恒压供水系统的设计安装与调试ppt课件.ppt
工作任务1 PLC的数值运算工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,模块四 恒压供水系统的设计、安装与调试,上一页,下一页,返回,任务导入在PLC控制的恒压供水系统中，要用到模拟量采集和数据处理，为了使控制系统稳定工作，要运用PID运算（比例、积分、微分）；为了满足这些需求，实现过程控制、数据处理等，需要算术运算指令、逻辑运算指令和转换指令等特殊功能的指令，这些功能指令的出现，极大地拓宽了PLC的应用范围，增强了PLC编程的灵活性。任务分析将拨码器X和Y输入的数值按下面公式进行运算，然后显示结果中个位上的数值。(X+Y)X-Y/Y,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,知识链接一、算术运行指令1. 加法指令加法指令（Add）是对有符号数进行相加操作。它包括整数加法、双整数加法和实数加法。指令格式：LAD及STL，格式如图4-1所示。功能描述：在LAD中，IN1+IN2=OUT；在STL中IN1+OUT=OUT。数据类型：整数加法时，输入/输出均为INT；双整数加法时，输入/输出均为DINT；实数加法时，输入输出均为REAL。【例4-1】加法指令ADD的应用举例，如图4-2所示。在网络1中，当I0.1接通时，常数-100传送到变量存储器VW10；在网络2中，当I0.2接通时，常数500传送到VW20；,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,在网络3中，当I0.3接通时，执行加法指令，VW10中的数据-100与VW20中的数据500相加，运算结果400存储到VW30中。2. 减法指令减法指令（Subtract）是对有符号数进行相减操作。它包括整数减法、双整数减法和实数减法。功能描述：在LAD中，IN1-IN2=OUT；在STL中OUT-IN2=OUT。指令格式：LAD及STL格式如图4-3所示。数据类型：整数减法时，输入/输出均为INT；双整数减法时，输入/输出均为DINT；实数减法时，输入/输出均为REAL。【例4-2】减法指令SUB的应用举例，如图4-4所示，在网络1中，当I0.1接通，常数300传送到变量存储器VW10，常数1 200传送到VW20；在网络2中，当I0.2接通时，执行减法指令，VW10中的数据300与VW20中的数据1 200相减，运算结果-900存储到变量存储器VW30。由于运算结果为负，影响负数标志位SM1.2置1，输出继电器Q0.0通电。,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,3.乘法指令（1）一般乘法指令一般乘法指令（Multiply）是对有符号数进行相乘运算。它包括整数乘法、双整数乘法和实数乘法。指令格式：LAD及STL，格式如图4-5所示。功能描述：在LAD中，IN1*IN2=OUT；在STL中，IN2*OUT=OUT。数据类型：整数乘法时，输入/输出均为INT；双整数乘法时，输入/输出均为DINT；实数乘法时，输入/输出均为REAL。（2）完全整数乘法完全整数乘法（Multiply Integer to Double Integer）将两个单字长（16位）的符号整数IN1和IN2相乘，产生一个32位双整数结果OUT。,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,指令格式：LAD及STL，格式如图4-6所示。功能描述：在LAD中，IN1*IN2=OUT；在STL中IN2*OUT= OUT，32位运算结果存储单元的低16位运算前用于存放被乘数。数据类型：输入为INT，输出为DINT。【例4-3】乘法指令MUL的举例，如图4-7所示，当I0.0触点接通时，执行乘法指令，乘法运算的结果（10 92312=131 076）存储在VD30目标操作数中，其二进制格式为0000 0000 0000 0010 0000 0000 0000 0100。VD30中各字节存储的数据分别是VB30=0、VB31=2、VB32=0、VB33=4；VD30中各字存储的数据分别是VW30=+2、VW32=+4。,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,4. 除法指令（1）一般除法指令一般除法指令（Divide）是对有符号数进行相除操作。它包括整数除法、双整数除法和实数除法。指令格式：LAD及STL，格式如图4-8所示。功能描述：在LAD中，IN1/IN2=OUT；在STL中OUT/IN2=OUT。不保留余数。数据类型：整数除法时，输入/输出均为INT；双整数除法时，输入/输出均为DINT；实数除法时，输入/输出均为REAL。两个16位、32位数除运算，除法余数不保留。,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,（2）完全整数除法完全整数除法（Divide Integer to Double Integer）将两个单字长（16位）的符号整数IN1和IN2相除，产生一个32位结果，其中，低16位为商，高16位为余数。指令格式：LAD及STL，格式如图4-9所示。功能描述：在LAD中，IN1/IN2=OUT；在STL中OUT/IN2=OUT，32位运算结果存储单元的低16位运算前被兼用存放被除数。除法运算结果：商放在OUT的低16位字中，余数放在OUT的高16位字中。数据类型：输入为INT，输出为DINT。【例4-4】除法指令DIV的举例，如图4-10所示。如果I0.0触点接通，执行除法指令。除法运算的结果（15/2=商7余1）存储在VD20的目标操作数中，其中商7存储在VW22，余数1存储在VW20。其二进制格式为0000 0000 0000 0001 0000 0000 0000 0111。,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,VD20中各字节存储的数据分别是VB20=0、VB21=1、VB22=0、VB23=7；各字存储的数据分别是VW20=+1、VW22=+7。利用除2取余法，可以判断数据的奇偶性，如果余数为1是奇数，为0则是偶数。二、逻辑运算指令“与、或、异或”逻辑是开关量控制的基本逻辑关系，逻辑运算指令是对无符号数进行处理，主要包括逻辑“与”、“或”、“取反”、“异或”等指令。按操作数长度可分为字节、字、双字逻辑运算。1. 逻辑“与”指令WAND图4-11所示是与指令。说明：,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回, INl、IN2为两个相“与”的源操作数，OUT为存储“与”逻辑结果的目标操作数。 逻辑“与”指令的功能是将两个源操作数的数据进行二进制按位相“与”，并将运算结果存入目标操作数中。【例4-5】逻辑“与”指令WAND的举例，要求用输入继电器I0.010.4的位状态去控制输出继电器Q0.0Q0.4，可用输入字节IB0去控制输出字节QB0。对字节多余的控制位I0.5、I0.6和I0.7，可与0相“与”进行屏蔽。程序如图4-12所示。2. 逻辑“或”指令WOR逻辑或指令WOR如图4-13所示。说明：,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回, IN1和IN2为两个相“或”的源操作数，OUT为存储“或”运算结果的目标操作数。 逻辑“或”指令的功能是将两个源操作数的数据进行二进制按位相“或”，并将运算结果存入目标操作数中。【例4-6】逻辑“或”指令WOR的举例，要求用输入继电器字节IB0去控制输出继电器字节QB0，但Q0.3、Q0.4两位不受字节IB0的控制始终处于ON状态。可用逻辑“或”指令屏蔽I0.3、I0.4位，程序如图4-14所示。由此可得出结论：某位数据与0相“或”状态保持，与1相“或”状态置13. 逻辑“异或”指令WXOR图4-15所示是异或指令。,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,说明： IN1和IN2为两个相“异或”的源操作数，OUT为存储“异或”运算结果的目标操作数。 逻辑“异或”指令的功能是将两个源操作数的数据进行二进制按位相“异或”，输入相同时，“异或”运算结果为0；输入相异时，运算结果为1。【例4-7】逻辑“异或”指令WXOR的举例，如图4-16所示，如果想知道IB0在10 s后有哪些位发生了变化，可用下面的程序实现。VB0和VB1存放的是两次采集的8位数字量状态，将它们进行异或的结果存入VB0，如果VB0不是全0，那就说明其中某些位发生了变化。,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,三、数据类型转换指令转换指令是指对操作数的类型进行转换，包括数据的类型转换、码的类型转换以及数据和码之间的类型转换。PLC中的主要数据类型包括字节、整数、双整数和实数。主要的码制有BCD码、ASKII码、十进制数和十六进制数等。不同性质的指令对操作数的类型要求不同，因此在指令使用之前需要将操作数转化成相应的类型，转换指令可以完成这样的任务。1. 字节与整数（1）字节到整数指令格式：LAD及STL，格式如图4-17所示。功能描述：将字节型输入数据IN转换成整数类型，并将结果送到OUT输出。字节型是无符号的，所以没有符号扩展位。,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,数据类型：输入为字节，输出为INT。（2）整数到字节指令格式：LAD及STL，格式如图4-18所示。功能描述：将整数输入数据IN转换成字节类型，并将结果送到OUT输出。输入数据超出字节范围（0255）时产生溢出。数据类型：输入为INT，输出为字节。2. 整数与双整数（1）整数到双整数指令格式：LAD及STL，格式如图4-19（a）所示。功能描述：将整数输入数据IN转换成双整数类型（符号进行扩展），并将结果送到OUT输出。,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,数据类型：输入为INT，输出为DIND。（2）双整数到整数指令格式：LAD及STL，格式如图4-19（b）所示。功能描述：将双整数输入数据IN转换成整数类型，并将结果送到OUT输出。 输出数据超出整数范围时产生溢出。数据类型：输入为DINT，输出为IND。3. 双整数与实数（1）实数到双整数实数转换到双整数，有两条指令：ROUND和TRUNC。指令格式：LAD及STL，格式如图4-20（a）、（b）所示。,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,功能描述：将实数输入数据IN转换成双整数类型，并将结果送到OUT输出。输出数据超出整数范围时产生溢出。两条指令的区别是：前者小数点部分4舍5入，而后者小数部分直接舍去。数据类型：输入为REAL，输出为DIND。（2）双整数到实数指令格式：LAD及STL格式如图4-20（b）所示。功能描述：将双整数输入数据IN转换成实数，并将结果送到OUT输出。数据类型：输入为DINT，输出为REAL。（3）整数到实数没有直接的整数到实数转换指令。转换时，先使用I-DI（整数到双整数）指令，然后再使用DTR（双整数到实数）指令即可，如图4-20（c）所示。,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,4. 整数与BCD码BCD码：用二进制代表十进制数。8421BCD码是用二进制代表一位十进制数。在PLC中，存储的数据无论是以十进制格式输入还是以十六进制的格式输入，都是以二进制的格式存在的。如果直接使用SEG指令对两位以上的十进制数据进行编码，则会出现差错。如十进制数21的二进制存储格式是0001 0101，对高4位应用SEG指令编码，则得到“1”的七段显示码；对低4位应用SEG指令编码，则得到“5”的七段显示码，显示的数码“15”，是十六进制，而不是十进制数码“21”。显然，要想显示“21”，就要先将二进制数0001 0101转换成反映十进制进位关系（即逢十进一）的代码0010 0001，然后对高4位“2”和低4位“1”分别用SEG指令编出七段显示码。,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,这种用二进制形式反映十进制数码的代码称为BCD码，其中最常用的是8421BCD码，其指令以字方式出现。要想正确地显示十进制数码，必须先用BCD码转换指令I-BCD将二进制的数据转换成8421BCD码，再利用SEG指令编成七段显示码，最后输出控制数码管发光。（1）BCD码到整数指令格式：LAD及STL，格式如图4-21所示。功能描述：将BCD码输入数据IN转换成整数类型，并将结果送到OUT输出。输入数据IN的范围为09999。在STL中，IN和OUT使用相同的存储单元。数据类型：输入/输出均为字。,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,拨码开关的按键可以向PLC输入十进制数码（09）。如图4-22中两位拨码开关显示十进制数据53。拨码开关产生的是BCD码，而在PLC程序中数据的存储和操作都是二进制形式。因此，要使用BCDI指令将拨码开关产生的BCD码变换为二进制数。【例4-8】 将图4-22所示的拨码开关数据经BCD-I变换后存储到变量寄存器VW10中； 将图4-22所示的拨码开关数据不经BCD-I变换直接传送到变量寄存器VW20中。解 程序如图4-23所示。在网络1中，将输入状态传送VB1；在网络2中，经过BCD-I指令变换后，数据传送VW10；在网络3中，数据直接传送VW20。经BCDI变换后变量寄存器VW10中的数据 “53”是正确的。而不经BCDI变换，直接传送到变量寄存器VW20中的数据“83”则是错误的。,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,下一页,返回,（2）整数到BCD码指令格式：LAD及STL，格式如图4-24所示。功能描述：将整数输入数据IN转换成BCD码类型，并将结果送到OUT输出。输入数据IN的范围为09 999。在STL中，IN和OUT使用相同的存储单元。数据类型：输入/输出均为字。【例4-9】I-BCD指令的应用举例如图4-25所示。当I0.1接通时，先将21存入VW0，然后（VW0）=21编为BCD码输出到QB0。从图所示的工作过程看出，VW0中存储的二进制数据与QB0中存储的BCD码完全不同。QB0以4位BCD码为1组，从高至低分别是十进数2、1的BCD码。,工作任务1 PLC的数值运算,上一页,返回,任务实施一、画I/O接线数值运算X和Y通过拨码器输入、运算结果通过数码管显示的I/O接线如图4-26所示。二、根据运算要求编写控制梯形图梯形图如图4-27所示。,工作任务1 PLC的数值运算,下一页,返回,任务导入图4-32是PLC、变频器控制两台水泵供水的恒压供水系统图，在储水池中，只要水位低于高水位，则通过电磁阀YV自动往水池注水，水池水满时电磁阀YV关闭；同时水池的高/低水位信号可通过继电器触点J直接送给PLC，水池水满时J闭合，缺水时J断开。控制要求： 水池水满，水泵才能启动抽水，水池缺水，则不允许水泵电动机启动。 系统有自动/手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。 自动时，按启动按钮，先由变频器器启动1号泵运行，如工作频率已经达到50Hz，而压力仍不足时，经延时将1号泵切换成工频运行，再由变频器去起动2号泵，供水系统处于“1工1变”的运行状态；如变频器的工作频率已经降至下限频率，而压力仍偏高时，经延时使1号泵停机，供水系系统处于1台泵变频运行的状态的运行状态；,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,如工作频率已经达到50Hz，而压力仍不足时，延时后将2号泵切换成工频运行，再由变频器去启动1号泵，如此循环。 任务分析分析知，要实现恒压供水，必需采集管网的水压力，经PLC的PID运算后输出控制变频器带动水泵电动机运行，故要用到模拟量输入（EM231）、模拟量输出模块（EM232），通过PLC程序实现两台泵的切换，为了使系统稳定，在梯形图中要采用PID指令。 知识链接在工业控制中，某些输入量（如压力、温度、流量、转速等）是模拟量，某些执行机构（如电动调节阀、变频器等）要求PLC输出模拟信号。模拟量首先被传感器和变送器转换为标准量程的电流或电压，例如直流420 mA，15 V或010 V等。PLC用A/D转换器将它们转换成数字量。带正负号的电流或电压在A/D转换后用二进制补码表示。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,D/A转换器将PLC的数字输出量转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。模拟量I/O模块的主要任务就是实现A/D转换（模拟量输入）和D/A转换（模拟量输出），如图4-33所示。S7-200 CPU单元可以扩展A/D、D/A模块，从而可实现模拟量的输入和输出。一、PLC模拟量控制I/O模块与S7-22X CPU配套的A/D、D/A模块有EM231（4路12位模拟量输入）、EM232（2路12位模拟量输出）、EM 235（4路12位模拟量输入/1路12位模拟量输出）。1. 模拟量输入模块EM231（1）模拟量输入寻址通过A/D模块，S7-200 CPU可以将外部的模拟量（电流或电压）转换成一个字长（16位）的数字量（032 000）。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,可以用区域标识符（AI）、数据长度（W）和模拟通道的起始地址读取这些量，其格式为：AIW起始字节地址。因为模拟输入量为一个字长，且从偶数字节开始存放，所以必须从偶数字节地址读取这些值，如AIW0、AIW2、AIW4等。模拟量输入值为只读数据。（2）模拟量输入模块的配置和校准如图4-34所示是EM231的端子及DIP开关示意图。使用EM 231和EM 235输入模拟量时，首先要进行模块的配置和校准。通过调整模块中的DIP开关，可以设定输入模拟量的种类（电流、电压）以及模拟量的输入范围、极性，如表4-3所列。设定模拟量输入类型后，需要进行模块的校准，此操作需通过调整模块中的“增益调整”电位器实现。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,校准调节影响所有的输入通道。即使在校准以后，如果模拟量多路转换器之前的输入电路元件值发生变化，从不同通道读入同一个输入信号，其信号值也会有微小的不同。校准输入的步骤如下所述。 切断模块电源，用DIP开关选择需要的输入范围； 接通CPU和模块电源，使模块稳定15 min； 用一个变送器、一个电压源或电流源，将零值信号加到模块的一个输入端； 读取该输入通道在CPU中的测量值； 调节模块上的OFFSET（偏置）电位器，直到读数为零或需要的数字值； 将一个工程量的最大值（或满刻度模拟量信号）接到某一个输入端子，调节模块上的GAIN（增益）电位器，直到读数为32 000或需要的数字值。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回, 必要时重复上述校准偏置和增益的过程；如输入电压范围是010 V的模拟量信号，则对应的数字量结果应为032 000；电压为0 V时，数字量不一定是0，可能有一个偏置值，如图4-35所示。（3）输入模拟量的读取每个模拟量占用一个字长（16位），其中数据占12位。依据输入模拟量的极性，数据字格式有所不同。其格式如图4-36所示。单极性：215-23=32 760。差值：32 760-32 000=760，通过调偏差/增益系统完成。模拟量转换为数字量的12位读数是左对齐的。对单极性格式，最高位为符号位，最低3位是测量精度位，即A/D转换是以8为单位进行的；对双极性格式，最低4位为转换精度位，即A/D转换是以16为单位进行的。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,在读取模拟量时，利用数据传送指令MOV-W，可以从指定的模拟量输入通道将其读取到内存中，然后根据极性，利用移位指令或整数除法指令将其规格化，以便于处理数据值部分。2. 模拟量输出模块EM232（1）模拟量输出寻址图4-37是模拟量输出EM232端子及内部结构，通过D/A模块，S7-200 CPU把一个字长（16位）的数字量（032 000）按比例转换成电流或电压。用区域标识符（AQ）、数据长度（W）和模拟通道的起始地址存储这些量。其格式为：AQW起始字节地址。因为模拟输出量为一个字长，且从偶数字节开始，所以必须从偶数字节地址存储这些值，如AQW0、AQW2、AQW4等。模拟量输出值是只写数据，故用户不能读取。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,（2）模拟量的输出模拟量的输出范围为-10+10 V和020 mA（由接线方式决定），对应的数字量分别为-32 00032 000和032 000。图4-38所示模拟量数据输出值是左对齐的，最高有效位是符号位，0表示正值。最低4位是4个连续的0，在转换为模拟量输出值时将自动屏蔽，而不会影响输出信号值。在输出模拟量时，首先根据电流输出方式或电压输出方式，利用移位指令或整数乘法指令对数据值部分进行处理，然后利用数据传送指令MOV-W，将其从指定的模拟量输出通道输出。二、模拟量数据的处理1. 模拟量输入信号的整定通过模拟量输入模块转换后的数字信号直接存储在S7-200系列PLC的模拟量数据输出值拟量输入存储器AIW中。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,这种数字量与被转换的结果之间有一定的函数对应关系，但在数值上并不相等，必须经过某种转换才能使用。这种将模拟量输入模块转换后的数字信号在PLC内部按一定函数关系进行转换的过程称为模拟量输入信号的整定。模拟量输入信号的整定通常需要考虑以下几个问题。（1）模拟量输入值的数字量表示方法模拟量输入值的数字量表示方法即模拟量输入模块数据的位数是多少？是否从数据字的第0位开始？若不是，应进行移位操作使数据的最低位排列在数据字的第0位上，以保证数据的准确性。如EM231模拟量输入模块，在单极性信号输入时，模拟量的数据值是从第3位开始的，因此数据整定的任务是把该数据字右移3位。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,（2）模拟量输入值的数字量表示范围该范围由模拟量输入模块的转换精度决定的。如果输入量的范围大于模块可能表示的范围，则可以使输入量的范围限定在模块表示的范围内。（3）系统偏移量的消除系统偏移量是指在无模拟量信号输入情况下由测量元件的测量误差及模拟量输入模块的转换死区所引起的，具有一定数值的转换结果。消除这一偏移量的方法是在硬件方面进行调整（如调整EM231中偏置电位器）或使用PLC的运算指令消除。（4）过程量的最大变化范围过程量的最大变化范围与转换后的数字量最大变化范围应有一一对应的关系，这样就可以使转换后的数字量精确地反映过程量的变化。如用00 FH反映010 V的电压与用0FFH反映010 V的电压相比较，后者的灵敏度或精确度显然要比前者高得多。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,（5）标准化问题从模拟量输入模块采集到的过程量都是实际的工程量，其幅度、范围和测量单位都不同，在PLC内部进行数据运算之前，必须将这些值转换为无量纲的标准格式。（6）数字量滤波问题电压、电流等模拟量常常会因为现场干扰而产生较大波动。这种波动经A/D转换后亦反映在PLC的数字量输入端。若仅用瞬时采样值进行控制计算，将会产生较大误差，因此有必要进行滤波。工程上的数字滤波方法有平均值滤波、去极值平均滤波以及惯性滤波法等。算术平均值滤波的效果与采样次数有关，采样次数越多则效果越好。但这种滤波方法对于强干扰的抑制作用不大，而去极值平均滤波方法则可有效地消除明显的干扰信号。消除的方法是对多次采样值进行累加后，然后从累加和中减去最大值和最小值，再进行平均值滤波。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,惯性滤波的方法就是逐次修正，它类似于较大惯性的低通滤波功能。这些方法可同时使用，这样效果会更好。2. 模拟量输出信号的整定在PLC内部进行模拟量输入信号处理时，通常把模拟量输入模块转换后的数字量转换为标准工程量，经过工程实际需要的运算处理后，可得出上下限报警信号及控制信息。报警信息经过逻辑控制程序可直接通过PLC的数字量输出点输出，而控制信息需要暂存到模拟量存储器AQWx中，经模拟量输出模块转换为连续的电压或电流信号输出到控制系统的执行部件，以便进行调节。模拟量输出信号的整定就是要将PLC的运算结果按照一定的函数关系转换为模拟量输出寄存器中的数字值，以备模拟量输出模块转换为现场需要的输出电压或电流。已知在某温度控制系统中由PLC控制温度的升降。当PLC的模拟量输出模块输出10 V电压时，要求系统温度达到500，现PLC的运算结果为200，则应向模拟量输出存储器AQWx写入的数字量为多少？,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,这就是一个模拟量输出信号的整定问题。显然，解决这一问题的关键是要了解模拟量输出模块中的数字量与模拟量之间的对应关系，这一关系通常为线性关系。如EM232模拟量输出模块输出的010 V电压信号对应的内部数字量为032 000。上述运算结果200所对应的数字量可用简单的算术运算程序得出。【例4-11】如某管道水的压力是（01 MPa），通过变送器转化成（420 mA）输出，经过EM231的A/D转化，020 mA对应数字量范围是（032 000），当压力大于0.8 MPa时指示灯亮。解 工程量与模拟量、模拟量与数字量的对应关系如图4-39所示。0.8 MPa时的电流值为X=(20-4)(0.8-0)/(1-0)+40.8 MPa时的信号量是：X=16.8 mA；,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,对应的数字量是N=(32 000-0)(16.8-0)/(20-0)+00.8 MPa时的数字量是：N=26 880；程序如图4-40所示。【例4-12】如图4-41所示，某D/A转换通过EM232进行，输出驱动变频器工作，信号是（420 mA）时对应的频率范围是（10 Hz50 Hz），求数字量为20 000时的频率解 D/A转换器EM232数字量为（032 000）对应的模拟电流是（020mA），如图4-41（a）所示，设数字量为20 000时对应的电流为X，则有32 000/20=20 000/XX12.5 mA由图4-41（b）可得：(20-4)/(12.5-4)=(50-10)/(f-10) =31.25 Hz,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,三、PID控制指令1. PID控制在工业生产中，常需要用闭环控制方式实现温度、压力、流量等连续变化的模拟量控制。无论使用模拟控制器的模拟控制系统，还是使用计算机（包括PLC）的数字控制系统，PID控制都得到了广泛的应用。过程控制系统在对模拟量进行采样的基础上，一般还对采样值进行PID（比例+积分+微分）运算，并根据运算结果，形成对模拟量的控制作用。控制结构如图4-42所示。PID回路的输出变量M（t）是时间t的函数，如式（4-1）所示。 （4-1）式中：M(t)PID回路的输出，是时间函数；KcPID回路的增益；,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,ePID回路的偏差；MinitialPID回路输出的初始值。数字计算机处理这个函数关系式，将式子离散化，对偏差周期采样后，计算输出值，式（4-2）是式（4-1）的离散形式。Mn =Kcen+ KIen+MX+KD(en-en-1)=MPn+MIn+MDn （4-2）式中：Mn在第n次采样时刻PID回路输出的计算值KcPID回路的增益；e在第n次采样的偏差值；en-1在第n-1次采样的偏差值；KI积分项系数；MinitialPID回路输出的初始值；KD微分项系数。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,MX积分项前值（在第n次采样的积分值）；MPn第n次采样时刻的比例项；MIn第n次采样时刻的积分项；MDn第n次采样时刻的微分项。PID运算中的比例作用：可对偏差作出及时响应。积分作用：可以消除系统的静态误差，提高精度，加强系统对参数变化的适应能力。微分作用：可以克服惯性滞后，加快动作时间，克服振荡，提高抗干扰能力和系统的稳定性，可改善系统动态响应速度。因此，对于速度、位置等快过程及温度、化工合成等慢过程，PID控制都具有良好的实际效果。若能将三种作用的强度适当配合，则可以使PID回路快速、平稳、准确地运行，从而获得满意的控制效果。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,PID的三种作用是相互独立、互不影响的。改变一个参数，仅影响一种调节作用，而不影响其他调节作用。S7-200 CPU提供了8个回路的PID功能，用于实现需要按照PID控制规律进行自动调节的控制任务，如温度、压力和流量控制等。PID功能一般需要模拟量输入，以反映被控制物理量的实际数值，称为反馈；而用户设定的调节目标值，即为给定。PID运算的任务就是根据反馈与给定的差值，按照PID运算规律计算出结果，输出到固态开关元件（控制加热棒）或者变频器（驱动水泵）等执行机构进行调节，以达到自动维持被控制的量跟随给定变化的目的。S7-200中PID功能的核心是PID指令，PID指令需要指定一个以V为变量存储区地址开始的PID回路表以及PID回路号。PID回路表提供了给定和反馈以及PID参数等数据入口，PID运算的结果也在回路表中输出。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,2. PID调节指令格式及功能PID调节指令格式如图4-43（a）所示，图4-43（b）是表示参数起始地址为VB2，PID调节回路号为0。说明： LOOP为PID调节回路号，可在07范围选取。为保证控制系统的每一条控制回路都能得到正常调节，必须为调节回路号LOOP赋不同的值，否则系统将不能正常工作。 TBL为与LOOP相对应的PID参数表的起始地址。它由36个字节组成，存储着9个参数。其格式及含义如表4-4所列。 CPU 212和CPU 214无此指令。3. PID回路表的格式PLC在执行PID调节指令时，须对算法中的9个参数进行运算，为此，S7-200的PID指令使用一个存储回路参数的回路表，PID回路表的格式及含义如表4-4所示。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,说明： PLC可同时对多个生产过程（回路）实行闭环控制。由于每个生产过程的具体情况不同，PID算法的参数亦不同。因此，需建立每个控制过程的参数表，用于存放控制算法的参数和过程中的其他数据。当需要执行PID运算时，从参数表中把过程数据送至PID工作台，待运算完毕后，将有关数据结果再送至参数表。 表中反馈量PVn和给定值SPn为PID算法的输入，只可由PID指令读取并不可更改。通常反馈量来自模拟量输入模块，给定量来自人机对话设备，如TD200、触摸屏、组态软件监控系统等。 表中回路输出值Mn由PID指令计算得出，仅当PID指令完全执行完毕才予以更新。该值还需用户按工程量标定通过编程转换为16位数字值，送往PLC的模拟量输出寄存器AQWx。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回, 表中增益（Kc）、采样时间（TS）、积分时间（TI）和微分时间（TD）是由用户事先写入的值，通常也可通过人机对话设备（如TD200、触摸屏、组态软件监控系统）输入。 表中积分项前值（MX）由PID运算结果更新，且此更新值用作下一次PID运算的输入值。积分和的调整值必须是0.01.0之间的实数。4. 输入/输出量的处理（1）输入回路归一化处理AIWx16位整数32位整数32位实数标准化（0.01.0）将实数转换成0.01.0间的标准化数值，送回路表地址偏移量为0的存储区，用下式计算：实际数值的标准化数值实际数值的非标准化实数/取值范围偏移量,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,式中取值范围：单极性为32 000，双极性为64 000。偏移量：单极性为0 双极性为0.5。（2）输出回路处理标准化（0.01.0）32位整数16位整数AQWxPID的运算结果是一个在（0.01.0）范围内标准化实数格式的数据，必须转换为16位的按工程标定的值才能用于驱动实际机械如变频器等，用下式计算：输出实数数值=(PID回路输出标准化实数值-偏移量)取值范围式中取值范围：单极性为32 000，双极性为64 000。偏移量：单极性为0 双极性为0.5。（3）PID的运算框图由上述可知，PID运算前要对输入回路进行归一化处理，运算后再对输出回路进行逆处理，其运算过程参考图4-44，以利于理清编程思路。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,四、PID向导的应用STEP7-Micro/WIN提供了PID Wizard（PID指令向导），可以帮助用户方便地生成一个闭环控制过程的PID算法。用户只要在向导的指导下填写相应的参数，就可以方便快捷地完成PID运算的自动编程。用户只要在应用程序中调用PID向导生成的子程序，就可以完成PID控制任务。向导最多允许配置8个PID回路。PID向导既可生成模拟量输出的PID控制算法，也支持开关量输出；既支持连续自动调节，也支持手动参与控制，并能实现手动到自动的无扰切换。除此之外，它还支持PID反作用调节。PID功能块只接受0.01.0之间的实数作为反馈、给定与控制输出的有效数值。如果是直接使用PID功能块编程，则必须保证数据在这个范围之内，否则就会出错。其他如增益、采样时间、积分时间和微分时间都是实数。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,但PID向导已经把外围实际的物理量与PID功能块需要的输入/输出数据之间进行了转换，不再需要用户自己编程就可进行输入/输出的转换与标准化处理。【例4-13】对一台电动机进行转速控制，要求电动机的转速调整为额定转速的80%，系统采用PID控制，设比例增益KC=0.5，采样时间TS=0.1 s，积分时间TI=10 min，微分TD=5 min，在此控制中，由于考虑电动机可能要正反转，故设定输出为双极性模拟量，试编写PID控制程序。1. 主程序梯形图如图4-45所示。 2. 子程序梯形图如图4-46所示。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,3. 中断程序梯形图如图4-47所示。任务实施一、控制系统的I/O点及地址分配控制系统的输入/输出信号的名称、代码及地址编号如表4-5所列。二、PLC系统选型从上面分析可知，系统共有开关量输入点3个、开关量输出点5个；模拟量输入点1个、模拟量输出点1个。选用主机为CPU226PLC，模拟量输入模块EM231，模拟量输出模块EM232。三、电气控制系统原理图电气控制系统原理图包括主电路、控制电路及PLC外围接线图。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,（1）主电路图图4-48所示为电控系统主电路图。两台电机分别为M1和M2，接触器KM1和KM3分别控制M1和M2的工频运行；接触器KM2和KM4分别控制M1和M2的变频运行。（2）控制电路图图4-49所示为电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA在1的位置为手动控制状态；2的位置为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1SB4控制两台泵的启/停；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。通过一个中间继电器KA的触点对变频器运行进行控制。图中的Q0.0Q0.4为PLC的输出继电器触点。四、系统程序设计本程序分为三部分：主程序、子程序和中断程序。,工作任务2 基于PLC和变频器的恒压供水系统,上一页,下一页,返回,逻辑运算放在主程序，系统初始化的一些工作放在初始化程序中完成，这样可节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。系统设定值为满量程的80%，只是用比例（P）和积分（I）控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整以达到最优控制效果。初步确定的增益和时间常数为：增益KC=0.25；采样时间TS=0.2 s；积分时间TI=30 min。（1）主程序主程序流程图如图4-50的所示，对应的梯形图如图4-51所示。（2）子程
