1、第第6 6章章 S7-200 PLCS7-200 PLC在模擬量閉環控制中的應用在模擬量閉環控制中的應用6.1 6.1 模擬量閉環控制的基本概念模擬量閉環控制的基本概念6.1.1 6.1.1 模擬量閉環控制系統的組成模擬量閉環控制系統的組成 1.1.模擬量單閉環控制系統的組成模擬量單閉環控制系統的組成 典型的典型的PLCPLC模擬量單閉環控制系統如圖模擬量單閉環控制系統如圖6-16-1所示，虛線中的部分是所示，虛線中的部分是用用PLCPLC實現的。實現的。 在模擬量閉環控制系統中，被控量在模擬量閉環控制系統中，被控量C(t)(C(t)(例如壓力、溫度、流量、例如壓力、溫度、流量、轉速等轉速等)

2、 )是連續變化的模擬量，大多數執行機構（例如晶閘管調速是連續變化的模擬量，大多數執行機構（例如晶閘管調速裝置、電動調節閥和變頻器等）要求裝置、電動調節閥和變頻器等）要求PLCPLC輸出模擬信號輸出模擬信號MV(t),MV(t),而而PLCPLC的的CPUCPU只能處理數字量。只能處理數字量。C(t)C(t)首先被測量元件（傳感器）和變送器首先被測量元件（傳感器）和變送器轉換為標準的直流電流信號或直流電壓信號轉換為標準的直流電流信號或直流電壓信號PV(t),PV(t),例如例如4 420m 20m A ,1A ,1，用，用A/DA/D轉換器將它們轉換為數字轉換器將它們轉換為數字量量PV(n).P

3、V(n). 模擬量與數字量之間的相互轉換和模擬量與數字量之間的相互轉換和PIDPID程序的執行都是周期性的程序的執行都是周期性的操作，其間隔時間稱為采樣周期操作，其間隔時間稱為采樣周期T TS S。各數字量括號中的。各數字量括號中的n n表示該變量表示該變量是第是第n n次采樣計算時的數字量。次采樣計算時的數字量。 圖圖6-16-1中的中的SP(n)SP(n)是給定值，是給定值，PV(n)PV(n)為為A/DA/D轉換后的反饋量，誤差轉換后的反饋量，誤差Ev(n)=SP(n)-PV(n)Ev(n)=SP(n)-PV(n)。 D/AD/A轉換器將轉換器將PIDPID控制器輸出的數字量控制器輸出的

4、數字量M (n)M (n)轉換為模擬量（直流轉換為模擬量（直流電壓或直流電流）電壓或直流電流）MV(t),MV(t),再去控制執行機構。再去控制執行機構。 例如在加熱爐溫度閉環控制系統中，用熱電偶檢測爐溫，溫度變例如在加熱爐溫度閉環控制系統中，用熱電偶檢測爐溫，溫度變送器將熱電偶輸出的微弱的電壓信號轉換為標準量程的電流或電壓，送器將熱電偶輸出的微弱的電壓信號轉換為標準量程的電流或電壓，然后送給模擬量輸入模塊，經然后送給模擬量輸入模塊，經A/DA/D轉換后得到與溫度成比例的數字量，轉換后得到與溫度成比例的數字量，CPUCPU將它與溫度設定值比較，并按某種控制規律（例如將它與溫度設定值比較，并按某

5、種控制規律（例如PIDPID控制算法）控制算法）對誤差值進行運算，將運算結果（數字量）送給模擬量輸出模塊，經對誤差值進行運算，將運算結果（數字量）送給模擬量輸出模塊，經D/AD/A轉換后變為電流信號或電壓信號，用來控制電動調節閥的開度，轉換后變為電流信號或電壓信號，用來控制電動調節閥的開度，通過它控制加熱用的天然氣的流量，實現對溫度的閉環控制。通過它控制加熱用的天然氣的流量，實現對溫度的閉環控制。C(t)C(t)為為系統的輸出量，即被控量，例如加熱爐中的溫度。系統的輸出量，即被控量，例如加熱爐中的溫度。 模擬量控制系統分為恒值控制系統和隨動系統。恒值控制系統的模擬量控制系統分為恒值控制系統和隨

6、動系統。恒值控制系統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，轉速控給定值由操作人員提供，一般很少變化，例如溫度控制系統，轉速控制系統等。隨動系統的輸入量是不斷變化的隨機變量，例如高射炮的制系統等。隨動系統的輸入量是不斷變化的隨機變量，例如高射炮的瞄準控制系統和電動調節閥的開度控制系統就是典型的隨動系統。閉瞄準控制系統和電動調節閥的開度控制系統就是典型的隨動系統。閉環負反饋控制可以使控制系統的反饋量環負反饋控制可以使控制系統的反饋量PV(n)PV(n)等于或跟隨給定值等于或跟隨給定值SP(n)SP(n)。以爐溫控制系統為例，假設輸出的溫度值以爐溫控制系統為例，假設輸出的溫度值C(

7、t)C(t)低于給定的溫低于給定的溫度值，反饋量度值，反饋量PV(n)PV(n)小于給定值小于給定值SP(n)SP(n)，誤差，誤差EV(n)EV(n)為正，控制器的輸為正，控制器的輸出量出量MV(t)MV(t)將增大，使執行機構（電動調節閥）的開度增大，進入加將增大，使執行機構（電動調節閥）的開度增大，進入加熱爐的天然氣流量增加，加熱爐的溫度升高，最終使實際溫度接近熱爐的天然氣流量增加，加熱爐的溫度升高，最終使實際溫度接近或等于給定值。或等于給定值。 天然氣壓力的波動、工件進入加熱爐，這些因素稱為擾動量，它天然氣壓力的波動、工件進入加熱爐，這些因素稱為擾動量，它們會破壞爐溫的穩定。閉環控制可

8、以有效地抑制閉環中各種擾動的們會破壞爐溫的穩定。閉環控制可以有效地抑制閉環中各種擾動的影響，使被控量趨近于給定值。影響，使被控量趨近于給定值。 閉環控制系統的結構簡單，容易實現自動控制，因此在各個領域閉環控制系統的結構簡單，容易實現自動控制，因此在各個領域得到了廣泛的應用。得到了廣泛的應用。 * *2.2.復雜的控制系統的結構復雜的控制系統的結構 級聯控制。級聯控制又稱串級控制，兩個控制器串行連接，級聯控制。級聯控制又稱串級控制，兩個控制器串行連接，第一個控制器（主控制器）的輸出第一個控制器（主控制器）的輸出SP2SP2是伺服控制器的設定值（見圖是伺服控制器的設定值（見圖6-26-2）。）。

9、級聯控制的控制性能可以用附加的過程變量來改進。為此在系統級聯控制的控制性能可以用附加的過程變量來改進。為此在系統中適當的地方引出輔助過程變量中適當的地方引出輔助過程變量PV2PV2，將它與主控制器的輸出，將它與主控制器的輸出SP2SP2比比較，得到的誤差值作為伺服控制器的輸入量。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主控制器的給定值為SP1SP1，反饋值為，反饋值為PV1PV1，它調整，它調整SP2SP2，以便盡可，以便盡可能快地使過程變量能快地使過程變量PV1PV1在沒有超調的情況下達到設定值。在沒有超調的情況下達到設定值。 以電動調節閥為執行機構的控制系統就是一個級聯

10、控制系統。電以電動調節閥為執行機構的控制系統就是一個級聯控制系統。電動調節閥有一個位置隨動系統，圖動調節閥有一個位置隨動系統，圖6-26-2中的中的PV2PV2是閥門的開度，即閥是閥門的開度，即閥芯的位置。通過輔助回路的調節作用，閥門的開度與主控制器的輸出芯的位置。通過輔助回路的調節作用，閥門的開度與主控制器的輸出量量SP2SP2成正比。成正比。 混合控制器混合控制器 合控制器總的設定值合控制器總的設定值SPSP按一定的比例分配給各控制組件，各混按一定的比例分配給各控制組件，各混合系數之和應為合系數之和應為1 1，例如圖，例如圖6-36-3中的中的FAC1+FAC4=1FAC1+FAC4=1。

11、 單閉環比例控制器單閉環比例控制器 對于某些控制系統來說，控制兩個過程變量之間的比例比控制它對于某些控制系統來說，控制兩個過程變量之間的比例比控制它們的絕對數值更重要，例如控制兩臺需要同步的設備的速度，可以使們的絕對數值更重要，例如控制兩臺需要同步的設備的速度，可以使用圖用圖10-410-4中的單閉環比例控制器。中的單閉環比例控制器。 多閉環比例控制器多閉環比例控制器 多閉環比例控制使兩個過程變量多閉環比例控制使兩個過程變量PV1PV1和和PV2PV2之比保持為常數。為此用之比保持為常數。為此用第一個控制閉環的過程量第一個控制閉環的過程量PV1PV1來計算第來計算第2 2個控制閉環的設定值。在

12、過程變個控制閉環的設定值。在過程變量量PV1PV1動態變化的過程中也能保證動態變化的過程中也能保證PV1PV1與與PV2PV2之間保持設定的比例。如圖之間保持設定的比例。如圖10-510-5所示。所示。 二級控制器二級控制器 二級控制器（二級控制器（Two-Step ControllerTwo-Step Controller）只能提供開關量的兩個相反）只能提供開關量的兩個相反的輸出狀態，例如開關的接通和斷開。典型控制為通過繼電器電器輸的輸出狀態，例如開關的接通和斷開。典型控制為通過繼電器電器輸出的脈沖寬度調制信號對加熱系統的控制。出的脈沖寬度調制信號對加熱系統的控制。 三級控制器三級控制器 三

13、級控制器只能提供開關量的三級控制器只能提供開關量的3 3個輸出狀態。應區分脈沖寬度調制個輸出狀態。應區分脈沖寬度調制（例如加熱和冷卻，加熱（例如加熱和冷卻，加熱- -關機關機- -冷卻）和使用積分式執行機構的步進冷卻）和使用積分式執行機構的步進控制（例如右控制（例如右- -停止停止- -左）之間的區別。左）之間的區別。6.1.2 6.1.2 閉環控制的主要性能指標閉環控制的主要性能指標 給定輸入信號或擾動輸入信號發生變化時，會引起輸出量發生變給定輸入信號或擾動輸入信號發生變化時，會引起輸出量發生變化，系統的輸出量達到穩態值之前的變化過程稱為過渡過程或動態過化，系統的輸出量達到穩態值之前的變化過

14、程稱為過渡過程或動態過程。系統的動態性能常用階躍響應（階躍輸入時輸出量的變化）的參程。系統的動態性能常用階躍響應（階躍輸入時輸出量的變化）的參數來描述。階躍輸入信號在數來描述。階躍輸入信號在t t=0=0之前為之前為0 0，t t0 0時為某一恒定值。時為某一恒定值。 max%100%ctcc 輸出量第一次達到穩態值的時間輸出量第一次達到穩態值的時間t tr r稱為上升時間，上升時間反映稱為上升時間，上升時間反映了系統在響應初期的快速性。了系統在響應初期的快速性。 系統進入并停留在穩態值系統進入并停留在穩態值c(c() )上下上下5%5%（或（或2%2%）的誤差帶內的）的誤差帶內的時間時間t

15、tS S稱為調節時間，到達調節時間表示過渡過程已基本結束。稱為調節時間，到達調節時間表示過渡過程已基本結束。 設動態過程中輸出量的最大值為設動態過程中輸出量的最大值為cmaxcmax（t t）, ,穩態值為穩態值為c(c() )，則，則超調量為超調量為 超調量反映了系統的相對穩定性，它越小動態穩定性越好，一超調量反映了系統的相對穩定性，它越小動態穩定性越好，一般希望超調量小于般希望超調量小于10%10%。 系統的穩態誤差是進入穩態后的期望值與實際值之差，它反映系統的穩態誤差是進入穩態后的期望值與實際值之差，它反映了系統的穩態精度。了系統的穩態精度。6.1.3 6.1.3 閉環控制反饋極性的確定

16、閉環控制反饋極性的確定 閉環控制必須保證系統是負反饋（誤差閉環控制必須保證系統是負反饋（誤差= =給定值給定值- -反饋值），而不反饋值），而不是正反饋（誤差是正反饋（誤差= =給定值給定值+ +反饋值）。如果系統接成了正反饋，將會反饋值）。如果系統接成了正反饋，將會失控，被控量會往單一方向增大或減小，給系統的安全帶來極大的失控，被控量會往單一方向增大或減小，給系統的安全帶來極大的威脅。威脅。 閉環控制系統的反饋極性與很多因素有關，例如因為接線改變了閉環控制系統的反饋極性與很多因素有關，例如因為接線改變了變送器輸出電流或輸出電壓的極性，在變送器輸出電流或輸出電壓的極性，在PIDPID控制程序中

17、改變了誤差的控制程序中改變了誤差的計算公式，改變了某些直線位移傳感器或轉角位移傳感器的安裝方計算公式，改變了某些直線位移傳感器或轉角位移傳感器的安裝方向，都會改變反饋的極性。向，都會改變反饋的極性。 可以用下述的方法來判斷反饋的極性：在調試時斷開可以用下述的方法來判斷反饋的極性：在調試時斷開D/AD/A轉換器轉換器與執行機構之間的連線，在開環狀態下運行與執行機構之間的連線，在開環狀態下運行PIDPID控制程序。如果控制控制程序。如果控制器中有積分環節，因為反饋被斷開了，不能消除誤差，這時器中有積分環節，因為反饋被斷開了，不能消除誤差，這時D/AD/A轉換轉換器的輸出電壓會向一個方向變化。這時如

18、果接上執行機構，形成閉器的輸出電壓會向一個方向變化。這時如果接上執行機構，形成閉環，能減小誤差，則為負反饋，反之為正反饋。環，能減小誤差，則為負反饋，反之為正反饋。 以溫度控制系統為例，假設開環運行時給定值大于反饋值，若以溫度控制系統為例，假設開環運行時給定值大于反饋值，若D/AD/A轉換器的輸出值不斷增大，如果形成閉環，將使電動調節閥的開轉換器的輸出值不斷增大，如果形成閉環，將使電動調節閥的開度增大，閉環后溫度反饋值將會增大，使誤差減小，由此可以判定度增大，閉環后溫度反饋值將會增大，使誤差減小，由此可以判定系統是負反饋。系統是負反饋。6.1.4 6.1.4 變送器的選擇變送器的選擇 變送器用

19、于將傳感器提供的電量或非電量轉換為標準的直流電流變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉換為標準的直流電流或直流電壓信號，例如或直流電壓信號，例如DC0DC010V10V和和4 420mA20mA。變送器分為電流輸出型。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，和電壓輸出型，電壓輸出型變送器具有恒壓源的性質，PLCPLC模擬量輸模擬量輸入模塊的電壓輸入端的輸入阻抗很高，例如入模塊的電壓輸入端的輸入阻抗很高，例如100k100k10M10M。如果變。如果變送器距離送器距離PLCPLC較遠，通過線路間的分布電容和分布電感產生的干擾信較遠，通過線路間的分布電容和分布電感產生的

20、干擾信號電流在模塊的輸入阻抗上將產生較高的干擾電壓。例如號電流在模塊的輸入阻抗上將產生較高的干擾電壓。例如1A1A干擾干擾電流在電流在10 M10 M輸入阻抗上將產生輸入阻抗上將產生10V10V的干擾電壓信號，所以遠程傳送的干擾電壓信號，所以遠程傳送模擬量電壓信號時抗干擾能力很差。模擬量電壓信號時抗干擾能力很差。 電流輸出具有恒流源的性質，恒流源的內阻很大。電流輸出具有恒流源的性質，恒流源的內阻很大。PLCPLC的模擬量的模擬量輸入模塊輸入電流時，輸入阻抗較低（例如輸入模塊輸入電流時，輸入阻抗較低（例如250250）。線路上的干擾）。線路上的干擾信號在模塊的輸入阻抗上產生的干擾電壓很低，所以模

21、擬量電流信信號在模塊的輸入阻抗上產生的干擾電壓很低，所以模擬量電流信號適于遠程傳送。號適于遠程傳送。 電流傳送比電壓傳送的傳送距離遠得多，電流傳送比電壓傳送的傳送距離遠得多，S7-200S7-200的模擬量輸入模的模擬量輸入模塊使用屏蔽電纜信號線時允許的最大距離為塊使用屏蔽電纜信號線時允許的最大距離為200m200m。 變送器分為二線式和三線式，三線式變送器有變送器分為二線式和三線式，三線式變送器有3 3根線：電源線、根線：電源線、信號線和公共線。二線式變送器只有兩根外部接線，如圖信號線和公共線。二線式變送器只有兩根外部接線，如圖6-66-6所示。所示。它們既是電源線，也是信號線，輸出它們既是

22、電源線，也是信號線，輸出4 420 mA20 mA的信號電流，的信號電流，DC24VDC24V電電源串接在回路中。通過調試，在被檢測信號滿量程時輸出電流為源串接在回路中。通過調試，在被檢測信號滿量程時輸出電流為2020mAmA。二線式變送器的接線少，。二線式變送器的接線少，信號可以遠傳，在工業中得到信號可以遠傳，在工業中得到了廣泛的應用。了廣泛的應用。6.1.5 PLC6.1.5 PLC的模擬量輸入接口的模擬量輸入接口 它的作用是把現場連續變化的模擬量標準信號轉換成適合可編程它的作用是把現場連續變化的模擬量標準信號轉換成適合可編程序控制器內部處理的由若干位二進制數字表示的信號。模擬量輸入序控制

23、器內部處理的由若干位二進制數字表示的信號。模擬量輸入接口接受標準模擬信號，無論是電壓信號還是電流信號均可。這里接口接受標準模擬信號，無論是電壓信號還是電流信號均可。這里標準信號是指符合國際標準的通用交互用電壓電流信號值，如標準信號是指符合國際標準的通用交互用電壓電流信號值，如 4 4 20mA 20mA 的直流電流信號，的直流電流信號， 1 1 10V 10V 的直流電壓信號等。工業現場中的直流電壓信號等。工業現場中模擬量信號的變化范圍一般是不標模擬量信號的變化范圍一般是不標準的，在送入模擬量接口時都需經準的，在送入模擬量接口時都需經變送處理才能使用。圖變送處理才能使用。圖6-76-7是模擬是

24、模擬量輸入接口的內部電路框圖。量輸入接口的內部電路框圖。模擬量信號輸入后一般經運算放大模擬量信號輸入后一般經運算放大器放大后進行器放大后進行 A/D A/D 轉換，再經光轉換，再經光電耦合后為可編程控制器提供一定電耦合后為可編程控制器提供一定位數的數字量信號。位數的數字量信號。 6.1.6 PLC6.1.6 PLC的模擬量輸出接口的模擬量輸出接口 它的作用是將可編程控制器運算處理后的若干位數字量信號轉換它的作用是將可編程控制器運算處理后的若干位數字量信號轉換為響應的模擬量信號輸出，以滿足生產過程現場連續控制信號的需為響應的模擬量信號輸出，以滿足生產過程現場連續控制信號的需求。模擬量輸出接口一般

25、由光電隔離、求。模擬量輸出接口一般由光電隔離、 D/A D/A 轉換和信號驅動等環節轉換和信號驅動等環節組成。其原理框圖如圖組成。其原理框圖如圖6-86-8所示所示 。 6.2 S7-200PLC6.2 S7-200PLC的模擬量擴展模塊的模擬量擴展模塊6.2.1 6.2.1 模擬量擴展模塊的功能模擬量擴展模塊的功能 模擬量擴展模塊為模擬量擴展模塊為PLCPLC主機提供了模擬量輸入主機提供了模擬量輸入/ /輸出的功能，具有輸出的功能，具有以下特點：以下特點： (1) (1) 最佳適應性，可適用于復雜的控制場合。最佳適應性，可適用于復雜的控制場合。 (2)(2)直接與傳感器和執行器相連，直接與傳

26、感器和執行器相連，12 12 位的分辨率和多種輸入位的分辨率和多種輸入/ /輸輸出范圍能夠在不外加放大器的情況下與傳感器和執行器直接相連，出范圍能夠在不外加放大器的情況下與傳感器和執行器直接相連，例如例如EM231RTDEM231RTD模塊可直接與模塊可直接與PT100 PT100 熱電阻相連熱電阻相連 (3)(3)靈活性，當實際應用變化時，靈活性，當實際應用變化時，PLC PLC 可以相應地進行擴展，并可以相應地進行擴展，并可非常容易的調整用戶程序。可非常容易的調整用戶程序。 （4 4）擴展模塊具有與基本單元相同的設計特點）擴展模塊具有與基本單元相同的設計特點,S7-200,S7-200（C

27、NCN）PLC PLC 的擴展模塊種類很多，安裝方式與的擴展模塊種類很多，安裝方式與CPUCPU相同。當需要的擴展模塊較多相同。當需要的擴展模塊較多時，模塊連接起來會過長，這時可以使用擴展轉接電纜重疊排布。時，模塊連接起來會過長，這時可以使用擴展轉接電纜重疊排布。 （5 5）安裝方便，可以在標準導軌上安裝，模塊卡裝在緊挨）安裝方便，可以在標準導軌上安裝，模塊卡裝在緊挨CPU CPU 右右側的導軌上，通過總線連接電纜與側的導軌上，通過總線連接電纜與CPU CPU 互相連接。也可以直接安裝，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，這種模塊上有固定螺孔，也可以

28、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的情況下使用。安裝方式建議在劇烈振動的情況下使用。6.2.2 S7-200 PLC6.2.2 S7-200 PLC模擬量擴展模塊的分類模擬量擴展模塊的分類 1.1.常規模擬量控制模塊常規模擬量控制模塊 有有EM231EM231模擬量輸入模塊，有模擬量輸入模塊，有EM232EM232模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊, ,有有EM235EM235模擬模擬量輸入輸出模塊。適用于量輸入輸出模塊。適用于CPU 222CPU 222、CPU224CPU224、CPU 224XPCPU 224XP和和CPU226CPU226系系列的列的PLCPLC。圖。圖

29、6-96-9為為EM235EM235模塊端子接線圖。模塊端子接線圖。 2.2.熱電阻和熱電偶模塊熱電阻和熱電偶模塊 RTDRTD（熱電阻）和熱電偶模塊適用于（熱電阻）和熱電偶模塊適用于CPU 222CPU 222、CPU224CPU224、CPU CPU 224XP224XP和和CPU226CPU226模塊。模塊。 RTD RTD和熱電偶模塊安裝在一個穩定的溫度環境內時，具有最佳的性和熱電偶模塊安裝在一個穩定的溫度環境內時，具有最佳的性能。例如，能。例如，EM231CTEM231CT熱電偶模塊有專門的冷端補償電路。該電路在模熱電偶模塊有專門的冷端補償電路。該電路在模塊連接器處測量溫度，并對測量

30、值作出必要的修正，以補償基準溫度塊連接器處測量溫度，并對測量值作出必要的修正，以補償基準溫度和模塊處溫度之間的溫度差。如和模塊處溫度之間的溫度差。如果果EM231EM231熱電偶模塊安裝環境的溫熱電偶模塊安裝環境的溫度變化很劇烈，則會引起附加的度變化很劇烈，則會引起附加的誤差。為了達到最大的精度和重誤差。為了達到最大的精度和重復性，復性，熱電阻擴展模塊熱電阻擴展模塊EM231RTDEM231RTD和熱電偶模塊和熱電偶模塊EM231CTEM231CT要安裝在環要安裝在環境溫度穩定的地方。境溫度穩定的地方。 使用屏蔽線是最好的噪聲抑制使用屏蔽線是最好的噪聲抑制方法。如果熱電偶的輸入未使用，方法。如

31、果熱電偶的輸入未使用，短接未使用的通道，或將它們并短接未使用的通道，或將它們并行連接到其它通道上。行連接到其它通道上。 （1 1）EM231RTDEM231RTD熱電阻模塊熱電阻模塊 EM231RTDEM231RTD熱電阻模塊為熱電阻模塊為S7-200S7-200連接各種型號的熱電阻提供了方連接各種型號的熱電阻提供了方便的接口。它允許便的接口。它允許S7-200PLCS7-200PLC測量三個不同的電阻范圍。連接到模塊測量三個不同的電阻范圍。連接到模塊的各個熱電阻必須是相同的類型。端子接線圖如圖的各個熱電阻必須是相同的類型。端子接線圖如圖6-106-10所示。所示。 組態組態EM231RTDE

32、M231RTD（熱電阻）模塊使用（熱電阻）模塊使用DIPDIP開關可以選擇熱電阻的開關可以選擇熱電阻的類型，接線方式，溫度測量單位和傳感器熔斷方向。要使類型，接線方式，溫度測量單位和傳感器熔斷方向。要使DIPDIP開關設開關設置起作用，在設置好后，需要重新給置起作用，在設置好后，需要重新給PLCPLC和和/ /或用戶的或用戶的24V24V電源上電。電源上電。 （2 2）EM231EM231熱電偶模塊熱電偶模塊 為為S7-200S7-200系列產品提供了連接系列產品提供了連接7 7種類型的熱電偶的使用方便的、種類型的熱電偶的使用方便的、帶隔離的接口：帶隔離的接口：J J、K K、E E、N N、

33、S S、T T和和R R。它可以使。它可以使S7-200PLCS7-200PLC連接低連接低電平模擬信號，測量范圍為電平模擬信號，測量范圍為80mV80mV。所有連接到該模塊的熱電偶都。所有連接到該模塊的熱電偶都必須是同一類型的。端子接線圖如圖必須是同一類型的。端子接線圖如圖6-116-11所示。所示。 配置配置DIPDIP開關位于模塊的底部，可以選擇熱電偶模塊的類型、開關位于模塊的底部，可以選擇熱電偶模塊的類型、斷線檢測、溫度范圍和冷端補償。要使斷線檢測、溫度范圍和冷端補償。要使DIPDIP開關設置起作用，在設置開關設置起作用，在設置好后，需要給好后，需要給PLCPLC和和/ /或用戶的或用

34、戶的24V24V電源重新上電。電源重新上電。 3. 3. 模擬量擴展模塊接線安裝的要求模擬量擴展模塊接線安裝的要求 首先確保首先確保24VDC24VDC傳感器電源無噪聲、穩定。其次傳感器線盡可傳感器電源無噪聲、穩定。其次傳感器線盡可能短，傳感器線使用屏蔽的雙絞線，僅在傳感器側將屏蔽接終端，能短，傳感器線使用屏蔽的雙絞線，僅在傳感器側將屏蔽接終端，避免將導線彎成銳角，使用電纜槽進行敷線，避免將信號線與高能避免將導線彎成銳角，使用電纜槽進行敷線，避免將信號線與高能量線平行布置，若兩條線必須交叉，應以直角度相交。再次量線平行布置，若兩條線必須交叉，應以直角度相交。再次, ,未用通未用通道的輸入端應短

35、接，道的輸入端應短接， 通過隔離輸入信號或輸入信號參考于模擬量模塊外部通過隔離輸入信號或輸入信號參考于模擬量模塊外部24V24V電源電源的公共端，從而確保輸入信號范圍在技術規范所規定的共模電壓內。的公共端，從而確保輸入信號范圍在技術規范所規定的共模電壓內。6.2.3 6.2.3 根據模擬量輸入模塊的輸出值計算對應的物理量輸入值根據模擬量輸入模塊的輸出值計算對應的物理量輸入值 1.1.模擬輸入量的模擬值數據格式模擬輸入量的模擬值數據格式 模擬量輸入輸出模塊中模擬量對應的數字稱為模擬值，模擬值模擬量輸入輸出模塊中模擬量對應的數字稱為模擬值，模擬值用用1616位二進制補碼來表示。最高位為符號位，正數

36、的符號位為位二進制補碼來表示。最高位為符號位，正數的符號位為0 0，負，負數的符號位為數的符號位為1 1。對于單極性輸入模擬量滿量程對應的模擬值為。對于單極性輸入模擬量滿量程對應的模擬值為0 03276732767，雙極性輸入模擬量滿量程對應，雙極性輸入模擬量滿量程對應-32768-32768+32767+32767。 2.2.應用舉例應用舉例 例例6-1 6-1 壓力變送器的量程為壓力變送器的量程為0 010MPa10MPa，輸出信號為，輸出信號為4 420mA20mA，模擬量，模擬量輸入模塊的量程為輸入模塊的量程為0 020mA20mA，轉換后的數字量為，轉換后的數字量為0 0320003

37、2000，設轉換后得到的，設轉換后得到的數字為數字為N N，試求以，試求以kPakPa為單位的壓力值為單位的壓力值P PN N。 解：由于模擬量輸入模塊的量程為解：由于模擬量輸入模塊的量程為0 020mA20mA，轉換后的數字量為，轉換后的數字量為0 03200032000，因此，每，因此，每1mA1mA輸入電流轉換后的數字量為輸入電流轉換后的數字量為4mA4mA輸入電流轉換后的數字量為輸入電流轉換后的數字量為 ，由此可知，由此可知，0 010MPa(010MPa(010000kPa)10000kPa)對應于轉換后的數字為對應于轉換后的數字為640064003200032000，它們之間的對應

38、，它們之間的對應3200001600 mA(200)mA(1600 mA)4mA=6400N406400100320006400PN4N10025(6400)(kPa)32000640064PN因此，與轉換后的數字因此，與轉換后的數字N N相對應的壓力相對應的壓力關系見圖關系見圖6-126-12。由該圖可列出壓力。由該圖可列出壓力P P與與轉換后的數字轉換后的數字N N之間的方程式之間的方程式6400N320004mA(0)P20mA(10000)P(kPa)N圖6-12 P 與N之間的對應關系NN2000500020006400320006400TN N7000 (6400)20002560

39、0NT(0.1) 例例6-2 6-2 某溫度變送器的量程為某溫度變送器的量程為 200200500500，輸出信號為，輸出信號為4 420mA20mA，某模擬量輸入模塊將，某模擬量輸入模塊將0 020mA20mA的電流信號轉換為數字的電流信號轉換為數字0 03200032000，對應關系見圖，對應關系見圖6-126-12，設轉換后得到的數字為，設轉換后得到的數字為N N，求以，求以0.10.1為為單位的溫度值。單位的溫度值。 解：單位為解：單位為0.10.1的溫度值的溫度值2000200050005000對應于數字量對應于數字量640064003200032000，根據比例關系（見圖，根據比例

40、關系（見圖6-126-12），得出溫度），得出溫度T TN N的計算公式為的計算公式為: :6.3 6.3 數字數字PIDPID控制器控制器 PIDPID是比例、微分、積分的縮寫，是比例、微分、積分的縮寫，PIDPID控制器是應用最廣的閉環控控制器是應用最廣的閉環控制器，有人估計現在有制器，有人估計現在有9090以上的閉環控制采用以上的閉環控制采用PIDPID控制器。這是控制器。這是因為因為PIDPID控制具有以下的優點：控制具有以下的優點： (1)(1)不需要被控對象的數學模型不需要被控對象的數學模型 自動控制理論中的分析和設計方法基本上是建立在被控對象的自動控制理論中的分析和設計方法基本上

41、是建立在被控對象的線性定常數學模型的基礎上的。該模型忽略了實際系統中的非線性線性定常數學模型的基礎上的。該模型忽略了實際系統中的非線性和時變的因素，與實際系統有較大的差距。對于許多工業控制對象，和時變的因素，與實際系統有較大的差距。對于許多工業控制對象，根本就無法建立較為準確的數學模型，因此自動控制理論中的設計根本就無法建立較為準確的數學模型，因此自動控制理論中的設計方法對大多數實際系統是無能為力的。對于這一類系統，使用方法對大多數實際系統是無能為力的。對于這一類系統，使用PIDPID控制可以得到比較滿意的效果。控制可以得到比較滿意的效果。 (2)(2)結構簡單，容易實現結構簡單，容易實現 P

42、IDPID控制器的結構典型，程序設計簡單，計算工作量較小，各參控制器的結構典型，程序設計簡單，計算工作量較小，各參數相互獨立，有明確的物理意義，參數調整方便，容易實現多回路數相互獨立，有明確的物理意義，參數調整方便，容易實現多回路控制、串級控制等復雜的控制。控制、串級控制等復雜的控制。 (3) (3)有較強的靈活性和適應性有較強的靈活性和適應性 根據被控對象的具體情況，可以采用根據被控對象的具體情況，可以采用PIDPID控制器的多種變種和控制器的多種變種和改進的控制方式，例如改進的控制方式，例如PIPI、PDPD、帶死區的、帶死區的PIDPID、積分分離式、積分分離式PIDPID和變和變速積分

43、速積分PIDPID等，但比例控制一般是必不可少的。隨著智能控制技術的等，但比例控制一般是必不可少的。隨著智能控制技術的發展，發展，PIDPID控制與神經網絡控制等現代控制方法相結合，可以實現控制與神經網絡控制等現代控制方法相結合，可以實現PIDPID控制器的參數自整定，使控制器的參數自整定，使PIDPID控制器具有經久不衰的生命力。控制器具有經久不衰的生命力。 (4)(4)使用方便使用方便 由于用途廣泛、使用靈活，已有多種控制產品具有由于用途廣泛、使用靈活，已有多種控制產品具有PIDPID控制功控制功能，使用中只需設定一些比較容易整定的參數即可，有的產品還具能，使用中只需設定一些比較容易整定的

44、參數即可，有的產品還具有參數自整定功能。有參數自整定功能。 (6-1)CCinitialCDI0K( )KMKTTtdeM teedtdt CnIjinitialDnn-1j=1KKMKnnMeeee(6-2)式中，式中，Mn第第n n次采樣時的次采樣時的PIDPID回路的輸出值，它是時間的函數；回路的輸出值，它是時間的函數； en第第n n次采樣時的偏差值，次采樣時的偏差值， ； en-1第第n-1n-1次采樣時的偏差值；次采樣時的偏差值； Minitial PIDPID回路輸出的初始值；回路輸出的初始值； ej第第j j次采樣時的偏差值；次采樣時的偏差值； KI積分項的比例常數，積分項的比

45、例常數， ； KD微分項的比例常數，微分項的比例常數， ； 為了能讓計算機處理這個算式，連續算式必須離散化為下述周期為了能讓計算機處理這個算式，連續算式必須離散化為下述周期性采樣偏差算式：性采樣偏差算式： SICITK =KTDDCSTK =KTnnneSPPV 從式從式(6-2)(6-2)知，積分項是從第知，積分項是從第1 1個采樣周期到當前采樣周期的所個采樣周期到當前采樣周期的所有誤差項之和的函數，微分項是當前采樣周期與前一個采樣周期有誤差項之和的函數，微分項是當前采樣周期與前一個采樣周期的誤差項之差函數，比例項僅是當前采樣周期的誤差項的函數。的誤差項之差函數，比例項僅是當前采樣周期的誤差

46、項的函數。 對于式對于式(6-2)(6-2)中的積分項來說，隨著采樣次數中的積分項來說，隨著采樣次數n n的增加，該項中的增加，該項中的誤差項的誤差項e1 , ,e2, ,e3, , ,en會越來越多，它們所需占用的字存儲單會越來越多，它們所需占用的字存儲單元數也會越來越多，而且求和的計算工作量也會越來越大，以至元數也會越來越多，而且求和的計算工作量也會越來越大，以至于計算機最終無法提供足夠多的字存儲單元來保存超限量多的于計算機最終無法提供足夠多的字存儲單元來保存超限量多的誤誤差項，也無法計算出差項，也無法計算出超限量求和次數的求和值。因此，需要對式超限量求和次數的求和值。因此，需要對式(6-

47、2)(6-2)進行改造，改造后的算式如式進行改造，改造后的算式如式(6-3)(6-3)所示：所示：nCnInDnn-1KKKMeeMXee(6-3)(6-3)式中，式中，MX第第n-1n-1次采樣時的積分項，次采樣時的積分項，1Ijinitialj=1KMnMXennnnMMPMIMD 由于計算機從第一次采樣開始，每采樣一次就計算一次積分由于計算機從第一次采樣開始，每采樣一次就計算一次積分值，因此，每次計算出積分值后，只需把該積分值保存下來，作值，因此，每次計算出積分值后，只需把該積分值保存下來，作為下一次采樣時積分項中的前一次為下一次采樣時積分項中的前一次采樣時的積分值采樣時的積分值MX，即

48、可很，即可很快計算出下一次采樣時的積分項，這樣就大大減輕了每一次求積快計算出下一次采樣時的積分項，這樣就大大減輕了每一次求積分項的計算工作量。這樣處理后，也不需要再保存歷次采樣時的分項的計算工作量。這樣處理后，也不需要再保存歷次采樣時的誤差項誤差項e1 , ,e2, ,e3, , ,en了，因此，還大大節省了存儲單元。了，因此，還大大節省了存儲單元。 為了最大限度地減小計算機的計算工作量，還可對式為了最大限度地減小計算機的計算工作量，還可對式(6-3)(6-3)作作進一步的改進，改進后的算式如下：進一步的改進，改進后的算式如下：(6-4)(6-4)式中，式中，MPn第第n n次采樣時的比例項，

49、次采樣時的比例項， 按下式計算：按下式計算：nCnnMPKSPPV(6-5)(6-5)nInnMIKSPPVMX MDn第第n n次采樣時刻的微分項，次采樣時刻的微分項，按下式計算：按下式計算： nDnnn-1n-1KMDSPPVSPPV(6-6)(6-6)(6-7)(6-7)(6-8)(6-8)nDn-1nKMDPVPV其中，其中，SPn第第n n采樣時刻的給定值；采樣時刻的給定值； PVn第第n n采樣時刻的過程變量值；采樣時刻的過程變量值； MIn第第n n次采樣時刻的積分項，次采樣時刻的積分項，按下式計算：按下式計算：其中，其中，SPn-1第第n-1n-1采樣時刻的給定值；采樣時刻的給

50、定值； PVn-1第第n-1n-1采樣時刻的過程變量值。采樣時刻的過程變量值。 為了避免給定值變化的微分作用而引起的跳變，應使給定值為了避免給定值變化的微分作用而引起的跳變，應使給定值不變不變( (即使即使SPn=SPn-1) )。這樣，式。這樣，式(6-7)(6-7)可改寫為：可改寫為： 為了下一次計算微分項，必須保存過程變量，而不是偏差。為了下一次計算微分項，必須保存過程變量，而不是偏差。在第一次采樣時，應初始化在第一次采樣時，應初始化PVn-1=PVn 。6.4 S7-200PLC6.4 S7-200PLC的的PIDPID控制及其應用控制及其應用6.4.1 PID6.4.1 PID功能功

51、能 S7-200 CPUS7-200 CPU提供了提供了8 8個回路的個回路的PIDPID功能，用以實現需要按照功能，用以實現需要按照PIDPID控控制規律進行自動調節的控制任務，比如溫度、壓力和流量控制等。制規律進行自動調節的控制任務，比如溫度、壓力和流量控制等。PIDPID運算的任務就是根據反饋與給定的相對差值，按照運算的任務就是根據反饋與給定的相對差值，按照PIDPID運算規律運算規律計算出結果，輸出到固態開關元件（控制加熱棒），或者變頻器計算出結果，輸出到固態開關元件（控制加熱棒），或者變頻器（驅動水泵）等執行機構進行調節，以達到自動維持被控制的量跟（驅動水泵）等執行機構進行調節，以達

52、到自動維持被控制的量跟隨給定變化的目的。隨給定變化的目的。圖圖6-13 PID6-13 PID指令盒指令盒 1.PID 1.PID指令指令 S7-200S7-200中中PIDPID功能的核心是功能的核心是PIDPID指令。指令。PIDPID指指令需要為其指定一個以令需要為其指定一個以V V變量存儲區地址開始變量存儲區地址開始的的PIDPID回路表回路表(TBL)(TBL)，以及，以及PIDPID回路號回路號(LOOP)(LOOP)。PIDPID回路表提供了給定和反饋，以及回路表提供了給定和反饋，以及PIDPID參數等參數等數據入口，數據入口，PIDPID運算的結果也在回路表輸出。運算的結果也在

53、回路表輸出。 PID PID指令（又稱為指令（又稱為PIDPID回路指令）的梯形圖指令盒的形式如圖回路指令）的梯形圖指令盒的形式如圖6-136-13所示。使能輸入有效時，該指令利用回路表中的輸入信息和組態信息，所示。使能輸入有效時，該指令利用回路表中的輸入信息和組態信息，進行進行PIDPID運算。梯形圖的指令盒中有運算。梯形圖的指令盒中有2 2個數據輸入端：個數據輸入端：TBLTBL，回路表的，回路表的起始地址，是由起始地址，是由VBVB指定的字節型數據；指定的字節型數據；LOOPLOOP，回路號，是，回路號，是0 07 7的常的常數。數。 STLSTL指令格式：指令格式：PID TBL, L

54、OOPPID TBL, LOOP 在程序中最多可以用在程序中最多可以用8 8條條PIDPID指令。如果兩個或兩個以上的指令。如果兩個或兩個以上的PIDPID指指令用了同一個回路號，那么即使這些指令的回路表不同，這些令用了同一個回路號，那么即使這些指令的回路表不同，這些PIDPID運運算之間也會相互干涉，產生不可預料的結果。算之間也會相互干涉，產生不可預料的結果。 2.PID2.PID回路表回路表 回路表由回路表由8080個字節組成，它的格式如表個字節組成，它的格式如表6-16-1所示。所示。 回路表包含回路表包含9 9個參數，用來控制和監視個參數，用來控制和監視PIDPID運算。這些參數分別是

55、運算。這些參數分別是過程變量當前值（過程變量當前值（PVnPVn），過程變量前值（），過程變量前值（PVn-1PVn-1），給定值（），給定值（SPnSPn），），輸出值（輸出值（MnMn），增益（），增益（KcKc），采樣時間（），采樣時間（TsTs），積分時間（），積分時間（T TI I），微），微分時間（分時間（T TD D）和積分項前值（）和積分項前值（MXMX）。）。偏移地址偏移地址域域( (參數名）參數名）格格 式式類類 型型描描 述述T+0T+0過程變量過程變量( (反饋反饋)(PV)(PVn n）雙字雙字- -實數實數 輸入輸入過程變量，必須在過程變量，必須在0.00.01.0

56、1.0之間之間T+4T+4設定值設定值( (給定給定)(SP)(SPn n) )雙字雙字- -實數實數輸入輸入給定值，必須在給定值，必須在0.00.01.01.0之間之間T+8T+8輸出值輸出值(M(Mn n) )雙字雙字- -實數實數輸入輸入/ /輸出輸出輸出值，必須在輸出值，必須在0.00.01.01.0之間之間T+12T+12增益增益(P(P參數參數)(K)(KC C) )雙字雙字- -實數實數輸入輸入增益是比例常數，可正可負增益是比例常數，可正可負T+16T+16采樣時間采樣時間(T(TS S) )雙字雙字- -實數實數輸入輸入單位為秒，必須是正數單位為秒，必須是正數T+20T+20積

57、分時間積分時間(I(I參數參數)(T)(TI I) )雙字雙字- -實數實數輸入輸入單位為分鐘，必須是正數單位為分鐘，必須是正數T+24T+24微分時間微分時間(D(D參數參數)(T)(TD D) )雙字雙字- -實數實數輸入輸入單位為分鐘，必須是正數單位為分鐘，必須是正數T+28T+28積分項前項積分項前項(MX)(MX)雙字雙字- -實數實數輸入輸入/ /輸出輸出積分項前項，必須在積分項前項，必須在0.00.01.01.0之間之間T+32T+32過程變量前值過程變量前值(PV(PVn-1n-1) )雙字雙字- -實數實數輸入輸入/ /輸出輸出最近一次最近一次PIDPID運算的過程變量值運算

58、的過程變量值T+36T+36至至T+79T+79保留給保留給PIDPID自整定的變量設置用自整定的變量設置用 為了讓為了讓PIDPID運算以預想的采樣頻率工作，運算以預想的采樣頻率工作，PIDPID指令必須用在定時執指令必須用在定時執行的中斷程序中，或用在主程序中被定時器所控制并以一定頻率執行。行的中斷程序中，或用在主程序中被定時器所控制并以一定頻率執行。采樣時間必須通過回路表輸入到采樣時間必須通過回路表輸入到PIDPID運算中。運算中。表表6-1 PID6-1 PID回路表回路表 過程變量和給定值是過程變量和給定值是PIDPID運算的輸入值，因此回路表中的這些變運算的輸入值，因此回路表中的這

59、些變量只能被量只能被PIDPID指令讀而不能被改寫。指令讀而不能被改寫。 輸出變量是由輸出變量是由PIDPID運算產生的，所以在每一次運算產生的，所以在每一次PIDPID運算完成之后，運算完成之后，需更新回路表中的輸出值，輸出值被限定在需更新回路表中的輸出值，輸出值被限定在0.00.01.01.0之間。當輸出之間。當輸出由手動轉變為由手動轉變為PIDPID（自動）控制時，回路表中的輸出值可以用來初始（自動）控制時，回路表中的輸出值可以用來初始化輸出值。化輸出值。 回路表中的給定值與過程變量的差值（回路表中的給定值與過程變量的差值（e e）是用于）是用于PIDPID運算中的運算中的差分運算，用戶

60、最好不要去修改此值。差分運算，用戶最好不要去修改此值。 3.3.回路控制類型的選擇回路控制類型的選擇 在許多控制系統中，只需要一種或兩種回路控制類型。例如只在許多控制系統中，只需要一種或兩種回路控制類型。例如只需要比例回路或者比例積分回路。通過設置常量參數，可以選擇需要需要比例回路或者比例積分回路。通過設置常量參數，可以選擇需要的回路控制類型。的回路控制類型。 如果不想要積分動作（如果不想要積分動作（PIDPID計算中沒有計算中沒有“I”I”），可以把積分時），可以把積分時間（復位）置為無窮大間（復位）置為無窮大“INF”INF”。即使沒有積分作用，積分項還是不。即使沒有積分作用，積分項還是不