第6章s7-200plc在模拟量闭环控制中的应用赖指南.ppt
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1、第6章 S7-200 PLC在模拟量闭环控制中的应用 6.1 模拟量闭环控制的基本概念 6.1.1 模拟量闭环控制系统的组成 1.模拟量单闭环控制系统的组成 典型的PLC模拟量单闭环控制系统如图6-1所示,虚线中的部分是用PLC实现的。,在模拟量闭环控制系统中,被控量C(t)(例如压力、温度、流量、转速等)是连续变化的模拟量,大多数执行机构(例如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等)要求PLC输出模拟信号MV(t),而PLC的CPU只能处理数字量。C(t)首先被测量元件(传感器)和变送器转换为标准的直流电流信号或直流电压信号PV(t),例如420m A ,1,用A/D转换器将它们转换为数字量P
2、V(n). 模拟量与数字量之间的相互转换和PID程序的执行都是周期性的操作,其间隔时间称为采样周期TS。各数字量括号中的n表示该变量是第n次采样计算时的数字量。 图6-1中的SP(n)是给定值,PV(n)为A/D转换后的反馈量,误差Ev(n)=SP(n)-PV(n)。 D/A转换器将PID控制器输出的数字量M (n)转换为模拟量(直流电压或直流电流)MV(t),再去控制执行机构。,例如在加热炉温度闭环控制系统中,用热电偶检测炉温,温度变送器将热电偶输出的微弱的电压信号转换为标准量程的电流或电压,然后送给模拟量输入模块,经A/D转换后得到与温度成比例的数字量,CPU将它与温度设定值比较,并按某种
3、控制规律(例如PID控制算法)对误差值进行运算,将运算结果(数字量)送给模拟量输出模块,经D/A转换后变为电流信号或电压信号,用来控制电动调节阀的开度,通过它控制加热用的天然气的流量,实现对温度的闭环控制。C(t)为系统的输出量,即被控量,例如加热炉中的温度。 模拟量控制系统分为恒值控制系统和随动系统。恒值控制系统的给定值由操作人员提供,一般很少变化,例如温度控制系统,转速控制系统等。随动系统的输入量是不断变化的随机变量,例如高射炮的瞄准控制系统和电动调节阀的开度控制系统就是典型的随动系统。闭环负反馈控制可以使控制系统的反馈量PV(n)等于或跟随给定值SP(n)。以炉温控制系统为例,假设输出的
4、温度值C(t)低于给定的温,度值,反馈量PV(n)小于给定值SP(n),误差EV(n)为正,控制器的输出量MV(t)将增大,使执行机构(电动调节阀)的开度增大,进入加热炉的天然气流量增加,加热炉的温度升高,最终使实际温度接近或等于给定值。 天然气压力的波动、工件进入加热炉,这些因素称为扰动量,它们会破坏炉温的稳定。闭环控制可以有效地抑制闭环中各种扰动的影响,使被控量趋近于给定值。 闭环控制系统的结构简单,容易实现自动控制,因此在各个领域得到了广泛的应用。 *2.复杂的控制系统的结构 级联控制。级联控制又称串级控制,两个控制器串行连接,第一个控制器(主控制器)的输出SP2是伺服控制器的设定值(见
5、图6-2)。,级联控制的控制性能可以用附加的过程变量来改进。为此在系统中适当的地方引出辅助过程变量PV2,将它与主控制器的输出SP2比较,得到的误差值作为伺服控制器的输入量。 主控制器的给定值为SP1,反馈值为PV1,它调整SP2,以便尽可能快地使过程变量PV1在没有超调的情况下达到设定值。 以电动调节阀为执行机构的控制系统就是一个级联控制系统。电动调节阀有一个位置随动系统,图6-2中的PV2是阀门的开度,即阀芯的位置。通过辅助回路的调节作用,阀门的开度与主控制器的输出量SP2成正比。, 混合控制器 合控制器总的设定值SP按一定的比例分配给各控制组件,各混合系数之和应为1,例如图6-3中的FA
6、C1+FAC4=1。, 单闭环比例控制器 对于某些控制系统来说,控制两个过程变量之间的比例比控制它们的绝对数值更重要,例如控制两台需要同步的设备的速度,可以使用图10-4中的单闭环比例控制器。, 多闭环比例控制器 多闭环比例控制使两个过程变量PV1和PV2之比保持为常数。为此用第一个控制闭环的过程量PV1来计算第2个控制闭环的设定值。在过程变量PV1动态变化的过程中也能保证PV1与PV2之间保持设定的比例。如图10-5所示。, 二级控制器 二级控制器(Two-Step Controller)只能提供开关量的两个相反的输出状态,例如开关的接通和断开。典型控制为通过继电器电器输出的脉冲宽度调制信号
7、对加热系统的控制。 三级控制器 三级控制器只能提供开关量的3个输出状态。应区分脉冲宽度调制(例如加热和冷却,加热-关机-冷却)和使用积分式执行机构的步进控制(例如右-停止-左)之间的区别。 6.1.2 闭环控制的主要性能指标 给定输入信号或扰动输入信号发生变化时,会引起输出量发生变化,系统的输出量达到稳态值之前的变化过程称为过渡过程或动态过程。系统的动态性能常用阶跃响应(阶跃输入时输出量的变化)的参数来描述。阶跃输入信号在t=0之前为0,t0时为某一恒定值。,输出量第一次达到稳态值的时间tr称为上升时间,上升时间反映了系统在响应初期的快速性。 系统进入并停留在稳态值c()上下5%(或2%)的误
8、差带内的时间tS称为调节时间,到达调节时间表示过渡过程已基本结束。 设动态过程中输出量的最大值为cmax(t),稳态值为c(),则超调量为,超调量反映了系统的相对稳定性,它越小动态稳定性越好,一般希望超调量小于10%。 系统的稳态误差是进入稳态后的期望值与实际值之差,它反映了系统的稳态精度。,6.1.3 闭环控制反馈极性的确定 闭环控制必须保证系统是负反馈(误差=给定值-反馈值),而不是正反馈(误差=给定值+反馈值)。如果系统接成了正反馈,将会失控,被控量会往单一方向增大或减小,给系统的安全带来极大的威胁。 闭环控制系统的反馈极性与很多因素有关,例如因为接线改变了变送器输出电流或输出电压的极性
9、,在PID控制程序中改变了误差的计算公式,改变了某些直线位移传感器或转角位移传感器的安装方向,都会改变反馈的极性。 可以用下述的方法来判断反馈的极性:在调试时断开D/A转换器与执行机构之间的连线,在开环状态下运行PID控制程序。如果控制器中有积分环节,因为反馈被断开了,不能消除误差,这时D/A转换器的输出电压会向一个方向变化。这时如果接上执行机构,形成闭环,能减小误差,则为负反馈,反之为正反馈。,以温度控制系统为例,假设开环运行时给定值大于反馈值,若D/A转换器的输出值不断增大,如果形成闭环,将使电动调节阀的开度增大,闭环后温度反馈值将会增大,使误差减小,由此可以判定系统是负反馈。 6.1.4
10、 变送器的选择 变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换为标准的直流电流或直流电压信号,例如DC010V和420mA。变送器分为电流输出型和电压输出型,电压输出型变送器具有恒压源的性质,PLC模拟量输入模块的电压输入端的输入阻抗很高,例如100k10M。如果变送器距离PLC较远,通过线路间的分布电容和分布电感产生的干扰信号电流在模块的输入阻抗上将产生较高的干扰电压。例如1A干扰电流在10 M输入阻抗上将产生10V的干扰电压信号,所以远程传送模拟量电压信号时抗干扰能力很差。,电流输出具有恒流源的性质,恒流源的内阻很大。PLC的模拟量输入模块输入电流时,输入阻抗较低(例如250)。线路上的干扰信号
11、在模块的输入阻抗上产生的干扰电压很低,所以模拟量电流信号适于远程传送。 电流传送比电压传送的传送距离远得多,S7-200的模拟量输入模块使用屏蔽电缆信号线时允许的最大距离为200m。 变送器分为二线式和三线式,三线式变送器有3根线:电源线、信号线和公共线。二线式变送器只有两根外部接线,如图6-6所示。它们既是电源线,也是信号线,输出420 mA的信号电流,DC24V电源串接在回路中。通过调试,在被检测信号满量程时输出电流为20,mA。二线式变送器的接线少,信号可以远传,在工业中得到了广泛的应用。,6.1.5 PLC的模拟量输入接口 它的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合可编程序控制
12、器内部处理的由若干位二进制数字表示的信号。模拟量输入接口接受标准模拟信号,无论是电压信号还是电流信号均可。这里标准信号是指符合国际标准的通用交互用电压电流信号值,如 4 20mA 的直流电流信号, 1 10V 的直流电压信号等。工业现场中,模拟量信号的变化范围一般是不标准的,在送入模拟量接口时都需经变送处理才能使用。图6-7是模拟量输入接口的内部电路框图。 模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行 A/D 转换,再经光电耦合后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号。,6.1.6 PLC的模拟量输出接口 它的作用是将可编程控制器运算处理后的若干位数字量信号转换为响应的模拟量信号输出,以满足生产
13、过程现场连续控制信号的需求。模拟量输出接口一般由光电隔离、 D/A 转换和信号驱动等环节组成。其原理框图如图6-8所示 。,6.2 S7-200PLC的模拟量扩展模块 6.2.1 模拟量扩展模块的功能 模拟量扩展模块为PLC主机提供了模拟量输入/输出的功能,具有以下特点: (1) 最佳适应性,可适用于复杂的控制场合。 (2)直接与传感器和执行器相连,12 位的分辨率和多种输入/输出范围能够在不外加放大器的情况下与传感器和执行器直接相连,例如EM231RTD模块可直接与PT100 热电阻相连 (3)灵活性,当实际应用变化时,PLC 可以相应地进行扩展,并可非常容易的调整用户程序。 (4)扩展模块
14、具有与基本单元相同的设计特点,S7-200(CN)PLC 的扩展模块种类很多,安装方式与CPU相同。当需要的扩展模块较多时,模块连接起来会过长,这时可以使用扩展转接电缆重叠排布。,(5)安装方便,可以在标准导轨上安装,模块卡装在紧挨CPU 右侧的导轨上,通过总线连接电缆与CPU 互相连接。也可以直接安装,模块上有固定螺孔,也可以用螺钉将模块固定安装在柜板上,这种安装方式建议在剧烈振动的情况下使用。 6.2.2 S7-200 PLC模拟量扩展模块的分类 1.常规模拟量控制模块 有EM231模拟量输入模块,有EM232模拟量输出模块,有EM235模拟量输入输出模块。适用于CPU 222、CPU22
15、4、CPU 224XP和CPU226系列的PLC。图6-9为EM235模块端子接线图。 2.热电阻和热电偶模块 RTD(热电阻)和热电偶模块适用于CPU 222、CPU224、CPU 224XP和CPU226模块。,RTD和热电偶模块安装在一个稳定的温度环境内时,具有最佳的性能。例如,EM231CT热电偶模块有专门的冷端补偿电路。该电路在模块连接器处测量温度,并对测量值作出必要的修正,以补偿基准温度,和模块处温度之间的温度差。如果EM231热电偶模块安装环境的温度变化很剧烈,则会引起附加的误差。为了达到最大的精度和重复性,热电阻扩展模块EM231RTD和热电偶模块EM231CT要安装在环境温度
16、稳定的地方。 使用屏蔽线是最好的噪声抑制方法。如果热电偶的输入未使用,短接未使用的通道,或将它们并行连接到其它通道上。,(1)EM231RTD热电阻模块 EM231RTD热电阻模块为S7-200连接各种型号的热电阻提供了方便的接口。它允许S7-200PLC测量三个不同的电阻范围。连接到模块的各个热电阻必须是相同的类型。端子接线图如图6-10所示。 组态EM231RTD(热电阻)模块使用DIP开关可以选择热电阻的类型,接线方式,温度测量单位和传感器熔断方向。要使DIP开关设置起作用,在设置好后,需要重新给PLC和/或用户的24V电源上电。 (2)EM231热电偶模块 为S7-200系列产品提供了
17、连接7种类型的热电偶的使用方便的、带隔离的接口:J、K、E、N、S、T和R。它可以使S7-200PLC连接低电平模拟信号,测量范围为80mV。所有连接到该模块的热电偶都必须是同一类型的。端子接线图如图6-11所示。 配置DIP开关位于模块的底部,可以选择热电偶模块的类型、断线检测、温度范围和冷端补偿。要使DIP开关设置起作用,在设置好后,需要给PLC和/或用户的24V电源重新上电。,3. 模拟量扩展模块接线安装的要求 首先确保24VDC传感器电源无噪声、稳定。其次传感器线尽可能短,传感器线使用屏蔽的双绞线,仅在传感器侧将屏蔽接终端,避免将导线弯成锐角,使用电缆槽进行敷线,避免将信号线与高能量线
18、平行布置,若两条线必须交叉,应以直角度相交。再次,未用通道的输入端应短接, 通过隔离输入信号或输入信号参考于模拟量模块外部24V电源的公共端,从而确保输入信号范围在技术规范所规定的共模电压内。 6.2.3 根据模拟量输入模块的输出值计算对应的物理量输入值 1.模拟输入量的模拟值数据格式 模拟量输入输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值,模拟值用16位二进制补码来表示。最高位为符号位,正数的符号位为0,负数的符号位为1。对于单极性输入模拟量满量程对应的模拟值为032767,双极性输入模拟量满量程对应-32768+32767。,2.应用举例 例6-1 压力变送器的量程为010MPa,输出信号为420
19、mA,模拟量输入模块的量程为020mA,转换后的数字量为032000,设转换后得到的数字为N,试求以kPa为单位的压力值PN。 解:由于模拟量输入模块的量程为020mA,转换后的数字量为032000,因此,每1mA输入电流转换后的数字量为 4mA输入电流转换后的数字量为 ,由此可知,010MPa(010000kPa)对应于转换后的数字为640032000,它们之间的对应,因此,与转换后的数字N相对应的压力,关系见图6-12。由该图可列出压力P与转换后的数字N之间的方程式,(0.1),例6-2 某温度变送器的量程为 200500,输出信号为420mA,某模拟量输入模块将020mA的电流信号转换为
20、数字032000,对应关系见图6-12,设转换后得到的数字为N,求以0.1为单位的温度值。 解:单位为0.1的温度值20005000对应于数字量640032000,根据比例关系(见图6-12),得出温度TN的计算公式为:,6.3 数字PID控制器 PID是比例、微分、积分的缩写,PID控制器是应用最广的闭环控制器,有人估计现在有90以上的闭环控制采用PID控制器。这是因为PID控制具有以下的优点: (1)不需要被控对象的数学模型 自动控制理论中的分析和设计方法基本上是建立在被控对象的线性定常数学模型的基础上的。该模型忽略了实际系统中的非线性和时变的因素,与实际系统有较大的差距。对于许多工业控制
21、对象,根本就无法建立较为准确的数学模型,因此自动控制理论中的设计方法对大多数实际系统是无能为力的。对于这一类系统,使用PID控制可以得到比较满意的效果。 (2)结构简单,容易实现 PID控制器的结构典型,程序设计简单,计算工作量较小,各参数相互独立,有明确的物理意义,参数调整方便,容易实现多回路控制、串级控制等复杂的控制。,(3)有较强的灵活性和适应性 根据被控对象的具体情况,可以采用PID控制器的多种变种和改进的控制方式,例如PI、PD、带死区的PID、积分分离式PID和变速积分PID等,但比例控制一般是必不可少的。随着智能控制技术的发展,PID控制与神经网络控制等现代控制方法相结合,可以实
22、现PID控制器的参数自整定,使PID控制器具有经久不衰的生命力。 (4)使用方便 由于用途广泛、使用灵活,已有多种控制产品具有PID控制功能,使用中只需设定一些比较容易整定的参数即可,有的产品还具有参数自整定功能。,(6-1),(6-2),式中,Mn第n次采样时的PID回路的输出值,它是时间的函数; en第n次采样时的偏差值, ; en-1第n-1次采样时的偏差值; Minitial PID回路输出的初始值; ej第j次采样时的偏差值; KI积分项的比例常数, ; KD微分项的比例常数, ;,为了能让计算机处理这个算式,连续算式必须离散化为下述周期性采样偏差算式:,从式(6-2)知,积分项是从
23、第1个采样周期到当前采样周期的所有误差项之和的函数,微分项是当前采样周期与前一个采样周期的误差项之差函数,比例项仅是当前采样周期的误差项的函数。 对于式(6-2)中的积分项来说,随着采样次数n的增加,该项中的误差项e1 ,e2,e3,en会越来越多,它们所需占用的字存储单元数也会越来越多,而且求和的计算工作量也会越来越大,以至于计算机最终无法提供足够多的字存储单元来保存超限量多的误差项,也无法计算出超限量求和次数的求和值。因此,需要对式(6-2)进行改造,改造后的算式如式(6-3)所示:,(6-3),式中,MX第n-1次采样时的积分项,,由于计算机从第一次采样开始,每采样一次就计算一次积分值,
24、因此,每次计算出积分值后,只需把该积分值保存下来,作为下一次采样时积分项中的前一次采样时的积分值MX,即可很快计算出下一次采样时的积分项,这样就大大减轻了每一次求积分项的计算工作量。这样处理后,也不需要再保存历次采样时的误差项e1 ,e2,e3,en了,因此,还大大节省了存储单元。 为了最大限度地减小计算机的计算工作量,还可对式(6-3)作进一步的改进,改进后的算式如下:,(6-4),式中,MPn第n次采样时的比例项, 按下式计算:,(6-5),MDn第n次采样时刻的微分项,按下式计算:,(6-6),(6-7),(6-8),其中,SPn第n采样时刻的给定值; PVn第n采样时刻的过程变量值;
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- s7 200 plc 模拟 闭环控制 中的 应用 指南
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