电气控制与PLC的课件第9章PPT课件.ppt

第9章模拟量扩展模块与PID控制 9 1模拟量扩展模块概述 9 2模拟量输出模块的使用与仿真 9 4模拟量混合模块EM235的使用 9 3模拟量输入模块的使用与仿真 9 5PID控制 1 9 1模拟量扩展模块概述 9 1 1模拟量扩展模块的种类和连接 表9 1模拟量扩展模块型号 点数及消耗电流 CPU单元与扩展模块如图9 1所示 图9 1CPU与扩展模块的连接 S7 200系列PLC主要有三种模拟量扩展模块 各扩展模块的型号 I O点数及消耗电流见表9 1 2 9 1 2模拟量输出模块的地址和技术规范 模拟量输出在CPU221和CPU222中 其表示形式为 AQW0 AQW2 AQW30 共有16个字 总共允许有16路模拟量输出 在CPU224和CPU226中 其表示形式为 AQW0 AQW2 AQW62 共有32个字 总共允许有32路模拟量输出 3 表9 2模拟量输出模块的主要技术规范 4 9 1 3模拟量输入模块的地址和技术规范 模拟量输入在CPU221和CPU222中 其表示形式为 AIW0 AIW2 AIW30 共有16个字 总共允许有16路模拟量输入 在CPU224和CPU226中 其表示形式为 AIW0 AIW2 AIW62 共有32个字 总共允许有32路模拟量输入 模拟量输入模块的主要技术规范见表9 3 5 表9 3模拟量输入模块的主要技术规范 6 9 2模拟量输出模块的使用与仿真 9 2 1模拟量输出模块的数据字格式和使用注意事项 模拟量输出模块存储区中数字量的数据字格式为12位 左端对齐 MSB和LSB分别为最高有效位和最低有效位 如图9 2所示 最高有效位是符号位 0表示正数 1表示负数 最低位是4个连续的0 注意事项 1 输出范围模拟量输出范围包括 10 10V 0 20mA 2 输出类型模拟量输出类型有电压输出和电流输出两种类型 其接线方式不同 3 对负载的要求模拟量输出模块对负载的要求主要是负载阻抗 在电流输出方式下一般给出最大负载阻抗 在电压输出方式下 则给出最小负载阻抗 4 抗干扰措施 图9 2模拟量输出数据字格式 7 9 2 2模拟量输出模块EM232的使用与仿真 模拟量输出模块EM232的上部从左端起的每3个点为一组 共两组 V0端接电压负载 I0端接电流负载 M0端为公共端 第1路的模拟量地址是AQW0 第2路的模拟量地址是AQW2 例题9 1 使用EM232将给定的数字量转换为模拟电压输出 用数字电压表测量输出电压值 并且记录与分析 1 将数字量2000 4000 8000 16000 32000转换为对应的模拟电压值 2 将数字量 2000 4000 8000 16000 32000转换为对应的模拟电压值 3 分析数字量与模拟量的对应关系 8 图9 4例题9 1 1 程序 表9 4例题9 1输出模拟电压值 1 9 2 表9 5例题9 1输出负的模拟电压值 图9 5例题9 1 2 程序 10 数字量与模拟电压值的关系曲线如图9 6所示 可以看出 数字量与模拟电压值成正比关系 图9 6数字量与模拟电压值的关系曲线 3 11 例题9 2 通过仿真软件将数字量2000 4000 8000 16000 32000转换为对应的模拟电压值 图9 7例题9 2仿真界面 表9 6例题9 2输出仿真模拟电压值 12 9 3模拟量输入模块的使用与仿真 9 3 1模拟量输入模块的数据字格式和使用注意事项 模拟量输入模块的分辨率为12位 单极性数据格式的全量程范围为0 32000 双极性全量程范围的数字量为 32000 32000 模拟量转换为12位的数字量是左对齐的 如图9 8所示 注意事项 1 模拟量值的输入范围模拟量输入模块有各种输入范围 它们包括0 10V 5V 0 20mA等 2 采样循环时间采样循环时间反映了系统处理模拟量输入的响应时间 3 模拟量输入模块的外部连接方式 图9 8模拟量输入数据字的格式 13 9 3 2模拟量输入模块EM231的使用与仿真 1 外部接线 EM231外部接线如图9 9所示 上部有12个端子 每3个点为一组 共4组 每组可作为1路模拟量的输入通道 电压信号或电流信号 输入信号为电压信号时 用2个端子 如A A 输入信号为电流信号时 用3个端子 如RC C C 其中RC与C 端子短接 未用的输入通道应短接 如B B 4路模拟量地址分别是AIW0 AIW2 AIW4和AIW6 图9 9EM231的外部接线图 14 模拟量输入模块有多种量程 可以通过模块上的DIP开关来设置所使用的量程 CPU只在电源接通时读取开关设置 用来选择模拟量量程和精度的EM231DIP开关设置表见表9 7 2 DIP开关设置表 表9 7用来选择模拟量量程和精度的EM231DIP开关设置表 15 例题9 3 使用CPU226和EM231将模拟电压转换为数字量存入VW0 并且分析模拟电压值与数字量的对应关系 3 EM231的使用 图9 10例题9 3程序 表9 8例题9 4模拟电压值与对应的数字量 16 数字量与模拟电压值的关系曲线如图9 11所示 可以看出 数字量与模拟电压值成正比关系 图9 11输入模拟量与数字量关系曲线 17 在仿真软件中使用CPU226 配置模拟量输入模块EM231 设定EM231量程为0 10V 运行程序 输入模拟电压值 监视变量寄存器VW0中的数据 仿真电路与结果如图9 12所示 并将内存表中的数据填入表9 9中 4 EM231的仿真使用 图9 12EM231仿真结果 18 表9 9例题9 4输入仿真模拟电压值 例题9 4 量程为0 10MPa的压力变送器的输出信号为直流4 20mA 系统控制要求是 当压力大于8MPa时 指示灯亮 否则灯灭 设控制指示灯的输出端为Q0 0 试编程并仿真 图9 13例题9 4程序 19 在仿真软件中使用CPU224 配置模拟量输入模块EM231 设定EM231量程为0 20mA 运行程序 监视变量寄存器VW10 仿真结果如图9 14所示 a b 图9 14例题9 4仿真结果 20 9 4模拟量混合模块EM235的使用 9 4 1模拟量混合模块EM235 EM235外部接线如图9 15所示 上部有12个端子 每3个点为一组 共4组 每组可作为1路模拟量的输入通道 下部电源右边的3个端子是1路模拟量输出 电压或电流信号 V0端接电压负载 I0端接电流负载 M0端为公共端 4路输入模拟量地址分别是AIW0 AIW2 AIW4和AIW6 1路输出模拟量地址是AQW0 图9 15EM235接线图 21 表9 10用来选择模拟量量程和精度的EM235DIP开关设置表 22 例题9 5 编写一个输出模拟量与输入模拟量成递减关系的程序 选择EM235的 A A 端为模拟电压输入端 V0 M0 为模拟电压输出端 0 10V挡作为测量量程 控制程序如图9 16所示 图9 16例题9 5程序 23 9 4 2触摸屏与EM235 EM232 控制的变频调速 触摸屏上输入0 50 Hz 的数字 通过EM235 或EM232 输出对应的0 10V电压去控制变频器的输出频率 从而控制电动机的转速 其控制示意图如图9 17所示 图9 17调速控制示意图 24 1 变频调速控制电路 图9 18变频调速控制电路 25 触摸屏的界面如图9 19所示 启动按钮与PLC的位存储器M0 0关联 停止按钮与M0 1关联 输入控件与变量存储器VW0关联 设置开机频率为30Hz 触摸屏的3个变量如图9 20所示 触摸屏的输入控件VAR 003是16位的内存变量 用来存储输入的频率数值 其属性如图9 21所示 为防止误输入数据 应设置频率的上下限值 默认 最小值 为0 最大值 修改为50 图9 19触摸屏界面与关联数据图9 20触摸屏的使用变量 2 变频器的设定 变频器默认参数 73 0 模拟电压为5V 修改为参数 73 1 选择模拟电压为10V 3 触摸屏的设定 26 4 PLC程序 图9 22PLC程序 图9 21VAR 003属性及修改 27 9 5PID控制 9 5 1PID控制概述与PID指令 PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题 即系统的稳定性 准确性和快速性 1 比例 P 控制比例与误差同步 它的调节作用及时 在误差出现时 比例控制能立即给出控制信号 使被控制量朝着误差减小的方向变化 但仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 2 积分 I 控制为了消除稳态误差 在控制器中必须引入积分控制 在积分控制中 控制器的输出量与输入量误差信号对时间的积分成正比关系 随着时间的积累 积分项逐渐增大 这样 即便误差很小 积分项也会随着时间的积累而增大 它推动控制器的输出量增大而使稳态误差进一步减小 直到等于零 因此 比例 积分 PI 控制器 可以使系统在进入稳态后无稳态误差 28 3 微分 D 控制在微分控制中 控制器的输出量与输入量误差信号对时间的微分 即误差的变化率 成正比关系 微分控制能预测误差变化的趋势 减少超调 克服振荡 使输出趋向稳定 改善系统在调节过程中的动态特性 4 闭环控制开环控制不是取输出量信号来控制输入量 人工控制一般是开环控制 而闭环控制是从输出量中取出控制信号 反馈给输入端来控制输入量 5 PID指令 S7 200的PID指令如图9 23所示 PID指令没有设置控制方式 执行PID指令时为自动方式 不执行PID指令时为手动方式 PID指令中的TBL是回路表的起始地址 例如VB100 LOOP是回路编号 0 7 不同的PID指令不能使用相同的回路编号 PID指令以稳定的采样频率工作 一般PID指令应在定时中断程序中使用 6 PID指令的回路表 图9 23PID指令 29 表9 11PID指令回路表 30 9 5 2应用PID指令编写水箱水位控制程序 1 水箱水位控制系统 有一个水箱需要维持一定的水位 例如 75 水位高度 该水箱的水以变化的速度流出 这就需要一个用变频器控制的电动机拖动水泵供水 当出水量增大时 变频器输出频率提高 使电动机升速 增加供水量 反之电动机降速 减少供水量 始终维持水位不变化 该系统也称为恒压供水系统 如图9 24所示 图9 24恒压供水系统图 31 选用S7 200系列PLC CPU226 模拟量扩展模块EM235 2 水箱水位PID控制系统设备 表9 12PLC的I O分配表 3 水箱水位PID控制系统PLC程序 图9 25PLC主程序 32 图9 26PLC子程序 33 图9 27PLC中断程序 34 9 5 3应用PID指令向导编写水箱水位控制程序 1 运行PID向导在STEP7 Micro WIN主菜单中选择 工具 指令向导 选择回路编号 0 就进入PID指令向导界面 2 回路给定值标定回路给定值是提供给向导生成的子程序的控制参数 选择默认值 即给定值范围的低 高限分别为 0 0 和 100 0 比例增益为 1 0 采样时间为 1 0 积分时间为 10 0 微分时间为 0 0 如图9 28所示 图9 28回路给定值标定 35 3 回路输入 输出选项 4 回路报警选项 图9 29回路输入 输出选项 图9 30回路报警选项 36 5 指定PID运算数据存储区 6 创建子程序 中断程序 37 7 PID生成子程序 中断程序和全局符号表 图9 33PID生成子程序 中断程序和全局符号表 图9 34PID向导生成的数据表 38 8 水位PID控制主程序 图9 35水位PID控制主程序 在完成向导配置后 只要在主程序块中使用SM0 0在每个扫描周期中调用子程序PID0 INIT即可 程序编程后 将PID控制程序 数据块下载到PLC里 39 9 5 4应用PID自整定功能模拟调试水箱水位控制程序 在理想状态下 当自整定启动时 回路的输出值应该在控制范围中心附近 自整定过程在回路的输出中加入一些小的阶跃变化 使得控制过程产生振荡 输出值的这一变化导致过程变量产生相应的变化 当输出值的变化使过程变量远离设定值以致于超过滞后区范围时 自整定将检测到一个零相交事件 在每次零相交事件发生时 自整定将反方向改变输出 自整定继续采样过程变量值 等待下一次零相交事件 要完成自整定 需要12次零相交事件 因此 自整定过程应在实际生产现场进行才能得到符合生产实际的参数推荐值 在