模塊5S7-200PLC拓展應用

PLC不僅可以取代傳統的繼電器控制系統，實現數字量控制。隨著生產的發展，控制系統規模的不斷擴大，不僅要求能實現數字量控制，更要求能對更復雜的過程控制系統實現模擬量控制和運動量控制。當現場設備和系統在較大的范圍內分布時，依靠單臺PLC來完成所有任務不僅不可能，也不合理，這就要求PLC具有組成多層次的工業化自動化網絡實現通信控制的功能。通過4項與本模塊相關的任務的實施，在熟練掌握前述各種PLC指令的基礎上，掌握PLC在模擬量控制中的應用，PLC與PLC之間、PLC與文本顯示器、PLC與變頻器之間的通信。任務5-1水箱水位恒定控制任務5-2S7-200PLC之間的通信任務5-3S7-200與文本顯示器的通信學習目標任務5-4S7-200與變頻器的通信任務5-1水箱水位恒定控制（1）掌握S7-200PLC模擬量輸入、輸出模塊的功能。（2）掌握PID指令。（3）掌握PLC在模擬量控制中的應用。（4）能夠編制PLC程序實現對水箱水位恒定控制系統的自動控制。任務目標任務5-1水箱水位恒定控制任務5-1水箱水位恒定控制前導知識

PLC的模擬量處理功能主要通過模擬量輸入/輸出模塊及用戶程序來完成。模擬量輸入模塊接受各種傳感器輸出的標準電壓信號或電流信號，并將其轉換為數字信號存儲到PLC中；PLC根據生產實際要求，通過用戶程序對轉換后的信息進行處理，并將處理結果通過模擬量輸出模塊轉換為標準電壓或電流信號去驅動執行元件。模擬量輸入/輸出模塊是PLC模擬量處理的硬件基礎，用戶程序數據處理是PLC模擬量處理的靈魂。S7-200系列PLC模擬量I/O模塊主要有EM231模擬量4路輸入、EM232模擬量2路輸出和EM235模擬量4輸入/1輸出混合模塊三種，另還有專門用于溫度控制的EM231模擬量輸入熱電偶模塊和EM231模擬量輸入熱電阻模塊。任務5-1水箱水位恒定控制前導知識1．模擬量輸入模塊——1）EM231模擬量輸入模塊

功能：是把模擬量輸入信號轉換為數字量信號。存儲在16位模擬量寄存器AIW中的數據有效位為12位，其格式如圖5-1所示。最高有效位是符號位：0表示正數，1表示負數。圖5-1模擬量輸入數據的數字量格式任務5-1水箱水位恒定控制前導知識1．模擬量輸入模塊——1）EM231模擬量輸入模塊圖5-2所示為EM231模擬量輸入模塊端子，模塊上部共有12個端子，每3個為一組（如RA、A+、A-）可作為一路模擬量的輸入通道，共4組，對應電壓信號只用2個端子（如A+、A-），電流信號需用3個端子（如RC、C+、C-），其中RC與C+端子短接。對于未用的輸入通道應短接（如B+、B-）。模塊下部左端M接DC24V電源負極，L+接電源正極。圖5-2EM231模擬量輸入模塊端子任務5-1水箱水位恒定控制前導知識1．模擬量輸入模塊——2）EM231模擬量輸入模塊的性能

EM231模擬量輸入模塊的性能主要有以下幾項，使用時要特別注意輸入信號的規格，不得超出其使用極限值。（1）數據格式：雙極性為-32000～+32000，單極性為0～32000。（2）輸入阻抗：大于等于10MΩ。（3）最大輸入電壓：30VDC。（4）最大輸入電流：32mA。（5）分辨率：最小滿量程電壓輸入時，為1.25mV；電流輸入時為5μA。（6）差入類型：差分輸入型。（7）輸入電壓電流范圍

·輸入電壓范圍：單極性為0～5V或0～10V，雙極性為±5V或±2.5V。

·輸入電流范圍：0～20mA。（8）擬量到數字量的轉換時間：小于250μs。任務5-1水箱水位恒定控制前導知識1．模擬量輸入模塊——3）EM231模擬量輸入模塊信號的整定輸入信號的類型及范圍通過模擬量輸入模塊右下側的DIP開關（SW1、SW2和SW3）設定。表5-1為EM231選擇模擬量輸入范圍的開關表。任務5-1水箱水位恒定控制前導知識1．模擬量輸入模塊——3）EM231模擬量輸入模塊信號的整定選擇好DIP開關后，還需對輸入信號進行整定，輸入信號的整定就是要確定模擬量輸入信號與數字信號轉換結果的對應關系。通過調節DIP設定開關左側的增益旋鈕（圖5-2）可調整該模塊的輸入輸出關系。調整步驟如下：（1）在模塊脫離電源的條件下，通過DIP開關選擇需要的輸入范圍；（2）接通CPU及模塊電源，并使模塊穩定15分鐘；（3）用一個電壓源或電流源，給模塊輸入一個零值信號；（4）讀取模擬量輸入寄存器AIW相應地址中的值，獲得偏移誤差（輸入為0時，模擬量模塊產生的數字量偏差值），該誤差在該模塊中無法得到校正；（5）將一個工程量的最大值加到模塊輸入端，調節增益電位器，直到讀數為32000或所需要的數值為止。任務5-1水箱水位恒定控制前導知識2．模擬量輸出模塊

EM232模擬量輸出模塊具有兩路模擬量輸出通道。其功能是將PLC模擬量輸出寄存器AQW中的數字量轉換為可用于驅動執行元件的模擬量。在16位模擬量輸出寄存器AQW中的數據有效位為12位，其格式如圖5-4所示。數據的最高有效位是符號位，最低4位在轉換為模擬量輸出值時，將自動屏弊。圖5-4模擬量輸出數據的數字量格式任務5-1水箱水位恒定控制前導知識2．模擬量輸出模塊如圖5-5所示是EM232模擬量輸出模塊端子。模塊上部有7個端子，左端起的每3個點為一組，作為一路模擬量輸出，共兩組：第一組V0端接電壓負載、I0端接電流負載，M0為公共端；第二組V1、I1、M1的接法與第一組類似。輸出模塊下部M、L+兩端接入DC24V供電電源。圖5-5EM232模擬量輸出模塊端子任務5-1水箱水位恒定控制前導知識3．模擬量輸入/輸出模塊

EM235模擬量輸入輸出模塊具有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出，它的輸入回路與EM231模擬量輸入模塊的輸入回路稍有不同，如圖5-6所示。它增加了一個偏置電壓調整回路，通過調節輸出接線端子右側的偏置電位器可以消除偏置誤差。其輸入特性與EM231模塊不同之處主要表現在可供選擇的輸入信號范圍更加細致，以便適應其更加廣泛的場合。圖5-6EM235模擬量輸入輸出模塊端子任務內容任務5-1水箱水位恒定控制

某水箱水位控制系統如圖5-8所示。因水箱出水速度時高時低，所以采用變速水泵向水箱供水，以實現對水位的恒定控制。設給定量為滿水位的75％，被控量水位值（為單極性信號）由液位計檢測后經A/D轉換送入PLC，用于控制電動機轉速的控制量信號由PLC執行PID指令后以單極性信號經D/A轉換后送出。擬采用PI控制，其增益、采樣周期和積分時間分別為：Kc=0.25，T=0.1s，TI=30min。要求開機后先由手動控制水泵，一直到水位上升為75％時，通過輸入點I0.0的置位切入自動狀態。制定計劃工作計劃:

在實際行動之前，預先對目標和行動方案作出選擇和具體安排，計劃是預測與構想，即預先進行行動安排；圍繞預期的目標，采取具體行動措施的工作過程，隨著目標的調整進行行動的調整。任務5-1水箱水位恒定控制任務實施任務5-1水箱水位恒定控制1．設計思路通過首次掃描調用子程序的方式，初始化PID參數表并為PID運算設置時間間隔（定時中斷）。PID參數表的首地址為VD100，定時中斷事件為10，子程序編號為0。通過定時中斷每隔100ms調用一次中斷服務程序。在中斷服務程序中，采樣被控量的水位值并進行標準化處理后送入PID參數表，若系統處于手動工作狀態，則做好切換到自動工作方式的準備（將手動時水泵轉速的給定值經標準化處理后送PID參數表作為輸出值及積分和，將手動時的水位值標準化后送PID參數表作為反饋量前值）；若系統為自動工作狀態，則執行PID運算，并將運算結果轉換成工程量后送模擬量輸出寄存器，通過D/A轉換以控制水泵的轉速，實現水位恒定控制要求。任務實施任務5-1水箱水位恒定控制2．程序設計采用PLC梯形圖語言編寫的水箱水位控制主程序如圖5-9所示，水箱水位控制子程序如圖5-10所示，水箱水位控制定時中斷服務子程序如圖5-11、圖5-12所示。圖5-9水箱水位控制主程序任務實施任務5-1水箱水位恒定控制2．程序設計圖5-10水箱水位控制子程序（初始化PID參數表、設置PID運算周期）任務實施任務5-1水箱水位恒定控制2．程序設計圖5-11水箱水位控制中斷服務子程序（讀水位值，自動時啟動PID運算）任務實施任務5-1水箱水位恒定控制2．程序設計圖5-12水箱水位控制中斷服務子程序（手動控制結果存PID參數表）任務實施任務5-1水箱水位恒定控制3．安裝配線按照圖5-8進行配線，完成水箱水位控制系統的接線。4．運行調試（1）運行STEP7Micro/WIN編程軟件，編寫控制程序并下載程序文件到PLC，使PLC進入運行方式。（2）打開狀態編輯器，錄入VD100、VD104、VD108、VD120、VD124、VD128、VD132，I0.0，I0.1，Q0.0，使其進入監控狀態。（3）通過強制操作I0.1，使Q0.0得電，將變頻器接入電源。調節電位器旋鈕，使變頻器頻率由0逐漸上升，水箱水位逐漸提高。觀察水位上升過程中，VD100、VD108、VD128、VD132各存儲單元數據的變化情況。（4）待水箱水位接近75%滿水位時，強制I0.0得電，使系統進入PID自動調節控制狀態。加大或減小水箱水位量，觀察系統各量的變化過程。（5）通過寫操作，分別改變增益、積分時間常數的大小，觀察系統的運行效果。檢查評價成果展示按任務質量評價標準進行。成果展示、分組交流任務5-1水箱水位恒定控制相關知識任務5-1水箱水位恒定控制在過程控制系統中，經常涉及模擬量的控制，如溫度、壓力和流量控制等。為了使控制系統穩定準確，要對模擬量進行采樣檢測，從而形成閉環控制系統。檢測的對象是被控物理量的實際數值，也稱為過程變量；用戶設定的調節目標值，也稱為給定值。控制系統對過程變量與給定值的差值進行PID（比例+積分+微分）運算，根據運算結果，形成對模擬量的控制作用，這就是模擬量PID調節功能。這種作用的結構如圖5-13所示。圖5-13PID控制系統結構圖相關知識任務5-1水箱水位恒定控制1．PID回路表

S7-200系列PLC中，通過PID回路指令來處理模擬量是非常方便的，PID功能的核心是PID指令。PID指令需要為其指定一個V變量存儲區地址開始的PID回路表（或稱為參數表）、PID回路號。PID回路表提供了給定和反饋及PID參數等數據入口，PID運算的結果也在回路表輸出，如表見表5-4所示。相關知識任務5-1水箱水位恒定控制1．PID回路表

PID回路有兩個輸入量，即給定值（SP）與過程變量（PV）。給定值通常是固定的值，過程變量是經過A/D轉換和計算后得到的被控量的實測值，給定值與過程變量都是現實存在的值，對于不同系統，它們的大小、范圍與工程單位有很大的區別。在回路表中它們只能被PID指令讀取，而不能改寫。PID指令對這些量運算之前，還要進行標準化轉換。每次完成PID運算后，都要更新回路表內的輸出值Mn，它被限制在0.0～0.1之間。從手動控制切換到PID自動控制方式時，回路表中的輸出值可以用來初始化輸出值。增益Kc為正時為正作用回路，反之為負作用回路。如果不想要比例作用，應將回路增益Kc設為0.0，對于增益為0.0的積分或微分控制，如果積分或微分時間為正，則為正作用回路，反之為負作用回路。如果使用積分控制，則上一次的積分值MX（積分和）要根據PID運算結果來更新，更新后的數值作為下一次運算的輸入。MX也應限制在0.0～0.1之間，當每次PID運算結束時，將MX寫入回路表，供下一次PID運算使用。相關知識任務5-1水箱水位恒定控制2．PID參數的設置方法

為執行PID指令，要對某些參數進行初始化設置，參數設置對控制效果的影響非常大，PID控制器有4個主要的參數Ts、Kc、TI和TD需要設置。在P、I、D這3種控制作用中，比例（P）部分與誤差在時間上是一致的。只要誤差一出現，比例部分就能及時地產生與誤差成正比的調節作用，具有調節及時的特點。比例系數Kc越大，比例調節作用越強，但過大會使系統的輸出量振蕩加劇，穩定性降低。積分（I）部分與誤差的大小和誤差的歷史情況都有關系，只要誤差不為零，控制器的輸出就會因積分作用而變化，一直到誤差消失。當系統處于穩定狀態時，積分部分才不再變化，因此積分部分可以消除穩態誤差，提高控制精度。但是積分作用的動作緩慢，滯后性強，可能給系統的動態性能帶來不良影響。積分時間常數TI增大時，積分作用減弱，系統的動態穩定性可能有所改善，但是消除穩態誤差的速度減慢。相關知識任務5-1水箱水位恒定控制2．PID參數的設置方法微分（D）部分反映了被控制量變化的趨勢，根據趨勢，微分部分提前給出較大的調節作用。它較比例調節更為及時，因此它具有超前和預測的特點。當微分時間常數TD增大時，可能會使超調量減少，動態性能改善，但是抑制高頻干擾的能力下降。如果TD太大，則系統輸出量可能會出現頻率較高的振蕩。為了使采樣值能及時反映模擬量的變化，Ts越小越好。但Ts太小會增加CPU的運算工作量，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒有什么變化，因此也不宜將Ts取得過小。相關知識任務5-1水箱水位恒定控制3．PID指令

S7-200系列PLC的PID指令沒有設置控制方式，執行PID指令時為自動方式；不執行PID指令時為手動方式。PID指令的功能是進行PID運算。該指令的格式及功能如表5-5所示。相關知識任務5-1水箱水位恒定控制3．PID指令說明：（1）LOOP為PID調節回路號，可在0～7范圍選取；為保證控制系統的每一條控制回路都能正常調節，必須為調節回路號LOOP賦不同的值，否則系統將不能正常工作；（2）TBL為與LOOP相對應的PID回路表的起始地址，指定PID運算的有關參數，見表5-4，它由36個字節組成，存儲著9個參數，可尋址的地址為VB；（3）為了保證在切換過程中無擾動、無沖擊，在轉換前必須把手動控制輸出值寫入回路表的參數Mn。并對回路表內的值進行下列操作：①使SPn（給定值）=PVn（過程變量）；②使PVn-1（前一次過程變量）=PVn（過程變量的當前值）；③使MX（積分和）=Mn（輸出量）。任務訓練任務5-1水箱水位恒定控制某電爐恒溫控制系統，溫度在50～500℃可調。控制要求如下：（1）采用PLC的PID調節功能實現。（2）采用EM231熱電偶模塊將熱電偶檢測到的溫度實際值送入PLC的AIW0單元中，作為溫度反饋信號。（3）采用EM232模擬量輸出模塊將PID運算的結果輸出到晶閘管調功器，以控制交流電源通過的周期數，實現電爐的恒溫控制要求。小結任務5-1水箱水位恒定控制