可编程逻辑控制器（基于S7-200系列）课件 第6章 PLC模拟量采集及闭环PID控制

第6章

PLC模拟量采集及PID控制回路

连续变化的物理量通常称为模拟量。计算机接收、处理和输出的只能是离散的、二进制表示的数字量。为此，在计算机控制和检测系统中，需要检测的自然界的模拟量必须首先转换为数字量（称为模-数转换或A/D转换），然后输入给计算机进行处理。而计算机输出的数字量（控制信号），需要转换为模拟量（称为数-模转换或D/A转换），以实现对外部执行部件的控制。

。6.1模拟量及闭环控制系统6.1.1模拟信号获取及变换

传感器能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成相应的输出信号的器件或装置称为传感器。传感器通常由敏感元件和转换元件组成。顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。传感器一般应由敏感元件、转换元件、转换电路组成。在工业生产过程中常用传感器有电阻应变式传感器、热电阻传感器、热电偶传感器、霍尔传感器、光电传感器、压力传感器、涡轮流量传感器等.例：

被测温度通过热电偶传感器将其转换为相应的热电势（mv）输入给热电偶变送器，变送器采用二线制供电兼输出接线方式，24VDC电源的正极与变送器的V+连接、负极通过负载（一般为250

电阻）与变送器的V-连接，变送器电流输出为与被测温度成线性关系的4～20mA标准信号电流。该电流通过250电阻将其转换为1~5V电压，作为A/D转换器的模拟量输入信号，A/D转换器输出的数字量信号可以直接输入给计算机进行处理。6.1.2闭环控制

计算机闭环控制系统：

被控设备（对象）输出的物理量（即被控参数或称系统输出参数），经传感器、变送器、A/D转换后反馈到输入端，与期望值（即给定值或称系统输入参数）进行比较，当二者产生偏差时，对该偏差进行决策或PID运算处理，其处理后的信号经D/A转换器转换为模拟量输出，控制执行器进行调节，从而使输出参数按输入给定的条件或规律变化。由于系统是闭和的，输出量的变化经变送器反馈到输入端与输入量进行比较，由于反馈的输出量与输入量相位相反，所以也称闭环控制负反馈系统。

6.1.3PID控制算法及应用特点

1.PID表达式

在模拟量作为被控参数的控制系统中，为了使被控参数按照一定的规律变化，需要在控制回路中设置比例（P）、积分（I）、微分（D）运算及其运算组和作为控制器输出信号。S7-200设置了专用于PID运算的回路表参数和PID回路指令，可以方便地实现PID运算操作。在一般情况下，控制系统主要针对被控参数PV（又称过程变量）与期望值SP（又称给定值）之间产生的偏差e进行PID运算。其数学函数表达式为：2.PID控制参数的物理意义（1）比例控制（P）

比例控制是控制系统最基本的控制方式，其控制器的输出量与控制器输入量（偏差）成比例关系，输出量由比例系数Kp控制，比例系数越大，比例调节作用越强，（2）积分控制（I）

积分控制是指控制器的输出量与控制器输入量（偏差）的成积分关系，积分控制可以消除偏差，提高控制精度。（3）微分控制（D）

微分控制是指控制器的输出量与控制器输入量（偏差）的成微分关系，或者说，只要系统有偏差的变化率，控制器输出量就按期变化率的大小变化（而不管其偏差的大小），即使在偏差很小时，但其偏差的变化率存在，控制器输出仍然会产生较大的变化。6.2S7-200PLC对模拟信号的处理

6.2.1模拟量输入输出模块

在S7-200CPU系列中，能够实现模拟信号处理的仅有CPU224XP，内置2输入/1输出模拟量端口。

S7-200还配备了3种模拟量扩展模块，分别为EM231、EW232、EW235，以满足系统需要。为了方便工业生产过程已经广泛使用热电偶、热电阻传感器对温度的测量，S7-200还配备了EM231热电偶扩展模块直接以热电偶输出的电势作为输入信号、EM231热电阻输入扩展模块提供了与多种热电阻的连接口。EM235模拟量扩展模块接线图

6.2.2模拟量/数字量与物理量的标度变换

模拟量信号输入信号为0-20mA，，则在S7-200CPU内部，0–20mA对应于数字量的范围0–32000（十进制表示，下同）；对于4-20mA的信号，由于线性关系，则对应的内部数字量应为6400-32000。

例：模拟量编程示例。采用CPU222PLC，仅带一个模拟量扩展模块EM235，该模块的第一个通道地址为AIW0，输入端连接一块温度变送器，该变送器输入量程Tmax-Tmin=100摄氏度，输出电流为4—20mA。则温度T与AIW0单元数字量D转换关系为：

T=((D-D0)(Am-A0)/(Dm-D0))×(Tmax-Tmin)/(Am-A0)=((AIW0-6400)(20-4)/(32000-6400))×(100-0)/(20-4)=(AIW0-6400)/256数字量转换为温度值梯形图程序6.3PID控制指令及应用

S7-200设置了专用于PID运算的回路表参数和PID回路指令，可以方便地实现PID运算操作。

PID算法控制系统主要针对被控参数PV（又称过程变量）与期望值SP（又称给定值）之间产生的偏差e进行PID运算。其数学函数表达式为：6.3.1PID回路输入、输出转换及标准化数据

（1）PID回路

S7-200为用户提供了8条PID控制回路，回路号为0～7，即可以使用8条PID指令实现8个回路的PID运算。（2）回路输入转换及标准化数据每个PID回路有两个输入量，给定值（SP）和过程变量（PV）。在PID指令对这些物理量进行运算之前，必须对它们及其它输入量进行标准化处理，即通过程序将它们转换成标准的浮点型表达形式。（3）回路输出值转换成标定数据

PID回路输出的是0.0~1.0之间标准化的实数值，回路输出在驱动模拟执行部件之前，必须将标准化的实数值转换成一个16位的标定整数值。6.3.3正作用和反作用回路

为了保证系统实现负反馈，在控制对象、执行机构的正反作用确定后，必须正确选择PID控制器（回路）输入与输出之间的正、反作用。在程序设计时，如果选择为正作用，PID输出表达式为（回路增益）正号；如果选择为反作用，PID输出表达式（回路增益）为负号。对于增益值为0.0的I或D控制，如果设定积分时间、微分时间为正，就是正作用回路；如果设定其为负值，就是反作用回路。

由于系统的各个环节（执行器、对象）输入输出之间的正反作用是由生产工艺需求决定的，因此，必须确定包括PID回路在内的闭环控制系统为负反馈，才能保证控制质量指标。如果系统为正反馈，则系统输出得不到控制，反而愈演愈烈甚至引起系统崩溃。6.3.5PID回路表

用于填写PID运算公式的9个参数。回路表用来存放控制和监视PID运算的参数，每个PID控制回路都有一个确定起始地址（TBL）的回路表。PID回路表6.3.6PID回路指令

PID运算通过PID回路指令来实现。

EN：启动PID指令输入信号；

TBL：PID回路表的起始地址（由变量存储器VB指定字节性数据）；

LOOP：PID控制回路号（0～7）。指令功能：在输入有效时，根据回路表（TBL）中的输入配置信息，对相应的LOOP回路执行PID回路计算，其结果经回路表指定的输出域输出。注意：●在使用该指令前，必须建立回路表，因为该指令是以回路表TBL提供的过程变量、设定值、增益、积分时间、微分时间、输出等进行运算的。●PID指令不检查回路表中的一些输入值，必须保证过程变量和设定值在0.0到1.0之间。●该指令必须使用在以定时产生的中断程序中。●如果PID算术运算发生错误，则特殊存储器标志位SM1.1置1，并且中止PID指令的执行。6.3.7PID参数工程整定

在稳定系统中，如果系统受到干扰，偏离了平衡状态，但系统经过控制器的调整仍然能够恢复到一个新的稳态（静态），这个所谓的调整就是对PID参数进行设置。

如何确定PID算法中的比例增益Kp、积分时间Ti、微分时间Td（PID参数设置），是决定系统动态过程及静态指标的重要因素。PID参数设置又称为PID参数工程整定，常用的整定方法有临界比例（度）法、衰减曲线法、反应曲线法及经验法。6.3.8PID控制回路的编程步骤

1）首先指定内存变量区回路表的首地址（设为VB200）；

2）将设定值SPn（双字，下同）、增益Kc、采样时间Ts、积分时间Ti、微分时间Td写入表中。

3）设置定时中断初始化程序，PID指令必须使用在定时中断程序中（中断事件号为9或10）。

4）读取过程变量模拟量（如AIW2），并进行回路输入转换及标准化处理后写入回路表首单元VD200

；

5）执行PID回路运算指令；

6）对PID回路运算的输出结果单元VD208进行数据转换后送入模拟量输出。

参看教材图6-11

PID回路表及定时0中断初始化子程序实例

6.4PID指令向导

为了更方便地应用PID指令，在SETP7-Micro/WINV4.0编程环境中，提供