统和电气控制阀的开关控制系统等不断变化的随机变量。闭环负反馈控制允许控制系统的反馈量PV(n)等于或跟随指定值SP(n)。以炉温控制系统为例，当输出的温度值C(t)小于给定的温度、度值、反馈PV(n)的给定值SP(n)且错误EV(n)为正数时，控制器的输出MV(t)将增加进入液中的气体流量，加热炉的温度将增加，最终实际上天然气压力的波动，

4、工件流入加热炉的情况下，这些因素称为扰动量，破坏炉温的稳定性。闭环控制有效地抑制了闭环中各种扰动的影响，使控制接近给定值。闭环控制系统结构简单，自动控制简单，广泛应用于各种领域。*2 .复杂控制系统的结构级联控制。级联控制也称为级联控制，其中两个控制器串行连接，第一个控制器(主控制器)的输出SP2是伺服控制器的设置(请参见图6-2)。级联控制的控制性能可以通过附加过程变量提高。为此，将辅助进程变量PV2从系统中的适当位置调用，并将与主控制器的输出SP2相比得到的错误值用作伺服控制器的输入量。主控制器指定了SP1、PV1的反馈值，调整SP2以确保流程变量PV1尽快达到设置值，而不会超出范围。使用

5、电动调节阀作为执行器的控制系统就是级联控制系统。电气控制阀具有位置伺服系统，图6-2中的PV2是阀门打开，即线轴的位置。通过辅助电路的调节作用，阀门的开闭度与主控制器的输出SP2成正比。，混合控制器总计设置SP按一定比例分配给每个控制组件，每个混合系数的总和必须等于1(例如图6-3中的fac1).fac4=1)。单闭环比例控制器使用图10-4中的单闭环比例控制器控制两个进程变量之间的比率比控制绝对值更重要。例如，控制需要同步的两个设备的速度很重要。多个闭环比例控制器多个闭环比例控制将两个进程变量PV1和PV2的比例保持为常量。为此，使用控制闭环的第一进程PV1计算第二控制闭环的设置。程序变数P

6、V1会动态变更，以保持PV1和PV2之间设定的比率。如图10-5所示。二级控制器二级控制器只能提供交换机数量的两种相反输出状态，如打开和断开交换机。一般控制是通过继电器装置输出的脉宽调制信号对加热系统的控制。三级控制器三级控制器只能提供交换机容量的三种输出状态。必须区分脉宽调制(例如加热和冷却、加热-结束-冷却)和使用集成执行器的步进控制(例如右侧-停止-左侧)之间的差异。6.1.2闭环控制的主要性能指标是由于给定输入信号或扰动输入信号的变化，系统的输入量达到正常状态值之前的过程称为转换过程或动态过程。系统的动态性能通常描述为阶跃响应(输入阶跃时更改输出量)的参数。相位输入信号在t=0之前为0

7、，在t 0时为常量值。输出量首次达到正常状态值的时间tr称为上升时间，上升时间反映了响应初期系统的快速性。系统进入，停留在正常状态值c()的前5%(或2%)的误差带内的时间tS称为调整时间，到达调整时间表示转换过程基本结束。大于输出量的正常状态值c()时，动态进程将输出量的最大值设置为cmax(t)，超额调整：超额调整量反映系统的相对稳定性，低动态稳定性越好，通常希望大于10%。系统的稳态误差是输入稳态后的期望值和实际值之间的差异，反映了系统的稳态精度。6.1.3闭环控制反馈极性决定闭环控制必须确保系统是负反馈(误差=给定值-反馈值)，而不是正反馈(误差=给定值-反馈值)。如果系统得到积极的反

8、馈，就会失去控制，控制单元在一个方向上增加或减少，对系统安全构成巨大威胁。闭环控制系统的反馈极性与多个因素相关，例如，由于布线改变了变送器输出电流或输出电压的极性，PID控制程序改变了误差计算公式，改变了某些线性位移传感器或转角位移传感器的安装方向，改变了反馈的极性。反馈的极性可以通过以下方式确定：调试时，断开D/A转换器和执行机构之间的连接，并在开环状态下运行PID控制程序。由于反馈中断，无法消除错误，如果控制器上有积分环，D/A转换器的输出电压将更改为一个方向。假设执行器连接，可以减少误差，则为负，相反面为正反馈。例如，假设在温度控制系统中，在开环运行时给定的值大于反馈值的情况下，如果D/

9、A转换器的输出值持续增加，则形成闭环后，电气控制阀的打开增加，闭环后温度反馈值增加，从而减少错误，从而确认系统是负反馈。6.1.4发射器的选择变送器用于将传感器提供的功率或非功率量转换为标准直流电流或直流电压信号，例如DC0至10V和4至20ma。发射器分为电流输出和电压输出类型，电压输出发射器具有恒压源的特性，PLC模拟输入模块的电压输入部的输入阻抗高(例如，100k到10m)。如果发射器远离PLC，则通过线路之间的分布电容和分布电感产生的干扰信号电流在模块的输入阻抗中产生更高的干扰电压。例如，1A干扰电流在10m输入阻抗下产生10V干扰电压信号，因此远程传输模拟电压信号时，抗干扰能力下降。

10、电流输出具有恒流源的特性，恒流源的内部电阻很大。PLC的模拟输入模块输入电流时，输入阻抗较低，例如250。由于电路的干扰信号在模块的输入阻抗中产生的干扰电压很低，因此模拟电流信号适用于远程传输。电流传输是比电压传输远的传输距离，使用屏蔽电缆信号线时，S7-200的模拟输入模块允许的最大传输距离为200米。发射器分为双线和三线发射器，三线发射器有电源线、信号线和公共线三条线。双线发射器只有两个外部接线，如图6-6所示。它们是电源线和信号线，输出4-20ma的信号电流，DC24V电源连接到电路。通过调试检测到的信号满了，输出电流为20，mA。双线发射机接线少，信号传得远，在业界得到广泛应用。6.1

11、.5 PLC模拟输入接口的作用是将现场连续变化的模拟标准信号转换为表示多个二进制数字的信号，这些二进制数字适于可编程顺序控制器的内部处理。模拟输入接口接受标准模拟信号，无论是电压信号还是电流信号。其中，标准信号表示符合国际标准的典型交互电压电流信号值，例如4 20ma的直流电流信号、1 10v的直流电压信号等。在工业现场，模拟信号的变化范围通常处于非标准状态，发送到模拟接口时必须传输才能使用。图6-7是模拟输入接口的内部电路框图。模拟信号输入后通常由运算放大器放大，执行A/D转换后，通过光电耦合向可编程控制器提供一定数量的数字音量信号。6.1.6 PLC的模拟输出接口起到了在可编程控制器运算处

12、理后将多个数字音量信号转换为响应的模拟信号输出的作用，以满足生产车间连续控制信号的需要。模拟输出接口通常由光绝缘、D/A转换和信号驱动链路组成。方块图如图6-8所示。用于6.2 S7-200PLC的模拟扩展模块6.2.1模拟扩展模块的功能模拟扩展模块为用户提供具有以下特征的模拟输入/输出功能：(1)适合复杂控制情况的最佳适应性。(2)可以直接连接到传感器和执行器，并且12位分辨率和各种输入/输出范围可以直接连接到传感器和执行器，而无需添加放大器。例如，EM231RTD模块直接连接到PT100热阻，(3)PLC在实际应用更改时相应地扩展，并且用户程序可以轻松调整。(4)扩展模块与基本单元具有相同

13、的设计特性，S7-200(CN) PLC与CPU具有相同的固定方式，具有许多扩展模块。需要大量扩展模块时，如果模块连接的时间过长，则可以使用扩展适配器电缆进行重叠。(5)安装方便，可以安装在标准滑轨上，模块卡安装在紧挨着CPU右侧的滑轨上，并通过总线连接缆线与CPU相互连接。可以直接在模块上安装带紧固螺钉孔的模块，也可以使用螺钉将模块固定在机柜主板上，建议在严重振动的情况下使用这种安装方法。6.2.2 S7-200 PLC模拟扩展模块的分类1。典型的模拟控制模块包括EM231模拟输入模块、EM232模拟输出模块和EM235模拟I/o模块。用于CPU 222、CPU224、CPU 224XP和C

14、PU226系列的PLC。图6-9是EM235模块端子接线图。2.热阻和热电偶模块热阻(RTD)和热电偶模块用于CPU 222、CPU224、CPU 224XP和CPU226。RTD和热电偶模块在稳定的温度环境下安装时可提供最佳性能。例如，EM231CT热电偶模块具有特殊的冷端补偿电路。此电路测量模组连接器的温度，并修改所需的测量值，以补偿基准温度和模组温度之间的温度差异。EM231热电偶模块安装环境中的温度变化严重可能导致其他错误。为了实现最高精度和重复性，热阻扩展模块EM231RTD和热电偶模块EM231CT必须安装在环境温度稳定的地方。使用屏蔽线是最好的噪声抑制方法。如果未使用热电偶的输入

15、，请短连接未使用的通道或并行连接到其他通道。(1) emc231rtd热阻模块emc231rtd热阻模块为S7-200提供了连接各种类型热阻的便捷接口。S7-200还可以测量三种不同的阻力范围。连接到模块的热电阻必须是同一类型。端子接线图如图6-10所示。配置EM231RTD(热阻)模块使用DIP交换机选择热阻的类型、布线方式、温度测量单位和传感器熔断器方向。必须重新为PLC和/或用户的24V电源供电，DIP交换机设置才能工作。(2) emc231热电偶模块提供j、k、e、n、s、t和r，用于连接S7-200系列产品中易于使用、具有隔离功能的7种热电偶。允许S7-200连接80mV测量范围的低

16、级模拟信号。连接到此模块的所有热电偶必须为同一类型。端子接线图如图6-11所示。配置DIP交换机位于模块底部，可以选择热电偶模块的类型、单线检测、温度范围和冷端校准。必须重新为PLC和/或用户的24V电源供电，DIP交换机设置才能工作。3 .安装模拟扩展模块布线的要求首先要确保24VDC传感器电源没有噪音且稳定。第二，传感器线尽可能短，传感器线应仅在传感器侧屏蔽端子，不将导线弯曲到锐边，使用电缆插槽创建线路，不将信号线平行于高能量线布置，如果两条线需要相交，则应在直线角度相交。再次，未使用的通道的输入端必须隔离模拟模块外的24V电源的公用端的输入信号或输入信号，以便在技术规范中规定的公用模式电

17、压内包括输入信号范围。6.2.3根据模拟输入模组的输出值计算对应的实体数量1。模拟输入的模拟值数据类型模拟输入输出模块的模拟等效数字称为模拟值，模拟值显示为16位二进制补充代码。最高位为符号位，正数的符号位为0，负数的符号位为1。单极输入模拟范围的模拟值为0到32767，双极输入模拟范围映射-32768到32767。2 .应用示例示例6-1试验压力变送器的范围为0 10ma、输出信号为4 20ma、模拟输入模块的范围为4 20ma、转换后的数字量为0 32000、转换后的数字数为n、kPa单位的压力值。解决方案：0 10mpa (0 10000kpa)对应于转换后的数字0 32000，转换公式为3360p=10000n/32000 (kpa) 示例6-2温度转换仪的范围为200其关系参见图6-12，并将转换后的数字