在模擬量閉環(huán)控制中的應(yīng)用賴指南

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1、第 6章 S7-200 PLC在 模 擬 量 閉 環(huán) 控 制 中 的 應(yīng) 用6.1 模 擬 量 閉 環(huán) 控 制 的 基 本 概 念6.1.1 模 擬 量 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 的 組 成 1.模 擬 量 單 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 的 組 成 典 型 的 PLC模 擬 量 單 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 如 圖 6-1所 示 ， 虛 線 中 的 部 分 是用 PLC實(shí) 現(xiàn) 的 。 在 模 擬 量 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 被 控 量 C(t)(例 如 壓 力 、 溫 度 、 流 量 、轉(zhuǎn) 速 等 )是 連 續(xù) 變 化 的 模 擬 量 ， 大 多 數(shù) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) （ 例 如 晶 閘 管

2、調(diào) 速裝 置 、 電 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 閥 和 變 頻 器 等 ） 要 求 PLC輸 出 模 擬 信 號(hào) MV(t),而 PLC的 CPU只 能 處 理 數(shù) 字 量 。 C(t)首 先 被 測(cè) 量 元 件 （ 傳 感 器 ） 和 變 送 器轉(zhuǎn) 換 為 標(biāo) 準(zhǔn) 的 直 流 電 流 信 號(hào) 或 直 流 電 壓 信 號(hào) PV(t),例 如 4 20m A ,1 ， ， 用 A/D轉(zhuǎn) 換 器 將 它 們 轉(zhuǎn) 換 為 數(shù) 字量 PV(n). 模 擬 量 與 數(shù) 字 量 之 間 的 相 互 轉(zhuǎn) 換 和 PID程 序 的 執(zhí) 行 都 是 周 期 性 的操 作 ， 其 間 隔 時(shí) 間 稱 為 采 樣 周 期 T S

3、。 各 數(shù) 字 量 括 號(hào) 中 的 n表 示 該 變 量是 第 n次 采 樣 計(jì) 算 時(shí) 的 數(shù) 字 量 。 圖 6-1中 的 SP(n)是 給 定 值 ， PV(n)為 A/D轉(zhuǎn) 換 后 的 反 饋 量 ， 誤 差Ev(n)=SP(n)-PV(n)。 D/A轉(zhuǎn) 換 器 將 PID控 制 器 輸 出 的 數(shù) 字 量 M (n)轉(zhuǎn) 換 為 模 擬 量 （ 直 流電 壓 或 直 流 電 流 ） MV(t),再 去 控 制 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 。 例 如 在 加 熱 爐 溫 度 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 用 熱 電 偶 檢 測(cè) 爐 溫 ， 溫 度 變送 器 將 熱 電 偶 輸 出 的 微 弱 的

4、電 壓 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 為 標(biāo) 準(zhǔn) 量 程 的 電 流 或 電 壓 ，然 后 送 給 模 擬 量 輸 入 模 塊 ， 經(jīng) A/D轉(zhuǎn) 換 后 得 到 與 溫 度 成 比 例 的 數(shù) 字 量 ，CPU將 它 與 溫 度 設(shè) 定 值 比 較 ， 并 按 某 種 控 制 規(guī) 律 （ 例 如 PID控 制 算 法 ）對(duì) 誤 差 值 進(jìn) 行 運(yùn) 算 ， 將 運(yùn) 算 結(jié) 果 （ 數(shù) 字 量 ） 送 給 模 擬 量 輸 出 模 塊 ， 經(jīng)D/A轉(zhuǎn) 換 后 變 為 電 流 信 號(hào) 或 電 壓 信 號(hào) ， 用 來(lái) 控 制 電 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 閥 的 開(kāi) 度 ，通 過(guò) 它 控 制 加 熱 用 的 天 然 氣 的 流 量

5、 ， 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 溫 度 的 閉 環(huán) 控 制 。 C(t)為系 統(tǒng) 的 輸 出 量 ， 即 被 控 量 ， 例 如 加 熱 爐 中 的 溫 度 。 模 擬 量 控 制 系 統(tǒng) 分 為 恒 值 控 制 系 統(tǒng) 和 隨 動(dòng) 系 統(tǒng) 。 恒 值 控 制 系 統(tǒng) 的給 定 值 由 操 作 人 員 提 供 ， 一 般 很 少 變 化 ， 例 如 溫 度 控 制 系 統(tǒng) ， 轉(zhuǎn) 速 控制 系 統(tǒng) 等 。 隨 動(dòng) 系 統(tǒng) 的 輸 入 量 是 不 斷 變 化 的 隨 機(jī) 變 量 ， 例 如 高 射 炮 的瞄 準(zhǔn) 控 制 系 統(tǒng) 和 電 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 閥 的 開(kāi) 度 控 制 系 統(tǒng) 就 是 典 型 的 隨 動(dòng) 系

6、 統(tǒng) 。 閉 環(huán) 負(fù) 反 饋 控 制 可 以 使 控 制 系 統(tǒng) 的 反 饋 量 PV(n)等 于 或 跟 隨 給 定 值 SP(n)。以 爐 溫 控 制 系 統(tǒng) 為 例 ， 假 設(shè) 輸 出 的 溫 度 值 C(t)低 于 給 定 的 溫 度 值 ， 反 饋 量 PV(n)小 于 給 定 值 SP(n)， 誤 差 EV(n)為 正 ， 控 制 器 的 輸出 量 MV(t)將 增 大 ， 使 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) （ 電 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 閥 ） 的 開(kāi) 度 增 大 ， 進(jìn) 入 加熱 爐 的 天 然 氣 流 量 增 加 ， 加 熱 爐 的 溫 度 升 高 ， 最 終 使 實(shí) 際 溫 度 接 近或 等 于 給

7、 定 值 。 天 然 氣 壓 力 的 波 動(dòng) 、 工 件 進(jìn) 入 加 熱 爐 ， 這 些 因 素 稱 為 擾 動(dòng) 量 ， 它們 會(huì) 破 壞 爐 溫 的 穩(wěn) 定 。 閉 環(huán) 控 制 可 以 有 效 地 抑 制 閉 環(huán) 中 各 種 擾 動(dòng) 的影 響 ， 使 被 控 量 趨 近 于 給 定 值 。 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 容 易 實(shí) 現(xiàn) 自 動(dòng) 控 制 ， 因 此 在 各 個(gè) 領(lǐng) 域得 到 了 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 *2.復(fù) 雜 的 控 制 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 級(jí) 聯(lián) 控 制 。 級(jí) 聯(lián) 控 制 又 稱 串 級(jí) 控 制 ， 兩 個(gè) 控 制 器 串 行 連 接 ， 第 一 個(gè)

8、 控 制 器 （ 主 控 制 器 ） 的 輸 出 SP2是 伺 服 控 制 器 的 設(shè) 定 值 （ 見(jiàn) 圖6-2） 。 級(jí) 聯(lián) 控 制 的 控 制 性 能 可 以 用 附 加 的 過(guò) 程 變 量 來(lái) 改 進(jìn) 。 為 此 在 系 統(tǒng)中 適 當(dāng) 的 地 方 引 出 輔 助 過(guò) 程 變 量 PV2， 將 它 與 主 控 制 器 的 輸 出 SP2比較 ， 得 到 的 誤 差 值 作 為 伺 服 控 制 器 的 輸 入 量 。 主 控 制 器 的 給 定 值 為 SP1， 反 饋 值 為 PV1， 它 調(diào) 整 SP2， 以 便 盡 可能 快 地 使 過(guò) 程 變 量 PV1在 沒(méi) 有 超 調(diào) 的 情 況

9、 下 達(dá) 到 設(shè) 定 值 。 以 電 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 閥 為 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 的 控 制 系 統(tǒng) 就 是 一 個(gè) 級(jí) 聯(lián) 控 制 系 統(tǒng) 。 電動(dòng) 調(diào) 節(jié) 閥 有 一 個(gè) 位 置 隨 動(dòng) 系 統(tǒng) ， 圖 6-2中 的 PV2是 閥 門(mén) 的 開(kāi) 度 ， 即 閥芯 的 位 置 。 通 過(guò) 輔 助 回 路 的 調(diào) 節(jié) 作 用 ， 閥 門(mén) 的 開(kāi) 度 與 主 控 制 器 的 輸 出量 SP2成 正 比 。 混 合 控 制 器 合 控 制 器 總 的 設(shè) 定 值 SP按 一 定 的 比 例 分 配 給 各 控 制 組 件 ， 各 混合 系 數(shù) 之 和 應(yīng) 為 1， 例 如 圖 6-3中 的 FAC1+ +F

10、AC4=1。 單 閉 環(huán) 比 例 控 制 器 對(duì) 于 某 些 控 制 系 統(tǒng) 來(lái) 說(shuō) ， 控 制 兩 個(gè) 過(guò) 程 變 量 之 間 的 比 例 比 控 制 它 們 的 絕 對(duì) 數(shù) 值 更 重 要 ， 例 如 控 制 兩 臺(tái) 需 要 同 步 的 設(shè) 備 的 速 度 ， 可 以 使用 圖 10-4中 的 單 閉 環(huán) 比 例 控 制 器 。 多 閉 環(huán) 比 例 控 制 器 多 閉 環(huán) 比 例 控 制 使 兩 個(gè) 過(guò) 程 變 量 PV1和 PV2之 比 保 持 為 常 數(shù) 。 為 此 用第 一 個(gè) 控 制 閉 環(huán) 的 過(guò) 程 量 PV1來(lái) 計(jì) 算 第 2個(gè) 控 制 閉 環(huán) 的 設(shè) 定 值 。 在 過(guò) 程

11、 變量 PV1動(dòng) 態(tài) 變 化 的 過(guò) 程 中 也 能 保 證 PV1與 PV2之 間 保 持 設(shè) 定 的 比 例 。 如 圖10-5所 示 。 二 級(jí) 控 制 器 二 級(jí) 控 制 器 （ Two-Step Controller） 只 能 提 供 開(kāi) 關(guān) 量 的 兩 個(gè) 相 反的 輸 出 狀 態(tài) ， 例 如 開(kāi) 關(guān) 的 接 通 和 斷 開(kāi) 。 典 型 控 制 為 通 過(guò) 繼 電 器 電 器 輸出 的 脈 沖 寬 度 調(diào) 制 信 號(hào) 對(duì) 加 熱 系 統(tǒng) 的 控 制 。 三 級(jí) 控 制 器 三 級(jí) 控 制 器 只 能 提 供 開(kāi) 關(guān) 量 的 3個(gè) 輸 出 狀 態(tài) 。 應(yīng) 區(qū) 分 脈 沖 寬 度 調(diào)

12、制（ 例 如 加 熱 和 冷 卻 ， 加 熱 -關(guān) 機(jī) -冷 卻 ） 和 使 用 積 分 式 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 的 步 進(jìn)控 制 （ 例 如 右 -停 止 -左 ） 之 間 的 區(qū) 別 。6.1.2 閉 環(huán) 控 制 的 主 要 性 能 指 標(biāo) 給 定 輸 入 信 號(hào) 或 擾 動(dòng) 輸 入 信 號(hào) 發(fā) 生 變 化 時(shí) ， 會(huì) 引 起 輸 出 量 發(fā) 生 變化 ， 系 統(tǒng) 的 輸 出 量 達(dá) 到 穩(wěn) 態(tài) 值 之 前 的 變 化 過(guò) 程 稱 為 過(guò) 渡 過(guò) 程 或 動(dòng) 態(tài) 過(guò) 程 。 系 統(tǒng) 的 動(dòng) 態(tài) 性 能 常 用 階 躍 響 應(yīng) （ 階 躍 輸 入 時(shí) 輸 出 量 的 變 化 ） 的 參數(shù) 來(lái) 描

13、 述 。 階 躍 輸 入 信 號(hào) 在 t=0之 前 為 0， t 0時(shí) 為 某 一 恒 定 值 。 max% 100%c t cc 輸 出 量 第 一 次 達(dá) 到 穩(wěn) 態(tài) 值 的 時(shí) 間 tr稱 為 上 升 時(shí) 間 ， 上 升 時(shí) 間 反 映了 系 統(tǒng) 在 響 應(yīng) 初 期 的 快 速 性 。 系 統(tǒng) 進(jìn) 入 并 停 留 在 穩(wěn) 態(tài) 值 c( )上 下 5%（ 或 2%） 的 誤 差 帶 內(nèi) 的時(shí) 間 tS稱 為 調(diào) 節(jié) 時(shí) 間 ， 到 達(dá) 調(diào) 節(jié) 時(shí) 間 表 示 過(guò) 渡 過(guò) 程 已 基 本 結(jié) 束 。 設(shè) 動(dòng) 態(tài) 過(guò) 程 中 輸 出 量 的 最 大 值 為 cmax（ t） ,穩(wěn) 態(tài) 值 為

14、c( )， 則超 調(diào) 量 為 超 調(diào) 量 反 映 了 系 統(tǒng) 的 相 對(duì) 穩(wěn) 定 性 ， 它 越 小 動(dòng) 態(tài) 穩(wěn) 定 性 越 好 ， 一般 希 望 超 調(diào) 量 小 于 10%。 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 態(tài) 誤 差 是 進(jìn) 入 穩(wěn) 態(tài) 后 的 期 望 值 與 實(shí) 際 值 之 差 ， 它 反 映了 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 態(tài) 精 度 。 6.1.3 閉 環(huán) 控 制 反 饋 極 性 的 確 定 閉 環(huán) 控 制 必 須 保 證 系 統(tǒng) 是 負(fù) 反 饋 （ 誤 差 =給 定 值 -反 饋 值 ） ， 而 不是 正 反 饋 （ 誤 差 =給 定 值 +反 饋 值 ） 。 如 果 系 統(tǒng) 接 成 了 正 反 饋 ， 將 會(huì)

15、失 控 ， 被 控 量 會(huì) 往 單 一 方 向 增 大 或 減 小 ， 給 系 統(tǒng) 的 安 全 帶 來(lái) 極 大 的威 脅 。 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 的 反 饋 極 性 與 很 多 因 素 有 關(guān) ， 例 如 因 為 接 線 改 變 了變 送 器 輸 出 電 流 或 輸 出 電 壓 的 極 性 ， 在 PID控 制 程 序 中 改 變 了 誤 差 的計(jì) 算 公 式 ， 改 變 了 某 些 直 線 位 移 傳 感 器 或 轉(zhuǎn) 角 位 移 傳 感 器 的 安 裝 方向 ， 都 會(huì) 改 變 反 饋 的 極 性 。 可 以 用 下 述 的 方 法 來(lái) 判 斷 反 饋 的 極 性 ： 在 調(diào) 試 時(shí) 斷

16、 開(kāi) D/A轉(zhuǎn) 換 器與 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 之 間 的 連 線 ， 在 開(kāi) 環(huán) 狀 態(tài) 下 運(yùn) 行 PID控 制 程 序 。 如 果 控 制器 中 有 積 分 環(huán) 節(jié) ， 因 為 反 饋 被 斷 開(kāi) 了 ， 不 能 消 除 誤 差 ， 這 時(shí) D/A轉(zhuǎn) 換 器 的 輸 出 電 壓 會(huì) 向 一 個(gè) 方 向 變 化 。 這 時(shí) 如 果 接 上 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) ， 形 成 閉環(huán) ， 能 減 小 誤 差 ， 則 為 負(fù) 反 饋 ， 反 之 為 正 反 饋 。 以 溫 度 控 制 系 統(tǒng) 為 例 ， 假 設(shè) 開(kāi) 環(huán) 運(yùn) 行 時(shí) 給 定 值 大 于 反 饋 值 ， 若D/A轉(zhuǎn) 換 器 的 輸 出 值 不 斷

17、 增 大 ， 如 果 形 成 閉 環(huán) ， 將 使 電 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 閥 的 開(kāi)度 增 大 ， 閉 環(huán) 后 溫 度 反 饋 值 將 會(huì) 增 大 ， 使 誤 差 減 小 ， 由 此 可 以 判 定系 統(tǒng) 是 負(fù) 反 饋 。6.1.4 變 送 器 的 選 擇 變 送 器 用 于 將 傳 感 器 提 供 的 電 量 或 非 電 量 轉(zhuǎn) 換 為 標(biāo) 準(zhǔn) 的 直 流 電 流或 直 流 電 壓 信 號(hào) ， 例 如 DC0 10V和 4 20mA。 變 送 器 分 為 電 流 輸 出 型和 電 壓 輸 出 型 ， 電 壓 輸 出 型 變 送 器 具 有 恒 壓 源 的 性 質(zhì) ， PLC模 擬 量 輸入 模 塊

18、 的 電 壓 輸 入 端 的 輸 入 阻 抗 很 高 ， 例 如 100k 10M 。 如 果 變送 器 距 離 PLC較 遠(yuǎn) ， 通 過(guò) 線 路 間 的 分 布 電 容 和 分 布 電 感 產(chǎn) 生 的 干 擾 信號(hào) 電 流 在 模 塊 的 輸 入 阻 抗 上 將 產(chǎn) 生 較 高 的 干 擾 電 壓 。 例 如 1 A干 擾 電 流 在 10 M 輸 入 阻 抗 上 將 產(chǎn) 生 10V的 干 擾 電 壓 信 號(hào) ， 所 以 遠(yuǎn) 程 傳 送模 擬 量 電 壓 信 號(hào) 時(shí) 抗 干 擾 能 力 很 差 。 電 流 輸 出 具 有 恒 流 源 的 性 質(zhì) ， 恒 流 源 的 內(nèi) 阻 很 大 。 PLC

19、的 模 擬 量輸 入 模 塊 輸 入 電 流 時(shí) ， 輸 入 阻 抗 較 低 （ 例 如 250 ） 。 線 路 上 的 干 擾信 號(hào) 在 模 塊 的 輸 入 阻 抗 上 產(chǎn) 生 的 干 擾 電 壓 很 低 ， 所 以 模 擬 量 電 流 信號(hào) 適 于 遠(yuǎn) 程 傳 送 。 電 流 傳 送 比 電 壓 傳 送 的 傳 送 距 離 遠(yuǎn) 得 多 ， S7-200的 模 擬 量 輸 入 模塊 使 用 屏 蔽 電 纜 信 號(hào) 線 時(shí) 允 許 的 最 大 距 離 為 200m。 變 送 器 分 為 二 線 式 和 三 線 式 ， 三 線 式 變 送 器 有 3根 線 ： 電 源 線 、信 號(hào) 線 和 公

20、共 線 。 二 線 式 變 送 器 只 有 兩 根 外 部 接 線 ， 如 圖 6-6所 示 。它 們 既 是 電 源 線 ， 也 是 信 號(hào) 線 ， 輸 出 4 20 mA的 信 號(hào) 電 流 ， DC24V電源 串 接 在 回 路 中 。 通 過(guò) 調(diào) 試 ， 在 被 檢 測(cè) 信 號(hào) 滿 量 程 時(shí) 輸 出 電 流 為 20mA。 二 線 式 變 送 器 的 接 線 少 ，信 號(hào) 可 以 遠(yuǎn) 傳 ， 在 工 業(yè) 中 得 到 了 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 6.1.5 PLC的 模 擬 量 輸 入 接 口 它 的 作 用 是 把 現(xiàn) 場(chǎng) 連 續(xù) 變 化 的 模 擬 量 標(biāo) 準(zhǔn) 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 成 適

21、 合 可 編 程序 控 制 器 內(nèi) 部 處 理 的 由 若 干 位 二 進(jìn) 制 數(shù) 字 表 示 的 信 號(hào) 。 模 擬 量 輸 入接 口 接 受 標(biāo) 準(zhǔn) 模 擬 信 號(hào) ， 無(wú) 論 是 電 壓 信 號(hào) 還 是 電 流 信 號(hào) 均 可 。 這 里標(biāo) 準(zhǔn) 信 號(hào) 是 指 符 合 國(guó) 際 標(biāo) 準(zhǔn) 的 通 用 交 互 用 電 壓 電 流 信 號(hào) 值 ， 如 4 20mA 的 直 流 電 流 信 號(hào) ， 1 10V 的 直 流 電 壓 信 號(hào) 等 。 工 業(yè) 現(xiàn) 場(chǎng) 中模 擬 量 信 號(hào) 的 變 化 范 圍 一 般 是 不 標(biāo)準(zhǔn) 的 ， 在 送 入 模 擬 量 接 口 時(shí) 都 需 經(jīng)變 送 處 理 才

22、能 使 用 。 圖 6-7是 模 擬量 輸 入 接 口 的 內(nèi) 部 電 路 框 圖 。模 擬 量 信 號(hào) 輸 入 后 一 般 經(jīng) 運(yùn) 算 放 大器 放 大 后 進(jìn) 行 A/D 轉(zhuǎn) 換 ， 再 經(jīng) 光 電 耦 合 后 為 可 編 程 控 制 器 提 供 一 定位 數(shù) 的 數(shù) 字 量 信 號(hào) 。 6.1.6 PLC的 模 擬 量 輸 出 接 口 它 的 作 用 是 將 可 編 程 控 制 器 運(yùn) 算 處 理 后 的 若 干 位 數(shù) 字 量 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換為 響 應(yīng) 的 模 擬 量 信 號(hào) 輸 出 ， 以 滿 足 生 產(chǎn) 過(guò) 程 現(xiàn) 場(chǎng) 連 續(xù) 控 制 信 號(hào) 的 需求 。 模 擬 量 輸 出 接

23、口 一 般 由 光 電 隔 離 、 D/A 轉(zhuǎn) 換 和 信 號(hào) 驅(qū) 動(dòng) 等 環(huán) 節(jié)組 成 。 其 原 理 框 圖 如 圖 6-8所 示 。 6.2 S7-200PLC的 模 擬 量 擴(kuò) 展 模 塊6.2.1 模 擬 量 擴(kuò) 展 模 塊 的 功 能 模 擬 量 擴(kuò) 展 模 塊 為 PLC主 機(jī) 提 供 了 模 擬 量 輸 入 /輸 出 的 功 能 ， 具 有以 下 特 點(diǎn) ： (1) 最 佳 適 應(yīng) 性 ， 可 適 用 于 復(fù) 雜 的 控 制 場(chǎng) 合 。 (2)直 接 與 傳 感 器 和 執(zhí) 行 器 相 連 ， 12 位 的 分 辨 率 和 多 種 輸 入 /輸出 范 圍 能 夠 在 不 外 加

24、 放 大 器 的 情 況 下 與 傳 感 器 和 執(zhí) 行 器 直 接 相 連 ，例 如 EM231RTD模 塊 可 直 接 與 PT100 熱 電 阻 相 連 (3)靈 活 性 ， 當(dāng) 實(shí) 際 應(yīng) 用 變 化 時(shí) ， PLC 可 以 相 應(yīng) 地 進(jìn) 行 擴(kuò) 展 ， 并可 非 常 容 易 的 調(diào) 整 用 戶 程 序 。 （ 4） 擴(kuò) 展 模 塊 具 有 與 基 本 單 元 相 同 的 設(shè) 計(jì) 特 點(diǎn) ,S7-200（ CN） PLC 的 擴(kuò) 展 模 塊 種 類(lèi) 很 多 ， 安 裝 方 式 與 CPU相 同 。 當(dāng) 需 要 的 擴(kuò) 展 模 塊 較 多 時(shí) ， 模 塊 連 接 起 來(lái) 會(huì) 過(guò) 長(zhǎng) ，

25、 這 時(shí) 可 以 使 用 擴(kuò) 展 轉(zhuǎn) 接 電 纜 重 疊 排 布 。 （ 5） 安 裝 方 便 ， 可 以 在 標(biāo) 準(zhǔn) 導(dǎo) 軌 上 安 裝 ， 模 塊 卡 裝 在 緊 挨 CPU 右側(cè) 的 導(dǎo) 軌 上 ， 通 過(guò) 總 線 連 接 電 纜 與 CPU 互 相 連 接 。 也 可 以 直 接 安 裝 ，模 塊 上 有 固 定 螺 孔 ， 也 可 以 用 螺 釘 將 模 塊 固 定 安 裝 在 柜 板 上 ， 這 種安 裝 方 式 建 議 在 劇 烈 振 動(dòng) 的 情 況 下 使 用 。6.2.2 S7-200 PLC模 擬 量 擴(kuò) 展 模 塊 的 分 類(lèi) 1.常 規(guī) 模 擬 量 控 制 模 塊 有

26、EM231模 擬 量 輸 入 模 塊 ， 有 EM232模 擬 量 輸 出 模 塊 ,有 EM235模 擬量 輸 入 輸 出 模 塊 。 適 用 于 CPU 222、 CPU224、 CPU 224XP和 CPU226系列 的 PLC。 圖 6-9為 EM235模 塊 端 子 接 線 圖 。 2.熱 電 阻 和 熱 電 偶 模 塊 RTD（ 熱 電 阻 ） 和 熱 電 偶 模 塊 適 用 于 CPU 222、 CPU224、 CPU 224XP和 CPU226模 塊 。 RTD和 熱 電 偶 模 塊 安 裝 在 一 個(gè) 穩(wěn) 定 的 溫 度 環(huán) 境 內(nèi) 時(shí) ， 具 有 最 佳 的 性能 。 例

27、如 ， EM231CT熱 電 偶 模 塊 有 專 門(mén) 的 冷 端 補(bǔ) 償 電 路 。 該 電 路 在 模塊 連 接 器 處 測(cè) 量 溫 度 ， 并 對(duì) 測(cè) 量 值 作 出 必 要 的 修 正 ， 以 補(bǔ) 償 基 準(zhǔn) 溫 度和 模 塊 處 溫 度 之 間 的 溫 度 差 。 如果 EM231熱 電 偶 模 塊 安 裝 環(huán) 境 的 溫度 變 化 很 劇 烈 ， 則 會(huì) 引 起 附 加 的誤 差 。 為 了 達(dá) 到 最 大 的 精 度 和 重復(fù) 性 ， 熱 電 阻 擴(kuò) 展 模 塊 EM231RTD和 熱 電 偶 模 塊 EM231CT要 安 裝 在 環(huán)境 溫 度 穩(wěn) 定 的 地 方 。 使 用 屏

28、蔽 線 是 最 好 的 噪 聲 抑 制方 法 。 如 果 熱 電 偶 的 輸 入 未 使 用 ， 短 接 未 使 用 的 通 道 ， 或 將 它 們 并行 連 接 到 其 它 通 道 上 。 （ 1） EM231RTD熱 電 阻 模 塊 EM231RTD熱 電 阻 模 塊 為 S7-200連 接 各 種 型 號(hào) 的 熱 電 阻 提 供 了 方便 的 接 口 。 它 允 許 S7-200PLC測(cè) 量 三 個(gè) 不 同 的 電 阻 范 圍 。 連 接 到 模 塊的 各 個(gè) 熱 電 阻 必 須 是 相 同 的 類(lèi) 型 。 端 子 接 線 圖 如 圖 6-10所 示 。 組 態(tài) EM231RTD（ 熱

29、電 阻 ） 模 塊 使 用 DIP開(kāi) 關(guān) 可 以 選 擇 熱 電 阻 的類(lèi) 型 ， 接 線 方 式 ， 溫 度 測(cè) 量 單 位 和 傳 感 器 熔 斷 方 向 。 要 使 DIP開(kāi) 關(guān) 設(shè)置 起 作 用 ， 在 設(shè) 置 好 后 ， 需 要 重 新 給 PLC和 /或 用 戶 的 24V電 源 上 電 。 （ 2） EM231熱 電 偶 模 塊 為 S7-200系 列 產(chǎn) 品 提 供 了 連 接 7種 類(lèi) 型 的 熱 電 偶 的 使 用 方 便 的 、帶 隔 離 的 接 口 ： J、 K、 E、 N、 S、 T和 R。 它 可 以 使 S7-200PLC連 接 低電 平 模 擬 信 號(hào) ， 測(cè)

30、量 范 圍 為 80mV。 所 有 連 接 到 該 模 塊 的 熱 電 偶 都必 須 是 同 一 類(lèi) 型 的 。 端 子 接 線 圖 如 圖 6-11所 示 。 配 置 DIP開(kāi) 關(guān) 位 于 模 塊 的 底 部 ， 可 以 選 擇 熱 電 偶 模 塊 的 類(lèi) 型 、斷 線 檢 測(cè) 、 溫 度 范 圍 和 冷 端 補(bǔ) 償 。 要 使 DIP開(kāi) 關(guān) 設(shè) 置 起 作 用 ， 在 設(shè) 置好 后 ， 需 要 給 PLC和 /或 用 戶 的 24V電 源 重 新 上 電 。 3. 模 擬 量 擴(kuò) 展 模 塊 接 線 安 裝 的 要 求 首 先 確 保 24VDC傳 感 器 電 源 無(wú) 噪 聲 、 穩(wěn) 定

31、。 其 次 傳 感 器 線 盡 可能 短 ， 傳 感 器 線 使 用 屏 蔽 的 雙 絞 線 ， 僅 在 傳 感 器 側(cè) 將 屏 蔽 接 終 端 ，避 免 將 導(dǎo) 線 彎 成 銳 角 ， 使 用 電 纜 槽 進(jìn) 行 敷 線 ， 避 免 將 信 號(hào) 線 與 高 能量 線 平 行 布 置 ， 若 兩 條 線 必 須 交 叉 ， 應(yīng) 以 直 角 度 相 交 。 再 次 ,未 用 通道 的 輸 入 端 應(yīng) 短 接 ， 通 過(guò) 隔 離 輸 入 信 號(hào) 或 輸 入 信 號(hào) 參 考 于 模 擬 量 模 塊 外 部 24V電 源的 公 共 端 ， 從 而 確 保 輸 入 信 號(hào) 范 圍 在 技 術(shù) 規(guī) 范 所

32、 規(guī) 定 的 共 模 電 壓 內(nèi) 。6.2.3 根 據(jù) 模 擬 量 輸 入 模 塊 的 輸 出 值 計(jì) 算 對(duì) 應(yīng) 的 物 理 量 輸 入 值 1.模 擬 輸 入 量 的 模 擬 值 數(shù) 據(jù) 格 式 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 來(lái) 表 示 。 最 高 位 為 符 號(hào) 位 ， 正 數(shù) 的 符 號(hào) 位 為 0， 負(fù) 數(shù) 的 符 號(hào) 位 為 1。 對(duì) 于 單 極 性 輸 入 模 擬 量 滿 量 程 對(duì) 應(yīng) 的 模 擬 值 為 032767， 雙 極 性 輸 入 模 擬 量 滿 量 程 對(duì) 應(yīng)

33、 -32768 +32767。 2.應(yīng) 用 舉 例 例 6-1 壓 力 變 送 器 的 量 程 為 0 10MPa， 輸 出 信 號(hào) 為 4 20mA， 模 擬 量輸 入 模 塊 的 量 程 為 0 20mA， 轉(zhuǎn) 換 后 的 數(shù) 字 量 為 0 32000， 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 PN。 解 ： 由 于 模 擬 量 輸 入 模 塊 的 量 程 為 0 20mA， 轉(zhuǎn) 換 后 的 數(shù) 字 量 為 032000， 因 此 ， 每 1mA輸 入 電 流 轉(zhuǎn) 換 后 的 數(shù) 字 量 為4mA輸 入 電 流 轉(zhuǎn) 換 后 的 數(shù) 字 量

34、 為 ， 由 此 可 知 ， 010MPa(0 10000kPa)對(duì) 應(yīng) 于 轉(zhuǎn) 換 后 的 數(shù) 字 為 6400 32000， 它 們 之 間 的 對(duì) 應(yīng)32000 0 1600 mA(20 0)mA (1600 mA) 4mA=6400 N4 0 640010 0 32000 6400P N 4N 10 0 25 ( 6400)(kPa)32000 6400 64P N 因 此 ， 與 轉(zhuǎn) 換 后 的 數(shù) 字 N相 對(duì) 應(yīng) 的 壓 力關(guān) 系 見(jiàn) 圖 6-12。 由 該 圖 可 列 出 壓 力 P與轉(zhuǎn) 換 后 的 數(shù) 字 N之 間 的 方 程 式 6400 N 32000 4mA(0) P

35、20mA(10000) P(kPa) N 圖 6-12 P 與 N之 間 的 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系N N 2000 5000 20006400 32000 6400T N N 7000 ( 6400) 200025600NT (0.1 ) 例 6-2 某 溫 度 變 送 器 的 量 程 為 200 500 ， 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 032000， 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系 見(jiàn) 圖 6-12， 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 。 解 ： 單 位 為 0.1

36、的 溫 度 值 2000 5000對(duì) 應(yīng) 于 數(shù) 字 量 640032000， 根 據(jù) 比 例 關(guān) 系 （ 見(jiàn) 圖 6-12） ， 得 出 溫 度 TN的 計(jì) 算 公 式 為 : 6.3 數(shù) 字 PID控 制 器 PID是 比 例 、 微 分 、 積 分 的 縮 寫(xiě) ， PID控 制 器 是 應(yīng) 用 最 廣 的 閉 環(huán) 控制 器 ， 有 人 估 計(jì) 現(xiàn) 在 有 90 以 上 的 閉 環(huán) 控 制 采 用 PID控 制 器 。 這 是因 為 PID控 制 具 有 以 下 的 優(yōu) 點(diǎn) ： (1)不 需 要 被 控 對(duì) 象 的 數(shù) 學(xué) 模 型 自 動(dòng) 控 制 理 論 中 的 分 析 和 設(shè) 計(jì) 方 法

37、 基 本 上 是 建 立 在 被 控 對(duì) 象 的線 性 定 常 數(shù) 學(xué) 模 型 的 基 礎(chǔ) 上 的 。 該 模 型 忽 略 了 實(shí) 際 系 統(tǒng) 中 的 非 線 性和 時(shí) 變 的 因 素 ， 與 實(shí) 際 系 統(tǒng) 有 較 大 的 差 距 。 對(duì) 于 許 多 工 業(yè) 控 制 對(duì) 象 ，根 本 就 無(wú) 法 建 立 較 為 準(zhǔn) 確 的 數(shù) 學(xué) 模 型 ， 因 此 自 動(dòng) 控 制 理 論 中 的 設(shè) 計(jì)方 法 對(duì) 大 多 數(shù) 實(shí) 際 系 統(tǒng) 是 無(wú) 能 為 力 的 。 對(duì) 于 這 一 類(lèi) 系 統(tǒng) ， 使 用 PID控 制 可 以 得 到 比 較 滿 意 的 效 果 。 (2)結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 容 易 實(shí)

38、 現(xiàn) PID控 制 器 的 結(jié) 構(gòu) 典 型 ， 程 序 設(shè) 計(jì) 簡(jiǎn) 單 ， 計(jì) 算 工 作 量 較 小 ， 各 參數(shù) 相 互 獨(dú) 立 ， 有 明 確 的 物 理 意 義 ， 參 數(shù) 調(diào) 整 方 便 ， 容 易 實(shí) 現(xiàn) 多 回 路控 制 、 串 級(jí) 控 制 等 復(fù) 雜 的 控 制 。 (3)有 較 強(qiáng) 的 靈 活 性 和 適 應(yīng) 性 根 據(jù) 被 控 對(duì) 象 的 具 體 情 況 ， 可 以 采 用 PID控 制 器 的 多 種 變 種 和改 進(jìn) 的 控 制 方 式 ， 例 如 PI、 PD、 帶 死 區(qū) 的 PID、 積 分 分 離 式 PID和 變速 積 分 PID等 ， 但 比 例 控 制 一

39、 般 是 必 不 可 少 的 。 隨 著 智 能 控 制 技 術(shù) 的發(fā) 展 ， PID控 制 與 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 等 現(xiàn) 代 控 制 方 法 相 結(jié) 合 ， 可 以 實(shí) 現(xiàn)PID控 制 器 的 參 數(shù) 自 整 定 ， 使 PID控 制 器 具 有 經(jīng) 久 不 衰 的 生 命 力 。 (4)使 用 方 便 由 于 用 途 廣 泛 、 使 用 靈 活 ， 已 有 多 種 控 制 產(chǎn) 品 具 有 PID控 制 功能 ， 使 用 中 只 需 設(shè) 定 一 些 比 較 容 易 整 定 的 參 數(shù) 即 可 ， 有 的 產(chǎn) 品 還 具有 參 數(shù) 自 整 定 功 能 。 (6-1)CC initial

40、C DI 0K( ) K M K TT t deM t e edt dt C n I j initial D n n-1j=1K K M KnnM e e e e (6-2)式 中 ， Mn 第 n次 采 樣 時(shí) 的 PID回 路 的 輸 出 值 ， 它 是 時(shí) 間 的 函 數(shù) ； en 第 n次 采 樣 時(shí) 的 偏 差 值 ， ； en-1 第 n-1次 采 樣 時(shí) 的 偏 差 值 ； Minitial PID回 路 輸 出 的 初 始 值 ； ej 第 j次 采 樣 時(shí) 的 偏 差 值 ； K I 積 分 項(xiàng) 的 比 例 常 數(shù) ， ； KD 微 分 項(xiàng) 的 比 例 常 數(shù) ， ； 為 了

41、 能 讓 計(jì) 算 機(jī) 處 理 這 個(gè) 算 式 ， 連 續(xù) 算 式 必 須 離 散 化 為 下 述 周 期性 采 樣 偏 差 算 式 ： SI C ITK =K T DD C STK =K Tn n ne SP PV 從 式 (6-2)知 ， 積 分 項(xiàng) 是 從 第 1個(gè) 采 樣 周 期 到 當(dāng) 前 采 樣 周 期 的 所有 誤 差 項(xiàng) 之 和 的 函 數(shù) ， 微 分 項(xiàng) 是 當(dāng) 前 采 樣 周 期 與 前 一 個(gè) 采 樣 周 期的 誤 差 項(xiàng) 之 差 函 數(shù) ， 比 例 項(xiàng) 僅 是 當(dāng) 前 采 樣 周 期 的 誤 差 項(xiàng) 的 函 數(shù) 。 對(duì) 于 式 (6-2)中 的 積 分 項(xiàng) 來(lái) 說(shuō) ， 隨

42、 著 采 樣 次 數(shù) n的 增 加 ， 該 項(xiàng) 中的 誤 差 項(xiàng) e1 ,e2,e3, ,en會(huì) 越 來(lái) 越 多 ， 它 們 所 需 占 用 的 字 存 儲(chǔ) 單元 數(shù) 也 會(huì) 越 來(lái) 越 多 ， 而 且 求 和 的 計(jì) 算 工 作 量 也 會(huì) 越 來(lái) 越 大 ， 以 至于 計(jì) 算 機(jī) 最 終 無(wú) 法 提 供 足 夠 多 的 字 存 儲(chǔ) 單 元 來(lái) 保 存 超 限 量 多 的 誤差 項(xiàng) ， 也 無(wú) 法 計(jì) 算 出 超 限 量 求 和 次 數(shù) 的 求 和 值 。 因 此 ， 需 要 對(duì) 式(6-2)進(jìn) 行 改 造 ， 改 造 后 的 算 式 如 式 (6-3)所 示 ： n C n I n D n

43、 n-1K K KM e e MX e e (6-3)式 中 ， MX 第 n-1次 采 樣 時(shí) 的 積 分 項(xiàng) ， 1I j initialj=1K MnMX e n n n nM MP MI MD 由 于 計(jì) 算 機(jī) 從 第 一 次 采 樣 開(kāi) 始 ， 每 采 樣 一 次 就 計(jì) 算 一 次 積 分值 ， 因 此 ， 每 次 計(jì) 算 出 積 分 值 后 ， 只 需 把 該 積 分 值 保 存 下 來(lái) ， 作為 下 一 次 采 樣 時(shí) 積 分 項(xiàng) 中 的 前 一 次 采 樣 時(shí) 的 積 分 值 MX， 即 可 很快 計(jì) 算 出 下 一 次 采 樣 時(shí) 的 積 分 項(xiàng) ， 這 樣 就 大 大

44、減 輕 了 每 一 次 求 積分 項(xiàng) 的 計(jì) 算 工 作 量 。 這 樣 處 理 后 ， 也 不 需 要 再 保 存 歷 次 采 樣 時(shí) 的誤 差 項(xiàng) e1 ,e2,e3, ,en了 ， 因 此 ， 還 大 大 節(jié) 省 了 存 儲(chǔ) 單 元 。 為 了 最 大 限 度 地 減 小 計(jì) 算 機(jī) 的 計(jì) 算 工 作 量 ， 還 可 對(duì) 式 (6-3)作進(jìn) 一 步 的 改 進(jìn) ， 改 進(jìn) 后 的 算 式 如 下 ： (6-4)式 中 ， MP n 第 n次 采 樣 時(shí) 的 比 例 項(xiàng) ， 按 下 式 計(jì) 算 ： n C n nMP K SP PV (6-5) n I n nMI K SP PV MX

45、MDn 第 n次 采 樣 時(shí) 刻 的 微 分 項(xiàng) ， 按 下 式 計(jì) 算 ： n D n n n-1 n-1KMD SP PV SP PV (6-6)(6-7)(6-8) n D n-1 nKMD PV PV 其 中 ， SPn 第 n采 樣 時(shí) 刻 的 給 定 值 ； PVn 第 n采 樣 時(shí) 刻 的 過(guò) 程 變 量 值 ； MIn 第 n次 采 樣 時(shí) 刻 的 積 分 項(xiàng) ， 按 下 式 計(jì) 算 ：其 中 ， SP n-1 第 n-1采 樣 時(shí) 刻 的 給 定 值 ； PVn-1 第 n-1采 樣 時(shí) 刻 的 過(guò) 程 變 量 值 。 為 了 避 免 給 定 值 變 化 的 微 分 作 用

46、而 引 起 的 跳 變 ， 應(yīng) 使 給 定 值不 變 (即 使 SPn=SPn-1)。 這 樣 ， 式 (6-7)可 改 寫(xiě) 為 ： 為 了 下 一 次 計(jì) 算 微 分 項(xiàng) ， 必 須 保 存 過(guò) 程 變 量 ， 而 不 是 偏 差 。在 第 一 次 采 樣 時(shí) ， 應(yīng) 初 始 化 PVn-1=PVn 。 6.4 S7-200PLC的 PID控 制 及 其 應(yīng) 用6.4.1 PID功 能 S7-200 CPU提 供 了 8個(gè) 回 路 的 PID功 能 ， 用 以 實(shí) 現(xiàn) 需 要 按 照 PID控制 規(guī) 律 進(jìn) 行 自 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 的 控 制 任 務(wù) ， 比 如 溫 度 、 壓 力 和 流 量

47、控 制 等 。PID運(yùn) 算 的 任 務(wù) 就 是 根 據(jù) 反 饋 與 給 定 的 相 對(duì) 差 值 ， 按 照 PID運(yùn) 算 規(guī) 律計(jì) 算 出 結(jié) 果 ， 輸 出 到 固 態(tài) 開(kāi) 關(guān) 元 件 （ 控 制 加 熱 棒 ） ， 或 者 變 頻 器（ 驅(qū) 動(dòng) 水 泵 ） 等 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 進(jìn) 行 調(diào) 節(jié) ， 以 達(dá) 到 自 動(dòng) 維 持 被 控 制 的 量 跟隨 給 定 變 化 的 目 的 。 圖 6-13 PID指 令 盒 1.PID指 令 S7-200中 PID功 能 的 核 心 是 PID指 令 。 PID指令 需 要 為 其 指 定 一 個(gè) 以 V變 量 存 儲(chǔ) 區(qū) 地 址 開(kāi) 始的 PID回

48、路 表 (TBL)， 以 及 PID回 路 號(hào) (LOOP)。PID回 路 表 提 供 了 給 定 和 反 饋 ， 以 及 PID參 數(shù) 等數(shù) 據(jù) 入 口 ， PID運(yùn) 算 的 結(jié) 果 也 在 回 路 表 輸 出 。 PID指 令 （ 又 稱 為 PID回 路 指 令 ） 的 梯 形 圖 指 令 盒 的 形 式 如 圖 6-13所 示 。 使 能 輸 入 有 效 時(shí) ， 該 指 令 利 用 回 路 表 中 的 輸 入 信 息 和 組 態(tài) 信 息 ，進(jìn) 行 PID運(yùn) 算 。 梯 形 圖 的 指 令 盒 中 有 2個(gè) 數(shù) 據(jù) 輸 入 端 ： TBL， 回 路 表 的起 始 地 址 ， 是 由 VB

49、指 定 的 字 節(jié) 型 數(shù) 據(jù) ； LOOP， 回 路 號(hào) ， 是 0 7的 常數(shù) 。 STL指 令 格 式 ： PID TBL, LOOP 在 程 序 中 最 多 可 以 用 8條 PID指 令 。 如 果 兩 個(gè) 或 兩 個(gè) 以 上 的 PID指令 用 了 同 一 個(gè) 回 路 號(hào) ， 那 么 即 使 這 些 指 令 的 回 路 表 不 同 ， 這 些 PID運(yùn)算 之 間 也 會(huì) 相 互 干 涉 ， 產(chǎn) 生 不 可 預(yù) 料 的 結(jié) 果 。 2.PID回 路 表 回 路 表 由 80個(gè) 字 節(jié) 組 成 ， 它 的 格 式 如 表 6-1所 示 。 回 路 表 包 含 9個(gè) 參 數(shù) ， 用 來(lái)

50、控 制 和 監(jiān) 視 PID運(yùn) 算 。 這 些 參 數(shù) 分 別 是 過(guò) 程 變 量 當(dāng) 前 值 （ PVn） ， 過(guò) 程 變 量 前 值 （ PVn-1） ， 給 定 值 （ SPn） ，輸 出 值 （ Mn） ， 增 益 （ Kc） ， 采 樣 時(shí) 間 （ Ts） ， 積 分 時(shí) 間 （ TI） ， 微分 時(shí) 間 （ TD） 和 積 分 項(xiàng) 前 值 （ MX） 。 偏 移 地 址 域 (參 數(shù) 名 ） 格 式 類(lèi) 型 描 述T+0 過(guò) 程 變 量 (反 饋 )(PVn） 雙 字 -實(shí) 數(shù) 輸 入 過(guò) 程 變 量 ， 必 須 在 0.0 1.0之 間T+4 設(shè) 定 值 (給 定 )(SPn) 雙

51、 字 -實(shí) 數(shù) 輸 入 給 定 值 ， 必 須 在 0.0 1.0之 間T+8 輸 出 值 (Mn) 雙 字 -實(shí) 數(shù) 輸 入 /輸 出 輸 出 值 ， 必 須 在 0.0 1.0之 間T+12 增 益 (P參 數(shù) )(KC) 雙 字 -實(shí) 數(shù) 輸 入 增 益 是 比 例 常 數(shù) ， 可 正 可 負(fù)T+16 采 樣 時(shí) 間 (TS) 雙 字 -實(shí) 數(shù) 輸 入 單 位 為 秒 ， 必 須 是 正 數(shù)T+20 積 分 時(shí) 間 (I參 數(shù) )(TI) 雙 字 -實(shí) 數(shù) 輸 入 單 位 為 分 鐘 ， 必 須 是 正 數(shù)T+24 微 分 時(shí) 間 (D參 數(shù) )(T D) 雙 字 -實(shí) 數(shù) 輸 入 單

52、位 為 分 鐘 ， 必 須 是 正 數(shù)T+28 積 分 項(xiàng) 前 項(xiàng) (MX) 雙 字 -實(shí) 數(shù) 輸 入 /輸 出 積 分 項(xiàng) 前 項(xiàng) ， 必 須 在 0.0 1.0之 間T+32 過(guò) 程 變 量 前 值 (PVn-1) 雙 字 -實(shí) 數(shù) 輸 入 /輸 出 最 近 一 次 PID運(yùn) 算 的 過(guò) 程 變 量 值T+36至T+79 保 留 給 PID自 整 定 的 變 量 設(shè) 置 用 為 了 讓 PID運(yùn) 算 以 預(yù) 想 的 采 樣 頻 率 工 作 ， PID指 令 必 須 用 在 定 時(shí) 執(zhí)行 的 中 斷 程 序 中 ， 或 用 在 主 程 序 中 被 定 時(shí) 器 所 控 制 并 以 一 定 頻

53、率 執(zhí) 行 。采 樣 時(shí) 間 必 須 通 過(guò) 回 路 表 輸 入 到 PID運(yùn) 算 中 。表 6-1 PID回 路 表 過(guò) 程 變 量 和 給 定 值 是 PID運(yùn) 算 的 輸 入 值 ， 因 此 回 路 表 中 的 這 些 變量 只 能 被 PID指 令 讀 而 不 能 被 改 寫(xiě) 。 輸 出 變 量 是 由 PID運(yùn) 算 產(chǎn) 生 的 ， 所 以 在 每 一 次 PID運(yùn) 算 完 成 之 后 ，需 更 新 回 路 表 中 的 輸 出 值 ， 輸 出 值 被 限 定 在 0.0 1.0之 間 。 當(dāng) 輸 出由 手 動(dòng) 轉(zhuǎn) 變 為 PID（ 自 動(dòng) ） 控 制 時(shí) ， 回 路 表 中 的 輸 出

54、 值 可 以 用 來(lái) 初 始化 輸 出 值 。 回 路 表 中 的 給 定 值 與 過(guò) 程 變 量 的 差 值 （ e） 是 用 于 PID運(yùn) 算 中 的差 分 運(yùn) 算 ， 用 戶 最 好 不 要 去 修 改 此 值 。 3.回 路 控 制 類(lèi) 型 的 選 擇 在 許 多 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 只 需 要 一 種 或 兩 種 回 路 控 制 類(lèi) 型 。 例 如 只 需 要 比 例 回 路 或 者 比 例 積 分 回 路 。 通 過(guò) 設(shè) 置 常 量 參 數(shù) ， 可 以 選 擇 需 要的 回 路 控 制 類(lèi) 型 。 如 果 不 想 要 積 分 動(dòng) 作 （ PID計(jì) 算 中 沒(méi) 有 “ I” ）

55、， 可 以 把 積 分 時(shí)間 （ 復(fù) 位 ） 置 為 無(wú) 窮 大 “ INF” 。 即 使 沒(méi) 有 積 分 作 用 ， 積 分 項(xiàng) 還 是 不為 零 ， 因 為 有 初 值 MX。 如 果 不 想 要 微 分 回 路 ， 可 以 把 微 分 時(shí) 間 置 為 零 。 如 果 不 想 要 比 例 回 路 ， 但 需 要 積 分 或 積 分 微 分 回 路 ， 可 以 把 增益 設(shè) 為 0.0， 系 統(tǒng) 會(huì) 在 計(jì) 算 積 分 項(xiàng) 和 微 分 項(xiàng) 時(shí) ， 把 增 益 當(dāng) 作 1.0看 待 。 4.回 路 輸 入 的 轉(zhuǎn) 換 和 標(biāo) 準(zhǔn) 化 每 個(gè) PID回 路 有 兩 個(gè) 輸 入 量 ， 給 定 值

56、 （ SP） 和 過(guò) 程 變 量 （ PV） 。給 定 值 通 常 是 一 個(gè) 固 定 值 ， 比 如 設(shè) 定 的 汽 車(chē) 速 度 。 過(guò) 程 變 量 是 與 PID回 路 輸 出 有 關(guān) ， 可 以 衡 量 輸 出 對(duì) 控 制 系 統(tǒng) 作 用 的 大 小 。 在 汽 車(chē) 速 度控 制 系 統(tǒng) 的 實(shí) 例 中 ， 過(guò) 程 變 量 應(yīng) 該 是 測(cè) 量 輪 胎 轉(zhuǎn) 速 的 測(cè) 速 計(jì) 輸 入 。 給 定 值 和 過(guò) 程 變 量 都 可 能 是 現(xiàn) 實(shí) 世 界 的 值 ， 它 們 的 大 小 、 范 圍和 工 程 單 位 都 可 能 不 一 樣 。 在 PID指 令 對(duì) 這 些 現(xiàn) 實(shí) 世 界 的

57、值 進(jìn) 行 運(yùn) 算之 前 ， 必 須 把 它 們 轉(zhuǎn) 換 成 標(biāo) 準(zhǔn) 的 浮 點(diǎn) 型 表 達(dá) 形 式 。 轉(zhuǎn) 換 的 第 一 步 是 把 16位 整 數(shù) 值 轉(zhuǎn) 成 浮 點(diǎn) 型 實(shí) 數(shù) 值 。 下 面 的 指 令序 列 提 供 了 實(shí) 現(xiàn) 這 種 轉(zhuǎn) 換 的 方 法 ： ITD AIW0， AC0 /將 輸 入 值 轉(zhuǎn) 換 為 雙 整 數(shù) 。 DTR AC0， AC0 /將 32位 雙 整 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 為 實(shí) 數(shù) 。 下 一 步 是 將 現(xiàn) 實(shí) 世 界 的 值 的 實(shí) 數(shù) 值 表 達(dá) 形 式 轉(zhuǎn) 換 成 0.0 1.0之 間的 標(biāo) 準(zhǔn) 化 值 。 為 此 ， 令 RNorm 標(biāo) 準(zhǔn) 化 的 實(shí)

58、 數(shù) 值 R Naw 沒(méi) 有 標(biāo) 準(zhǔn) 化 的 實(shí) 數(shù) 值 或 原 值 SPan1 Rnaw的 下 限 值 ， 單 極 性 時(shí) 為 0.0， 雙 極 性 時(shí) 為 -32000， SPan2 Rnaw的 上 限 值 ， 單 極 性 和 雙 極 性 時(shí) 均 為 32000， SPan Rnaw的 值 域 ， ， 單 極 性 為 32000（ 典型 值 ） ， 雙 極 性 為 64,000（ 典 型 值 ） 。 于 是 標(biāo) 準(zhǔn) 化 給 定 值 或 過(guò) 程 變 量 值 可 以 用 下 面 的 公 式 計(jì) 算 ：S S S Pan Pan2 Pan1 其 中 ： ，單 極 性 時(shí) ， ，雙 極 性 時(shí) ，

59、 ； OffsetSRR PanRawNorm / (6-10)= = =1 12 11Raw Pan Raw PanNorm Pan Pan PanRaw Pan RawPan Pan PanR S R SR S S SR S R OffsetS S S = =0 032000 0Offset = 1 12 1Pan PanPan Pan PanS SOffset S S S = =32000 32000 0.532000 ( 32000) 64000Offset 下 面 的 例 子 是 把 雙 極 性 實(shí) 數(shù) 標(biāo) 準(zhǔn) 化 為 0.0 1.0之 間 的 實(shí) 數(shù) 。 通 常用 在 第 一 步

60、轉(zhuǎn) 換 之 后 /R 64000.0, AC0 /累 加 器 中 的 標(biāo) 準(zhǔn) 化 值 +R 0.5, AC0 /加 上 偏 置 ， 使 其 在 0.0 1.0之 間 MOVR AC0, VD100 /標(biāo) 準(zhǔn) 化 的 值 存 入 回 路 表 5.回 路 輸 出 值 轉(zhuǎn) 換 成 刻 度 整 數(shù) 值 回 路 輸 出 值 一 般 是 控 制 變 量 ， 比 如 ， 在 汽 車(chē) 速 度 控 制 中 ， 可 以 是油 閥 開(kāi) 度 的 設(shè) 置 。 回 路 輸 出 是 0.0和 1.0之 間 的 一 個(gè) 標(biāo) 準(zhǔn) 化 了 的 實(shí) 數(shù) 值 。在 回 路 輸 出 可 以 用 于 驅(qū) 動(dòng) 模 擬 輸 出 之 前 ，

61、回 路 輸 出 必 須 轉(zhuǎn) 換 成 一 個(gè) 16位 的 標(biāo) 定 整 數(shù) 值 。 這 一 過(guò) 程 ， 是 給 定 值 或 過(guò) 程 變 量 的 標(biāo) 準(zhǔn) 化 轉(zhuǎn) 換 的 逆過(guò) 程 。 為 此 ， 令 RScal 回 路 輸 出 的 刻 度 實(shí) 數(shù) 值 ， Span1 Rscal的 下 限 值 ， 單 極 性 時(shí) , Span1=0， 雙 極 性 時(shí) , Span1=-32000, 由 此 可 以 推 得 Scal n PanR M Offset S (6-11) Span2 Rscal的 上 限 值 ， Span Rscal的 值 域 ， Span=Span2 - Span1， 單 極 性 時(shí) ,S

62、pan=32000-0=32000， 雙 極 性 時(shí) , Span=32000-(-32000)=64000， Mn 回 路 輸 出 的 標(biāo) 準(zhǔn) 化 實(shí) 數(shù) 值 ， 其 計(jì) 算 公 式 為1 12 11Scal Pan Scal Pann Pan Pan PanScal Pan ScalPan Pan PanR S R SM S S SR S R OffsetS S S 式 中 ， 單 極 性 時(shí) ,Offset=0， 雙 極 性 時(shí) ,Offset=0.5，1PanPanSOffset S 這 一 過(guò) 程 可 以 用 下 面 的 指 令 序 列 完 成 ： MOVR VD108, AC0 /

63、把 回 路 輸 出 值 移 入 累 加 器 -R 0.5, AC0 /僅 雙 極 性 有 此 句 *R 64000.0, AC0 /在 累 加 器 中 得 到 刻 度 值 下 一 步 是 把 回 路 輸 出 的 刻 度 轉(zhuǎn) 換 成 16位 整 數(shù) ， 可 通 過(guò) 下 面 的指 令 序 列 來(lái) 完 成 ： ROUND AC0， AC0 /把 實(shí) 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 為 32位 整 數(shù) DTI AC0, LW0 /把 32位 整 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 為 16位 整 數(shù) MOVW LW0， AQW0 /把 16位 整 數(shù) 寫(xiě) 入 模 擬 輸 出 寄 存 器 6.正 作 用 或 反 作 用 回 路 如 果 增 益 為

64、 正 ， 那 么 該 回 路 為 正 作 用 回 路 。 如 果 增 益 為 負(fù) ， 那么 是 反 作 用 回 路 。 （ 對(duì) 于 增 益 值 為 0.0的 I或 ID控 制 ， 如 果 指 定 積 分時(shí) 間 、 微 分 時(shí) 間 為 正 ， 就 是 正 作 用 回 路 ； 如 果 指 定 為 負(fù) 值 ， 就 是 反 作用 回 路 ） 。 7.控 制 方 式 S7-200的 PID回 路 沒(méi) 有 設(shè) 置 控 制 方 式 ， 只 有 當(dāng) PID盒 接 通 時(shí) ， 才執(zhí) 行 PID運(yùn) 算 。 在 這 種 意 義 上 說(shuō) ， PID運(yùn) 算 存 在 一 種 “ 自 動(dòng) “ 運(yùn) 行 方式 。 當(dāng) PID運(yùn)

65、 算 不 被 執(zhí) 行 時(shí) ， 我 們 稱 之 為 “ 手 動(dòng) ” 模 式 。 同 計(jì) 數(shù) 器 指 令 相 似 ， PID指 令 有 一 個(gè) 使 能 位 。 當(dāng) 該 使 能 位 檢 測(cè) 到一 個(gè) 信 號(hào) 的 正 跳 變 （ 從 0到 1） ， PID指 令 執(zhí) 行 一 系 列 的 動(dòng) 作 ， 使 PID指 令 從 手 動(dòng) 方 式 無(wú) 擾 動(dòng) 地 切 換 到 自 動(dòng) 方 式 。 為 了 達(dá) 到 無(wú) 擾 動(dòng) 切 換 ， 在 轉(zhuǎn) 變 到 自 動(dòng) 控 制 前 ， 必 須 把 手 動(dòng) 方 式 下 的 輸 出 值 填 入 回 路 表 中 的 Mn欄 。PID指 令 對(duì) 回 路 表 中 的 值 進(jìn) 行 下 列

66、 動(dòng) 作 ， 以 保 證 當(dāng) 使 能 位 正 跳 變 出 現(xiàn)時(shí) ， 從 手 動(dòng) 方 式 無(wú) 擾 動(dòng) 切 換 到 自 動(dòng) 方 式 ： （ 1） 置 給 定 值 （ SPn） =過(guò) 程 變 量 （ PVn） （ 2） 置 過(guò) 程 變 量 前 值 （ PVn-1） =過(guò) 程 變 量 現(xiàn) 值 （ PVn） （ 3） 置 積 分 項(xiàng) 前 值 （ MX） =輸 出 值 （ Mn） PID使 能 位 的 默 認(rèn) 值 是 1， 在 CPU啟 動(dòng) 或 從 STOP方 式 轉(zhuǎn) 到 RUN方 式時(shí) 建 立 。 CPU進(jìn) 入 RUN方 式 后 首 次 使 PID塊 有 效 ， 沒(méi) 有 檢 測(cè) 到 使 能 位 的正 跳 變 ， 那 么 就 沒(méi) 有 無(wú) 擾 動(dòng) 切 換 的 動(dòng) 作 。 8.報(bào) 警 與 特 殊 操 作 PID指 令 是 執(zhí) 行 PID運(yùn) 算 的 簡(jiǎn) 單 而 功 能 強(qiáng) 大 的 指 令 。 如 果 需 要 其它 處 理 ， 如 報(bào) 警 檢 查 或 回 路 變 量 的 特 殊 計(jì) 算 等 ， 則 這 些 處 理 必 須 使 用S7-200支 持 的 基 本 指 令 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 。 9.出 錯(cuò) 條 件 如