PLC应用技术 课件 项目十 恒液位PID调节控制系统

恒液位控制系统的PID调节恒液位控制系统01任务要求02任务目标03知识准备04任务实施05任务评价06知识拓展CONTENTS项目内容07思考与练习08实践中常见问题解析在工业生产过程中，有很多像蒸馏塔这样大规模连续过程，温度、压力、流量和液位这四种是常见的过程变量。由于在控制过程中存在进料量和出料量的变化，从而导致液位波动。因此，高精度地进行液位控制是非常重要的一个课题。01任务要求1.掌握常用传感器的基本工作原理及接线方法；2.掌握递增、递减等指令的使用方法；3.能完成电气接线、编写PLC程序并调试。02任务目标

在生产过程中，存在大量的物理量，如压力、温度、速度、旋转速度、pH值、粘度等。这些物理量都是连续量，而且是非电量。为了实现自动控制，这些模拟信号都需要被PLC来处理，这就需要相应的转换模块来对信号进行转换。

PLC的模拟量输入一般包括信号为直流电压信号DC0～10V、直流电流信号4～20mA两种，对于不同的输入，可以通过拨码开关、参数设定或者接线方式的不同来进行区分。

如图所示为一个典型的模拟量处理过程，压力传感器检测的压力值为模拟量，经过变送器将其变为直流电压信号DC0～10V然后通过A/D（模数）转换模块变为数字量，将此数字量用于PLC的运算。03知识准备

一、PLC的模拟量控制简介03知识准备

图10-4为EMAE04模拟量输入模块的接线示意图，该模拟量模块共有4个模拟量输入端口，每两个为一组，可以选择电压输入或电流输入，其测量范围为±10V、±5V、±2.5V或0到20mA，其满量程范围为-27,648到27,648。该模块可以连接电流变送器送来的电流信号，有两种接法，分别对应2线制传感器和4线制传感器，如图10-5所示。该模块的电压测量范围及数字量对照见表10-1、电流测量范围及数字量对照见表10-2。03知识准备

二、模拟量输入模块EMAE04的使用方法03知识准备

图10-4EMAE04模拟量输入模块的接线示意图图10-5EMAE04模拟量输入模块连接传感器电流变送器示意图

图10-4为EMAE04模拟量输入模块的接线示意图，该模拟量模块共有4个模拟量输入端口，每两个为一组，可以选择电压输入或电流输入，其测量范围为±10V、±5V、±2.5V或0到20mA，其满量程范围为-27,648到27,648。该模块可以连接电流变送器送来的电流信号，有两种接法，分别对应2线制传感器和4线制传感器，如图10-5所示。03知识准备

3.模拟量输出模块EMAQ02的使用方法

图为EMAQ02模拟量输出模块的接线示意图，该模拟量模块共有2个模拟量输出端口，可以选择电压输出或电流输出，其输出范围为±10V或0到20mA，其满量程范围为-27,648到27,648。03知识准备

4.PID控制的基本工作过程03知识准备

4.PID控制的基本工作过程03知识准备

比例：来控制当前，误差值和一个负常数Р(表示比例）相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系。比如说，一个电热器的控制器的比例尺范围是10°C，它的预定值是20°C。那么它在10°C的时候会输出100%，在15°C的时候会输出50%，在19°C的时候输出10%，注意在误差是0的时候，控制器的输出也是0。4.PID控制的基本工作过程03知识准备

积分：来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个PID回路系统会在预定值定下来。4.PID控制的基本工作过程03知识准备

微分：来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。这个导数的控制会对系统的改变作出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。一些实际中的速度缓慢的系统可以不需要D参数。用更专业的话来讲，一个PID控制器可以被称作一个在频域系统的滤波器。这一点在计算它是否会最终达到稳定结果时很有用。如果数值挑选不当，控制系统的输入值会反复振荡，这导致系统可能永远无法达到预设值。1.任务分析

在本项目中，阀门控制器采用调节阀控制，其外观如图10-9（a）所示，该调节阀能够接收DC0—10V信号来进行开度调节，其中10V代表100%开度，0V表示0%开度。PLC经过计算后，通过D/A转换模块将计算结果转换为DC0—10V的电压信号，用于调节阀的开度调节。04任务实施

（a）调节阀

（b）西门子EM231模拟量模块

本项目中使用液位传感器来检测容器中的实时液位，并通过变送器将其转换为DC0-10V的电压量。PLC通过A/D转换模块将此电压量转换为数字量用于程序的运算，利用液位传感器的变送器，将0~1000mm的液位值转换为0~10V的电压信号，送到扩展模块EMAE04的模拟量输入通道1，扩展模块EMAE04将模拟量输入0~10V电压信号转换为数字量，电压信号与数字量值呈线性关系，对应数值范围为0~27648，传送到S7-200SMARTCPU中。04任务实施

（a）液位传感器（b）数字量与液位变送器电压值的关系2.准备元器件04任务实施

序号名称型号规格数量1可编程控制器200SMARTSR301只2模拟量输入模块EMAE041只3模拟量输出模块EMAQ021只4开关电源输入AC220V，输出DC24V1只5空气开关DZ47-C32/2P1只6熔断器RT18-32/201只7调节阀DN20（控制信号DC0-10V）1只8液位传感器SIN-MP-C1只9网孔板通用1块10电工工具

1套11端子排TD20/153.电气原理图04任务实施

4.电气线路的安装与测量04任务实施

（1）安装元器件的技术规范1).安装前必须检查元器件有无损坏。2).安装要横平竖直，各器件留有一定的间距。3).不同电压等级的器件要分开安装。4).PLC要原理干扰源。5).元器件的安装要牢固可靠。

4.电气线路的安装与测量04任务实施

（2）电气线路安装的要求1）.布线横平竖直、不凌乱、不架空，导线连接可靠、不松动；2）.导线颜色、线径使用正确；3）.导线两端均使用冷压插针、不伤线芯、不破皮、不露铜；4）.连接的导线套有写有编号的号码管；5）.导线正确进线槽，线槽外过长的要使用缠绕管；6）.接地可靠、完整。

（3）测量电路测量电路正确性的目的是为通电调试做好准备，排除接线可能出现的错误，杜绝安全事故的发生。应测量的部位：电源部分、终端电路部分、输入电路部分、输出电路部分。5.PLC程序解析04任务实施

配置硬件组态及模拟量模块通道设置

图10-12系统块配置5.PLC程序解析04任务实施

（1）在系统块的“CPU”中更改CPU型号为“CPUST30（DC/DC/DC）”,“EM0”中添加扩展模块“EMAE04（4AI）”，“EM1”中添加扩展模块“EMAQ02（2AQ）”。

图10-13配置EMAE04模块5.PLC程序解析04任务实施

（2）鼠标点击“EM0”的“EMAE04（4AI）”，弹出对话框如图10-13所示，勾选“用户电源”启用报警。然后鼠标点击左侧“模拟量输入”的“通道0”对此通道进行参数配置，配置的参数如图10-14所示：通道类型选择为“电压”、范围选择为“+/-10V”、抑制选择为“50Hz”、滤波选择为“弱（4个周期）”、勾选“超出上限”和“超出下限”报警。图10-14模拟量输入通道0设置图10-15模拟量输出通道0设置5.PLC程序解析04任务实施

（3）鼠标点击“EM1”的“EMAQ02（2AQ）”，同样勾选“用户电源”启用报警。然后鼠标点击左侧“模拟量输出”的“通道0”对此通道进行参数配置，配置的参数如图10-15所示：通道类型选择为“电压”、范围选择为“+/-10V”、取消勾选“将输出冻结在最后一个状态”、勾选“超出上限”、“超出下限”和“短路”报警。设置结束之后鼠标点击“确定”按钮完成配置。5.PLC程序解析04任务实施

2.配置PID向导（1）在菜单栏“工具”向导中，点击“PID”向导，在对话框中勾选“回路0（Loop0）”，如图10-16所示

图10-16配置PID向导5.PLC程序解析04任务实施

（2）鼠标单击左侧Loop0中的“参数”节点，向导对话框变为如图10-17所示。其中“增益”为比例作业、“积分时间”为积分作用、“微分时间”为微分作用、“采样时间”是PID控制器对反馈采样以及对重新计算输出值的时间间隔，此时我们先均采用默认值，后面在调试的过程中自整定。

图10-17配置参数5.PLC程序解析04任务实施

（3）鼠标单击左侧Loop0中的“输入”节点，向导对话框变为如图10-18所示。在这个地方指定回路过程变量的标定方式，根据外界模拟量输入的情况可以将其选择为“单极”。在“标定”选项中设置过程变量为“0~27648”，由于我们液位传感器的检测范围是0~1000mm，回路设置值可设置为“0~1000”，这样计算过程中就可以认定其为工程量了。

图10-18配置输入5.PLC程序解析04任务实施

（4）鼠标单击左侧Loop0中的“输出”节点，向导对话框变为如图10-19所示。在这个地方指定回路输出的标定方式，根据外界模拟量输出的情况可以将其选择为“单极”。范围设置为“0~27648”。

图10-19配置输出5.PLC程序解析04任务实施

（5）鼠标单击左侧Loop0中的“报警”节点，向导对话框变为如图10-20所示。勾选“启动下限报警”、“启动上限报警”和“启用模拟量输入错误”报警，报警值使用默认。

图10-20配置报警5.PLC程序解析04任务实施

（6）鼠标单击左侧Loop0中的“代码”节点，向导对话框变为如图10-21所示。勾选“添加PID的手动控制”，这样如果处于手动控制时就不执行PID运算，回路的输出由程序控制。

图10-21配置子程序5.PLC程序解析04任务实施

（7）鼠标单击左侧Loop0中的“存储器分配”节点，向导对话框变为如图10-22所示。PID向导为了完成PID运算需要120个字节的位存储器，我们在编写其他控制程序的时候一定要注意不再使用这些存储器。

图10-22配置存储器分配5.PLC程序解析04任务实施

（8）鼠标单击左侧Loop0中的“组件”节点，向导对话框变为如图10-23所示。向导列出了PID项目自动生成的组件。包括一个用于初始化PID的子程序、一个用于循环执行PID功能的中断程序、一个120个字节的数据页以及一个符号表。然后鼠标点击“生成”按钮，完成此PID的向导设置。

图10-23该PID自动生成的组件5.PLC程序解析04任务实施

（9）生成PID组件后，可以在项目树中展开“程序块”下的“向导”文件夹中查看生成的PID初始化子程序“PID0_CTRL(SBR1)”及PID运行中断程序“PID_EXE(INT1)”，可以双击打开程序说明。注意：这两个程序是加密的，无法查看程序内容，仅可查看程序说明；中断程序占用了“定时中断0”，编程的时候不能重复使用。在符号表中单击“PID0_SYM”选项卡可以查看PID的相关符号及地址信息，用于编程时参考。图10-24查看PID的初始化子程序和运行中断程序5.PLC程序解析04任务实施

图10-25查看PID的符号表5.PLC程序解析04任务实施

3.调用PID生成的子程序编程（1）在项目树中展开“指令”下的“调用子例程”文件夹（图10-26（a）），拖拽“PID0_CTRL(SBR1)”到main程序中，如图10-26（b）所示。

图10-26（a）调用子例程

（b）子程序添加到main程序中5.PLC程序解析04任务实施

（2）子程序“PID0_CTRL(SBR1)”的引脚定义可以参考其变量表（如图10-27所示）。

图10-27子程序“PID0_CTRL(SBR1)”的变量表5.PLC程序解析04任务实施

子程序“PID0_CTRL(SBR1)”的引脚6.调试程序04任务实施

1.下载测试（1）将经过编译的程序下载到PLC中，并将PLC的模式置为“RUN”。（2）将PID程序中用到的符号添加到状态图表中，并切换寻址显示的模式及数据显示格式，然后将状态图表切换为开始监控，如图10-29所示。此时将M0.0置为ON，自动经过运算后向PID输出，液位随之发生变化。（3）此时可以在状态图表中修改PID的控制参数，观察被控对象的变化状态。也可以通过触摸屏+程序的方式来调整PID的参数。更方便的是我们可以使用编程软件中的PID控制面板来自整定控制参数。6.调试程序04任务实施

状态图表6.调试程序04任务实施

2.使用PID控制面板自整定控制参数（1）在工具菜单栏中点击“PID控制面板”按钮（如图10-30所示），弹出对话框后，点击左侧“Loop0（Loop0）”节点后，变化为PID自整定的控制面板，其各个部分的作用如图10-31所示。

图10-30打开PID控制面板6.调试程序04任务实施

PID自整定面板6.调试程序04任务实施

图中：A：过程变量和设定值的取值范围及刻度。B：PID输出的取值范围及刻度。C：当前的时间。D：以不同颜色表示的设定值、过程变量及输出的趋势图。1.检查内容05任务评价

1)检查选择的元器件是否齐全，熟悉各元器件功能及作用。2)熟悉电气控制原理图，并列出PLC的I/O表。3)检查电气线路安装是否合理及运行情况。06知识拓展1.漏水的水缸加水故事

小明接到这样一个任务:有一个水缸有点漏水(而且漏水的速度还不一定固定不变)，要求水面高度维持在某个位置，一旦发现水面高度低于要求位置，就要往水缸里加水。小明接到任务后就一直守在水缸旁边，时间长就觉得无聊，就跑到房里看小说了，每30分钟来检查一次水面高度。但是有时候水漏得太快，每次小明来检查时,水都快漏完了，离要求的高度相差很远，小明改为每3分钟来检查一次，结果每次来水都没怎么漏，不需要加水，来得太频繁做的是无用功。几次试验后，确定每10分钟来检查一次。这个检查时间就称为采样周期。06知识拓展1.漏水的水缸加水故事一开始小明用瓢加水，水龙头离水缸有十几米的距离，经常要跑好几趟才加够水，于是小明又改为用桶加，一加就是一桶，跑的次数少了，加水的速度也快了，但好几次将缸给加溢出了，不小心弄湿了几次鞋，小明又动脑筋,不用瓢也不用桶改为用盆，几次下来，发现刚刚好，不用跑太多次，也不会让水溢出。这个加水工具的大小就称为比例系数。小明又发现水虽然不会加过量溢出了，有时会高过要求位置比较多，还是有打湿鞋的危险。他又想了个办法，在水缸上装一个漏斗,每次加水不直接倒进水缸，而是倒进漏斗让它慢慢加。这样溢出的问题解决了,但加水的速度又慢了，有时还赶不上漏水的速度。于是他试着变换不同大小口径的漏斗来控制加水的速度，最后终于找到了满意的漏斗。漏斗的时间就称为积分时间。06知识拓展1.漏水的水缸加水故事

小明终于喘了一口气，但任务的要求突然严了,水位控制的及时性要求大大提高，一旦水位过低，必须立即将水加到要求位置，而且不能高出太多，否则不给工钱。小明又为难了!于是他又开努脑筋，终于让它想到一-个办法，常放一盆备用水在旁边，一发现水位低了，不经过漏斗就是一盆水下去，这样及时性是保证了，但水位有时会高多了。他又在要求水面位置上面一点将水缸凿了一个孔，再接一根管子到下面的备用桶里这样多出的水会从上面的孔里漏出来。这个水漏出的快慢就称为微分时间。06知识拓展2.PID控制器参数整定的一般方法

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改;二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且肪法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。06知识拓展2.PID控制器参数整定的一般方法三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。