PLC控制技術（西門子）項目八專項應用配套教案機械工業出版社項目十恒液位控制系統（理論）課題恒液位控制系統理論課時2周次項目序號教學分析知識目標熟悉模擬量模塊的工作過程；熟悉PID的基本工作過程及要素；熟悉液位傳感器的使用方法。能力目標掌握液位傳感器及調節閥的接線方法；能根據任務要求編寫PLC程序；能夠能夠組態并調節PID控制器。思政目標使學生意識到具備控制系統設計理念和守時意識的重要性，注重培養自己的職業素養；樹立工程意識，培養分析和解決工程實際問題的能力。重點PID的工作過程；模擬量模塊的使用方法。難點程序的編寫及調試學法指導學情分析同學們之前學習過PLC的基本指令及部分應用指令，已經可以進行項目的分析、接線、編程及調試；本項目實施時采用任務引領，小組合作、理實結合的學習方法，通過任務引導同學們由理論到實踐，再通過小組合作學習的方式完成本項目。教法選擇啟發式講授、任務驅動教學法教具學具PLC、多媒體視頻、課件教學過程導入新課在工業生產過程中，有很多像蒸餾塔這樣大規模連續過程，溫度、壓力、流量和液位這四種是常見的過程變量。由于在控制過程中存在進料量和出料量的變化，從而導致液位波動。因此，高精度地進行液位控制是非常重要的一個課題。教學內容教師活動學生活動設計目的場景引入圖片、視頻展示各種恒液位控制系統的工作場景1.視頻、圖片展示恒液位控制系統。問題1：恒液位控制系統的工作任務有哪些？問題2：PLC如何控制模擬量。2.觀看視頻，分組討論生活情境引入，激發學生學習興趣提高學生積極探索新知能力以及小組合作意識教學內容教師活動學生活動設計目的一、PLC的模擬量控制簡介在生產過程中，存在大量的物理量，如壓力、溫度、速度、旋轉速度、pH值、粘度等。這些物理量都是連續量，而且是非電量。為了實現自動控制，這些模擬信號都需要被PLC來處理，這就需要相應的轉換模塊來對信號進行轉換。PLC的模擬量輸入一般包括信號為直流電壓信號DC0～10V、直流電流信號4～20mA兩種，對于不同的輸入，可以通過撥碼開關、參數設定或者接線方式的不同來進行區分。如圖10-3所示為一個典型的模擬量處理過程，壓力傳感器檢測的壓力值為模擬量，經過變送器將其變為直流電壓信號DC0～10V然后通過A/D（模數）轉換模塊變為數字量，將此數字量用于PLC的運算。1.教師講解傳感器的基本工作原理及典型應用案例2.教師讓學生分組學習討論，每組派一個代表進行講解例題。并根據學生講解情況進行更正及總結。1.學生聽完教師的講解后，在老師給出的案例上進行分析并講解原理。2.小組討論PID的基本控制過程；PID的控制要素。理論與實踐相結合，講完學完接著進行練習分析，讓學生知識點掌握更牢固通過學生自習，小組討論，讓學生能夠各抒己見，培養學生獨立思考的能力及小組合作的精神。老師及時總結給正確答案加以強化，使學生能夠記憶深刻。模擬量輸入模塊EMAE04的使用方法該模擬量模塊共有4個模擬量輸入端口，每兩個為一組，可以選擇電壓輸入或電流輸入，其測量范圍為±10V、±5V、±2.5V或0到20mA，其滿量程范圍為-27,648到27,648。該模塊可以連接電流變送器送來的電流信號，有兩種接法，分別對應2線制傳感器和4線制傳感器，如圖10-5所示。該模塊的電壓測量范圍及數字量對照見表10-1、電流測量范圍及數字量對照見表10-2。1.教師講解EMAE04模塊的基本使用方法原理及典型應用案例2.教師讓學生分組學習討論，每組派一個代表進行講解例題。并根據學生講解情況進行更正及總結。1.學生聽完教師的講解后，在老師給出的案例上進行分析并講解原理。2.小組討論模擬量模塊的接線方法；模擬量/數字量的轉化過程。理論與實踐相結合，講完學完接著進行練習分析，讓學生知識點掌握更牢固通過學生自習，小組討論，讓學生能夠各抒己見，培養學生獨立思考的能力及小組合作的精神。老師及時總結給正確答案加以強化，使學生能夠記憶深刻。模擬量輸出模塊EMAQ02的使用方法該模擬量模塊共有2個模擬量輸出端口，可以選擇電壓輸出或電流輸出，其輸出范圍為±10V或0到20mA，其滿量程范圍為-27,648到27,648。該模塊的電壓輸出范圍及數字量對照見表10-3、電流輸出范圍及數字量對照見表10-4。教師講解EMAQ02模塊的基本使用方法原理及典型應用案例2.教師讓學生分組學習討論，每組派一個代表進行講解例題。并根據學生講解情況進行更正及總結。1.學生聽完教師的講解后，在老師給出的案例上進行分析并講解原理。2.小組討論模擬量模塊的接線方法；模擬量/數字量的轉化過程。理論與實踐相結合，講完學完接著進行練習分析，讓學生知識點掌握更牢固通過學生自習，小組討論，讓學生能夠各抒己見，培養學生獨立思考的能力及小組合作的精神。老師及時總結給正確答案加以強化，使學生能夠記憶深刻。PID控制的基本工作過程比例：來控制當前，誤差值和一個負常數Р(表示比例）相乘，然后和預定的值相加。P只是在控制器的輸出和系統的誤差成比例的時候成立。這種控制器輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關系。比如說，一個電熱器的控制器的比例尺范圍是10°C，它的預定值是20°C。那么它在10°C的時候會輸出100%，在15°C的時候會輸出50%，在19°C的時候輸出10%，注意在誤差是0的時候，控制器的輸出也是0。積分：來控制過去，誤差值是過去一段時間的誤差和，然后乘以一個負常數I，然后和預定值相加。I從過去的平均誤差值來找到系統的輸出結果和預定值的平均誤差。一個簡單的比例系統會振蕩，會在預定值的附近來回變化，因為系統無法消除多余的糾正。通過加上一個負的平均誤差比例值，平均的系統誤差值就會總是減少。所以，最終這個PID回路系統會在預定值定下來。微分：來控制將來，計算誤差的一階導，并和一個負常數D相乘，最后和預定值相加。這個導數的控制會對系統的改變作出反應。導數的結果越大，那么控制系統就對輸出結果作出更快速的反應。這個D參數也是PID被稱為可預測的控制器的原因。D參數對減少控制器短期的改變很有幫助。一些實際中的速度緩慢的系統可以不需要D參數。用更專業的話來講，一個PID控制器可以被稱作一個在頻域系統的濾波器。這一點在計算它是否會最終達到穩定結果時很有用。如果數值挑選不當，控制系統的輸入值會反復振蕩，這導致系統可能永遠無法達到預設值。教師講解PID的控制過程常規的模擬PID控制系統原理框圖，由模擬PID控制器和被控對象組成。其中rt)為系統給定值,c(t)為系統的實際輸出值，給定值域實際輸出值構成控制偏差e（t）。1.學生聽完教師的講解后，在老師給出的案例上進行分析并講解原理。2.小組討論PID的控制方法及控制過程每組派一名代表發言理論與實踐相結合，講完學完接著進行練習分析，讓學生知識點掌握更牢固通過學生自習，小組討論，讓學生能夠各抒己見，培養學生獨立思考的能力及小組合作的精神。老師及時總結給正確答案加以強化，使學生能夠記憶深刻。課堂小結1.掌握兩種模擬量模塊的的使用方法；2.掌握PID控制的過程及要點方法。3.了解PID各參數的含義及對控制過程的意義。作業布置查看任務的控制要求，了解系統的輸入輸出要點，為實訓做好備;教學后記項目十恒液位控制系統教案（實訓）項目名稱恒液位控制系統實訓課時4周次項目序號實訓目標掌握PLC控制灌裝生產線系統的外部接線及操作；2.學會PLC編寫PLC控制恒液位控制系統程序，能完成程序的調試；3.培養學生實訓操作的規范意識、節約意識，強化安全意識。作業準備各組長按照器材列表準備實訓器材序號名稱型號規格數量1可編程控制器200SMARTSR301只2模擬量輸入模塊EMAE041只3模擬量輸出模塊EMAQ021只4開關電源輸入AC220V，輸出DC24V1只5空氣開關DZ47-C32/2P1只6熔斷器RT18-32/201只7調節閥DN20（控制信號DC0-10V）1只8液位傳感器SIN-MP-C1只9網孔板通用1塊10電工工具1套11端子排TD20/15技術要求準確設置PLC參數；掌握電氣圖的閱讀方法；注意事項1、通電調試前一定先用萬用表測量確保各線路連接完好無誤。2、梯形圖無誤。實訓時間40分鐘評分準備項目內容評估內容評估標準配分學生自評學生互評教師評價專業技能知識掌握情況1.能掌握PID控制的基本工作原理得3分；2.能正確使用模擬量模塊得4分；3.能掌握PID的控制過程得3分。10前期準備和安全檢查1.未檢查電動機狀況扣2分；2.未檢查器件狀況扣2分；3.未檢查確認量工、量具扣2分；4.未檢查確認耗材扣2分；5.未清潔工位扣2分。10元器件安裝1.不按圖紙安裝扣5分；2.元件安裝不牢固,每只扣2分；3.元件安裝不整齊、不勻稱、不合理,每只扣2分4.損壞元件扣5分；5.走線槽安裝不符合要求,每處扣1分。10電路安裝工藝1.錯、漏、多接一根線扣5分；2.導線沒有使用插針每處扣1分；3.連接的導線沒有套打印的號碼管每處扣1分；4.損傷導線絕緣或線芯,每根扣4分；5.接地線不完整扣10分；6.多余的導線沒有放入線槽每處扣3分；7.配線不美觀、不整齊、不合理,每處扣2分。20程序檢查與運行液位傳感器不能正確檢測液位扣5分；不能正確控制調節閥的運行扣5分；不能實現恒液位控制扣10分20方法自主學習能力預習及做好上課準備5理解、總結能力能正確理解任務，善于總結5創新能力選用新方法、新工藝效果好5職業素養團隊協作能力積極參與、小組協作5語言表達能力觀點表達清楚，展示效果好5安全操作能力1.未穿工作服扣1分；2.未清潔、未歸位工、量具扣2分；3.操作過程損壞元器件或工量具、有安全隱患扣2分。5合計100教法選擇項目引領、任務驅動法教具學具課件、編程軟件、PLC等操作步驟（詳寫）活動一：在教師引領、實訓組長示范下，按任務規范要求，進行單項技能訓練（2課時）任務1：任務分析（5分鐘）在本項目中，閥門控制器采用調節閥控制，其外觀如圖10-9（a）所示，該調節閥能夠接收DC0—10V信號來進行開度調節，其中10V代表100%開度，0V表示0%開度。PLC經過計算后，通過D/A轉換模塊將計算結果轉換為DC0—10V的電壓信號，用于調節閥的開度調節。本項目中使用液位傳感器來檢測容器中的實時液位，液位傳感器外觀如圖10-9（b）所示，并通過變送器將其轉換為DC0-10V的電壓量。PLC通過A/D轉換模塊將此電壓量轉換為數字量用于程序的運算，西門子EM231模擬量控制模塊如圖10-9（c）所示。利用液位傳感器的變送器，將0~1000mm的液位值轉換為0~10V的電壓信號，送到擴展模塊EMAE04的模擬量輸入通道1，擴展模塊EMAE04將模擬量輸入0~10V電壓信號轉換為數字量，電壓信號與數字量值呈線性關系（如圖10-10（b）所示），對應數值范圍為0~27648，傳送到S7-200SMARTCPU中。（a）調節閥（b）西門子EM231模擬量模塊10-9調節閥與模擬量模塊（a）液位傳感器（b）數字量與液位變送器電壓值的關系圖10-10液位傳感器及其A/D轉換關系任務2：閱讀電氣原理圖（5分鐘）任務3：電氣線路的安裝與測量（50分鐘）（1）安裝元器件的技術規范1).安裝前必須檢查元器件有無損壞。2).安裝要橫平豎直，各器件留有一定的間距。3).不同電壓等級的器件要分開安裝。4).PLC要遠離干擾源。5).元器件的安裝要牢固可靠。（2）電氣線路安裝的要求1）.布線橫平豎直、不凌亂、不架空，導線連接可靠、不松動；2）.導線顏色、線徑使用正確；3）.導線兩端均使用冷壓插針、不傷線芯、不破皮、不露銅；4）.連接的導線套有寫有編號的號碼管；5）.導線正確進線槽，線槽外過長的要使用纏繞管；6）.接地可靠、完整。（3）測量電路測量電路正確性的目的是為通電調試做好準備，排除接線可能出現的錯誤，杜絕安全事故的發生。應測量的部位：電源部分、終端電路部分、輸入電路部分、輸出電路部分。任務4.配置硬件組態及模擬量模塊通道設置（10分鐘）（1）.配置硬件組態及模擬量模塊通道設置圖10-12系統塊配置（1）在系統塊的“CPU”中更改CPU型號為“CPUST30（DC/DC/DC）”,“EM0”中添加擴展模塊“EMAE04（4AI）”，“EM1”中添加擴展模塊“EMAQ02（2AQ）”。圖10-13配置EMAE04模塊（2）鼠標點擊“EM0”的“EMAE04（4AI）”，彈出對話框如圖10-13所示，勾選“用戶電源”啟用報警。然后鼠標點擊左側“模擬量輸入”的“通道0”對此通道進行參數配置，配置的參數如圖10-14所示：通道類型選擇為“電壓”、范圍選擇為“+/-10V”、抑制選擇為“50Hz”、濾波選擇為“弱（4個周期）”、勾選“超出上限”和“超出下限”報警。圖10-14模擬量輸入通道0設置圖10-15模擬量輸出通道0設置（3）鼠標點擊“EM1”的“EMAQ02（2AQ）”，同樣勾選“用戶電源”啟用報警。然后鼠標點擊左側“模擬量輸出”的“通道0”對此通道進行參數配置，配置的參數如圖10-15所示：通道類型選擇為“電壓”、范圍選擇為“+/-10V”、取消勾選“將輸出凍結在最后一個狀態”、勾選“超出上限”、“超出下限”和“短路”報警。設置結束之后鼠標點擊“確定”按鈕完成配置。任務5：配置PID向導（10分鐘）（1）在菜單欄“工具”向導中，點擊“PID”向導，在對話框中勾選“回路0（Loop0）”，如圖10-16所示圖10-16配置PID向導（2）鼠標單擊左側Loop0中的“參數”節點，向導對話框變為如圖10-17所示。其中“增益”為比例作業、“積分時間”為積分作用、“微分時間”為微分作用、“采樣時間”是PID控制器對反饋采樣以及對重新計算輸出值的時間間隔，此時我們先均采用默認值，后面在調試的過程中自整定。圖10-17配置參數（3）鼠標單擊左側Loop0中的“輸入”節點，向導對話框變為如圖10-18所示。在這個地方指定回路過程變量的標定方式，根據外界模擬量輸入的情況可以將其選擇為“單極”。在“標定”選項中設置過程變量為“0~27648”，由于我們液位傳感器的檢測范圍是0~1000mm，回路設置值可設置為“0~1000”，這樣計算過程中就可以認定其為工程量了。圖10-18配置輸入（4）鼠標單擊左側Loop0中的“輸出”節點，向導對話框變為如圖10-19所示。在這個地方指定回路輸出的標定方式，根據外界模擬量輸出的情況可以將其選擇為“單極”。范圍設置為“0~27648”。圖10-19配置輸出（5）鼠標單擊左側Loop0中的“報警”節點，向導對話框變為如圖10-20所示。勾選“啟動下限報警”、“啟動上限報警”和“啟用模擬量輸入錯誤”報警，報警值使用默認。圖10-20配置報警（6）鼠標單擊左側Loop0中的“代碼”節點，向導對話框變為如圖10-21所示。勾選“添加PID的手動控制”，這樣如果處于手動控制時就不執行PID運算，回路的輸出由程序控制。圖10-21配置子程序（7）鼠標單擊左側Loop0中的“存儲器分配”節點，向導對話框變為如圖10-22所示。PID向導為了完成PID運算需要120個字節的位存儲器，我們在編寫其他控制程序的時候一定要注意不再使用這些存儲器。圖10-22配置存儲器分配（8）鼠標單擊左側Loop0中的“組件”節點，向導對話框變為如圖10-23所示。向導列出了PID項目自動生成的組件。包括一個用于初始化PID的子程序、一個用于循環執行PID功能的中斷程序、一個120個字節的數據頁以及一個符號表。然后鼠標點擊“生成”按鈕，完成此PID的向導設置。圖10-23該PID自動生成的組件（9）生成PID組件后，可以在項目樹中展開“程序塊”下的“向導”文件夾中查看生成的PID初始化子程序“PID0_CTRL(SBR1)”及PID運行中斷程序“PID_EXE(INT1)”，可以雙擊打開程序說明。注意：這兩個程序是加密的，無法查看程序內容，僅可查看程序說明；中斷程序占用了“定時中斷0”，編程的時候不能重復使用。在符號表中單擊“PID0_SYM”選項卡可以查看PID的相關符號及地址信息，用于編程時參考。圖10-24查看PID的初始化子程序和運行中斷程序圖10-25查看PID的符號表任務6：調用PID生成的子程序編程（10分鐘）（1）在項目樹中展開“指令”下的“調用子例程”文件夾（圖10-26（a）），拖拽“PID0_CTRL(SBR1)”到main程序中，如圖10-26（b）所示。圖10-26（a）調用子例程圖10-26（b）子程序添加到main程序中（2）子程序“PID0_CTRL(SBR1)”的引腳定義可以參考其變量表（如圖10-27所示）。圖10-27子程序“PID0_CTRL(SBR1)”的變量表（3）編寫完整子程序“PID0_CTRL(SBR1)”的引腳定義，如圖10-28所示。給使能端EN添加一個常ON觸點“SM0.0（Always_On）”；過程變量輸入端“PV_I”定義為“AIW16（EM0_輸入0）”；設定值輸入端“Setpoint_R”定義為“500.0（直接為工程量，目標液位500mm）”；自動/手動模式切換端“Auto_Manual”定義“M0.0”,也就是M0.0為ON時是自動模式、OFF時是手動模式；手動模式下所需的回路輸出值“ManualOutput”端定義為“0.5”；PID輸出端“Output”定義為“AQW32（EM1_輸出0）”；上限報警輸出端“HighAlam”定義為“M1.0”；下限報警輸出端“LowAlam”定義為“M1.1”；模塊錯誤報警輸出端“ModuleErr”定義為“M1.2”。另外，查看圖10-25所示PID的符號表，可以通過給定符號數據的方式改變PID的相關參數。編寫完上述程序后，進行保存編譯。圖10-28子程序“PID0_CTRL(SBR1)”的引腳活動二：調試程序（1課時）任務1：下載調試（25分鐘）（1）將經過編譯的程序下載到PLC中，并將PLC的模式置為“RUN”。（2）將PID程序中用到的符號添加到狀態圖表中，并切換尋址顯示的模式及數據顯示格式，然后將狀態圖表切換為開始監控，如圖10-29所示。此時將M0.0置為ON，自動經過運算后向PID輸出，液位隨之發生變化。（3）此時可以在狀態圖表中修改PID的控制參數，觀察被控對象的變化狀態。也可以通過觸摸屏+程序的方式來調整PID的參數。更方便的是我們可以使用編程軟件中的PID控制面板來自整定控制參數。圖10-29狀態圖表任務2：使用PID