第6章

PLC模擬量采集及PID控制回路

連續變化的物理量通常稱為模擬量。計算機接收、處理和輸出的只能是離散的、二進制表示的數字量。為此，在計算機控制和檢測系統中，需要檢測的自然界的模擬量必須首先轉換為數字量（稱為模-數轉換或A/D轉換），然后輸入給計算機進行處理。而計算機輸出的數字量（控制信號），需要轉換為模擬量（稱為數-模轉換或D/A轉換），以實現對外部執行部件的控制。

。6.1模擬量及閉環控制系統6.1.1模擬信號獲取及變換

傳感器能夠感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成相應的輸出信號的器件或裝置稱為傳感器。傳感器通常由敏感元件和轉換元件組成。顧名思義，傳感器的功能是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。傳感器一般應由敏感元件、轉換元件、轉換電路組成。在工業生產過程中常用傳感器有電阻應變式傳感器、熱電阻傳感器、熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光電傳感器、壓力傳感器、渦輪流量傳感器等.例：

被測溫度通過熱電偶傳感器將其轉換為相應的熱電勢（mv）輸入給熱電偶變送器，變送器采用二線制供電兼輸出接線方式，24VDC電源的正極與變送器的V+連接、負極通過負載（一般為250

電阻）與變送器的V-連接，變送器電流輸出為與被測溫度成線性關系的4～20mA標準信號電流。該電流通過250電阻將其轉換為1~5V電壓，作為A/D轉換器的模擬量輸入信號，A/D轉換器輸出的數字量信號可以直接輸入給計算機進行處理。6.1.2閉環控制

計算機閉環控制系統：

被控設備（對象）輸出的物理量（即被控參數或稱系統輸出參數），經傳感器、變送器、A/D轉換后反饋到輸入端，與期望值（即給定值或稱系統輸入參數）進行比較，當二者產生偏差時，對該偏差進行決策或PID運算處理，其處理后的信號經D/A轉換器轉換為模擬量輸出，控制執行器進行調節，從而使輸出參數按輸入給定的條件或規律變化。由于系統是閉和的，輸出量的變化經變送器反饋到輸入端與輸入量進行比較，由于反饋的輸出量與輸入量相位相反，所以也稱閉環控制負反饋系統。

6.1.3PID控制算法及應用特點

1.PID表達式

在模擬量作為被控參數的控制系統中，為了使被控參數按照一定的規律變化，需要在控制回路中設置比例（P）、積分（I）、微分（D）運算及其運算組和作為控制器輸出信號。S7-200設置了專用于PID運算的回路表參數和PID回路指令，可以方便地實現PID運算操作。在一般情況下，控制系統主要針對被控參數PV（又稱過程變量）與期望值SP（又稱給定值）之間產生的偏差e進行PID運算。其數學函數表達式為：2.PID控制參數的物理意義（1）比例控制（P）

比例控制是控制系統最基本的控制方式，其控制器的輸出量與控制器輸入量（偏差）成比例關系，輸出量由比例系數Kp控制，比例系數越大，比例調節作用越強，（2）積分控制（I）

積分控制是指控制器的輸出量與控制器輸入量（偏差）的成積分關系，積分控制可以消除偏差，提高控制精度。（3）微分控制（D）

微分控制是指控制器的輸出量與控制器輸入量（偏差）的成微分關系，或者說，只要系統有偏差的變化率，控制器輸出量就按期變化率的大小變化（而不管其偏差的大小），即使在偏差很小時，但其偏差的變化率存在，控制器輸出仍然會產生較大的變化。6.2S7-200PLC對模擬信號的處理

6.2.1模擬量輸入輸出模塊

在S7-200CPU系列中，能夠實現模擬信號處理的僅有CPU224XP，內置2輸入/1輸出模擬量端口。

S7-200還配備了3種模擬量擴展模塊，分別為EM231、EW232、EW235，以滿足系統需要。為了方便工業生產過程已經廣泛使用熱電偶、熱電阻傳感器對溫度的測量，S7-200還配備了EM231熱電偶擴展模塊直接以熱電偶輸出的電勢作為輸入信號、EM231熱電阻輸入擴展模塊提供了與多種熱電阻的連接口。EM235模擬量擴展模塊接線圖

6.2.2模擬量/數字量與物理量的標度變換

模擬量信號輸入信號為0-20mA，，則在S7-200CPU內部，0–20mA對應于數字量的范圍0–32000（十進制表示，下同）；對于4-20mA的信號，由于線性關系，則對應的內部數字量應為6400-32000。

例：模擬量編程示例。采用CPU222PLC，僅帶一個模擬量擴展模塊EM235，該模塊的第一個通道地址為AIW0，輸入端連接一塊溫度變送器，該變送器輸入量程Tmax-Tmin=100攝氏度，輸出電流為4—20mA。則溫度T與AIW0單元數字量D轉換關系為：

T=((D-D0)(Am-A0)/(Dm-D0))×(Tmax-Tmin)/(Am-A0)=((AIW0-6400)(20-4)/(32000-6400))×(100-0)/(20-4)=(AIW0-6400)/256數字量轉換為溫度值梯形圖程序6.3PID控制指令及應用

S7-200設置了專用于PID運算的回路表參數和PID回路指令，可以方便地實現PID運算操作。

PID算法控制系統主要針對被控參數PV（又稱過程變量）與期望值SP（又稱給定值）之間產生的偏差e進行PID運算。其數學函數表達式為：6.3.1PID回路輸入、輸出轉換及標準化數據

（1）PID回路

S7-200為用戶提供了8條PID控制回路，回路號為0～7，即可以使用8條PID指令實現8個回路的PID運算。（2）回路輸入轉換及標準化數據每個PID回路有兩個輸入量，給定值（SP）和過程變量（PV）。在PID指令對這些物理量進行運算之前，必須對它們及其它輸入量進行標準化處理，即通過程序將它們轉換成標準的浮點型表達形式。（3）回路輸出值轉換成標定數據

PID回路輸出的是0.0~1.0之間標準化的實數值，回路輸出在驅動模擬執行部件之前，必須將標準化的實數值轉換成一個16位的標定整數值。6.3.3正作用和反作用回路

為了保證系統實現負反饋，在控制對象、執行機構的正反作用確定后，必須正確選擇PID控制器（回路）輸入與輸出之間的正、反作用。在程序設計時，如果選擇為正作用，PID輸出表達式為（回路增益）正號；如果選擇為反作用，PID輸出表達式（回路增益）為負號。對于增益值為0.0的I或D控制，如果設定積分時間、微分時間為正，就是正作用回路；如果設定其為負值，就是反作用回路。

由于系統的各個環節（執行器、對象）輸入輸出之間的正反作用是由生產工藝需求決定的，因此，必須確定包括PID回路在內的閉環控制系統為負反饋，才能保證控制質量指標。如果系統為正反饋，則系統輸出得不到控制，反而愈演愈烈甚至引起系統崩潰。6.3.5PID回路表

用于填寫PID運算公式的9個參數。回路表用來存放控制和監視PID運算的參數，每個PID控制回路都有一個確定起始地址（TBL）的回路表。PID回路表6.3.6PID回路指令

PID運算通過PID回路指令來實現。

EN：啟動PID指令輸入信號；

TBL：PID回路表的起始地址（由變量存儲器VB指定字節性數據）；

LOOP：PID控制回路號（0～7）。指令功能：在輸入有效時，根據回路表（TBL）中的輸入配置信息，對相應的LOOP回路執行PID回路計算，其結果經回路表指定的輸出域輸出。注意：●在使用該指令前，必須建立回路表，因為該指令是以回路表TBL提供的過程變量、設定值、增益、積分時間、微分時間、輸出等進行運算的。●PID指令不檢查回路表中的一些輸入值，必須保證過程變量和設定值在0.0到1.0之間。●該指令必須使用在以定時產生的中斷程序中。●如果PID算術運算發生錯誤，則特殊存儲器標志位SM1.1置1，并且中止PID指令的執行。6.3.7PID參數工程整定

在穩定系統中，如果系統受到干擾，偏離了平衡狀態，但系統經過控制器的調整仍然能夠恢復到一個新的穩態（靜態），這個所謂的調整就是對PID參數進行設置。

如何確定PID算法中的比例增益Kp、積分時間Ti、微分時間Td（PID參數設置），是決定系統動態過程及靜態指標的重要因素。PID參數設置又稱為PID參數工程整定，常用的整定方法有臨界比例（度）法、衰減曲線法、反應曲線法及經驗法。6.3.8PID控制回路的編程步驟

1）首先指定內存變量區回路表的首地址（設為VB200）；

2）將設定值SPn（雙字，下同）、增益Kc、采樣時間Ts、積分時間Ti、微分時間Td寫入表中。

3）設置定時中斷初始化程序，PID指令必須使用在定時中斷程序中（中斷事件號為9或10）。

4）讀取過程變量模擬量（如AIW2），并進行回路輸入轉換及標準化處理后寫入回路表首單元VD200

；

5）執行PID回路運算指令；

6）對PID回路運算的輸出結果單元VD208進行數據轉換后送入模擬量輸出。

參看教材圖6-11

PID回路表及定時0中斷初始化子程序實例

6.4PID指令向導

為了更方便地應用PID指令，在SETP7-Micro/WINV4.0編程環境中，提供