電氣控制與PLC主講教師：曾新紅選用教材：《電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)》曾新紅

等主編廣州航海學(xué)院第七章模擬量模塊與PID控制

教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，要了解PLC的各種模擬量輸入和輸出模塊，掌握模擬量的輸入及輸出，使用模擬量輸入和輸出模塊組成PLC模擬量控制系統(tǒng)，并能根據(jù)工藝要求設(shè)置模塊參數(shù)，編寫控制程序；了解PID調(diào)節(jié)指令的格式及功能，并掌握和熟悉使用PID。7.1PLC模擬量模塊1）模擬量簡(jiǎn)介；在生產(chǎn)過(guò)程中，存在大量的物理量，如壓力、溫度、速度、旋轉(zhuǎn)速度、PH值等。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，這些模擬信號(hào)都需要被PLC來(lái)處理，所以借助測(cè)量變送器將傳感器檢測(cè)到的變化量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)，這些標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)將接到模擬輸入模塊上。2）模擬量模塊選型；常見(jiàn)的模擬量輸入模塊和輸出模塊的特征見(jiàn)表7-1、7-2。

表7-1模擬量輸入模塊的特征對(duì)于16位的A/D轉(zhuǎn)換器，理論上可以將模擬信號(hào)分成65536個(gè)離散的數(shù)字值（-32768到32767）。1111111111111111選擇-27648∽27648這一范圍是為了留出一定的余量。這個(gè)余量可以用于處理超量程的信號(hào)，例如當(dāng)模擬信號(hào)超過(guò)正常范圍時(shí)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值會(huì)超出-27648∽27648的范圍，這時(shí)可以觸發(fā)報(bào)警或故障診斷功能。表7-2模擬量輸出模塊的特征

3）模擬量信號(hào)板選型；SB1232模擬量輸出信號(hào)板的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表7-3，其電氣接線圖如圖7-1所示。圖7-1SB1232模擬量輸出信號(hào)板的電氣接線圖表7-3模擬量輸出模塊的特征4）將模擬量輸入模塊的輸出值轉(zhuǎn)換為實(shí)際的物理量

模擬量輸入轉(zhuǎn)換后的模擬值表示方法模擬量輸入輸出模塊中模擬量對(duì)應(yīng)的數(shù)字稱為模擬值，模擬值用16位二進(jìn)制補(bǔ)碼(整數(shù))表示。模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)值的位數(shù)如果小于16，則自動(dòng)左移，使其符號(hào)位在16位字的最高位，未使用的低位則填入0，稱為“左對(duì)齊”。設(shè)模擬量的精度為12位加符號(hào)位，左移3位后，相對(duì)于實(shí)際的模擬值被乘以8優(yōu)點(diǎn)：模擬量的量程與移位處理后的數(shù)字的關(guān)系是固定的，與左對(duì)齊之前的轉(zhuǎn)換值無(wú)關(guān)，便于后續(xù)的處理。2.轉(zhuǎn)換舉例【例7-1】壓力變送器的量程為0~10MPa,輸出信號(hào)為0～10V,模擬量輸入模塊的量程為0～10V，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字為0～27648,設(shè)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字為N,試求以kPa為單位的壓力值。解:0～10Mpa(0～l0000kPa)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)換后的數(shù)字0～27648,轉(zhuǎn)換公式為

注意在運(yùn)算時(shí)一定要先乘后除,否則會(huì)損失原始數(shù)據(jù)的精度?！纠?-2】基溫度變送器的量程為-100℃～500℃,輸出信號(hào)為4～20mA,某模擬量輸入模塊將0～20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字0～27648,設(shè)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字為N,求以0.1℃為單位的溫度值。-25007.2PID控制1）PID控制的概述自動(dòng)控制是指在無(wú)人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱控制對(duì)象，使被控量等于給定值或給定信號(hào)的變化規(guī)律去變化的過(guò)程。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例（P，Proportion）、積分（I，Integral）、微分（D，Derivative）控制，簡(jiǎn)稱PID控制或調(diào)節(jié)。它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)節(jié)方便的特點(diǎn)而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。目標(biāo)水位PID控制種類1、比例控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式，比例控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。2、積分控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正關(guān)系。3、微分控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。2）PID功能PID功能用于對(duì)閉環(huán)過(guò)程進(jìn)行控制。PID功能適用于控制溫度、壓力和流量等物理量，是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式。圖7-2PID控制原理圖

其原理是：對(duì)被控對(duì)象設(shè)定一個(gè)給定值，然后將實(shí)際值測(cè)量出來(lái)，并與給定值進(jìn)行比較,將其差值送人PID控制器，PID控制器將按照一定的運(yùn)算規(guī)律計(jì)算出結(jié)果，即為輸出值，送到執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖7-2所示，其中的P、I、D分別指的是比例、積分、微分，是一種閉環(huán)控制算法。3）PID控制算法及其離散化（公式參考教材）4）PID控制器功能結(jié)構(gòu)PID控制器功能主要依靠三部分實(shí)現(xiàn)：循環(huán)中斷組織塊、PID指令塊、工藝對(duì)象背景數(shù)據(jù)塊。圖7-3PID控制器功能結(jié)構(gòu)圖

PID指令塊與其相對(duì)應(yīng)的工藝對(duì)象背景數(shù)據(jù)塊組合使用，形成完整的PID控制器。PID控制器功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖7-3所示。5）PID工藝對(duì)象與PID指令

“PID_Compact”工藝對(duì)象是用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)模式下都可自我優(yōu)化調(diào)節(jié)的PID控制器。在控制回路中，PID控制器連續(xù)采集受控變量的實(shí)際測(cè)量值，并將其與期望值設(shè)定值進(jìn)行比較。工藝對(duì)象在“初始啟動(dòng)時(shí)自調(diào)節(jié)”期間自行計(jì)算PID控制器的比例、積分、微分分量?？赏ㄟ^(guò)“運(yùn)行中自調(diào)節(jié)”對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行一步優(yōu)化。

圖7-4循環(huán)組織塊、循環(huán)中斷與PID控制器

從圖7-4中可以看出，PID控制器的工作原理為：1）程序從Main[OB1]開始執(zhí)行。2）循環(huán)中斷每100ms觸發(fā)一次，它會(huì)在任何時(shí)間（例如，在執(zhí)行Main[OB1]期間）中斷程序并執(zhí)行循環(huán)中斷OB中的程序。程序包含功能塊PID_Compact（DB）。3）執(zhí)行PID_Compact并將值寫入數(shù)據(jù)塊PID_Compact（DB）。4）執(zhí)行循環(huán)中斷OB后，Main[OB1]將從中斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行，相關(guān)值將保留不變。5）Main[OB1]操作完成。6）將重新開始該程序循環(huán)。6）PID指令塊及工藝對(duì)象背景數(shù)據(jù)塊參數(shù)

1、PID指令塊參數(shù)PID指令塊輸入側(cè)參數(shù)說(shuō)明如表7-5所列。PID指令塊輸出側(cè)參數(shù)說(shuō)明如表7-6所列。PID狀態(tài)說(shuō)明如表7-7所列。2、工藝對(duì)象背景數(shù)據(jù)塊參數(shù)(1)組態(tài)訪問(wèn)方式（具體操作參考教材）(2)參數(shù)訪問(wèn)方式（具體操作參考教材）

表7-5PID指令塊輸入側(cè)參數(shù)說(shuō)明

表7-6PID指令塊輸出側(cè)參數(shù)

表7-7PID狀態(tài)說(shuō)明7）PID自整定

PID控制器能夠正常運(yùn)行，需要符合實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)及工藝要求的參數(shù)設(shè)置，但由于每套系統(tǒng)都不完全一樣，所以，每套系統(tǒng)的控制參數(shù)也不盡相同。用戶可自己手動(dòng)調(diào)試，S7-1200提供了兩種整定方式，啟動(dòng)整定和運(yùn)行中整定，分別如圖7-5和圖7-6所示。圖7-5啟動(dòng)整定圖7-6運(yùn)行中整定1．StartUp（啟動(dòng)自整定）

(1)應(yīng)用條件①│設(shè)定值一反饋值│>0.3*│輸入高限一輸入低限│。②│設(shè)定值一反饋值│>0.5*│給定值│。③指令塊的狀態(tài)成為手動(dòng)模式或未激活模式。

(2)參數(shù)設(shè)置O=CHRPID1=CFIRPI2．TuneinRun（運(yùn)行中整定）(1)應(yīng)用條件①PID_Compact指令塊必須在ManualMode（手動(dòng)模式）、InactiveMode(未激活模式)或AutomaticMode（自動(dòng)模式）中使用。②│設(shè)定值—反饋值│<0.3*│輸入高限—輸入低限│③│設(shè)定值—反饋值│<0.5*│給定值│(2)參數(shù)設(shè)置0=APIDauto1=APIDfast2=APIDslow3=ZNPID4=ZNPI5=ZNP3．調(diào)試面板說(shuō)明

(1)調(diào)試面板結(jié)構(gòu)調(diào)試面板的結(jié)構(gòu)如圖7-7所示。包括四大區(qū)域①調(diào)試面板控制區(qū)。②趨勢(shì)顯示。③優(yōu)化區(qū)。④當(dāng)前值顯示。圖7-7調(diào)試面板圖7-7調(diào)試面板

(2)趨勢(shì)顯示面板:趨勢(shì)顯示面板的說(shuō)明如圖7-8所示。圖中序號(hào)對(duì)應(yīng)組件的注釋如下：①顯示模式的選擇。②越勢(shì)視圖。③移動(dòng)和縮放軸的區(qū)域。④標(biāo)尺。⑤在標(biāo)尺中的趨勢(shì)值：Setpoint（給定值）、Input（反饋值）和Output（輸出值）。

(3)移動(dòng)或縮放軸給定值、反饋值及時(shí)問(wèn)值的軸是可以移動(dòng)和縮放的。鼠標(biāo)按鈕的右鍵和左鍵被分配了不同功能，可使用以下圖標(biāo)和鼠標(biāo)動(dòng)作，如表7-8所列。

(4)使用標(biāo)尺

使用一個(gè)或多個(gè)標(biāo)尺分析趨勢(shì)曲線的離散值。

移動(dòng)鼠標(biāo)到趨勢(shì)區(qū)域的左邊并注意鼠標(biāo)指示的變化拖動(dòng)垂直的標(biāo)尺到需要分析的測(cè)量的趨勢(shì)。趨勢(shì)輸出在標(biāo)尺的左側(cè)，標(biāo)尺的時(shí)間顯示在標(biāo)尺的底端。激活標(biāo)尺的趨勢(shì)值顯示在測(cè)量值與標(biāo)尺交點(diǎn)處。如果多個(gè)標(biāo)尺拖動(dòng)到趨勢(shì)區(qū)域，各自的上一個(gè)標(biāo)尺被激恬。激活的標(biāo)尺由相應(yīng)顏色符號(hào)顯示，通過(guò)單擊可以重新激活一個(gè)停滯的標(biāo)尺。使用快捷鍵ALT+單擊移出不需要的標(biāo)尺，圖7-32所示。

（5）上傳參數(shù)

整定過(guò)程是在CPU內(nèi)部進(jìn)行的，整定后的參數(shù)并不在項(xiàng)目中，所以需要上傳參數(shù)到項(xiàng)目。點(diǎn)擊調(diào)試面板下部的“UploadPIDparameterstoproject”按鈕，將參數(shù)上傳到項(xiàng)目，如圖7-33所示圖7-33上傳參數(shù)

上傳參數(shù)時(shí)要保證軟件與CPU之間的在線連接，并且調(diào)試模板要在測(cè)量模式，即能實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)值，點(diǎn)擊上傳按鈕后，PID工藝對(duì)象數(shù)據(jù)塊會(huì)顯示與CPU中的值不一致，因?yàn)榇藭r(shí)項(xiàng)目中工藝對(duì)象數(shù)據(jù)塊的初始值與CPU中的不一致，可將此塊重新下載。7.2.4PID功能應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)假設(shè)有一加熱系統(tǒng)，加熱源采用脈沖控制的燈泡，干擾源采用電位計(jì)控制的小風(fēng)扇，使用傳感器測(cè)量系統(tǒng)的溫度，燈泡亮?xí)r會(huì)使燈泡附近的溫度傳感器溫度升高，風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可給傳感器周圍降溫，設(shè)定值為0～10V的電壓信號(hào)送入PLC，溫度傳感器作為反饋接入到PLC，干擾源給定直接輸出至風(fēng)扇。PID示例結(jié)構(gòu)圖如圖7-34示。1．硬件組態(tài)

在硬件組態(tài)中定義輸入／輸出點(diǎn)。

IW64：給定值IW66：反饋值Q0.0：PWM輸出同時(shí)，在變量表中定義變量，如圖7-35示。圖7-35PID示例—變量定義2．參數(shù)組態(tài)

首先在程序中添加循環(huán)中斷組織塊，然后在此循環(huán)中斷塊中添加PID指令塊。具體步驟為：選擇項(xiàng)目樹→程序塊→添加新塊選項(xiàng)，雙擊添加新塊選項(xiàng)后如圖7-36，選擇“組織塊”選項(xiàng)后選擇“循環(huán)中斷”選項(xiàng)。

添加完循環(huán)中斷塊后，

選擇指令→工藝→PID控制→PID_Compact選項(xiàng)，

將PID_Compact指令塊拖拽到循環(huán)中斷塊中。

添加完P(guān)ID指令塊后，會(huì)彈出如圖7-37所示對(duì)話框，要求定義與指令塊對(duì)應(yīng)的工藝對(duì)象背景數(shù)據(jù)塊。圖7-37PID示例—定義指令塊的背景數(shù)據(jù)塊(1)基本參數(shù)組態(tài)

圖7-38所示為控制器類型選擇，并進(jìn)行給定值、反饋值、輸出值組態(tài)。圖7-39所示為反饋值量程化組態(tài)。圖7-38PID示例—控制器類型選擇給定值、反饋值、輸出值組態(tài)(2)高級(jí)參數(shù)組態(tài)

選擇項(xiàng)目樹→工藝對(duì)象→組態(tài)選項(xiàng)，雙擊“組態(tài)”入組態(tài)界面，在組態(tài)目錄樹選擇“高級(jí)設(shè)置”進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如圖7-40～圖7-43所示。圖7-40PID輸出值圖7-43PID示例—參數(shù)設(shè)定

注意： 1.這里在選擇PID參數(shù)時(shí)，用戶若有已調(diào)試好的參數(shù)可選擇手動(dòng)設(shè)置；也可先選擇系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)，后面使用自整定功能由系統(tǒng)設(shè)置參數(shù) 2.圖7-41中PWMLimit參數(shù)只對(duì)自整定時(shí)的輸出有影響，當(dāng)系統(tǒng)完成自整定后會(huì)自動(dòng)計(jì)算PWM的周期，此周期時(shí)間與PID控制囂采樣時(shí)間相同。圖7-41PID示例—PWM脈寬限制組態(tài)3．程序編制

如圖7-45所示，在Main（OB1）中將給定值模擬量輸入，量程化為0.0～100.0之間的實(shí)數(shù)，并將量程化后的值賦紿MDl4。圖7-45PID示例—主程序4．自整定

此時(shí)可以打開調(diào)試面板進(jìn)行PID參數(shù)的整定。進(jìn)入調(diào)試面板有兩種方式：方式1，在項(xiàng)目樹下打開“工藝對(duì)象”，雙擊組態(tài)選項(xiàng)，如圖7-46所示；方式2，單擊PID_Compact指令塊右上方的圖標(biāo)，如圖7-47所示。圖7-46方式1：由項(xiàng)目樹進(jìn)入調(diào)試面板圖7-47方式2：由指令塊進(jìn)入調(diào)試面報(bào)

進(jìn)入整定面板后進(jìn)行參數(shù)自整定。首先，在監(jiān)控表中將當(dāng)前的PID控翻器模式(“PID_Compact_DB”.sRet.i_Mode)設(shè)為O(lnactive)，此參數(shù)需要在參數(shù)訪問(wèn)工藝對(duì)象數(shù)據(jù)塊時(shí)才能找到，可將其拖入到監(jiān)控表中。之后將設(shè)定值(SetpointTemp_Temp)設(shè)為80度。

監(jiān)控表設(shè)定自整定起始條件如圖7-48所示。

整定前調(diào)試面板顯示的狀態(tài)如圖7-49所示，選擇Startuptuning(啟動(dòng)整定)選項(xiàng)，單擊Starttuning按鈕，使能啟動(dòng)整定模式。圖9-49所示狀態(tài)已滿足啟動(dòng)自整定的條件：①|(zhì)80.0(給定值)-31.7(反饋值)|>0.3*|100.0(輸入高限)-0.0(輸入低限)|。②|80.0(設(shè)定值)-31.7(反饋值)|>0.5*|80.0(給定值)|。③指令塊的狀態(tài)應(yīng)為ManualMode(手動(dòng)模式)或InactiveMode(未激活模式)。圖7-48PID示例—監(jiān)控表設(shè)定起始條件

啟動(dòng)自整定模式整定過(guò)程后，系統(tǒng)將會(huì)滿量程輸出，通過(guò)計(jì)算延時(shí)時(shí)間與平衡時(shí)間的比值等數(shù)據(jù)來(lái)給出建議的PID參數(shù)。啟動(dòng)整定趨勢(shì)顯示如圖7-50所示。圖7-50PID示例—啟動(dòng)整定趨勢(shì)圖

在使用自整定過(guò)程中除了使用啟動(dòng)自整定模式，也可使用運(yùn)行自整定。圖7-51所示為運(yùn)行整定模式中的狀態(tài)。系統(tǒng)在進(jìn)入此模式時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)整輸出，使系統(tǒng)進(jìn)入振蕩，反饋值在多次穿越設(shè)定值后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出PID參數(shù)。圖7-51PID示例—運(yùn)行整定趨勢(shì)圖5．上傳參數(shù)

單擊調(diào)試面板下部的UploadPIDparameterstoproject按鈕，將參數(shù)上傳到項(xiàng)目。由于自整定過(guò)程是在CPU內(nèi)部進(jìn)行的，整定后的參數(shù)并不在項(xiàng)目中，所以需要上傳參數(shù)到項(xiàng)目。上傳參數(shù)時(shí)要保證軟件與CPU之間的在線連接，并且調(diào)試模板要在測(cè)量模式，即能實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)值。單擊“上傳”按鈕后，PID工藝對(duì)象數(shù)據(jù)塊會(huì)顯示與CPU中的值不一致，因?yàn)榇藭r(shí)項(xiàng)目中工藝對(duì)象數(shù)據(jù)塊的初始值與CPU中的不一致，可將此塊重新下載。

本章主要講述西門子S7-1200PLC的模擬量模塊；還介紹了PID控制在實(shí)際中的應(yīng)用，本章是PLC學(xué)習(xí)的一個(gè)重點(diǎn)知識(shí)，也是從事自動(dòng)控制工作的基礎(chǔ)知識(shí)。

（1）西門子S7-1200PLC內(nèi)置了2點(diǎn)模擬量輸入，但是沒(méi)有模擬