电气控制及S7-1200 PLC应用技术（第二版）课件 第7章 PLC过程控制系统编程实例

7.1模拟量处理7.2PID控制算法7.3异步电机转速闭环控制系统7.4恒温箱温度闭环控制系统

1第7章PLC过程控制系统编程实例主要内容：电气控制及S7-1200PLC应用技术1.模拟量输入输出处理模拟量输入处理分为信号检测、信号调理、信号数字化、信号标幺化等步骤。模拟量输入处理过程如图所示。27.1模拟量处理电气控制及S7-1200PLC应用技术1.模拟量输入输出处理模拟量输出处理过程与模拟量输入处理过程相反，分为信号反标幺化、信号模拟化、信号调理等步骤。37.1模拟量处理电气控制及S7-1200PLC应用技术1.模拟量输入输出处理需要说明一点：模拟量输入/输出模块中对应的数字量是采用16位二进制数表示的，其中最高位（第15位）为符号位，值为0代表正数，其余15位为数据位。通过计算可知，外部模拟量对应的数字量范围应为-32768~32767，但是我们在取值的时候对应为-27648~27648，这是为了留有15%的“安全裕量”。假设外部模拟量-10~+10V对应的数字量为-32768~32767（满量程），一旦外部模拟量稍微超过10V，对应的数字量将变为负值（最高位为1），严重影响系统的稳定性。47.1模拟量处理电气控制及S7-1200PLC应用技术2.同一物理量在不同值域下的数值转换无论是模拟量输入还是模拟量输出过程中，均需要把同一物理量信号在不同的值域之间进行数值转换。为了符合工业应用中力求简单、容易实现的原则，这些转换均应该满足线性关系。如：变送器输出的模拟量信号（0~10V、-10~10V、4~20mA）需转换为PLC中的数字量，其转换关系如图所示。57.1模拟量处理电气控制及S7-1200PLC应用技术2.同一物理量在不同值域下的数值转换同一系统中不同物理量之间在比较或运算时，常采用标幺值。所以，在将外部模拟量转换为数字量后，还需进行标幺化处理。数字量0~27648、-27648~27648与标幺值0.0~1.0之间的转换关系如图所示。67.1模拟量处理电气控制及S7-1200PLC应用技术2.同一物理量在不同值域下的数值转换【例7-1】某转速传感器输入量程为0~1420rpm，输出量程为0~10V，PLC配置0~10V的模拟量输入模块，转换后的数字量为0~27648，现假设转换后的数字量为x，试求当前的实际转速n。解：转速量程0~1420rpm、模拟量模块0~10V以及数字量0~27648均为一一对应的线性关系，转换公式为：77.1模拟量处理电气控制及S7-1200PLC应用技术2.同一物理量在不同值域下的数值转换【例7-2】某温度变送器输入量程为-100℃~100℃，输出量程为4~20mA，PLC配置0~20mA的模拟量输入模块，转换后的数字量为0~27648，现假设转换后的数字量为x，试求当前的实际温度T。解：PLC配置的模拟量输入模块量程为0~20mA，包含了温度变送器输出量程4~20mA，故可以采集温度变送器输出的模拟量，0~20mA对应0~27648，则实际物理量4~20mA对应5530~27648，同时对应温度传感器输入量程-100℃~100℃，转换公式为：87.1模拟量处理电气控制及S7-1200PLC应用技术1.PID控制理论PID控制系统的结构框图如图所示。可知：PID控制器结构上由比例、积分、微分三个环节并联而成，本质上属于串联滞后-超前校正装置，其目的是改善原系统的性能。PID控制算法的传递函数、微分方程分别如下所示：97.2PID控制算法电气控制及S7-1200PLC应用技术1.PID控制理论PID参数对系统性能的影响如表所示。107.2PID控制算法电气控制及S7-1200PLC应用技术2.PID指令及使用S7-1200CPU提供了16个PID控制回路，可同时对16个回路进行控制。用户可以手动调试回路参数，也可使用参数自整定功能自动调试参数。PID控制器结构包含三个部分：PID指令块、循环中断块以及工艺对象背景数据块。PID指令块用以定义控制算法、提供输入输出接口；PID指令块应放置在循环中断块中，即每隔固定时间调用中断执行PID运算一次；工艺对象背景数据块用以定义输入输出参数。此外，S7-1200CPU提供了三种不同控制算法的PID控制器，如下表所示。117.2PID控制算法电气控制及S7-1200PLC应用技术2.PID指令及使用PID_Compact指令的视图分为基本视图和扩展视图。基本视图中可以看到的参数为给定值、反馈值和输出值等基本参数，定义这些参数即可实现PID控制器最基本的控制能力；在扩展视图中可以设置更多参数，如：手动/自动切换、上限/下限报警等，这些参数可以丰富控制器的功能。PID_Compact指令块如图所示。127.2PID控制算法电气控制及S7-1200PLC应用技术1.系统整体方案该系统主要由四个部分构成，即CPU1215C型PLC、上位机、变频器SINAMICSV20和异步电机机组。通过上位机给PLC发出相关指令（启停、正反转、频率给定等），PLC执行完转速闭环控制算法后输出模拟量用以控制变频器的频率，变频器控制异步电机机组进行变频调速；通过电机机组上的直流测速发电机检测实际转速并反馈给PLC用以进行转速闭环控制，从而实现异步电机的无静差调速。137.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术1.系统整体方案根据自动控制理论可知，为保证实际转速很好地跟踪给定转速，需对转速进行PID闭环控制，本系统的原理图如图所示。147.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术1.系统整体方案I/O分配表硬件接口电路

157.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术1.系统整体方案主要设备清表

167.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术2.PID_Compact控制器添加PID工艺对象项目树中，双击“添加新设备”，添加CPU1215CDC/DC/DC。如下图所示。项目树中，双击“PLC_1CPU1215C”→“工艺对象”→“插入新对象”，选择PID_Compact通用类型，并命名为：“转速控制器”。177.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术2.PID_Compact控制器将PID工艺对象加入到程序中（1）项目树中，双击“PLC_1CPU1215C”→“程序块”→“添加新块”，添加一个名为“Cyclicinterrupt”的“循环中断块”，如图所示。187.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术2.PID_Compact控制器将PID工艺对象加入到程序中（2）项目树中，双击打开“Cyclicinterrupt[OB30]”程序块，将“程序资源”下的“PID_Compact”指令添加到循环快中，选择“转速控制器”，如图所示。197.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术2.PID_Compact控制器组态PID控制器PID控制器如要正常工作，需要提前配置好设定值和反馈值的来源、PID运算结果存放地址、控制器参数（比例增益、积分时间、微分时间等），即组态PID控制器。PID控制器的组态界面如图所示：207.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术2.PID_Compact控制器组态PID控制器（1）：控制器类型“控制器类型”：可选择为常规、温度、压力、长度、电压、电流等不同的应用场合。在此，我们选择为常规控制。“反转控制逻辑”：若勾选，则启用控制逻辑取反功能，主要应用在“随着控制偏差不断增大，输出值不断减小”的场合，如：空调降温系统中，温度随着功率增加而下降。“CPU重启后激活Mode”：若勾选，CPU重启后自动激活PID功能，此时需要选择PID的Mode（非活动、与调节、精确调节、自动模式、手动模式）。本系统中，“控制器类型”设置界面中的参数选择为默认的常规控制即可。217.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术2.PID_Compact控制器组态PID控制器（2）：Input/Output参数“Input/Output参数”主要有三个：Setpoint（设定值）、Input（过程反馈值）以及Output（PID输出值）。如图所示。本系统中，“Input/Output参数”设置界面中的参数选择为：Setpoiont为“指令”、Input为“Input”、Output为“Output_PER（模拟量）”。227.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术2.PID_Compact控制器组态PID控制器（3）：过程值设置“过程值”设置主要有两个：过程值限值和过程值标定分别如图所示。本系统中，“过程值”设置界面中，将“过程值上限”改为1500.0即可。237.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术2.PID_Compact控制器在线调试PID控制器在完成PID控制器的参数配置以及系统PLC控制程序后，编译并下载至PLC中，即可在线调试PID控制器。具体操作：项目树中，单击“PLC_1CPU1215C”→“工艺对象”，双击“调试”，出现如图所示界面。

247.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术2.PID_Compact控制器在线调试PID控制器按下左上角的“Start”按钮，开始在线调试，通过“调节状态”观察调试进度和有无错误。调试结束后，给出优化后的PID参数，用户可单击左下方的“上传PID参数”将优化后的PID参数由PLC里上传到电脑中的软件项目中来。PID控制器的参数调节模式分为“预调节”和“精确调节”两种。其调节过程为：如果满足预调节的要求，则启动预调节。已确定的PID参数将用于控制，直到控制回路已稳定并且满足精确调节的要求为止。之后启动精确调节。如果无法实现预调节，PID控制器将根据已组态的响应对错误作出反应。如果预调节的过程值已经十分接近设定值，则将尝试利用最小或最大输出值来达到设定值。这可能会增加超调量。

257.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术3.变频调速系统变频调速原理目前，实际工业生产电力拖动系统中大多采用变频器对交流电机进行变频调速，本系统采用西门子公司生产的SINAMICSV20变频器。其工作原理为：将三相工频电网整流成直流电，再通过逆变器产生电压、频率可调的三相交流电施加到异步电机三相定子绕组中，进而实现异步电机的变频调速。为保证气隙磁通恒定，在采用定子电压补偿的基础上，只要保证Us/f为常值，即定子电源电压改变的同时，改变电源频率，进而改变转速n。

267.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术3.变频调速系统异步电机机组本系统被控对象为异步电机机组，包括一台异步电机和同轴相连的直流电机，其机组参数如表所示。277.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术3.变频调速系统变频器参数设置287.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术4.HMI技术HMI（Human-MachineInterface，人机接口）主要对自动控制系统进行监视和控制，是高性能控制系统不可或缺的设备，包括上位机、触摸屏两种方式。本系统采用集成开发环境TIAPORTALV15，除完成PLC编程外，还集成了Wincc组态软件功能，因此选择PLC编程用电脑同时作为上位机对系统进行监控。新建SIMATICPCstation（1）新建项目，在项目树中，双击“添加新设备”，选择“PC系统”→“SIMATICHMI应用软件”→“WinccRTProfessional”，点击确定即可插入一个PCstation，如图所示。297.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术4.HMI技术新建SIMATICPCstation（2）项目树中，双击“PCstation”→“设备组态”。此时需要为PC站点配置网卡：点击右侧“硬件目录”→“通信模块”→“常规IE”，将其拖放至PCStation中，如左图所示。为了保证PCStataion与CPU1215C进行以太网通信，需组态相应网络：双击网卡→“属性”→“以太网地址”→“添加新子网PN/IE_1”，设置IP地址为192.168.0.1，子网掩码为255.255.255.0（与电脑IP地址保持一样）。如右图所示。307.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术4.HMI技术新建控制器CPU1215C（1）项目树中，双击“添加新设备”，选择“控制器”→“SIMATICS7-1200”→“CPU1215CDC/DC/DC”→“6ES7215-1AG40-0XB0”，点击确定即可插入一个CPU，如左图所示。右图为新建CPU后项目树中的视图。317.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术4.HMI技术新建控制器CPU1215C（2）项目树中，双击“CPU1215CDC/DC/DC”→“设备组态”，如左图所示。双击网口→“以太网地址”→“添加新子网，选择已建立的子网PN/IE_1”，设置IP地址为192.168.0.2，子网掩码为255.255.255.0。如右图所示。327.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术4.HMI技术建立HMI连接配置好PCStation和CPU1215C的网络属性后，还需要为它们创建HMI连接。项目树中，双击“设备和网络”，如左图所示。点击“连接”→“HMI连接”，点击CPU1215C网口，将产生的线拖到PCStation的网口上即可创建一个新的HMI连接，如右图所示。337.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术4.HMI技术建立HMI连接HMI连接创建成功后，双击PCStation中的“连接”，在窗口中可以看到已经创建的连接，如图所示。注意：将访问点设置为“S7ONLINE”，“自动设置”的勾选项去掉。347.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术4.HMI技术组态变量建立好PCStation与CPU1215C的HMI连接后，即可进行组态变量。项目树中，在“PLC变量”和“HMI变量”界面中创建变量，然后进行组态，如图所示。357.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术4.HMI技术组态变量本系统组态的变量表如表所示。367.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术4.HMI技术组态画面（1）新建画面：项目树中，双击“PCstation”→“WinCCRTPprofessional”→“画面”→“添加新画面”，画面默认名为：“画面_1”。（2）按钮组态：在画面_1中，新建3个按钮：“正转”、“反转”、“停止”，主要组态设置如表所示。377.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术4.HMI技术组态画面（3）I/O域组态：在画面_1中，新建2个I/O域：“I/O域_1”、“I/O域_2”，设置“属性”→“常规”，主要组态设置如表所示。（4）棒图组态：在画面_1中，新建2个棒图：“棒图_1”、“棒图_2”，设置“属性”→“常规”，主要组态设置如表所示。387.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术4.HMI技术组态画面（5）趋势视图组态：在画面_1中，新建“f(t)趋势视图_1”，设置“属性”，主要组态设置如表所示。397.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术4.HMI技术组态画面本系统组态完成的画面如图所示。407.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术5.系统实现在掌握上述知识的基础上，即可实现基于S7-1200的异步电机转速闭环控制系统。417.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术5.系统实现在线调试后，本系统所采用的PID调节器参数如左图所示。电机给定转速为0→1200rpm→800rpm，系统运行效果图如右图所示。427.3异步电机转速闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术1.系统整体方案该系统主要由五个部分构成，即CPU1215C型PLC、上位机、单相调压模块、加热器、水箱、PT100及变送器。通过上位机给PLC发出给定温度指令，通过水箱中的PT100检测实际水温并通过变送器转换为4~20mA的标准信号反馈给PLC进行温度闭环控制，PLC执行完温度闭环控制算法后输出4~20mA的标准信号用以控制调压模块的输出电压，进而改变加热器的加热功率，最终实现水箱温度的恒温控制。437.4恒温箱温度闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术1.系统整体方案根据自动控制理论可知，为保证实际温度很好地跟踪给定温度，需对温度进行PID闭环控制，本系统的原理图如图所示。447.4恒温箱温度闭环控制系统电气控制及S7-1200PLC应用技术1.系统整体方案I/O分配表硬件接口电