任務(wù)十七 水箱水位控制系統(tǒng)的編程與實(shí)現(xiàn)課件

1、PLC控制系統(tǒng)編程與實(shí)現(xiàn) 任 務(wù) 提 出任 務(wù) 目 標(biāo)相 關(guān) 知 識(shí)任 務(wù) 分 析任 務(wù) 實(shí) 施任 務(wù) 訓(xùn) 練任務(wù)十七 水箱水位控制系統(tǒng)的編程與實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)編程與實(shí)現(xiàn)一.任務(wù)提出 通過學(xué)習(xí)S7-200 PLC的模擬量輸入輸出模塊的應(yīng)用，能夠編制PLC程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)水箱水位恒定控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制。PLC控制系統(tǒng)編程與實(shí)現(xiàn)1. 掌握S7-200 PLC模擬量輸入輸出模塊的功能。2. 掌握PID指令。3. 能夠掌握PLC在模擬量控制中的應(yīng)用。二. 任務(wù)目標(biāo)PLC控制系統(tǒng)編程與實(shí)現(xiàn)1.基本知識(shí)(1) 模擬量輸入模塊 模擬量輸入模塊（EM231）具有4路模擬量輸入，輸入信號(hào)可以是電壓，也可以是電流，其

2、輸入與PLC具有隔離，輸入信號(hào)的范圍可以由SW1、SW2和SW3設(shè)定。具體技術(shù)性能如表6-1所示。三.相關(guān)知識(shí) 圖6-1是EM231模擬量輸入模塊的接線，模塊上部共有12個(gè)端子，每3個(gè)點(diǎn)為一組（例如RA、A+、A-）可作為一路模擬量的輸入通道，共4組，對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)只用兩個(gè)端子（見圖6-1中的、A+、A-），電流信號(hào)需用3個(gè)端子（見圖6-1中的RC、C+、C-），其中RC與C+端子短接。對(duì)于未用的輸入通道應(yīng)短接（見圖6-1中的B+、B-）。模塊下部左端M、L+兩端應(yīng)接入DC24V電源，右端分別是校準(zhǔn)電位器和配置設(shè)定開關(guān)（DIP）。三.相關(guān)知識(shí)圖6-1 EM231模擬量輸入模塊的接線三.相關(guān)知識(shí)

3、模擬量輸入模塊的分辨率通常以A/D轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)數(shù)字量的位數(shù)來表示，模擬量輸入模塊（EM231）的輸入信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量數(shù)據(jù)值是12位二進(jìn)制數(shù)。數(shù)據(jù)值的12位在CPU中的存放格式如圖6-2所示。最高有效位是符號(hào)位：0表示正值數(shù)據(jù)，1表示負(fù)值數(shù)據(jù)。圖6-2 EM231、EM235輸入數(shù)據(jù)格式 模擬量輸出模塊（EM232）具有兩個(gè)模擬量輸出通道。每個(gè)輸出通道占用存儲(chǔ)器AQ區(qū)域兩個(gè)字節(jié)。該模塊輸出的模擬量可以是電壓信號(hào)，也可以是電流信號(hào)。其技術(shù)性能如表6-2所示。三.相關(guān)知識(shí)模擬量輸出模塊型號(hào)EM232模擬量輸出模塊總體特性外形尺寸：功耗：3W輸出特性本機(jī)輸出：2路模擬量輸出電源電壓：標(biāo)準(zhǔn)

4、DC 24V/4mA輸出類型：10V、020mA分辨率：12bit轉(zhuǎn)換速度：100s（電壓輸出），2ms（電流輸出）隔離：有耗電從CPU的DC 5V（I/O總線）耗電10mA接線端子M為DC24電源負(fù)極端，L+ 為電源正極端MO、VO、IO；M1、V1、I1分別為第1、2路模擬量輸出端電壓輸出時(shí)，“V”為電壓正端，“M”為電壓負(fù)端電流輸出時(shí)，“I”為電流的流入端，“M”為電流流出端表6-2 EM232的技術(shù)性能 模塊上部有7個(gè)端子，左端起的每3個(gè)點(diǎn)為一組，作為一路模擬量輸出，共兩組。第一組V0端接電壓負(fù)載、I0端接電流負(fù)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

5、、L+兩端接入DC24V供電電源。三.相關(guān)知識(shí)圖6-3 EM232模擬量輸出模塊端子接線 模擬量輸出模塊的分辨率通常以D/A轉(zhuǎn)換前待轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)數(shù)字量的位數(shù)表示，PLC運(yùn)算處理后的12位數(shù)字量信號(hào)（BIN數(shù)）在CPU中存放的格式如圖6-4所示。最高有效位是符號(hào)位：0表示正值數(shù)據(jù)，1表示負(fù)值數(shù)據(jù)。三.相關(guān)知識(shí)圖6-4EM231、EM235輸出數(shù)據(jù)格式 EM235具有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出，它的輸入信號(hào)可以是不同量程的電壓或電流。其電壓、電流的量程由開關(guān)SW1-SW6設(shè)定。EM235有1路模擬量輸出，其輸出可以是電壓，也可以是電流。三.相關(guān)知識(shí) 模擬量輸入輸出模塊三.相關(guān)知識(shí)型號(hào)EM23

6、5模擬量混合模塊總體特性外形尺寸：功耗：3W輸入特性本機(jī)輸入：4路模擬量輸入電源電壓：標(biāo)準(zhǔn)DC 24V/4mA輸入類型： 0-50mV、0-100mV、0-500mV、0-1V、0-5V、0-10V、0-20mA、25mV、50mV、100mV、250mV、500mV、1V、2.5V、5V、10V分辨率：12bit轉(zhuǎn)換速度：250s隔離：有輸出特性本機(jī)輸出：1路模擬量輸出電源電壓：標(biāo)準(zhǔn)DC 24V/4mA輸出類型：10V、0-20mA分辨率：12bit轉(zhuǎn)換速度：100s（電壓輸出），2ms（電流輸出）隔離：有耗電從CPU的DC 5V（I/O總線）耗電10mA表6-3 EM235的技術(shù)性能2.拓

7、展知識(shí) 三.相關(guān)知識(shí) 在過程控制中，經(jīng)常涉及到模擬量的控制，比如溫度、壓力和流量控制等。為了使控制系統(tǒng)穩(wěn)定準(zhǔn)確，要對(duì)模擬量進(jìn)行采樣檢測(cè)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。檢測(cè)的對(duì)象是被控物理量的實(shí)際數(shù)值，也稱為過程變量；用戶設(shè)定的調(diào)節(jié)目標(biāo)值，也稱為給定值?？刂葡到y(tǒng)對(duì)過程變量與給定值的差值進(jìn)行PID運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，形成對(duì)模擬量的控制作用。 PID回路表 在S7-200 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(gè)V變量存儲(chǔ)區(qū)地址開始的PID回路表、PID回路號(hào)。PID回路表提供了給定和反饋，以及PID參數(shù)等數(shù)據(jù)入口，PID運(yùn)算的結(jié)果也在回路表

8、輸出，見表6-4所示。三.相關(guān)知識(shí)偏移地址參數(shù)名數(shù)據(jù)格式類型描述0PVn雙字、實(shí)數(shù)輸入過程變量當(dāng)前值，應(yīng)在0.0-1.0之間4SPn輸入給定值，應(yīng)在0.0-1.0之間8Mn輸入/輸出輸出值，應(yīng)在0.0-1.0之間12輸入比例增益、常數(shù)、可正可負(fù)16輸入采樣時(shí)間，單位為s，應(yīng)為正數(shù)20輸入積分時(shí)間常數(shù)，單位為min，應(yīng)為正數(shù)24TD輸入微分時(shí)間常數(shù)，單位為min，應(yīng)為正數(shù)28MX輸入/輸出積分項(xiàng)前值，應(yīng)在0.0-1.0之間32輸入/輸出最近一次PID運(yùn)算的過程變量值表6-4 PID指令回路表 PID回路有兩個(gè)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(jīng)A/D轉(zhuǎn)換

9、和計(jì)算后得到的被控量的實(shí)測(cè)值。給定值與過程變量都是現(xiàn)實(shí)存在的值，對(duì)于不同的系統(tǒng)，它們的大小、范圍與工程單位有很大的區(qū)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(duì)這些量進(jìn)行運(yùn)算之前，還要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換。每次完成PID運(yùn)算后，都要更新回路表內(nèi)的輸出值 ，它被限制在0.0-1.0之間。從手動(dòng)控制切換到PID自動(dòng)控制方式時(shí)，回路表中的輸出值可以用來初始化輸出值。三.相關(guān)知識(shí) 增益 為正時(shí)為正作用回路，反之為反作用回路。如果不想要比例作用，應(yīng)將回路增益 設(shè)為0.0，對(duì)于增益為0.0的積分或微分控制，如果積分或微分時(shí)間為正，為正作用回路，反之為反作用回路。 如果使用積分控制，上一次的積

10、分值MX（積分和）要根據(jù)PID運(yùn)算的結(jié)果來更新，更新后的數(shù)值作為下一次運(yùn)算的輸入。MX也應(yīng)限制在0.01.0之間，每次PID運(yùn)算結(jié)束時(shí)，將MX寫入回路表，供下一次PID運(yùn)算使用。 PID控制器有4個(gè)主要的參數(shù) 需要整定。三.相關(guān)知識(shí) PID參數(shù)的整定方法 比例(P)部分與誤差在時(shí)間上是一致的，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就能及時(shí)地產(chǎn)生與誤差成正比的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)。比例系數(shù) 越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，但過大會(huì)使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)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(guān)系，只要誤差不為零，控制器的輸出就會(huì)因積分作用而不斷變化，一直要到誤差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，

11、積分部分才不再變化，因此積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是積分作用的動(dòng)作緩慢，滯后性強(qiáng)，可能給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性帶來不良影響。積分時(shí)間常數(shù) 增大時(shí)，積分作用減弱，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性可能有所改善，但是消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。 比例(P)部分與誤差在時(shí)間上是一致的，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就能及時(shí)地產(chǎn)生與誤差成正比的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)。比例系數(shù) 越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，但過大會(huì)使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。三.相關(guān)知識(shí) 微分(D)部分反映了被控量變化的趨勢(shì)，微分部分根據(jù)它提前給出較大的調(diào)節(jié)作用。它較比例調(diào)節(jié)更為及時(shí)，所以微分部分具有超前和預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。微分時(shí)間常數(shù) 增大時(shí)，可能

12、會(huì)使超調(diào)量減小，動(dòng)態(tài)性能得到改善，但是抑制高頻干擾的能力下降。如果 過大，系統(tǒng)輸出量可能出現(xiàn)頻率較高的振蕩。 為使采樣值能及時(shí)反映模擬量的變化， 越小越好。但是 太小會(huì)增加CPU的運(yùn)算工作量，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒有什么變化，所以也不宜將 取得過小。表6-5給出了過程控制中采樣周期的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。被控制量流量壓力溫度液位采樣周期 1-53-1015-206-8表6-5 采樣周期的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) PID回路控制指令 S7-200 PLC的PID指令沒有設(shè)置控制方式，執(zhí)行PID指令時(shí)為自動(dòng)方式；不執(zhí)行PID指令時(shí)為手動(dòng)方式。PID指令的功能是進(jìn)行PID運(yùn)算。 當(dāng)PID指令的允許輸入EN有效時(shí)，即進(jìn)行手動(dòng)/

13、自動(dòng)控制切換，開始執(zhí)行PID指令。為了保證在切換過程中無擾動(dòng)、無沖擊，在轉(zhuǎn)換前必須把當(dāng)前的手動(dòng)控制輸出值寫入回路表的參數(shù) 。并對(duì)回路表內(nèi)的值進(jìn)行下列操作： 使 （給定值）= （過程變量）。 使 （前一次過程變量）= （過程變量的當(dāng)前值）。 使MX（積分和）= （輸出值）。三.相關(guān)知識(shí)圖6-5 PID梯形圖符號(hào)在一個(gè)應(yīng)用程序中，最多可以使用8個(gè)PID控制回路，一個(gè)PID控制回路只能使用1條PID指令，不同的PID指令不能使用相同的回路編號(hào)。1.設(shè)計(jì)思路 通過首次掃描調(diào)用子程序的方式，初始化PID參數(shù)表并為PID運(yùn)算設(shè)置時(shí)間間隔（定時(shí)中斷）。PID參數(shù)表的首址為VD100，定時(shí)中斷事件為10，子程

14、序編號(hào)為0。 通過定時(shí)中斷每隔100ms調(diào)用一次中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中，采樣被控量的水位值并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后送入PID參數(shù)表，若系統(tǒng)處于手動(dòng)工作狀態(tài)，則做好切換到自動(dòng)工作方式時(shí)的準(zhǔn)備（將手動(dòng)時(shí)水泵轉(zhuǎn)速的給定值經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后送PID參數(shù)表作為輸出值和積分和，將手動(dòng)時(shí)的水位值標(biāo)準(zhǔn)化后送PID參數(shù)表作為反饋量前值）；若系統(tǒng)為自動(dòng)工作狀態(tài)，則執(zhí)行PID運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成工程量后送模擬量輸出寄存器，通過D/A轉(zhuǎn)換以控制水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)水位恒定控制要求。五、任務(wù)實(shí)施五、任務(wù)實(shí)施2.設(shè)計(jì)程序 根據(jù)控制要求，在計(jì)算機(jī)中編寫程序，水箱水位PLC控制系統(tǒng)的梯形圖主程序如圖6-7所示，子程序如圖6-8

15、所示，定時(shí)中斷子程序如圖6-9、圖6-10所示。圖6-7 水箱水位控制主程序五、任務(wù)實(shí)施圖6-9 水箱水位控制中斷服務(wù)子程序（讀水位值、自動(dòng)啟動(dòng)PID運(yùn)算）五、任務(wù)實(shí)施圖6-10 水箱水位控制中斷服務(wù)子程序（手動(dòng)控制結(jié)果存入PID參數(shù)表）3.安裝配線 根據(jù)控制要求，在計(jì)算機(jī)中編寫程序，水箱水位PLC控制系統(tǒng)的梯形圖主程序如圖6-7所示，子程序如圖6-8所示，定時(shí)中斷子程序如圖6-9、圖6-10所示。4.運(yùn)行調(diào)試 連接好PLC輸入輸出接線，啟動(dòng)STEP7 Micro/WIN32編程軟件。 打開狀態(tài)表編輯器，錄入VD100，VD104，VD108，VD120，VD124，VD128，VD132，I

16、0.0，I0.1，Q0.0，并使其進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。 通過強(qiáng)制操作I0.1，使Q0.0得電，將變頻器接入電源。調(diào)節(jié)電位器旋鈕，使變頻器頻率由0上升，水泵轉(zhuǎn)速逐漸上升，水箱水位逐步提高。觀察水位上升過程中，VD100、VD108、VD128、VD132各存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)的變化情況。 待水箱水位接近75%滿水位時(shí)，強(qiáng)制I0.0得電，使系統(tǒng)進(jìn)入PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制狀態(tài)。加大或減小水箱出水量，觀察系統(tǒng)各量的變化過程。 通過寫操作，分別改變?cè)鲆妗⒎e分時(shí)間常數(shù)的大小，觀察系統(tǒng)的運(yùn)行效果。五、任務(wù)實(shí)施六、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)名稱：水箱水位控制系統(tǒng)的編程與實(shí)現(xiàn) 組別：項(xiàng)目配分考核要求扣分標(biāo)準(zhǔn)扣分記錄得分設(shè)備安裝30分(1)會(huì)分

17、配端口、畫I/O接線圖(2)按圖完整、正確及規(guī)范接線(3)按照要求編號(hào)(1)不能正確分配端口，扣5分，畫錯(cuò)I/O接線圖，扣5分(2)錯(cuò)、漏線，每處扣2分(3)錯(cuò)、漏編號(hào)，每處扣1分編程操作30分(1)會(huì)采用時(shí)序波形圖法設(shè)計(jì)程序(2) 正確輸入梯形圖(3) 正確保存文件(4) 會(huì)轉(zhuǎn)換梯形圖(5)會(huì)傳送程序(1)不能設(shè)計(jì)出程序或設(shè)計(jì)錯(cuò)誤扣10分(2) 輸入梯形圖錯(cuò)誤每處扣2分(3) 保存文件錯(cuò)誤扣4分(4) 轉(zhuǎn)換梯形圖錯(cuò)誤扣4分(5)傳送程序錯(cuò)誤扣4分運(yùn)行操作30分 (1)運(yùn)行系統(tǒng)，分析操作結(jié)果(2)正確監(jiān)控梯形圖(1) 系統(tǒng)通電操作錯(cuò)誤每步扣3分(2)分析操作結(jié)果錯(cuò)誤每處扣2分(3)監(jiān)控梯形圖錯(cuò)

18、誤扣4分安全、文明工作10分(1)安全用電，無人為損壞儀器、元件和設(shè)備(2)保持環(huán)境整潔，秩序井然，操作習(xí)慣良好(3)小組成員協(xié)作和諧，態(tài)度正確(4)不遲到、早退、曠課(1)發(fā)生安全事故，扣10分(2)人為損壞設(shè)備、元器件，扣10分(3)現(xiàn)場(chǎng)不整潔、工作不文明，團(tuán)隊(duì)不協(xié)作，扣5分(4)不遵守考勤制度，每次扣25分 總 分六、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) 肉類罐頭食品的殺菌溫度一般是121 ，到達(dá)此溫度后就開始恒溫運(yùn)行。溫度低于此值達(dá)不到滅菌效果，而高于此值又會(huì)出現(xiàn)焦糊變色影響品質(zhì)，如采用電磁閥作為蒸汽進(jìn)氣閥，因其不能控制開度待測(cè)溫電阻感測(cè)到設(shè)定值時(shí)罐內(nèi)的整體溫度是否已超過設(shè)定值，控制溫度的曲線就會(huì)出現(xiàn)如圖6-11所示的超標(biāo)振蕩現(xiàn)象。為了避免這